摘? 要: 提出一種基于OFDM的電力線寬帶高速通信系統" title="通信系統">通信系統的實現方案,討論了OFDM應用于電力線載波通信的原理,探討了通信系統調制解調" title="調制解調">調制解調部分的硬件實現和軟件流程,并對其關鍵的FFT算法進行了優化。
關鍵詞: 電力線載波 DSP OFDM FFT
??? 利用電力線作為信道進行通信,是解決“最后一公里”問題的一個很好的方法。然而電力線作為通信信道,存在著高噪聲、多徑效應和衰落的特點。OFDM技術能夠在抗多徑干擾、信號衰減的同時保持較高的數據傳輸速率,在具體實現中還能夠利用離散傅立葉變換簡化調制解調模塊的復雜度,因此它在電力線高速通信系統中的應用有著非常樂觀的前景。文中給出一種基于正交頻分復用技術(OFDM技術)的調制解調器的設計方案。
1 OFDM原理
OFDM全稱為正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing),其基本思想是把高速數據流經過串/并變換,分成幾個低比特率的數據流,經過編碼、交織,它們之間具有一定的相關性,然后用這些低速率的數據流調制多個正交的子載波并迭加在一起構成發送信號。每個數據流僅占用帶寬的一部分,系統由許多子載波組成。在接收端用同樣數量的載波對發送信號進行相干接收,獲得低速率信息數據后,再通過并/串變換得到原來的高速信號。從而降低子載波上的碼率,加長碼元的持續時間,加強時延擴展的抵抗力。
在OFDM中,為了提高頻帶利用率,令各載波上的信號頻譜相互重疊,但載波間隔的選擇要使這些載波在整個符號周期上正交,即相加于符號周期上的任何兩個子載波乘積為零。這樣,即使各載波上的信號頻譜間存在重疊,也能無失真復原。當載波間最小間隔等于符號周期的倒數的整數倍時,可滿足正交性條件。實際上為實現最大頻譜效率,一般取載波間最小間隔等于符號周期的倒數。
OFDM允許各載波間頻率互相混疊,采用了基于載波頻率正交的IFFT/FFT調制,直接在基帶處理。1971年,Weinstein和Ebert將DFT引入到并行傳輸系統的調制解調部分。應用時去掉了頻分復用所需要的子載波振蕩器組、解調部分的帶通濾波器組,并且可以利用FFT的專用器件實現全數字化的調制解調過程。
OFDM技術具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、易于實現等優點,尤其適于多徑效應嚴重的寬帶傳輸系統,是一門具有發展前景、非常適合電力線高速數字通信的新興技術。
2 電力線載波通信系統結構
Homeplug是工業界第一個電力線家庭網絡標準。系統參考Homeplug采用的頻譜范圍4.5MHz~21MHz,并在Homeplug物理參數的基礎上確定本系統參數為:
采樣頻率fs=1/T = 15MHz
數據符號時間Td = 256×T=17.07μs
循環前綴" title="循環前綴">循環前綴時間Tcp = 172×T=11.47μs
OFDM符號時間Ts = 428×T=28.5μs
數據子載波數為256
子載波間隔Δf=1/Td=0.05858MHz
總子載波占用帶寬? N×Δf=15MHz
由于加入了11.47μs的循環前綴,系統可以消除11.47μs以內的回波干擾。但是同時也付出頻帶利用率僅0.59B/Hz和損失功率2.23dB的代價?？紤]到電力線惡劣的通信環境,付出的代價是值得的。
電力線高速通信系統的系統結構如圖1所示。輸入數據在OFDM信號調制部分依次經過串/并變換、IFFT、加入循環前綴、并/串變換后,輸出調制后的信號,其頻帶范圍為0~15MHz、數據速率為8.97MB。經過調制的信號經過數/模變換和上變頻后,通過系統耦合部分進入電力線。
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電力線上的信號通過系統耦合部分,輸出的信號通過下變頻、模/數變換后輸入給OFDM信號解調部分。在經過串/并變換、去除循環前綴、FFT、并/串變換后,輸出串行數據流。
3 OFDM調制解調器的硬件實現
基于TMS320C6201的OFDM調制解調器的硬件實現分別如圖2和圖3[1]所示。PCI總線實現OFDM系統和計算機之間的通信。S5933是32bit PCI控制器。FPGA是系統的控制核心,系統的邏輯控制信號及時鐘由FPGA提供。DSP部分為系統的核心,完成OFDM的調制與解調。
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PCI總線是寬度為32bits或64bits的地址數據復用線,支持猝發傳輸,數據率為132Mbps,可滿足高速數據要求。PCI總線能自動配置參數,定義配置空間,使設備具備自動配置功能,支持即插即用,采用多路復用技術,支持多處理器64位尋址、5V和3.3V環境。其獨特的同步操作及對總線主控功能,可確保CPU能與總線同步操作,而無需等待總線完成任務。
S5933是AMCC(Applied Micro Circuits Corporation)公司開發的32bit PCI控制器,具備強大、靈活的PCI接口功能,適用于高速數據傳輸場合。S5933芯片的特點是符合PCI2.1規范,支持PCI主、從兩種工作方式" title="工作方式">工作方式,支持多種數據傳輸方式,適用于不同的數據傳輸場合,支持PCI全速傳輸,提供8/16/32bit的Add-On用戶總線,有高低字節順序調整功能,支持穿行和并行的BOOT/POST碼功能,160腳PQFP封裝。
DSP部分選用TI公司的TMS320C6201。TMS320C6201有32位的外部存儲接口EMIF,為CPU訪問外圍設備提供了無縫接口。為了便于多信道數字信號處理,TMS320C6201配備了多信道帶緩沖能力的串口" title="串口">串口McBSP。McBSP的功能非常強大,除具有一般DSP串口功能之外,還可以支持T1/E1、ST-BUS、IOM2、SPI、IIS等不同標準。TMS32C6201提供的16位主機接口(HPI)使得主機設備可以直接訪問DSP的存儲空間。通過內部或外部存儲空間,主機可以與DSP交換信息,也可以利用HPI直接訪問映射進存儲空間的外圍設備。TMS320C6201的DMA控制器有四個獨立的可編程通道,可以同時進行四種不同的DMA操作。
4 OFDM在DSP上的軟件實現
調制部分的子程序被系統調用前,發送的數據已裝入數據存儲器。子程序被調用時,數據區的首地址以及長度被作為入口參數傳遞給子程序。程序執行時首先進行一系列的配置工作,如配置DSP片內外設以及數模轉換器的各種參數等。之后,串口中斷產生,中斷服務程序自動依次讀取發送存儲器中的內容,經串口輸出給數模轉換器。然后程序從數據存儲區讀取一幀數據,并行放入IFFT工作區的相應位置,隨后進行IFFT以及加入循環前綴(即復制數據的后若干位插入到數據的前段)。所得數據存入發送存儲器以便中斷服務程序將其輸出。
解調部分的程序首先執行DSP片內外設以及模數轉換器的配置,然后開串行口,接收中斷,使接收中斷程序接收來自模數轉換器的采樣數據,并將采樣數據依次存入接收存儲器。每得到一幀數據,程序首先去除循環前綴(即刪去數據的前若干位),然后對去除循環前綴后的數據進行FFT變換。
5 FFT在TMS320C6201上的優化算法
表1給出256點Radix2FFT和Radix4FFT在TMS320
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C6201上所需的指令周期,以及在不同的工作頻率下完成FFT所需的時間。
由表1可以看出,在TMS320C6201上采用Raidx4算法比采用Radix2算法更加高效。并且,為了滿足系統需求,即在17.07μs之內完成256個復數點的FFT運算,TMS320C6201必須采用200MHz的工作頻率。
TMS320C6201的數據通路和流水線工作方式是對算法進行優化從而獲得高性能的基礎。TMS320C6201有兩個可以進行數據處理的數據通路A和B[2],每個通路有4個功能單元(.L.S.M.D)和一個包括16個32位寄存器的寄存器組。功能單元執行邏輯、位移、乘法、加法和數據尋址等操作。兩個數據尋址單元(.D1和.D2)專門負責寄存器組和存儲器之間的數據傳遞。在同一時刻,這些功能單元能夠并行地執行多條指令。TMS320C6201對任何指令的操作都能分為幾個子操作,每個子操作由不同單元完成。對每個單元來說,每個時鐘周期可進入一條新指令,這樣在不同周期內,不同單元可以處理不同的指令,這種工作方式稱為“流水線”工作方式。TMS320C6201的特殊結構,可使8條指令同時通過流水線的每個節拍,從而大大提高了機器的吞吐量。
為使代碼達到最大效率,程序將盡可能將指令安排為并行執行。為使指令并行操作,程序確定指令間的相關性,即一條指令必須發生在另一條指令之后。根據TMS320C6201的數據通路和流水線工作方式,在此給出一種高效實現16點Radix4FFT的方法。其基本思想是分解傳統的FFT蝶型算法循環體,將其分別展開在A、B通路內計算兩個FFT蝶型算法。每個蝶型算法分別只分配自己這一側的寄存器組和功能單元。這樣在循環體內兩個蝶型算法是完全不相關的,能夠并行執行。下面給出基于C.S.Burrus和T.W.Parks的Radix4FFT算法[3]的優化算法的代碼實現。
void radix4(int n, short x[], short w[])
{
???? ?? int n1, n2, ie, wa1, wa2, wa3, wb1, wb2, wb3, ia0, ia1, ia2, ia3, ib0, ib1, ib2, ib3, j, k;?????? short ta, tb, ra1, ra2, rb1, rb2, sa1, sa2, sb1, sb2, coa1, coa2, coa3, cob1,cob2, cob3, sia1, sia2, sia3, sib1, sib2, sib3；
?????? n2=n；
?????? ie=1；
?????? for(k=n；k>1；k>>=2)
? { ???????????????? //number of stage
? n1=n2；?????????????????????????????
? n2>>=2； ?????? //distance between input datas
? wa1=0；
? for(j=0；j ????????????? wb1=wa1+ie； ????????????? wa2=wa1+wa1； ????????????? wb2=wb1+wb1； ?????? //since here,most of the folowering two instructions are parallel ??????????wa3=wa2+wa1； ????????????? wb3=wb2+wb1； ???????????????????? ?????????????????? ????????????? coa1=w[wa1*2+1]； ????????????? cob1=w[wb1*2+1]； ???????? ?? ????????????? sia1=w[wa1*2]； ????????????? sib1=w[wb1*2]； ???????????????????? ?? ????????????? coa2=w[wa2*2+1]； ????????????? cob2=w[wb2*2+1]； ? ? ????????????? sia2=w[wa2*2]； ????????????? sib2=w[wb2*2]；??????????????? ? ????????????? coa3=w[wa3*2+1]； ????????????? cob3=w[wb3*2+1]； ???????? ? ????????????? sia3=w[wa3*2]； ????????????? sib3=w[wb3*2]；???????? ????????????? wa1=wb1+ie； ???? for(ia0=j, ib0=j+1； ia0 {//loop of two butterflies caculation ???????????????????? ia1=ia0+n2； ???????????????????? ib1=ib0+n2；??????????????? ???????????????????? ia2=ia1+n2； ???????????????????? ib2=ib1+n2；??????????????? ???????????????????? ia3=ia2+n2； ???????????????????? ib3=ib2+n2；???????? ???????????????????? ra1=x[2*ia0]+x[2*ia2]； ????????????? ?????? rb1=x[2*ib0]+x[2*ib2]；????? ???????????????????? ra1=x[2*ia0]-x[2*ia2]； ???????????????????? rb1=x[2*ib0]-x[2*ib2]； ???????????????????? ta=x[2*ia1]+x[2*ia3]； ???????????????????? tb=x[2*ib1]+x[2*ib3]； ???????????????????? x[2*ia0]=ra1+ta；????????????? ?// x[2*ia0] ???????????????????? x[2*ib0]=rb1+tb；????????????? ?// x[2*ia0] ???????????????????? ra1=ra1-ta； ???????????????????? rb1=rb1-tb；?????????????????????? ???????????????????? sa1=x[2*ia0+1]+x[2*ia2+1]； ???????????????????? sb1=x[2*ib0+1]+x[2*ib2+1]；???? ???????????????????? sa2=x[2*ia0+1]-x[2*ia2+1]； ???????????????????? sb2=x[2*ib0+1]-x[2*ib2+1]； ???????????????????? ta=x[2*ia1+1]+x[2*ia3+1]； ???????????????????? tb=x[2*ib1+1]+x[2*ib3+1]； ???????????????????? x[2*ia0+1]=sa1+ta；???? ???????????????????? x[2*ib0+1]=sb1+tb；??? ???????????????????? sa1=sa1-ta； ???????????????????? sb1=sb1-tb； ???????????????????? x[2*ia2]=(ra1*coa2+sa1*sia2)>>15； ???????????????????? x[2*ib2]=(rb1*cob2+sb2*sib2)????? ?>>15； ???????????????????? x[2*ia2+1]=(sa1*coa2-ra1*sia2)??? ?>>15； ???????????????????? x[2*ib2+1]=(sb1*cob2-rb1*sib2)???? >>15； ???????????????????? ta=x[2*ia1+1]-x[2*ia3+1]； ???????????????????? ra1=ra2+ta； ???????????????????? rb1=rb2+tb； ???????????????????? ra2=ra2-ta； ???????????????????? rb2=rb2-tb； ???????????????????? ta=x[2*ia1]-x[2*ia3]； ???????????????????? tb=x[2*ib1]-x[2*ib3]； ???????????????????? sa1=sa2-ta； ???????????????????? sb1=sb2-tb； ???????????????????? sa2=sa2+ta； ???????????????????? sb2=sb2+tb； ???????????????????? x[2*ia1]=(ra1*coa1+sa1*sia1)????? ?>>15； ???????????????????? x[2*ib1]=(rb1*cob1+sb1*sib1)???? >>15； ???????????????????? x[2*ia1+1]=(sa1*coa1-ra1*sia1)?? >>15； ???????????????????? x[2*ib1+1]=(sb1*cob1-rb1*sib1)? >>15； ???????????????????? x[2*ia3]=(ra2*coa3+sa2*sia3)???? ? >>15； ???????????????????? x[2*ib3]=(rb2*cob3+sb2*sib3)????? ?>>15； ???????????????????? x[2*ia3+1]=(sa2*coa3-ra2*sia3)??? ?>>15； ???????????????????? x[2*ib3+1]=(sb2*cob3-rb2*sib3)???? >>15； ???????????????????? } ????????????? } ?????? ie <<=2； ?????? } } ? 參考文獻 1 Interfacing the TMS320C6000 EMIF to a PCI Bus Using?the AMCC S5933 PCI Controller. Texas Instrument Application Report, September 2001 2 任麗香,馬淑芬,李方慧. TMS320C6000系列DSPs的原理與應用. 北京:電子工業出版社,2000 3 C.S.Burrus, T.W.Parks. DFT/FFT and Convolution Algorithms and Implemention. John Wiley & Sons, New York, ? 1985 4 汪曉巖,易皓涌,樊昊,孫榮久.OFDM技術及其在電力線通信的應用.電力系統通信,2001;(1)