COFDM运用于载波通信传输模块的DSP实现
摘 要:较详细介绍了OFDM原理及编码技术,分析表明COFDM调制技术运用于电力载波帮写电力论文通信可显著提高传输速率,明显降低误码率,保证可靠性。给出COFDM载波系统的数据传输流程和基于16位定点DSP-TMS320VC5410的模块化设计,并实现了使用COFDM技术的新型高速数字载波通信传输模块。同时给出了详细的硬件构成和实现。
关键词:电力线通信; COFDM; DSP; CPLD
DSP Realization of High Speed Carrier Wave CommunicationModule Using COFDM Technology
Abstract:This paper introduces the OFDMtheory and its coding technology http://www.51lunwen.org/dianli/in details. The advantage of Coded Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing (COFDM) modulating technology in power carrier communication is analyzed. Using COFDMas car-riermodulation technology, communication velocity becomes quicker, BER is reduced, and high reliability is achieved. Datatransferflow of the corresponding COFDM carrier system is presented. The module design based on 16-bit fixed point DSP-TMS320VC5410 is put forward and the newhigh-speed digital carrier communication module using COFDMtechnology is realized.At the same time, detailed hardware composition and realization are also presented in this paper.
Key words:PLC; COFDM; DSP; CPLD
引 言经过50多年的发展,40~500 kHz频带内电力载波通信已成为电力系统运行、控制和管理中应最广泛的一种重要工具。随着近年电力事业的迅发展,特别是无人值守变电站的兴起,电力系统对时监控的要求越来越高,发电厂、变电站、中心调之间需交换大量语音、远动、图像、保护信息,因而对电力通信的要求更高。基于编码正交频分复用(COFDM)调制技术的波机使用数据压缩、数据编码等技术处理信号,再过正交频分复用(OFDM)调制方式在电力线上传高频信号,在接受端恢复信号。该方式传输速率、抗多径干扰、频谱利用率高、误码率低,能有效弥传统载波机的不足,适合高压电力线高速数据通。此外,利用COFDM调制模块可直接对现有载波机进行技术升级、改造,充分利用现有装置(阻波器、合电容器、结合滤波器等),只需更换原单边带调模块,降低改造费用,经济效益显著。
1 OFDM的原理及运用于电力载波通信的优势OFDM是新型高效高速多载波调制技术,其原理是将编码后的串行数据转换为并行数据,将频率上等间隔的N个子载波信号调制并相加后同时发送,这样每个符号的频谱只占可用信道带宽的一小部分,且使各子载波在1个OFDM符号周期T上保持频谱的正交性。在发送端,串行码元序列d0, d1,…, dN-1先实现数字基带调制,再作串—并转换分路后N路子信道码元的T从Δt增到NΔt,分别调制在N个子载波频率f0, f1,…, fn,…, fN-1上,fc为其最低频率,相邻频率相差1/T,则fn=fc+ n/T, n =0,1,…, N-1。(1)第m个被发送的OFDM信号为:xm(t)=Re∑N-1n=0X(n)ej2πfnt=cos2πfct•Re∑N-1n=0X(n)ej2πnt/T-sin2πfct•Im∑N-1n=0X(n)ej2πnt/T,t∈(m-1)T, MT。(2)设y(t)=∑N-1n=0X(n)ej2πnt/T,t∈[0,T]。若1个T内(t)以采样频率fs=1/Δt(其中Δt=T/N)被采样,可得N个采样点。设t=kΔt, nt/T=nk/N,则y(k) =∑N-1n=0X(n)ej2πnk/N, 0≤k≤N-1。(3)(3)正是序列{X(n)}的N点离散傅立叶反变换IDFT)结果,这表明IDFT运算可完成OFDM基带调过程。而其解调过程可通过离散傅立叶变换DFT)实现。因此,OFDM系统的调制和解调过程等于IDFT和DFT。高压电力线信道呈非线性,现有载波机要在很的频带内实现均衡是相当复杂和昂贵的。OFDM统能克服信道非线性并减少系统的复杂性;还具抗多径干扰、频谱利用率高、高速数据传输率可、抗脉冲干扰以及子载波调制方式可调以适应信等优点;另外可将频率选择性衰落引起的突发性码分配到不相关的子信道,从而变成随机性错误,使用前向纠错(FEC)来有效地恢复信息。因而FDM是一种能较好适应频带受限信道的高压电力载波通信的调制技术。
2,编码技术COFDM技术运用于高压电力线载波通信的关是:如何将OFDM调制技术结合性能优越的FEC道编码,来进一步提高系统抗噪声性能,以期在信比(S/N)相同时显著降低误码率,提高通信的传速率及可靠性。采用外码为RS(里德—所罗门)、码为TCM(网格编码调制)的级联纠错编码作为道编码。TCM将调制解调与纠错编码有机地结,在不增加带宽条件下可提供3~6dB的编码增,非常适于频带受限系统[1]。TCM结合OFDM技后可在不牺牲频带性能时降低数字传输误码率。RS码为非二进制循环码和极大最小距离码,距特性好,非常适于纠正突发性错误。用MATLAB计算机模拟不同的信道编码参数来实现COFDM系统(结果[2]见图1),使用RS-TCM级纠错编码和数据交织技术可明显提高COFDM系整体性能。误码率为10-5时,RS编码能较好地纠突发性错误,它与数据交织技术的运用可分别提信噪比2dB。基于该级联纠错编码、数据交织技术对误码率的保证及OFDM本身对衰落和干扰的良好抵御能力,映射时就可用要求传输特性很高的M-QAM(多进制正幅度调制)调制手段来获得更高的传输速率。在传的电力线载波通信所用频带40~500 kHz内采用2-QAM调制,理论上速率可达2.
3 Mbit/s。本文设计整个COFDM的传输流程见图2。图1 3种信道编码参数的误码率比较Fig•1 BER comparison with three channel coded parameters图2 COFDM载波通信系统数据传输图Fig•2 Data transfer flow of COFDM system3 通信传输模块系统参数设计和硬件实现
3•1 通信传输模块系统参数设计[3~5]按电力线载波通信国家规定,传输频带仍用40~500 kHz,子载波带宽沿用4 kHz,总带宽就为460kHz,子信道为460 kHz/4 kHz=115(路),子信道间隔f=4 kHz,各信道的符号周期T=1/f=250μs。设计保护间隔时,既要防止码间干扰,又要考虑整个系统的传输速度,综合考虑后选择保护时间tp=60μs。则实际各子信道的符号率fr=1/(T+tp)=1/(250+60)=3.23 kbaud,总的系统速率就是3.23kbaud×115×4=1.48 Mbit/s。此外,用载波导频法来使发送端和接受端同步。
3•2 通信传输模块系统硬件构成分析和选择系统参数后构成整个电力线载波通信硬件(框图见图3)。图3 通信传输模块硬件框图Fig•3 Hardware chart of the communication module
3•3 数字信号处理部分OFDM调制解调过程可用IFFT和FFT来实现,而在傅氏运算方面DSP的优势远超MCU,故选择MS320VC5410(以下简称VC5410)作为数据泵实现种算法,并充分利用它提供的硬件资源来实现高价比的数字PLC通信模块。VC5410是TI公司的新一代高性能16位定点SP[6],其软硬件优势在本系统设计中体现得较充:工作频率高达100 MHz,1个码元周期内可完成56点的快速傅氏运算,从而可能高速传输数据。用间接寻址可方便地实现FFT中的位码倒序寻址能。CPU内有比较、选择、存储硬件单元(CSSU)专门的汇编指令支持,能很方便地实现TCM编译中的Viterbi编码。VC5410指令系统支持块重复环行缓冲区管理,使数据读取和处理更便捷,代码行效率更高。内部8 k的双寻址RAM使处理并数据流转换更简捷。支持C/C++高级语言编,可大大缩短系统开发时间。VC5410在本系统中运用使原本复杂的硬件实现电路变得简单,可靠也相应提高。•
4 RS编译码部分选用ALTERA公司的复杂可编程逻辑器件CPLD)来实现RS编译码。CPLD具有静态可重复程和动态在系统重构的特性,可极大地提高电子计的灵活性和通用性。虽然RS编译码可由DSP件实现,但研究其过程可发现,利用CPLD硬件中逻辑
