（通信与信息系统专业论文）基于plc的ofdm调制系统设计与fpga实现.pdf

北隶交通大学艇：匕学位论文 y8 7 9 2 0 8 基于p l c 抟o f d m 调制系统设计与f p g a 实现 摘要 随着高速电力线通信研究的不断发展，正交频分复用技术逐渐成为 其调制技术的主漉。隧前国内外己经研制出传输速率达i o m p s 的电力 线调制解调器，但绝大多数产品由于技术问题和应用规范的限制，还处 于试用阶段。本文从正交频分复用技术本身入手对电力线调制解调器物 理层数据传输做了初步形f 究。 本文首先研究了正交频分复用技术的基本原理，分析了其用于高速 电力线通信的优势和适用性，提出了一个基于o f d m 技术的电力线载波 避信系统。本次设计把重点放在了o f d m 调制系统的数字基带部分的 f p g a 设计上，对信遒编玛、交织、基带调制与映射、l f f 孵f t 变换各 模块的算法原理、硬件设计思路和f p g a 实现进行了详细分析和讨论。 并最终完成了务模块的硬件实现和谲试。整个系统由v h d l 语言编写程 序，采用x i l i n x 公司的s p 础a ni l 系列f p g a 芯片完成硬件实现。为电力 线调制解调器芯片的实现打下了基础。 【关键字】 电力线通信；正交频分复用；现场可编程逻辑门阵列 北京交通大学硕士学直论文摹于p l c 的o f d 、i 调制系统设计与f p g a 实现 a b s t r a c t w i t ht h ee v e r l a s t i n gd e v e l o p m e mo ft h er e s e a r c ho np l c ，t h eo f d m t e c h n i q u eh a sb e e np l a y i n gt h em o s ti m p o r t a n tr 0 1 ei nm o d u l a t i o n m a n y p o w e r l i n em o d e m sh a v eb e e nd e v e l o p e dw i t ht r a n s m i s s i o nr a t eu pt o l o m b p s ， b u tm o s to ft h e ma r eu n d e rt r i a ls t a g eb e c a u s eo ft h et e c m o l o g yp r o b l e m s a 1 1 da p p l i c a t i o nc o n s t r a i n s i f lt h i sp a p e raf o u n d a t i o n a lr e s e a r c hh a sb e e n c o n s i d e r e dw i t ht h es t u d yo f0 f d mt e c h n i q u ea n dt h et r a n s m i s s i o n c h a r a c l e r i s t i c so fc h ep o w e rl i n e sp h y s i c a ll a y e r t h ea p p l i c a b m t yo f t h eo f d mu s e du n d e rp l ch a sb e e n 柚a l y z e da n e r t h ei n t r o d u c t i o no fo f d mt e c h n i q u ea n da d v a n t a g e s t h ew h o l ep l cs y s i e m b a s e do no f d mh a sb e e ng i v e n t h i sp a p e r se m p h a s i si s0 nt h ed e s i g na n d f p g ar c a l i z a t i o no f b a s e b a n dd 硒t i lo f d ms y s t e m t h ef u n c t i o n a lm o d u l e s o f0 f d ms y s t e m i n c l u d i n gc h 锄e lc o d i n i n t e r l e a v i n g ， b 粥e b a n d m o d u l a t i o na 1 1 dm 印p i n i f f t ，f f tt r a n s l a t i o n ，h a v eb e e na 1 1 a l y z e da 1 1 d d i s c u s s e d t h ep e r f - 0 m l a n c eh a sb e e nr e a l i z e dw i t hh a r d w a r el a n g u a g ev h d l ， a i l di m p l e m e n t e db yt h ef p g as p a n a l li io fx i l i n ) 【c o m p a n y _ t h i sp r e p a r e f o rm er e a l i z a l i o no f t h eo f d m p o w e rl i n em o d e mc h i p 【k e yw o r d s 】 p l c( p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ) ， o f d m( o n h o g o n a l f r e q u e n c y d i “s i o nm u l t i p l e x i i l g ) ，f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 2 北京交通大学硕士学位论文 甚fp l c 的o f d m 调制系统设计与f p g a 实现 第一章绪论 本章主要介绍了低压电力线载波及其发展趋势之一的o f d m 传输技 术的提出背景和发展情况，还介绍了基于f p g a 数字信号处理技术的发 展情况。最后介绍了本文的主要内容。 1 1 课题的背景和意义 随者社会信息化程度的不断提高，人们对信息的需求已经从低速的 数据信惑转向了高速的交互式多媒体信息。而网络则成为了信息共卑和 交换的纽带。电力网络是世界上已有最广的有线网络，它以电力线路为 传毒l 介质，具有遥j 篷可靠性赢、抗破坏能力强、投资少、见效快等优点， 电力网络比任何其他的有线通信网络更加坚固、现代化。如果充分利用 现有的电力网络承载数据、语音和图像传输的任务，无疑是最为方便、 最为篱捷的。 数字通信系统的一般模型如图1 1 所示。 回咂母，群 从图1 1 可以看出，调制解调技术对数据的发送和接收起到了至关 重要豹作用。调制不但可以将信息变换为便于传送的数字形式，而且使 北京交通大学颐士学位论文堆于p l c 的0 f d m 涮制系统设计与f p g a 实啦 传输性能大大提高。调制解调技术在通信领域的发展已经有很多年的历 史了，技术穗对成熟。但是，在低压电力线通信中豹研究还不是缀成熟， 电力线作为通信介质时，它的特陡不同于一般的电话线、电缆、光纤蒋 有线信道，电力线信道存在大量交傀# 常大豹噪声源，阻抗是时交的， 同时还存在多径效应。因此，必须研究适用于电力线通信的调制解调技 术。目前在电力线通信技术领域彼翔较为广泛豹调割方式有扩颓调剃和 o f d m 调制。 1 2 电力线载波通信的研究概况 电力线通信( p l c ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是通过电力线载波 方式来传送网络信息。 自2 0 世纪2 0 年代开始，电力系统就利用电力线载波在1l k v 以上的 高压电力传输线进行远距离信息传蝓，其工作频率为1 5 0 k h z 。到2 0 擞 纪5 0 年代，低频高压电力线通信技术已经广泛应用予电力系统内的继电 保护、运行监控和语言传输。5 0 年代居期，电力线通信逐步应用予中、 低压配电网，如低压自动抄表、电力设备的远程控制和诊断、电网负荷 控制、熊源管理等方蘑。9 0 年代米耀，电力线载波暹信的研究可分成甄 个主要分支：一方面是尽量提高数据的传输距离，而放宽对数据传输速 率的要袋，如低压载波是动抄表；另一方掰是提高数据的传辕速率达到 m b p s 数爨级，家庭用户可以使用电力线调制解调器通过电力线实现网络 互连。 1 9 9 1 年，英国n o 州e b 通信公司的p a u lb r o w n 博士开始寻求在低压 电力线上遴行高速数撰传输，并予1 9 9 5 1 9 9 7 年农英国的m a n c h e s t e r 进行电力线语音传输实验，从而掀起了研究p l c 技术的热潮。1 9 9 7 年以 6 韪豪交逮大学硕士学位论文基 二p l c 翦o f d m 璃制系统鞋 与f p g a 实现 来，国际上开始兴起了1 m b _ p s 以上的高速电力线通信的研究，不但采用 扩频程o f d m 等先进的调剖技术，还采用了前囱纠错、交叉纠锩、鑫动 熏复请求和信道编码等技术来保证通信的稳定可靠；电力线通信的介质 访问控制( m a c ) 协议采用载波侦听多路访问冲突避免( c s m c a ) 按议，并增加了支持优先级、公乎竞争联延迟控制等功能，这些技本的 使用打破了许多阻碍利用低压电力线实现高速数据传输的瓶颈。目前国 际上普遍认为1 m h z 3 0 m h z 的频带可以用来进行高速数据传输。电力 线逶信正向羲高速率、离可靠性和多曩j 途为一体的方向发展。 国际上用于电力线高速通信所采用的调制技术主要有扩频调制和正 交频分复用调制技术。扩频通信的抗干扰能力比较强，但由于原理的限 ；| ；i | ，其传输速率最窿只能达到l m b p s 。瓶o f d m 调制技沭由予频带幂寸闵率 较高、抗多径和信道褒落能力强，且o f d m 可以简单的通过傅立叶正反 变换实现调制和解调，能实现较高的传输速率。根据美国i l l t e l l o n 公司的 研究嘏拳，采用0 f d m 理论主能实瑶每移上酉嚣的传输速率。韭内团体 “家庭插电联盟”( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) 于2 0 0 1 年6 月2 6 日发布 了工业界第一个电力线家庭上网标准：p o w e r l i n eh o m en e t 、v o r k i n g1 o s p e c i f i e a t i o n ，该标准采用了弛t e l l o n 公司提出豹1 4 m b p so f d m 调制方案。 o f d m 调制技术在宽带、高速电力线通信中将成为一种最有吸弓i 力的技 术。 我翻开展精速电力线通信的磷究较晚，主要通过购买国外的一些调 制解调芯片进行应用领域的开发。国内一些公司研究和实验的电力线宽 带通信系列产品通信速率已经可以达到1 4 m b p s 。但目前国内的大部分研 究都是使用国外的调制解调芯片，搭建外围电路构成应用系统，这样不 馒于系统的维护和舞级，所以很多设计者郜着骥于礤究具有囊主知识产 北京交通大学顺士学位论文苹十p l c 的o f d m 调制系统设计写f p o a 实观 权的电力线调制解调器芯片。本文主要对电力线通信物理层数据传输的 调制解调方式作了初步研究。 1 3 基于f p g a 的数字信号处理技术 社会的发展、科技的进步，对数字信号处理技术提出了更高的要求， 原来的非实时运算已经不能满足需要。因此，需要利用硬件实现这些算 法，并应用到实际中去。 早先发展起来的d s p 技术，由于其高速的数据处理能力，先进的组 织体系结构以及较完备的指令结构，在通信等领域得到了较广泛的应用， 而且目前依然保持了强劲的发展势头。但是，d s p 器件也存在一些难以 克服的缺点：依然采用软件来实现数字信号处理算法，没有实现真正意 义上的并行处理；开发周期较长；应用不同的器件需要不同的开发系统 环境和不同的汇编语言，掌握起来比较困难。而近些年发展起来的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea m y ，现场可编程门阵列) 产品，弥补了上 述不足。f p g a 功能强大，具有编程方式简便先进、高速、可靠性高、 易学易用、开发简捷、开发周期短等诸多优点，在数字电路设计领域中 得到了越来越广泛的应用。f p g a 有一套比较规范的开发体系，尤其是 一些e d a 产品可以支持不同厂家的f p g a 产品，而且九十年代以来， v h d l 的应用使得f p g a 的开发设计更趋于规范化。在开发阶段采用 f p g a 来进行开发，产品开发成熟以后，将f p g a 转成a s i c 产品，这样 不仅可以节约硬件开发成本，更可以节约时间，使产品更具有竞争力。 f p g a 的广泛应用和集成度的迅速提高，以及e d a 设计仿真功能的 增强，为基于f p g a 的o f d m 调制解调器芯片的设计提供了新的机遇。 托京交通太学硕士学位论4 霆 晕子p l c 的o f d m 调制系统设汁与f p g a 蜜现 1 4 本文所做的主要工作 本文分析了o f d m 技术在电力线通信中的应用，进行了物理层数据 传输的调制解调方式的初步研究，采用f p g a 实现o f d m 调制系统的基繁 数字部分。 本文共分六牵： 第二章主要介绍o f d m 技术的基本原理和实现方法。分析了o f d m 技术应用于低压电力线通信的特点和关键技术。 第三章简要介绍f p g a 技术。包括：f p g a 器件及其开发流程，h d l 语言和自顶向下的设计方法。 第蹬章主要介缨本次没计的o f p m 调制系统基张数字部分的f p g a 实现。分别讨论了主要功能模块( 包括信邀编码、交织、罄带调制与映 射、f f 丁，f t ) 的算法原理、设计思路和硬件实现。 第五章介绍了硬件设计的州：发平台，并对硬件实现和调试做了一些 总结。 第六章主要是对论文的总结。 北京交通大学颤 学逝论立 早于p l c 的0 f d m 调制呆统设计与f p g 宴皿 第二章o f d m 技术 o f d m 调制技术在宽带高速p l c 中已经成为一种最有吸引力的技 术。本章对o f d m 技术做了详细的介绍。在阐述了0 f d m 基本原理和 实现方法后，分析了其在宽带受限的电力线通信领域应用中具有的诸多 优势，并提出了o f d m 技术实现的几个难点。 2 1o f d m 的发展历史与前景 o f d m 的英文全称为：o n l l o g o n a lf r e q u e l l c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ， 中文含义为正交频分复用技术。 o f d m 的概念是2 0 世纪6 0 年代提出柬的早期主要用于军用高频 通信系统，例如k i n e p l e x ，a n d e f t 和k a t h 刚n 。但是，早先的 o f d m 系统中，发信机和相关接收机所需的副载波阵列是由正弦信号发 生器产生的，且在相关接收时各副载波需要准确的同步，因此当子信道 数很大时。系统就非常复杂和昂贵。 直到7 0 年代，w e i n s t e m 和w b e r t 提出了使用离散傅立叶变换( d f t ) ， 如专用的硬件快速傅立叶变换( f f t ) 电路实现o f d m 系统中的 全部调制和解调功能，因而简化了振荡器阵列以及相关接收机中本地载 波之间的严格同步的问题为实现o f d m 的全数字化方案做了理论上的 准备。随着v l s i 的迅速发展已经出现了高速大阶数的f f t 专用芯片 及可用软件快速实现f f t 的d s p 通用芯片，且价格低廉，使利用f f t 实现0 f d m 的技术成为可能。 至8 0 年代以后，o f d m 的调制技术再一次成为研究的热点。o f d m 至8 0 年代以后，o f d m 的调制技术再一次成为研究的热点。o f d m 北豪交逶大学硕士学位论文基于p l c 的0 f d m 调毒螺统设计与f p g a 实现 作为一种宽带无线传输技术的优势很突出，箍且可以利用有效的新技术 去修正和弥 bo f d m 的隧有缺点，医丽o f d m 已经在数字音频广播 ( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) 、基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局 域网( w l a n ) 以及基于现有铜双绞线的菲对称高比特率数字用户线技 术的蠢线电话网( 如a d s l ) 中樽到了广泛的应用。总丽言之，0 f d m 技术市场前景广阔，具有非常重要的研究价值。 在电力线通信方面，近几年来，o f d m 技术为利用低压电力线实现 离速数字透信提供了一个有效的解决方案。i i l t e l l o n 公司在全球率先在这 方面做了积极的探索。该公司经过几年努力研制出了电力线高速数据传 输的产品p o w e r p a c k e t 。该系统采用o f d m 技术将4 3 m h z 2 0 9 m h z 频带划分成8 4 个子穗遂，每个子傣道可阻采用d q p s k 、d b p s k 等调制 方式，传输速率不小于1 4 m b p s 。实验结果表明，p o w e r p a c k e i 在有8 0 0 个用电设备的环境下连续 二作2 4 小时，误码率小于1 0 。h o m e p i u g 联 魏在2 0 0 0 年6 月5 同宣布采用i n t e l l o n 公司的1 0 m b p s 高速电力线网络 技术为戆准，来制定该联盟静第l 代电力线网络技术授范。鲻此，0 硒m 正在逐步成为高速p l c 的标准。 2 。2o f d m 基本原理 o f d m 技零的主要思怒是：把所传的高速数据流分解成若干个子比 特流。每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调 制若干个正交的子载波，荐将调制后的信号叠加输出，即可得到很高的 数据传辕速搴。 o f d m 的基本思想来自频分复用( f d m ) ，但与传统的f d m 不同。 传统的f d m 将频带分为若干个不相交的予频带来传输并行的数据流，在 北京交通大学颤士学位论文基于p l c 的o f d m 涸制系统设计与f p g a 实现 接收端用一组滤波器来分离各个子信道，这种方法的优点是简单，直接： 缺点是频谱的剃用率羝，予信遂之闰要罄有足够的保护频繁，多令滤波 器的实现有不少豳难。o f d m 系统由于各个子载波之间存在正交性，允 许予信道豹频谱穗互重叠，因此霹以最大限度豹利用频谱资源，是一署孛 高效的频分复用模式。见图2 1 。 偿道l 信遘2 信道3 信道4 倍道5 偿遘6 倍道7 偿遵8 频率 ( b ) 瞬2 1 传统f d m 和o f d m 系统的信道分配 o f d m 系统允许予载波间部分频谱重叠，为保证子载波阀不互相千 扰，选择子载波满足在蹙个符号周期内相互j e 交( 难交是指两个子载波 的乘积在一个数据符号周期内积分结果为零) 。在接收端采用变频和积分 的手段就可以有效分离出各子信道信号。 设，正o f d m 符号周期； m ：符号数； m 子载波数； 五：系统的发射载频； 4 厂：子载频闯的最小阉隔； 北京交通大学硕：b 学位论文 皋_ j ip l c 的o f d m 调制系统计1 jf p g a 实现 则第个载频为 = 五+ 蟛，子载波组定义为： 以 = g i ( f 一卅r )卜 埘 + 芘) ( 2 1 ) 其中，甑( f ) ：fp 7 2 破 o s f 兰r l o 其他 各子载波间满足难交性即满足： le j 2 面| h 4 1d t = l e i 2 。n q ”d t = _ it t = j i lo f ( 2 _ 2 ) 由上式可见子载波正交的条件是：予载波闻最小间隔v 等于符号周期倒 数的整数倍：= n 旧。为了实现最大频谱效率，一般选取子载波最小 问隔等于符号周期的倒数：v = l 丁。 一组串行数字信号可以用一系列的矩形脉冲发送，当脉冲被某个频 率的载波调制时就得到一个以载波频率为中心的对称频谱，频谱的形状 可以用函数s i n x x 来描绘( 工为频域内的拙样点) 。如图2 2 所示，予载 波频谱相互交疆，每个予载波的峰值对应为其他所有子载波频谱的零点。 因此，o f d m 接收机可以在单个子载波幅度最大的时候计算幅度值，从 而在没有受到其他予载波干扰的情况下解调出每个予载波。 圈2 - 2 0 国m 信号频谱 北京交通大学硕士学世论文基于p l c 的o f d m 调制系统设计与f p g a 实现 通过精心选择载波间隔，o f d m 的信号频谱是平坦的，并且能够保 证子信道间的正交性。当载波数较多，所有子载波叠加在一起时，总的 频谱接近矩形频谱，理论上频带利用率可达到s h a l l l l o n 信息论极限。如 图2 3 给出了1 9 个载波的叠加图。 图2 3 1 9 个o f d m 频谱叠加 2 2 1o f d m 的直接实现 假设1 个周期内传送的码元序列为d 。，d 。，d 。，它们通过 串并转换器分别调制在个频谱相互正交的子载波五、五、 一。 上，这些子载波满足正交特性，接收端采用变频和积分的手段就可以有 效的分离出各个子信道信号。图2 4 给出了o f d m 的基本原理。 c o s ( 2 可0 ) c o “2 矾一i f ) ( a ) 发送端 1 4 蔓堂j 璺亟叁警颇士学世论文基于p l c 的o f d m 调制系统设汁与f p g a 实现 出 数 字 并 基 转 带 换 解 调 c o s ( 2 矾一，) ( b ) 接收端 翻2 - 4 0 f d m 原理示意闺 在发送端，串行码元序列氏、一、d 。先实现基带调制，然 羼进行串并转换，经避分路霜的路子信遂码元的捌期r 从出增加到 ，分别调制在个子载波、z 、，j 一，上。五为最低子载波 频率，相邻子载波相差，所以个子载波可以表示为： ，。= j + 兰月= l ，2 ，一l( 2 3 ) 经过调制后的合成复包络传输信号西( ，) 为： n l 6 ( f ) = d ( n x 。2 矾 ，ef 0 ，丁】 ( 2 4 ) 其中d ( 村) 为第月个调制码元，r 为码元周期。 丽实际输出的信号可以表示为： i 。l d ( ，) = r e | d ( h 。2 甜j ( 2 5 ) 1 n “ol 在接收端，由于子载波的正交性，路信号分别用各子载波变频和 积分分离岛各个子信道的倍号，恢复出原信号。如下式： 筵亲交遵太学颤士掌垃论_ 立： 綦于p l c 於o f o m 调割系统漤诗与f p g a 实理 硒) ：r 艺d ( 咖旭以= 艺荆p 一嘞 4 盐。“ ( 2 6 ) = 艺m ) 州”击叫，1 ) 其中d ) 是接收机中第m 路子信道的输入信号。 从式( 2 6 ) 可以看出，它与发送端的第m 路予信道相等。如果每个 子信道都可以正确解调出原信号，将其合并后就能够恢复出发送端高速 串行码元净列d 。、d l 、疗。 2 2 2o f d m 的f f t 实现 0 f d m 的调制原理最然是羽个相互正交的载频分别调涮路子信 邋码元序列，但是在实际应用中，由于数据传输速率的要求比较高，为 了达到较好的抗多径时延鲍性能，的值往往很大，割1 0 2 或1 0 3 豹数量 级。在这种情况下，采用多个予载波鲋不同的信号进行调制所涉及的电 路复杂性将使得该应用无法实现。实际上0 f d m 采用了一种数字实现， 利熏离散傅立时正反变换( d 舳f 罩) 来实现调制和解调，对予很大 的系统，可以通过采用快速傅立叶正反变换( f f t 球f t ) 来实现，大大 简化系统实现的复杂度。 由上述分拆哥知，o 固m 调制赢豹输出信号如式( 2 4 ) 所零，该式 恰好是d ( r ) 以正为采样频率而得到的d f t ，即： - l 西( 奄) = d 如。2 “= 删p 。) o s 蠹一l ( 2 7 ) = 0 将西( 足) 序列经过d a 转换变成模拟信号后发送出去，接收端再经过 1 6 北京交通大学碗j ：学挺论文基于p l c 的o f d m 调制系统世汁与f p g a 实鹦 a d 转换恢复成数字信号，通过d f t 实现o f d m 的解调过程。假设接 受序列为r ( 意) ，经过d f t 可以描述成： r ( 七) = 州【d ( ) 1 = d ( n ) p 掣”o 女一1 ( 2 8 ) 女= 0 将式( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) 可得：冗( 七) = d ( n ) ，即接收序列被正确还原 出来。 o f d m 的f f t 实现过程如图2 5 所示。 ( a ) 发送 ( b ) 接收 图2 5 利用h m 眭f t 实现o f d m 调制解调的结构示意图 发送部分由串并转换器、基带调制模块、m f t 、合路器和d ，a 转换 器组成。工作过程如下：发送端将高速数据流通过串，并转换器分解成 令低速数据块，辩每路低速数据遴行基带数字调毹( 霹毅采曩b p s 致、 北京交通大学硕士学世论文 基十p l c 的o f d m 调制系统设计与f p g a 实观 q p s k 、q w 、t c m 等) ，然后通过巧f t 将基带调制信号搬移到路子 载波上合路后发出。发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的信道传递到 接收端。 接收部分由d 转换器、带通滤波器、f f t 、数字解调模块、并串 转换等部分组成。其工作过程为：采用f f t 恢复基带信号，并采用相应 的解调方式解调出路低速数据，最后通过并串转换合成原始高速串行 数据流。 2 3 基于p l c 的o f d m 技术的优势及实现难点 2 3 1o f d m 的优点 低压电力线的通信环境相当恶劣，主要表现在：信道的噪声大，干 扰多，阻抗变化大，对高频信号的衰减大，存在多径干扰现象并且这 些因素时刻变化，变化幅度很大。国际上用于电力线通信调制技术主要 有扩频调制和o f d m 技术。其中0 f d m 技术在带宽受限的高速电力线 通信领域显现出更大的优势，它在传输速率、调制效率、抗多径干扰等 诸多方面都优于扩频通信。0 f d m 技术的优势主要体现以下几个方面。 1 ) 频谱利用率高。 o f d m 的频谱利用率高。如图3 3 所示，当载波数目很多时，整个频 带内的频谱基本上成矩形，这在资源有限的电力线信道环境中尤为重要。 2 ) 能有效克服码问干扰。 在电力线信道中，线路分支多，所以存在多径效应。当多个信号经 过不同路径并有着不同的时延到达接收机时，会产生时间和相位的偏差， 造成码间干扰( i s i ，1 1 1 t e rs y m b o li i l t e r f e r e n c e ) 。由于o f d m 技术将高速 北京交避犬学硬上学垃论文培手p 乙c 的0 f d m 谭裁表统设计与f p g a 实现 串行数据转亿为较低速率数据并行传输，因此在一个符号帧中，每个载 波的比特持续时间被延长了倍，远远大于一般典型多径反射的延时散 布。例如一个1 0 m b p s 的b p s k 系统，其码元周期为1 0 0 胜，而电力线上的 典型多径时延扩展为l 娜。当码元被接收时，会寄接近l o 令码元被干扰。 而一个1 0 m b p s 的o f d m 系统，当使用l o o 个子信道时，每个子载波的周期 为1 0 坤，远远大于l 埘的电力线多径时延。 j l ：外，为了克涨多径弓 起的o f d m 符墨问的干扰，通常在每个符号 之闻插入循环前缀( c p ，c y c l i cp r e f i x ) 即将0 f d m 符号的后面若干个 码元拷贝到本符号的前边。只要c p 所占时间大于或等于最大时延扩展， 则多径倍号就不会延伸到下一个0 f d m 符号周期内，码间审扰就可以完 全避免，这样可以夜效的抵抗多径褒落的影购。 3 ) 能有效抵抗信遴衰落。 襄落是由予同一信号沿着两个或多个路径传播，以微小的时间差到 达接收机相甄干涉引起的。电力线信道是一种时变衰落信道，存在着由 于多径传播所引起的频率选择性衰落，而且衰落通常发生在某一个频率 上或o f d m 的某个子信道中，使某些子载波丢失数据。繁编码麴正交频 分复用c o f d m ( c o d e d0 f d m ) 技沭将o f d m 、信道编码私交织结合， 通过编码和交织使本来褶邻的硒元在时域和频域上尽可能远的分开来传 送，这样接收端经过去交织恢复码元原来的顺序后，就把可能出现的“块 差错”拆开为相距较远的单个比特差错，从而实现纠错。编码和交织将 c q f d m 系统中的局部衰落在整个信号带宽内平均，从恧减小了局部频段 衰落对数据传输的影响。 4 ) 抗突发性脉冲噪声，动态分配予信道。 o h ) m 对电力线信道突发性脉冲噪声的克服是通过子信道分配来实 北京交通_ 凡学硕士举泣论文基于p l c 的o f d m 调制系统设计姆f p g a 实脱 现的。o f d m 的予信道分配可以用强2 6 来说明。 a0 f 叫信遒特性 s n r 阐值 s n r 胡值 b 自适应傧道分配 f 图2 6o f d m 予信道动态分配 当o f d m 子载波信道建立时，通过测试帧对所有的子载波进行调制， 如凋2 4 ( a ) 所示。接着发送机和接收机将同时在链接中使用子信道分配， 低于s n r 阈篮的子信道将被关闭，没有数据调制到这些被关闭的予信道。 予信遂分配的缡采显示在篷2 4 ( b ) 孛。o 鞠m 胃良通过歼窟或关闭予载波 来重新分甄己子债道，使数据仅在能够传输的频饿内传输，从藤保证较低 的误码率。 当电力线信道受到窄带干扰和脉冲干扰时，由于干扰的幅值可能非 常大，以至于淹没了带有信息的0 f d m 信号。当子倍道的频带与这些干 扰的频带重叠时，只要简单的降低该信道的传输速率或者关闭这些信道 就可以有效抑售这些噪声的干扰。 5 ) 易予实现。 选用基于f 盯册的o f d m 实现方法。结构揠对箍单，大大降低 了系统实现的复杂程度。随着近些年v l s i 和d s p 技术的不断进步，使 实时实现m 肿f t 成为可能，特别是可编程逻辑器件f p g a 的并行结构 尤其利于并行实现f f t ，这些都保证了o f d m 系统运行的实时行和可靠 北京交通犬学颤士学盥论文基于p l c 豹0 f d m 调制系统设计与f p g a 实现 性。 2 3 2o f d m 实现的难点问题 0 f d m 的不足之处主要表现为：峰均功率比( p a p r ，p e a l ( t o a e r a g e p o w e rr a t i o ) 较大，对系统中的非线性较敏感；对定时和载波频率偏移 敏感。实现难点包括下露几点。 1 ) 同步 o f d m 技术的一个难点是同步问题。包括o f d m 符号同步( s y m b o l s ”c h r o n i z a i 熊) 、载波同步( c a r r i e rs y n c h 翔n i z a t i o n ) 积采样频率同 步( s a m p l i n gf r e q u e n c ys y n c h m n j z a t i o n ) 。由予子载波的频谱相互交叠， o f d m 符号对频率偏麓和非线性失真相当敏感，在高速传输时。频偏问 题尤其严重。一旦产生频镳，导致予载波的信号不能正确解调，产生轮i 和i s i 。 2 ) 降低峰均功率比 o f d m 系绕峰均功率毙较高。出于各子载波闯的绞诗独立，o f d m 信号时域上并行而在频域上正交，其相应的时域波形近似于商斯分布， 有可能在时域上产生过高的峰均功率比，予载波数越多，峰均功率比越 高。过商的峰均功率比会产生信号隘幅失真。为了不必真的传输这些高 峰均功率比信号，对发送端和接收端设备的线性度就要求很商，使得发 送效率火大下降，这就增加了系统的成本和实现难度。 3 ) 解决电力线接入网的目题 由于低压电力网不是专门用予实现通信的，其信道特性十分恶劣， 干扰多。衰减大。尤其是从最后一级变联器到用户的这段，因线路缺 少屏蔽层，极易受到雷电渡、无线电波和热噪声静干扰。且连接负载众 北京交通大学硕士学位论文基于p l c 的o f d m 调制系装设计与f p g a 实现 多，信号衰减大，相对较高的调制效率需要相对较高的信嗓比，这对于 硬件的设计提出了较高的要求。如美国i n t e l l o n 公司基予p o w e a c k e t 技术 的低压电力线载波通信芯片料t 5 2 0 0 的载波频带为4 3 2 0 9 m h z ，但该 技术仍然仅限于家庭内部网的组建，还不能真正解决“最后一公里”的 接入网闯题。如俺在此频带内实现信号躲藏速逡距离传辕，仍然是一个 难点，需要硬件和软件技术的共同提高。 北京交通夫学颤e 学垃论文基fp 乙c 曲o f d m 调制系统蛙计与f p g a 实现 第三章f p g a 技术概述 本章对f p c 认技术进行了简要的奔缨。余绍了x i l i n x 公司的s p a r t a n h 系列f p g a 芯片，给出了f p g a 豹开发流程，礤) l 语言及其自预葡下 的设计方法。还对f p g a 、d s p 和a s i c 器件的主要性能进行了相应的比 较。 3 1f p g a 概述 当今社会是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路本身在不 断地进行更新换代。它出早期的电子管、，弱体管、小中规模集成电路、 发展到趣大规模集成电路( v l s l c ，几万f j 以上) 以及许多其有特定功 能的专用集成电路。僵是，随着微魄予技术的发展，设计与制造集成电 路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己 设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短。 最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且立即投入实际应 用之中，因聪出现了现场可编理逻辑器件( 神l d ) ，霹编程逻辑器l 牛是 一种霹以j 鸯造成各种逻辑用途的透用芯片。其中应用最广泛的当属现场 可编程门阵列( f p g a ) 嗣复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。 现场可编程门阵列( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a l e a r r a y ) 内部结 构为逻辑单元门阵列l c a ( l o g i cc e l la 盯a y ) 。l c a 结构由3 类可编程 单元组成：周边i o s ( 输入输出模块) ：核心阵列c l b s ( 可配置逻辑块) ； 连接逻辑块的互连资源。f p g a 由翔户现场编程来完成逻辑功能块之闰 的互连，是一种将门阵列的通雳结构与可编程逻辑器件的现场可编程特 北京交通大学碗i 二学位论立甚十p l c 的o f d m 调制系统设计与f p g a 实现 性结合于一体的新型器件，具有编程功能强大、可靠性强、集成度高、 通用性好、设计灵活、开发周期短、产品上市快等方面的优点，在数字 电路设计领域中得到了越来越广泛的应用。 现在的主要f p g a 厂商如x i l i n x 、a c t e l 、a l t e r a 等都有自己的f p g a 系列产品，采用的工艺方法、产品结构、设计方法及其应用范围都有所 不同。 我们选用x i l i n x 公司的s p a n a ni i 系列芯片来验证整个设计，s p a r t a l l i i 系列f p g a 是x i l i n x 公司生产的代替a s i c 的第二代高容量f p g a 产 品。该系列f p g a 的主要特点有： 1 ) 系统门数从1 5 0 0 0 门到2 0 0 0 0 0 门( 从4 3 2 到5 2 9 2 个逻辑单元) 。 2 ) 5 v 容差的i o 口可达8 6 2 8 4 个，采用s e l e c t ，0 “技术，支持1 6 利- 电压和信号标准，兼容6 6 m h z 6 4 比特p c i 和c o m p a c tp c i 以及 a g p 2 x 。 3 ) 多种封装形式。 4 ) 采用前沿的2 5 v ，6 层金属的0 2 2 o 1 8 u m 的c m o s 工艺，功耗很 低。 5 ) 支持3 级存储，有两种片上r a m ：分布式r a m 和块r a m ，分布式 r a m 可以配制成移位寄存器，片上r a m 均可配置成双口r a m 。 6 ) 四重全数字化延时锁定环路( d l l ) ，四个主要低扭曲时钟分配网加 上2 4 个二级时钟辅助分配网，协助产生、综合和分配系统时钟。 7 ) 各种密度产品均设置向量式互连，使布线快速可预测，与内核分配良 好，时序驱动的布局布线工具，在4 0 0 z 的p c p u 上，编译速度 可达到每秒2 0 万门。 8 ) s p a n a i l 的最高系统时钟速率可以达到2 0 0 m h z 。 北京交通大学硕士学位论文 基十p l c 的o f d m 调制系统设汁与f p g a 实现 3 2f p g a 与d s p 和a s i c 器件的比较 在电路中实现数字信号处理的算法，传统上有两种方法：低速场台 下，采用可编程的通用d s p 芯片；高速场合下，采用特定功能的d s p 芯片或a s i c 芯片。f p g a 技术的飞速发展使设计工程师有了新的选择。 f p g a 保持了a s i c 器件的用户定制的功能，同时避免了定制a s i c 的高 额投资，也不会像a s i c 器件那样一旦生产出来后就不能对原设计作进 一步修改或升级。f p g a 器件有很强的灵活性和适应能力它能对目标 器件进杼各种不同类型的优化，还可以减少电路板的尺寸和系统的功耗， 这些都是d s p 芯片所不具备的。因此当设计中遇到d s p 算法，产品上市 时间急迫或殴计辩要网后不断升级时，就应考虑采用f p g a 器件。下丽 给出了f p g a 与d s p 、a s i c 的比较表格。 设计中考虑上述特点，选用f p g a 来实现o f d m 调维4 解调芯片。 f p g a 与d s p 的比较 表3 1f p g a 如d s p 芯片比较 f p g a 芯片d s p 芯片 编程语言 v h d l 、，e 州o gc 、a s s e m b l yl a n g u a g e 语句执行方式大多为并行串行 蓑结构配置合理速度霹 速度速度受d s p 时钟限制 以非常快 s r a m 型的f p g a 可配可以通过更换程序存储 霆配置性 置无数次器的内容重新配麓 受d s p 芯片的m a c 指令 乘加运算速度采用并行算法时很快 速度限制 可班并行处理以提高性d s p 程序一般为串行的， 并行处理能力 能不能并彳亍他 价格较低廉稍贵 北京交递大学硕i ：学位论空基于p l c 鸽o f d i 调制系统设计与f p g a 安现 f p g a 与a s l c 的比较 表3 2f p g a 与a s i c 芯片比较 f p g a 芯片a s i c 芯片 若结构配震台理速度可 速皮速度可以非常快 咀非常快 s r a m 型的f p g a 可配 重配置性 不可重新配置 鬣凭数次 设计周期较短较长 产品更新换代的 较强较差 能力 灵活性和适应力较强 较差 产晶数量少辩较凛，产产品少时较贵，产赫 价格 鞠对) 晶数懿多对较赞多时较凛 3 。3 基于f p g a 的数字系统设计 f p g a 的出现及其发展不仅解决了电子系统小型化、低功耗、高可 靠性等问题，而且使_ 丌发周期缩短，开发软件投入少，设计投入不断降 低。传统静电予设诗方法，仅仪采用矩理鹫输入或剥周芯片厂巍的设计 开发包已经难以满足目前的登求，f p g a 技术的突飞猛进，对传统的 设计方法提出了严峻的挑战。因此，采用新的设计方法是设计师们迫切 需要解决的问题，銎莉采用硬馋描述语言h d 乞豹鸯顶匈下豹设计方法， 是一个很好解决方案。 3 3 1f p g a 开发流程 f p g a 开发流程如图3 1 。 北京交通大学硕士学也论文基于p l c 的0 f d m 渊制系统设计与f p g a 实观 幽3 lf p g a 设计开发流程 第一步：设计烧范 确定设计规范是f p g a 设计中一个非常重要的环节，规范的目的是 要确定“要做什么”，对箍个设计超指导作用。 第二步：设计输入 设计输入就是在完成系统性能分析和功能划分的基础上。对各个模 块完成行为级( b e h a v i o rl e v e l ) 的描述。设计输入可以通过h d l 语玄、 状态图与原理豳输入三种方式实现。在完成行为级描述之蘑，对设计进 行行为级算法优化和功能仿真，以验证给定的描述是否能够实现所需要 的功能。 第三步：综合 整个综合过程就是将设计者在e d a 平台上编辑的设计输入依据给 定的硬件结构组件和约束控制条件( 如速度、功耗、成本及电路类型等) ， 通过综含工具进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更 2 7 北衰交通大学顾士掌盥论文基于p l c 的o f d m 渊制系统设计与f p g a 实现 底层的电路描述网表文件，最终获得一个能满足要求的硬件电路设计方 案。 第四步：f p g a 适配 适配器也称结构综合器，它的功能是将由综合器产生的网表文件配 鼹于指定的目标器件中，进行逻辑映射操作，其中包括底层器件配置、 逻辑分割、逻辑优化、逻辑耀羁