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基于DSP的電力線載波OFDM調(diào)制解調(diào)器
摘要：提出一種基于ＯＦＤＭ的電力線寬帶高速通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案?討論了ＯＦＤＭ應(yīng)用于電力線載波通信的原理，探討了通信系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)部分的硬件實(shí)現(xiàn)和軟件流程，并對(duì)其關(guān)鍵的ＦＦＴ算法進(jìn)行了優(yōu)化。關(guān)鍵詞：電力線載波 ＤＳＰ ＯＦＤＭ ＦＦＴ
利用電力線作為信道進(jìn)行通信?是解決“最后一公里”問題的一個(gè)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(yīng)和衰落的特點(diǎn)。ＯＦＤＭ技術(shù)能夠在抗多徑干擾、信號(hào)衰減的同時(shí)保持較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，在具體實(shí)現(xiàn)中還能夠利用離散傅立葉變換簡化調(diào)制解調(diào)模塊的復(fù)雜度，因此它在電力線高速通信系統(tǒng)中的應(yīng)用有著非常樂觀的前景。文中給出一種基于正交頻分復(fù)用技術(shù)（ＯＦＤＭ技術(shù)）的調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)方案。
１ ＯＦＤＭ原理
ＯＦＤＭ全稱為正交頻分復(fù)用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ），其基本思想是把高速數(shù)據(jù)流經(jīng)過串／并變換，分成幾個(gè)低比特率的數(shù)據(jù)流，經(jīng)過編碼、交織，它們之間具有一定的相關(guān)性，然后用這些低速率的數(shù)據(jù)流調(diào)制多個(gè)正交的子載波并迭加在一起構(gòu)成發(fā)送信號(hào)。每個(gè)數(shù)據(jù)流僅占用帶寬的一部分，系統(tǒng)由許多子載波組成。在接收端用同樣數(shù)量的載波對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行相干接收，獲得低速率信息數(shù)據(jù)后，再通過并／串變換得到原來的高速信號(hào)。從而降低子載波上的碼率，加長碼元的持續(xù)時(shí)間，加強(qiáng)時(shí)延擴(kuò)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(hào)頻譜相互重疊，但載波間隔的選擇要使這些載波在整個(gè)符號(hào)周期上正交，即相加于符號(hào)周期上的任何兩個(gè)子載波乘積為零。這樣，即使各載波上的信號(hào)頻譜間存在重疊，也能無失真復(fù)原。當(dāng)載波間最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，可滿足正交性條件。實(shí)際上為實(shí)現(xiàn)最大頻譜效率，一般取載波間最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)。
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(diào)制，直接在基帶處理。１９７１年，Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ和Ｅｂｅｒｔ將ＤＦＴ引入到并行傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分。應(yīng)用時(shí)去掉了頻分復(fù)用所需要的子載波振蕩器組、解調(diào)部分的帶通濾波器組，并且可以利用ＦＦＴ的專用器件實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的調(diào)制解調(diào)過程。
ＯＦＤＭ技術(shù)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適于多徑效應(yīng)嚴(yán)重的寬帶傳輸系統(tǒng)，是一門具有發(fā)展前景、非常適合電力線高速數(shù)字通信的新興技術(shù)。
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２ 電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Ｈｏｍｅｐｌｕｇ是工業(yè)界第一個(gè)電力線家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)參考Ｈｏｍｅｐｌｕｇ采用的頻譜范圍４．５ＭＨｚ～２１ＭＨｚ，并在Ｈｏｍｅｐｌｕｇ物理參數(shù)的基礎(chǔ)上確定本系統(tǒng)參數(shù)為：
采樣頻率ｆｓ＝１／Ｔ ＝ １５ＭＨｚ
數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)間Ｔｄ ＝ ２５６×Ｔ＝１７．０７μｓ
循環(huán)前綴時(shí)間Ｔｃｐ ＝ １７２×Ｔ＝１１．４７μｓ
ＯＦＤＭ符號(hào)時(shí)間Ｔｓ ＝ ４２８×Ｔ＝２８．５μｓ
數(shù)據(jù)子載波數(shù)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(huán)前綴，系統(tǒng)可以消除１１．４７μｓ以內(nèi)的回波干擾。但是同時(shí)也付出頻帶利用率僅０．５９Ｂ／Ｈｚ和損失功率２．２３ｄＢ的代價(jià)�？紤]到電力線惡劣的通信環(huán)境，付出的代價(jià)是值得的。
電力線高速通信系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖１所示。輸入數(shù)據(jù)在ＯＦＤＭ信號(hào)調(diào)制部分依次經(jīng)過串／并變換、ＩＦＦＴ、加入循環(huán)前綴、并／串變換后，輸出調(diào)制后的信號(hào)，其頻帶范圍為０～１５ＭＨｚ、數(shù)據(jù)速率為８．９７ＭＢ。經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)經(jīng)過數(shù)／模變換和上變頻后，通過系統(tǒng)耦合部分進(jìn)入電力線。
電力線上的信號(hào)通過系統(tǒng)耦合部分，輸出的信號(hào)通過下變頻、模／數(shù)變換后輸入給ＯＦＤＭ信號(hào)解調(diào)部分。在經(jīng)過串／并變換、去除循環(huán)前綴、ＦＦＴ、并／串變換后，輸出串行數(shù)據(jù)流。
３ ＯＦＤＭ調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)
基于ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＯＦＤＭ調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)分別如圖２和圖３?１?所示。ＰＣＩ總線實(shí)現(xiàn)ＯＦＤＭ系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)之間的通信。Ｓ５９３３是３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器。ＦＰＧＡ是系統(tǒng)的控制核心，系統(tǒng)的邏輯控制信號(hào)及時(shí)鐘由ＦＰＧＡ提供。ＤＳＰ部分為系統(tǒng)的核心，完成ＯＦＤＭ的調(diào)制與解調(diào)。
ＰＣＩ總線是寬度為３２ｂｉｔｓ或６４ｂｉｔｓ的地址數(shù)據(jù)復(fù)用線，支持猝發(fā)傳輸，數(shù)據(jù)率為１３２Ｍｂｐｓ，可滿足高速數(shù)據(jù)要求。ＰＣＩ總線能自動(dòng)配置參數(shù)，定義配置空間，使設(shè)備具備自動(dòng)配置功能，支持即插即用，采用多路復(fù)用技術(shù)，支持多處理器６４位尋址、５Ｖ和３．３Ｖ環(huán)境。其獨(dú)特的同步操作及對(duì)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(wù)。
Ｓ５９３３是ＡＭＣＣ?Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｉｃｒｏ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ?公司開發(fā)的３２ｂｉｔ ＰＣＩ控制器，具備強(qiáng)大、靈活的ＰＣＩ接口功能，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸場合。Ｓ５９３３芯片的特點(diǎn)是符合ＰＣＩ２．１規(guī)范，支持ＰＣＩ主、從兩種工作方式，支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式，適用于不同的數(shù)據(jù)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(jié)順序調(diào)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(chǔ)接口ＥＭＩＦ，為ＣＰＵ訪問外圍設(shè)備提供了無縫接口。為了便于多信道數(shù)字信號(hào)處理，ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１配備了多信道帶緩沖能力的串口ＭｃＢＳＰ。ＭｃＢＳＰ的功能非常強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)。ＴＭＳ３２Ｃ６２０１提供的１６位主機(jī)接口（ＨＰＩ）使得主機(jī)設(shè)備可以直接訪問ＤＳＰ的存儲(chǔ)空間。通過內(nèi)部或外部存儲(chǔ)空間，主機(jī)可以與ＤＳＰ交換信息，也可以利用ＨＰＩ直接訪問映射進(jìn)存儲(chǔ)空間的外圍設(shè)備。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的ＤＭＡ控制器有四個(gè)獨(dú)立的可編程通道，可以同時(shí)進(jìn)行四種不同的ＤＭＡ操作。
４ ＯＦＤＭ在ＤＳＰ上的軟件實(shí)現(xiàn)
調(diào)制部分的子程序被系統(tǒng)調(diào)用前，發(fā)送的數(shù)據(jù)已裝入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。子程序被調(diào)用時(shí)，數(shù)據(jù)區(qū)的首地址以及長度被作為入口參數(shù)傳遞給子程序。程序執(zhí)行時(shí)首先進(jìn)行一系列的配置工作，如配置ＤＳＰ片內(nèi)外設(shè)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的各種參數(shù)等。之后，串口中斷產(chǎn)生，中斷服務(wù)程序自動(dòng)依次讀取發(fā)送存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，經(jīng)串口輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器。然后程序從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)讀取一幀數(shù)據(jù)，并行放入ＩＦＦＴ工作區(qū)的相應(yīng)位置，隨后進(jìn)行ＩＦＦＴ以及加入循環(huán)前綴（即復(fù)制數(shù)據(jù)的后若干位插入到數(shù)據(jù)的前段）。所得數(shù)據(jù)存入發(fā)送存儲(chǔ)器以便中斷服務(wù)程序?qū)⑵漭敵觥?/p>
解調(diào)部分的程序首先執(zhí)行ＤＳＰ片內(nèi)外設(shè)以及模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)依次存入接收存儲(chǔ)器。每得到一幀數(shù)據(jù)，程序首先去除循環(huán)前綴（即刪去數(shù)據(jù)的前若干位），然后對(duì)去除循環(huán)前綴后的數(shù)據(jù)進(jìn)行ＦＦＴ變換。
圖3 OFDM調(diào)制解調(diào)器電路原理圖
５ ＦＦＴ在ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１上的優(yōu)化算法
表１給出２５６點(diǎn)Ｒａｄｉｘ２ＦＦＴ和Ｒａｄｉｘ４ＦＦＴ在ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１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(shí)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(tǒng)需求，即在１７．０７μｓ之內(nèi)完成２５６個(gè)復(fù)數(shù)點(diǎn)的ＦＦＴ運(yùn)算，ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１必須采用２００ＭＨｚ的工作頻率。
表1 6201上實(shí)現(xiàn)256點(diǎn)FFT所需的時(shí)間
ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式是對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化從而獲得高性能的基礎(chǔ)。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１有兩個(gè)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)通路Ａ和Ｂ?２?，每個(gè)通路有４個(gè)功能單元（．Ｌ．Ｓ．Ｍ．Ｄ）和一個(gè)包括１６個(gè)３２位寄存器的寄存器組。功能單元執(zhí)行邏輯、位移、乘法、加法和數(shù)據(jù)尋址等操作。兩個(gè)數(shù)據(jù)尋址單元（．Ｄ１和．Ｄ２）專門負(fù)責(zé)寄存器組和存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳遞。在同一時(shí)刻，這些功能單元能夠并行地執(zhí)行多條指令。ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１對(duì)任何指令的操作都能分為幾個(gè)子操作，每個(gè)子操作由不同單元完成。對(duì)每個(gè)單元來說，每個(gè)時(shí)鐘周期可進(jìn)入一條新指令，這樣在不同周期內(nèi)，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(jié)構(gòu)，可使８條指令同時(shí)通過流水線的每個(gè)節(jié)拍，從而大大提高了機(jī)器的吞吐量。
為使代碼達(dá)到最大效率，程序?qū)⒈M可能將指令安排為并行執(zhí)行。為使指令并行操作，程序確定指令間的相關(guān)性，即一條指令必須發(fā)生在另一條指令之后。根據(jù)ＴＭＳ３２０Ｃ６２０１的數(shù)據(jù)通路和流水線工作方式，在此給出一種高效實(shí)現(xiàn)１６點(diǎn)Ｒａｄｉｘ４ＦＦＴ的方法。其基本思想是分解傳統(tǒng)的ＦＦＴ蝶型算法循環(huán)體，將其分別展開在Ａ、Ｂ通路內(nèi)計(jì)算兩個(gè)ＦＦＴ蝶型算法。每個(gè)蝶型算法分別只分配自己這一側(cè)的寄存器組和功能單元。這樣在循環(huán)體內(nèi)兩個(gè)蝶型算法是完全不相關(guān)的，能夠并行執(zhí)行。下面給出基于Ｃ．Ｓ．Ｂｕｒｒｕｓ和Ｔ．Ｗ．Ｐａｒｋｓ的Ｒａｄｉｘ４ＦＦＴ算法?３?的優(yōu)化算法的代碼實(shí)現(xiàn)。
ｖｏｉｄ ｒａｄｉｘ４?ｉｎｔ ｎ? ｓｈｏｒｔ ｘ??? ｓｈｏｒｔ ｗ???
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ｉｎｔ ｎ１? ｎ２? ｉｅ? ｗａ１? ｗａ２? ｗａ３? ｗｂ１? ｗｂ２? ｗｂ３? ｉａ０? ｉａ１? ｉａ２? ｉａ３? ｉｂ０? ｉｂ１? ｉｂ２?
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ｓｈｏｒｔ ｔａ? ｔｂ? ｒａ１? ｒａ２? ｒｂ１? ｒｂ２? ｓａ１? ｓａ２? ｓｂ１? ｓｂ２? ｃｏａ１? ｃｏａ２? ｃｏａ３? ｃｏｂ１?
ｃｏｂ２? ｃｏｂ３? ｓｉａ１? ｓｉａ２? ｓｉａ３? ｓｉｂ１? ｓｉｂ２? ｓｉｂ３?
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ｆｏｒ?ｋ＝ｎ?ｋ＞１?ｋ＞＞＝２?
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ｎ１＝ｎ２?
ｎ２＞＞＝２? ／／ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｉｎｐｕｔ ｄａｔａｓ
ｗａ１＝０?
ｆｏｒ?ｊ＝０?ｊ＜ｎ２?ｊ＋＝２?? ／／ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｂｕｔｔｅｒｆｉｅｓ ｐｅｒｓｔａｇｅ
ｗｂ１＝ｗａ１＋ｉｅ?
ｗａ２＝ｗａ１＋ｗａ１?
ｗｂ２＝ｗｂ１＋ｗｂ１? ／／ｓｉｎｃｅ ｈｅｒｅ?ｍｏｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｌｏｗ－
ｅｒｉｎｇ ｔｗｏ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｐａｒａｌｌｅｌ
ｗａ３＝ｗａ２＋ｗａ１?
ｗｂ３＝ｗｂ２＋ｗｂ１?
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ｉａ１＝ｉａ０＋ｎ２?
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