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电子科技大学 硕士学位论文 基于TMS320C6416电力线载波机的设计 姓名：周春妮 申请学位级别：硕士 专业：电子与通信工程 指导教师：李晓峰;林挺超 20071201 摘要 摘要 电力线载波通信( P L C ) 是电力系统特有的一种通信技术，在电力系统通信网中 占有非常重要的地位。传统的电力线载波机的调制解调模块都是用模拟处理方法 和器件实现的，这种传统的载波机己不能完全满足现有市场对通信质量的要求。 本课题所涉及的项目就是为了适应现代高速发展的电力线载波通信的要求，而提 出的一种基于T M S 3 2 0 C 6 4 1 6D S P 芯片的调制解调方案。 本文论述了电力线载波通信技术的发展、特点及原理，研究了单边带调制解 调模块的算法。设计了基于数字信号处理器D S P 的电力线载波机的硬件电路方案 和软件设计方案。测试结果表明，该模块达到了原设计指标，验证了上面提到解 决方案的性能，提高了原系统的性价比，具有很高的市场竞争力。 本文的研究结果表明，对传统的电力线载波机进行数字化改造，可以提高系 统的容量和性能，这对载波机数字化技术的研究有一定的参考价值。 关键词：电力线载波机，数字信号处理器，单边带，调制解调 A B S T R A C T A B S T R A C T P o w e rl i n ec a r r i e r ( P L C ) i sas p e c i a lt e c h n i q u eo fc o m m u n i c a t i o ni ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n ts t a t u si nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m I nt h ef i e l do ft r a d i t i o n a lP L Cc o m m u n i c a t i o n , t h em o d u l a t i o n - d e m o d u l a t i o n m o d u l eo fP L Cw e r er e a l i z e dw i t ha n a l o gm e t h o d sa n dd e v i c e s T h i st r a d i t i o n a lP L C s y s t e m sC a n tm e e tt h em a r k e t d e m a n df o r h i g h e r c o m m u n i c a t i o nq u a l i t y A m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o np r o j e c tb a s e do nT M S 3 2 0 C 6 4 16i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c ha i m sa tt h eh i 业s p e e dP L Cc o m m u n i c a t i o n T h i st h e s i sg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ，f e a t u r e sa n dp r i n c i p l e so fP L C ， a n dt h ea l g o r i t h mr e s e a r c ho ft h es i n g l e s i d e b a n d ( S S B ) m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n p r o j e c ta r ed e t a i l e d ，T h eh a r d w a r ec i r c u i ta n ds o f t w a r ef l o ws c h e m eo fP L Cb a s e do n D S Pa r ed e s i g n e d T h er e s u l t so fm e a s u r e m e n ts h o wm a tt h em o d u l em e e t st h e d e s i r a b l er e q u i r e m e n t sa n di m p r o v e st h es y S t e m Sr a t eo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c e S ot h e s y s t e mh a sg o t t e nw e l le c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s T h er e s u l ti nd i c a t e st h a tt h ec a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo fp o w e rl i n ec a r r i e rC a n b eg r e a t l yi m p r o v e db yd i g i t a l i z a t i o nb a s e do nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( D S P ) t e c h n i q u e ， w h i c hm i g h tb eu s e f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho fd i g J i t a l i z a t i o no fP L C K e y w o r d s ：P o w e rL i n eC a r r i e r ( P L C ) ，D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r ( D S P ) ，s i n g l es i d e b a n d ( S S B ) ，m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o n n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：僦日期： 川年，f 月以日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：垫盏塑导师签 日期： 珧 I y 7 年I I 目胡日 第一章引言 第一章引言 电力线载波( P L c ) 是电力系统通信专网特有的一种通信方式。它以电力线 为信道，以变电站、发电厂为终端，特别适合于电力调度通信的需要。而且，电 力线载波通信系统具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无 中继距离长等一系列优点，输电线架设到哪里，通信线路就可以延伸到哪里，在 不少工期比较紧张的输变电工程中，往往只有电力线载波通信才能够和输变电工 程同期完成建设。 目前，我国1 1 0l c y 以下电力线载波电路己超过6 5 万话路公里，还有大量的 电力载波机在1 1 0 k v 以下的农电上运行。庞大的电力线载波通信担负着电网内调 度电话、继电保护和远动信息的重要传输任务，对电网的安全稳定经济运行发挥 着重要的作用【l J 。 本章将简要介绍电力线载波通信的发展和现状，并讨论了电力线载波通信的 特点和原理，最后给出本文的研究内容和思路。 1 1 电力线载波通信的发展和现状 1 1 1 电力线载波通信的发展 载波通信技术出现于本世纪2 0 年代初期。在我国，作为长距离调度的通信手 段，4 0 年代已有日本生产的载波机在东北运行。5 0 年代，由于东北和华北电网相 继形成，为满足生产调度的需要，我国开始引进苏联和捷克的载波设备。和其它 技术一样，以原苏联标准为基准和主要依据开始确立我国电力线载波的设计、测 试的规程、导则等。 到了5 0 年代中后期便开始着手研制仿造生产载波机。由于经验上、技术上、 材料上及其它原因，虽试制了一些产品，如东北电管局通信处研制的T - 5 、T - 6 、 T - 7 、T - 8 电子管双边带载波机，国营南京有线电厂的Z D D 1 电子管单边带复用载 波机等，但在运行实践中都不是很成功。 直到6 0 年代中期前后，南京有线电厂才有比较成熟的改进型Z D D 一2 问世。这 种产品在一些地方一直使用到8 0 年代初，产量也较大。 电子科技大学硕士学位论文 7 0 年代，半导体技术迅速普及，在各个电子应用领域已逐渐取代了体积大、 功耗高的电子管，电力线载波机从电子管式向晶体管式转化也势在必行。我国从 7 0 年代初便开始了这项工作，到7 0 年代中期，南京有线电厂和秦川电站仪表厂( 西 安) 先后推出了电子管晶体管混合式Z D D 5 型单边带载波机( 后又全晶体管化) 、全 晶体管式z J 3 型单边带载波机。与此差不多同时，国内其它厂家也纷纷推出了自 己的产品，如Z S 3 、Z D D 7 、Z D D 8 、Z D D 9 、Z D D 1 0 、Z D D 1 5 、Z D D 1 6 、Z D D 2 0 等型号载波机。这其中，Z S 3 ( 电子管双边带) 、Z J 3 、Z D D 5 一度变成为国产载 波机的主导产品。Z D D 一5 、Z J 3 至今还在少数地区运行。 从5 0 年代初到7 0 年代末，我国电力通信是以电力线载波为主要手段，不少 地区电力线载波通信甚至为唯一通信手段。通信任务主要是电力调度、生产调度、 部分复用远动及一些行政电话。其它通信手段主要是模拟微波，也只是开始在部 分电网中开通。整个电力通信还未形成网络，一些地方很多通信任务包括一些调 度电话仍还依赖于邮电公用通信网。 八九十年代是电力通信大发展的时代，早在1 9 7 8 年，国家就根据电力生产的 特殊需要，批准建立电力专用通信网，有关文件也正式明确电力通信电路的建设 是电力系统建设的一个组成部分。作为在电力系统已发展比较成熟的电力线载波 通信，更是进入了大力普及阶段。此时，Z D D 1 2 、Z J 一5 等一批性能较高的国产电 力线载波机也陆续问世，Z D D 2 7 、Z D D 3 6 、E S B 5 0 0 等具有8 0 年代世界先进水 平的载波机也相继开始研制和开发引进。全国除原有的一些载波机及配套产品生 产厂家外，又出现了许多新的厂家和公司，其中不少产品都有一定的特色和创新。 在应用上，上至5 0 0 k v 线路，下至3 5 k v 乃至1 0 k v 线路，都开通了电力线载波机； 一些重大工程中还直接采用了具有同时期国际先进水平的进口机。到“八五”初期， 全国1 1 0 k v 及以上电力线载波话路已达2 6 万k m ，“九五”初期达6 5 万k m 。电力 线载波名副其实地成为电力系统应用最为广泛的通信手段【2 1 。 1 1 2 电力线载波通信的现状 电力通信网是为了保证电力系统的安全稳定运行而生的，它同安全稳定控制 系统、调度自动化系统合称为电力系统安全稳定运行的三大支柱。目前，它更是 电网调度自动化、网络运营市场化和管理现代化的基础，是电力系统的重要基础 设施。由于电力通信网对通信的可靠性、保护控制信息传送的快速性和准确性具 有严格的要求，并且电力部门拥有发展通信的特殊资源优势，因此，世界上大多 2 第一章引言 数国家的电力公司都以自建为主的方式建立了电力系统专用通信网。 进入八九十年代以来，我国电力事业和电力系统也以前所未有的速度迅猛发 展。大电站、大机组、超高压输电线路不断增加，电网规模越来越大。电网的发展 必然对电网管理和技术提出更高的要求，这就要求电力系统通信更加完善和先进。 信息时代的到来，促进了全世界范围内电信科技的全面的、多维的发展，各种新 兴的通信技术不断出现。通信设备性能越来越先进，价格越来越低廉。 在以多种通信手段竞相发展的今天，电力线载波通信仍是主要通信手段之一， 仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍是电力通信网的重要的基本通信手 段，在全国仍然存在较大的市场需求【2 1 。 1 2 电力线载波通信的特点 电力线载波通信具有以下特点： 1 可靠性高。电力线载波通信是利用高压输电线传送4 0 k - - 5 0 0 k H z 的电信号， 而电力线路结构非常牢固，不易被人和自然灾害破坏，即使电力线发生接地或断 相等故障时，高频信号也可以通过其它相的耦合进行传输，从而保持电力线载波 通信电路的畅通。 2 经济性强。不需要专门架设通信线路，节省了通信线路投资和线路维护费 用，十分经济，只要有电力线的地方，就可以组成电力线载波通信。 3 市场需求大。就目前而言，电力线载波通信依然是国内电力系统通信的一 种重要方式，特别是在农村电力网应用更为广泛。长期以来，电力线载波通信是 电力通信网的基础。在全国几十万公里的高压输电线路上多数开通了电力载波通 道，形成了庞大的电力线载波通信网。该网络主要用于地市级或以下供电部门的 调度通信、远动和综合自动化通道使用。随着数字光纤通信的发展，电力线载波 通信以从主导低位变为辅助通信方式。但是，由于我国经济发展不平衡，同时电 力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信 道，还有以前安装的电力线载波机的更新换代等，这些都使电力线载波机尽管作 为电力通信辅助通信方式，但仍然存在较大的市场需求。 4 速率低。受可用的电力线载波传输频率限伟J ( 4 0 - - 5 0 0 k H z ，基本带宽4 k H z ) ， 通信速率较低。 5 受电力线路噪声影响大，电路信噪比指标较低。 上述第l 、2 、3 条是电力线载波通信的优势，也是它的生命力所在，第4 、5 3 电子科技大学硕士学位论文 条是电力线载波通信的局限性。如何克服它的局限性，发挥它的优势，是从事电 力线载波通信工作者面临的问题3 】【4 】。 1 3 电力线载波通信的原理 在电力系统中，电力线载波通信主要传输以下信息： 1 传送电话信息，为电力调度服务。 2 传送远动数据，对发电厂、变电站实现遥测、遥信、遥控。 3 传送远方保护信号，保证电力系统的稳定运行。 对于载波机，各种信号应该是透明传输的，这样，不同类型的信号就可以在 同样的载波机上传输了。 1 阻渡器2 祸合电容 3 结合设备4 电力线载波机 图1 - 1 电力线载波通信原理图 电力线载波通信的原理框图如图1 1 所示。利用电力线实现载波通信，关键 的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线。所以图中耦合电容和结合设备共 同完成耦合作用。两者构成一个高通滤波器，载波通信的高频信号可以顺利通过， 送到电力线路的一条相线。同时，对5 0 H z 的工频电流具有极大的衰减，能有效 地防止工频电流进入载波设备，保护载波设备和人身的安全。现在的电力线通信 网就是在电力线上大量的接入载波机来实现的。 阻波器【5 】是一个L C 并联谐振电路。其谐振频率调节在高频信号的频率附近， 因此它对高频载波信号具有极大的阻抗，阻止高频信号进入发电厂或变电站的电 4 第一章引言 力设备，防止输电母线、变压器等设备对高频信号的旁路作用。而谐振电路的电 感线圈L 是一个能通过很大工频电流的强流线圈，由它保证工频电流的顺利输送。 电力线载波机就是将音频信号经调制变换成高频信号，然后经电力线传输到 对方，在对方在将高频信号解调，将还原成音频信号，而电力线载波机就是实现 上述频率变换和区分的设备。本论文的主要任务就是研究电力线载波机的调制解 调模块。 1 4 本文的研究内容和思路 本文主要围绕D S P 在电力线载波机调制解调中的应用，讨论了调制解调模块 的整体系统设计，主要涉及调制解调模块算法设计、硬件框图设计、软件设计及 所用D S P 外设等内容。 论文结构如下： 第一章介绍了电力线载波通信的发展、现状、特点和原理。 第二章研究了在D S P 中实现单边带调制解调模块的算法。 第三章给出了系统设计的流程，重点介绍了调制解调模块的硬件框图，以及 所选用的D S P 芯片。同时还介绍了系统的软件框图，及选用的D S PC 6 4 1 6 的片 内外设，重点是我们所使用的E M I F 、E D M A 、M c B S P ，并且给出了在系统板上 的具体应用。在本章的最后，详细讨论了本系统b o o t l o a d 的设计，并简要的介绍 了D S P 的集成开发环境C C S 。 第四章列出了本系统的调试结果。 第五章是本文的结论，总结论文完成的工作，提出下一步工作方向。 5 电子科技大学硕士学位论文 2 1 算法的选择 第二章调制解调模块的算法研究 电力线载波机主要包括音频和信道两个部分。根据音频部分是否采用数字复 接技术以及信道部分所采用的调制方式，可将电力线载波机分成模拟载波机、数 字化载波机和全数字载波机三类。为与原有模拟载波机相兼容，本系统设计成数 字化载波机。音频部分采用频分技术，模拟信号直接接入，信道部分采用线性调 制方式。 模拟线性调制方法可分为：A M ( 双边带幅度调制) 、S S B ( 单边带调制) 、V S B ( 残 留边带调制) 。本设计选用单边带调制技术，它突出的优点主要表现在： 1 发信功率的有效利用率高，传输距离长。 2 占用的频带窄，信道间的干扰小，具有较高的信噪比，能更好地利用规定 的载波频率范围。 3 由于载频被抑制，保密性好。 4 调制解调也比较简单【6 J 。 下面就对适合于D S P 单边带调制实现的方法作一个简单的介绍。 2 2 Ib e r t 单边带调制解调方法介绍 2 2 1H - lb e r t 单边带调制方法 在单边带系统中，调制方法主要有：多级滤波法、H i l b c f t 法、维弗法。虽然 H i l b c r t 法的运算量很大的，但考虑D S P 实现的方便性和对边带的抑制效果，我们 采用H i l b c f t 变换的方法来滤除一个边带【8 1 。信号处理过程如图2 - 1 所示。 6 第二章调制解调模块的算法研究 扣 图2 - 1H i l b e r t 单边带调制的相移法方框图 设z ( f ) 为信号，c o s c o , t 为载波，则调制后的下边带信号s ( t ) 可表示为： s ( f ) = 芝1z ( f ) c o s 吐f + 主三( f ) s i I l 哝f ( 2 1 ) z O ) 为z O ) 的希尔伯特变换。信号的希尔伯特变换是将信号的负频部分相 移+ 9 0 。，正频部分相移一9 0 4 ，而幅度不变化。上边带信号只要把式( 2 1 ) 中的 “+ 号变为“一，号即可阴。 2 2 1HiIb e r t 单边带解调方法 解调为调制的逆过程，通常有两种方法：一个是用相干解调；另外一个是利 用H i l b e r t 变换的方法采用互补对消方法来抵消掉相应的上边带或者下边带信号。 其中H i l b e r t 法解调对应噪声与无用边带的抑制更好，所以我们采用H i l b e r t 法解 调。其H i l b e r t 变换法的信号处理过程如图2 2 所示： 7 电子科技大学硕士学位论文 2 3 信号的抽取与插值 图2 - 2H i l b e r t 单边带解调 虽然我们在讨论信号处理的各种理论、算法及实现这些算法的系统都是把抽 样频率无视为恒定值，但是在实际工作中，我们经常会遇到抽样率转换的问题。 一方面，要求一个数字系统能工作在多抽样率状态，以适应不同抽样信号的需要； 另一方面，对一个数字信号，要视对其处理的需要及其自身的特征，能在一个系 统中以不同的抽样频率出现。 减少抽样率以去掉过多数据的过程称为信号的抽取，增加抽样率以增加数据 的过程称为信号的插值。抽取、插值及其二者相结合的使用便可实现信号抽样率 的转换【9 】。 2 3 1 信号的抽取 用x ( f ) 代表原始模拟信号，x ( n ) 为模拟信号的抽样序列。欲使抽样频率Z 减 少M 倍，最简单的方法是将x ( 以) 中每M 个点中抽取一个，依次组成一个新的序 列y ( n ) ，这样就有： y ( n ) = x ( M n ) ( 2 - 2 ) 其中糟= 一0 0 ，佃。抽取的框图如图2 3 所示。图中符号l 山M 废示作M 第二章调制解调模块的算法研究 倍抽取。 图2 - 3 信号抽取图 用X ( e j ) ，】，( P 归) 分别表示x ( n ) ，y ( n ) 的傅立叶变换，有 y ( 扩) 2 万1M 刍- Ix ( 纠圳，肌 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表明将信号x ( n ) 作M 倍的抽取后，所得信号y 0 ) 的频谱等于原信号 工 ) 的频谱先作M 倍的扩展，再在力轴上作等k ( k = 1 , 2 ，M 1 ) 的移位后 朋 再叠加。 由抽样定理，在由x ( t ) 抽样变成x ( n ) 时，若保证f 2 正，那么抽样的结果 不会发生频谱的混叠，如图2 4 所示。对石 ) 作M 倍抽取得到y ( ，1 ) ，若保证由y ( 以) 重建出石( f ) ，那么，y ( 纱) 的一个周期( 一万M ，万M ) 也应等于x l j f ) 的频谱x ( 皿) 。 这就要求抽样频率丘必须满足丘2 M f c 。 但是，如果f 2 慨的条件不能得到满足，如图2 5 所示，那么y 0 归) 中将 发生混叠，因此也就无法重建出础) 。但是如果首先用一数字滤波器( 滤波器带 宽为7 r M f s ) ，使X ( g 归) 中只含有小于r r M 的频率分量，可以避免抽取后频谱的 混叠。因此，在对信号抽取时，抽取前的低通滤波一般是不可缺少的【9 】。 9 电子科技大学硕士学位论文 JLX ( e ”) 卜八飞一 L 日( d o ) I一 一2 窟I 一7 0，r2 力国 J lX ( e J - ) ； I 厂1 广 八7 ：一2 7 r 一万O 矿 2 万I t O I I L y ( 一)： o II II II l 厂冷小 一2 万 一7 图2 - 4 抽取 O ( M = 2 ) 石 无混叠频谱 2 石 LX ( e ”) 。 - 2 J rI 一露) 芹： 2 石缈 I IJx ”“脚) ： l ： 弧夸 一2 万I 一石0石 I 2 靠国 Iy ( 矿) 一2 石 一石 图2 - 5 抽取 O ( I = 2 ) l O 混叠频谱 2 am 第二章调制解调模块的算法研究 2 3 2 信号的插值 用z ( f ) 代表原始模拟信号，石 ) 抽样频率f 增加L 倍，即变成阢， 个零，得到v ( n ) ，这样就有： 。c 刀，= x 苫 为模拟信号的抽样序列。如果希望将x ( n ) 的 最简单的方法是将z ( ，z ) 每两个点之间补三一1 咒= 0 圭量，圭2 三，( 2 - 4 ) 其它 插值的框图如图2 6 所示。图中符号匝习表示作倍内插。 图2 6 信号插值图 用X ( e ，m ) ，矿( P 归) 分别表示x ( n ) ，v ( 力) 的傅立叶变换，有 V ( e ”) = o ( n ) e 咖= y x ( n L ) e 。拥 H = n = ：y x ( k ) e - J 旋t J 二_ - k = - a o V ( e 徊) = X ( e j 。 t ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式中，V ( e 归) 和X ( e 扣) 都是周期的，x ( 已归) 的周期是2 万，但X ( e j 。L ) 的周 期是2 r ：L 。这样，V ( e 归) 的周期也是2 x L 。( 2 6 ) 式的含意是：在一万万的 范围内，X ( e 弦) 的带宽被压缩了三倍，因此，矿0 归) 在一万石内包含了个 X ( P 扣) 的压缩样本。如图2 - 7 所示【9 】 1 0 l 。 电子科技大学硕士学位论文 JI X ( e p ) 入一 - 2 万I 一7 ro万I2 z J JIV ( e j ) 八MMM 一2 万 一冗一冗lL0冗lL冗2 z 图2 - 7 插值( L 2 ) 前后的频谱图 2 4HiIb e r t 单边带的实现 2 4 1Hi Ib e r t 单边带调制和解调的实王见 7 】 一个典型的D S P 系统信号的处理过程为：首先输入的信号进行带限滤波和 抽样，通过A D 变换变换成数字比特流，生成的输入抽样信号经D S P 芯片来处 理，最后经过处理后的数字样值再经D A 变换转换为模拟样值，再进行内插和 平滑滤波就可得到连续的模拟波形。整个系统的关键数字信号处理部分。 以语音信号为例，利用D S P 实现单边带调制，要对信号采样后再处理。语音 信号的主要频率集中在0 3 3 4 k H z 之间，根据N y q u i s t 定理，经过8 k H z 的A D C 采样之后送入D S P 。载波可用频段假定为0 - 3 2 k H z ，选择1 6 k H z 为载波频率。而 调制输出D A C 转换器的频率采用6 4 k H z 。这样将1 6 k H z 的载波经过6 4 k H z 的采 样之后存在D S P 内，以各以后调用。 根据式( 2 1 ) 可以知道，将语音信号乘以载波的余弦值再加上语音信号的希 尔伯特变换乘以载波的正弦值，就可以得到调制在1 6 k H z 载波上的下边带信号。 但是语音信号是按8 k H z 采样得到的数据，而载波是按6 4 k H z 采样得到的，这样 在载波和信号相乘之前必须对信号数据进行插值，并且只有在相邻的采样点之间 插入0 点才能使插值之后的频谱不发生任何变化。这样可以得到单边带调制的流 程图如图2 8 所示。H i l b e r t 解调是调制的反过程，其流程图如图2 - 9 所示。 1 2 第二章调制解调模块的算法研究 图2 - 8 单边带调制的流程图 图2 - 9 单边带解调的流程图 1 3 电子科技大学硕士学位论文 2 4 2H iI b e r t 滤波器的选择 根据以上研究，实现单边带调制解调的关键是选择一个合适的离散H i l b e r t 滤波器，所以滤波器参数的选择是影响系统性能指标的一个重要因素。 H i l b e n 滤波器实质上是一个宽带相移网络【1 l 】，其传递函数的模与相角特性分 别示于图2 1 0 中。 J I n h ( 国) 1 1 0 n i J 唬( 缈) 万 2 0 岙 万 2 图2 1 0H f l b e r t 滤波器的传递函数 频域表达式为 H h 沁扣、= ：；7 1 专芝三：o Q n 其单位冲激响应为 吃( ，z ) = 芴1 ( 扩弘伽d 国= 去弘伽d 缈一芴1 J c f 搠d 国 = i 1 - ( - 1 ) = 船0 舻F - - 嚣 p 8 ， = 一= ，7 l ，z 刀 l，偶数 r 吖 这个单位冲激响应是奇对称的，为得到线性相位的吃( 以) ，必须有( N 1 ) 2 个 1 4 第二章调制解调模块的算法研究 抽样的延时，所以，所得到的实际的离散的H i l b e r t 滤波器的单位冲激响应为 坳) = 吃( ，z 一竿) 叫，z ) = _ 丌2 吲珐o ，z 一l ( 2 - 9 )二 0 一f ) 万 c o ( n ) 为一个有限长度的窗口函数。由( 2 7 ) 式知，豫一冬 = 奇数时，五仞) Z t - 有非零数值，且( N 1 ) 2 必须是整数，故N 必须是3 的奇数。 在本系统中，为了满足在旁瓣衰减大于6 0 d B 的指标，我们把H i l b e r t 滤波器 的阶数选为5 0 1 阶。并且为了加大旁瓣的衰减，又加了一个矩形窗。M a t l a b 1 2 】【1 3 】 的仿真图如图2 1 1 所示。 r_ 、 ，? 勰t r 矗謦7 影2 警誓。一0 4 - 。”；帮o 6 ，7 攀彬”毽j ? 一一 归一化频率 ，。 ，、， ，、 。H i l b e r t 楣位图7 ， ，：一一，”， 。 ，i 撬：；茹氇i z # ! r t 。乒H 。矗缸，i 。移j 。矗。，飙瓿。? 一 。i 。：j ? 一m ，“M ，魄0 。拙曙蜘 矗z ? 磁一 成i j l I I删 鹕抖蝌删 舳删I蚪 妒州 II 1 5 电子科技大学硕士学位论文 激信号经过H i l b e r t 滤波器以后，正负半轴的对消情况如图2 1 2 所示。 在频率3 0 0 H z 处( 归一化频率为0 3 2 1 6 = 0 0 3 7 5 ) 衰减为9 4 d B ，完全满足 了指标的要求。 ，”7 盛爹。一。c i 爱4 _ “& 3 7 ? y 氆? 8 誊。78 爱j 了7 0 7 一0 ：分矿j 区驴。节9 、 ”， 7 ，对消痿志复半轴幅度d B ，“。，j ? 一m 娩龟、j 气连t 臻l 毫斑鲁； 镰j 馘毒。“旗? ，? ，? 甓”甜：，_ 。? ? + ? r ：，：啦! 轳、岛自强。镪j ? 聪谤i ：t 粕强菇? 、 l 呖呐。 dn I一删n 一 i r”嘲可1M l i J I “m w w 11 ；I I ： ：r：；岫1 _ r ” f I fIl 】；o 幸。、7o 2 0 3 9 0 霉夕8 ：g 一霞6 。0 7 r ，0 8 7 0 孽。7 “、 图2 1 2 正负半轴的对消结果 1 6 第三章基于D S P 的载波机调制解调模块的系统设计 第三章基于D S P 的载波机调制解调模块的系统设计 3 1 系统设计总体思想 在设计D S P 系统过程中，可以按照以下的步骤进行： 1 必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、信号处理的要求，通常可 用数据流程图、数学运算序列、正式的符号或自然语言来描述。 2 根据系统的要求进行高级语言的模拟。一般来说，为了实现系统的最终目 标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性 能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号 处理的算法。 3 接下来就可以设计实时D S P 系统，实时D S P 系统的设计包括硬件设计和软 件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、 系统成本限制以及体积、功耗等要求选择合适的D S P 芯片。然后设计D S P 芯片 的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的D S P 芯片编 写相应的D S P 汇编程序。 4 D S P 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的调试 一般借助于D S P 开发工具，如软件模拟器、D S P 开发系统或仿真器等。系统的软 件和硬件分别调试完成后，就可以将软件脱离开发系统而直接在应用系统上运行 了。 5 是验证系统的功能，把D S P 软件下载到系统中的D S P 去，让整个系统独立 的运行，验证系统的功能与稳定性。验证一般分为实验室验证和外场验证，其中 开发工程师一般完成实验室验证，然后由专门的产品负责人进行外场验证，把外 场的问题反馈给开发工程师，再由工程师来升级维护。 本论文主要研究了D S P 系统的设计，其设计流程如图3 1 所示。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 1D S P 设计流程图 本章主要研究系统的硬件和软件设计。硬件部分包括硬件设计总体方案、各 部分功能、原器件的选择等。软件部分包括软件设计框图，选用的D S P 芯片C 6 4 1 6 的片内外设、b o o t l o a d 设计等，并且还介绍了集成开发环境C C S 。 3 2 系统硬件设计 3 2 1 硬件设计的总体方案 图3 - 2 是调制解调模块的主要硬件组成图，该D S P 系统上半部分完成调制功 能，下半部分完成解调功能。 第三章基于D S P 的载波机调制解调模块的系统设计 语音基 射频信号 图3 - 2 系统硬件框图 以下是对框图各部分的说明： I D S P 系统 数字处理系统由于其可靠性强、可编程性好、抗干扰能力大等优势，现在在 通信、航天制导、仪器仪表等各个领域正得到越来越广泛的应用。 此调制解调模块中的D S P l 负责调制部分，而D S P 2 负责解调部分，是整个 系统的核心部分。分别选用了两片T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 和两片E E P R O M 。 T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 是定点D S P ，时钟频率可以高达6 0 0 M ，运算精度高。E E P R O M 用来存储掉电后还需要存储的程序和数据，直接通过D S P 的普通并口和D S P 连 接。 2 A D 、D A 转换模块1 4 】【1 5 】 从数据流程上看，调制时首先将0 - - 4 k H z 模拟信号( 包括语音信号、信令信 号、远动信号等) 通过A D l 转换成为数字信号传送给D S P 进行数字调制处理， 处理完毕后将己调信号通过D A 2 转换为模拟信号再由电力线路输出。解调时，首 先通过A D 3 把电力线上的调制信号采样成数字信号。D S P 处理完后，将0 - - 4 k H z 的模拟信号通过D A l 输出。 本系统中A D k D A l 选择T I 公司单片集成的A D 和D A 转换的模数和数模转换 器T L V 3 2 0 A I C l l l l 6 】作为A D A 的转换器件。T L V 3 2 0 A I C l l 的精度为1 6 b i t ，更新 速率最低2 2 k s p s ，最高8 8 k s p s 。片内F I R 滤波器能产生8 4 d BS N R 给A D C ，8 5 d B 1 9 电子科技大学硕士学位论文 S N R 给D A C ，带宽超过l l k H z 。并且能与T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 进行无缝串行连接。同 时8 块以下的T L V 3 2 0 A I C l l 可以级联，最多可以级联8 片，通过一个M c B S P 口可 以时分复用。因为本系统需要两路A D k D A ，在本系统中级联了两块T L V 3 2 0 A I C l l ， 连接如图3 3 所示。因为低频信号输入输出都为0 - - 4 k H z ，根据N y q u i s t 定理和工 程的经验，我们选择T L V 3 2 0 A I C l l 的采样和恢复工作时钟为1 6 k H z 。 D V D D 图3 3T L V 3 2 0 A I Cl l 级联图 D A 2 选用A D 7 6 8 1 7 1 ，精度为16 b i t ，更新速率最高可达3 0 M s p s ，5 V 或3 V 单 电源供电，片内参考电压为2 5 V ，因为输出的中频调制信号占用频带为4 0 k H z - - 5 0 0 k H z ，我们选择A D 7 6 8 恢复时钟频率为2 M H Z 。 A D 3 选用A D 9 2 4 0 1 8 】，精度为1 4 b i t ，更新速率为1 0 M s p s ，因为输入的解调 信号为4 0 k H z - - 5 0 0 k H z 中的8 k H z 的窄带信号，如果考虑降低采样率，可以使用 带通采样，但是，系统要求载波是可变的，且带通采样会造成正负频率翻转，故 我们采用低通采样，这样A D 9 2 4 0 的采样率定为2 M H z 。 3 F I F o D S P 与A D 9 2 4 0 和A D 7 6 8 的接口是普通的并口连接，为了防止D S P 把大量 的时间花在与它们的数据传输上，我们在D S P 与A D 9 2 4 0 和A D 7 6 8 之间各放入 一个F I F O ，这样等存储到一定数量的数据后，D S P 再统一的进行一次D M A 处理， 这样可以把D S P 的工作量放在系统的算法实现上。 4 模拟滤波器电路 在射频侧，经过D A 转换后，需要模拟后置滤波器。D A 3 ( A D 9 2 4 0 ) 的输出 为各个采样点的零阶保持值，故调制输出中除了基带信号的频谱还有基带频谱的 第三章基于D S P 的载波机调制解调模块的系统设计 高频分量，故我们需要在A D 9 2 4 0 的输出后面加上一个截至频率为A D 9 2 4 0 的采 样频率1 2 的低通滤波器。这样才能得到想要的模拟调制信号。 由于无源的模拟滤波器体积大、不便调试，而有源滤波器重量轻、体积小， 调试与接法都很便捷，因此本系统中选择使用M A X I M 公司的有源滤波器 M A X 2 9 4 作D A 后置滤波器。此器件是开关电容型的8 阶椭圆滤波器，带宽为 0 1 k H z 2 5 k H z ，其它各项指标也充分满足系统指标要求。 5 C P L D 逻辑控制 由于本系统需要大量的逻辑与时序控制，所以选用了价格便宜、使用方便 X i l i n x 公司的X C 9 5 1 4 4 。我们把整个系统板上的需要进行逻辑处理的控制信号和 时钟信号接入X C 9 5 1 4 4 中，然后通过设计与编程在X C 9 5 1 4 4 内连接不同的逻辑 单元再输出，从而得到需要的控制后的信号。 6 看门狗电路 在系统中添加看门狗电路是出于这样的考虑：电力线载波机很可能在比较恶 劣工作环境中运转，极有可能外部噪声等于扰因素会导致系统混乱，故需要在系 统中加看门狗电路，以便在系统不稳定时重启，从而重新进入稳定工作状态，保 证了系统运行的安全可靠。本系统采用M a x i m 公司生产的M A X 8 2 3 2 2 1 芯片，把 D S P 的一个引脚接到看门狗的时钟输入，然后当D S P 工作后在内部定期运行一下 引脚的输出值取反程序，这样当D S P 内部程序跑飞了，不能定期运行取反程序， 看门狗就会对整个系统复位。 3 2 2I ) S P 芯片的选择2 3 2 4 此调制解调模块中的D S P 是整个系统的核心部分，所以需要根据需求选用合 适的芯片。以下简单介绍了芯片的选择。 3 2 2 1I ) S P 芯片概述 1 D S P 芯片的历史 在D S P 出现以前，实时信号处理一般是在通用处理器( 8 0 8 6 和8 0 2 8 6 等) 中完成的。随着集成电路制造工艺的不断提高，2 0 世纪7 0 年代末出现了专门的 可编程数字信号处理器，简称D S P 。第一代D S P 以A M D 2 9 0 0 、N E C 7 7 2 0 和 T M S 3 2 0 1 0 为代表，其中T I 公司的T M S 3 2 0 1 0 第一次使用了哈佛总线结构和硬件 乘法器。 由于开发工具的问题，最初的D S P 开发非常困难，要设计并实现一个基于 2 1 电子科技大学硕士学位论文 D S P 的系统是一个专业型很强的工作。美国T I 公司给D S P 引入了许多通用计算 机微处理器的特点，并为其产品开发了汇编语言和C 语言代码产生工具以及各种 软硬件调试工具，使得D S P 的开发难度大大降低，并且在2 0 世纪8 0 年代末和 9 0 年代初进入了快速发展的时期。 2 D S P 芯片的特点 D S P 芯片主要有以下几个方面的特点： 第一，功能特点。数字信号处理任务通常需要完成大量的实时计算，如在D S P 中常用的F I R 滤波和F F T 算法。数字信号处理中的数据操作具有高度重复的特点， 特别是乘加操作Y _ _ A 木B 十C 在滤波、卷积和F F T 等常见D S P 算法中用得最多。 D S P 在很大程度上就是针对上述运算特点设计的。 第二，性能指标。由于各个D S P 厂商的D S P 结构差别很大，而且数据传输 能力也相差很大，因此D S P 的性能必须采用可比的性能指标来衡量。D S P 的综合 性能指标除了与芯片的处理能力直接相关外，还与D S P 的片内、片外数据传输能 力有关。D S P 的数据处理能力通常用D S P 的处理速度来衡量，数据传输能力用内 部总线和外部总线的配置，以及总线或I O 口的数据吞吐率来衡量。 第三，结构特点。D S P 的结构特点在很大程度上体现了D S P 算法的需求。下 面介绍D S P 在结构上的主要特点。 ( 1 ) 算法单元 1 ) 硬件乘法器 由于D S P 的功能特点，乘法操作是D S P 的一个主要任务。而在通用微处理 器内通过微程序实现的乘法操作往往需要1 0 0 多个时钟周期，非常费时，因此在 D S P 内都设有硬件乘法器来完成乘法操作，以提高乘法速度。 2 ) 多功能单元 为进一步提高速度，可以在C P U 内设置多个并行操作的功能单元( A L U 、乘 法器和地址产生器等) 。如C 6 0 0 0 的C P U 内部有8 个功能单元，包括2 个乘法器 和6 个A L U 。这8 个功能单元最多可以在1 个周期内同时执行8 条3 2 位指令。 由于多功能单元的并行操作使D S P 在相同时间内能够完成更多的操作，因而提高 了程序的执行速度。另外，D S P 的算法特点和数据流特点还可以使现代D S P 采用 指令比较整齐划一的精简指令集( R I S C ) ，有利于D S P 结构的简化和成本的降低。 ( 2 ) 总线结构 对于面向数据密集型算法的D S P 而言，冯诺曼总线结构使系统性能受到很 大限制，因此冯诺曼采用了程序总线和数据总线分离的哈佛总线结构，