（通信与信息系统专业论文）利用超高压输电线的数字传输系统的研究与设计.pdf

海交通大学硕l 学位论文 利用超高压输电线的数字传输系统的研究与设计 摘要 利用超高压输电线作为传输信道的通信方式一直是电力系统通信的 一种重要方式。但现有的传输方式还仍以模拟方式为主。随着数字技术 的进步和数据业务量的不断扩大，采用数字化通信方式对现有通信体制 实现改进，改善和提高通信质量，从而在较低的信噪比下实现相对较高 的数据传输速率成为当务之急。同时，由于历史和现实的原因，在实现 数字化过程中，对现有模拟通信体制还有一个向前兼容的问题。这也是 在采用数字传输方式所必须考虑的f 1 题。7 本文介绍了一种同现有模拟通信体制在带宽分配上相兼容的数字传 输方案。该方案参照了目前公用电话线上的v 3 4 传输标准，采纳了其中 的一部分调制和编码技术，力求在不影响现有模拟载波机运行的同时， 通过数字通信方式来提高数据传输速率。 ( 同时，考虑到目前大量在线运行的模拟超高压输电线电力载波机的 存在及其巨大的升级成本，结合目前的d s p 技术水平，本文从技术角度 提出了分阶段实施的两个数字化方案，并对其中的方案一进行了具体的 研究、设计与实现。 在编码与调制上，本文所述的系统采用了多维的网格编码调制。该 方法频带利用率高，将编码和调制合为一体，为许多有线通信系统所采 用。本系统所采用的网格编码调制方案除了能获得较好的编码性能外， 还不受接收端相位估计差错的影响，它对n x9 0 。的相位误差都是不敏 感的。 同时，为了获得s h a p i n g 增益，本系统还采用了s h e l lm a p p i n g 技术。 该技术能在给定的c e r 2 下，获得近乎最优的s h a p i n g 增益。 在接收端，本系统实现了维特比解码和u - n s h e l lm a p p i n g 。同时， 为了能正确处理时钟问题，本系统对其中的符号同步技术做了深入的讨 论，研究和实现。 止l # i - ，本系统中其它的一些重要的组成部分，如加扰、解扰，脉冲 整形，q a m 调制等，文中也做了论述。 除了d s p 的软件部分以外，文中还对系统的硬件做了设计与实现。 在文中所述的系统中，硬件部分以德州仪器公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 处理芯片为主要处理部件，结合了单片机、c p l d 、模拟运放等一系列 外围电路。 本文所述的系统从通信体制和系统实现的角度为超高压输电线的数 关键词 网格编码调制、s h a p i n g 、维特比、符号同步、电力线载波、d s p l 海交通大学硕i ：学位论文 g e n e r a lr e s e a r c ha n d d e s i g n o ft h e d i g i t a ls i g n a l t r a n s m i s s i o n s y s t e m o v e r e x t r a - h i g hv o l t a g e l i n e s a b s t r a c t i ti sa l w a y sas i g n i f i c a n tw a yo fc o m m u n i c a t i o nf o rt h ep o w e r d e p a r t m e n tt o s e n da n dr e c e i v ed a t a v o i c et h r o u g he x t r a h i g hv o l t a g ep o w e r l i n e h o w e v e r , t h eo l d f a s h i o n e da n a l o gc o m m u n i c a t i o nm o d ei ss t i l li np o p u l a ru s et o d a y w i t ht h ea d v a n c e m e n to f d i g i t a lt e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gv o l u m eo n d a t a t r a n s m i s s i o n ，i tb e c o m e sm o r ea n dm o r en e c e s s a r yt oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h ee x i s t i n gp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb yad i g i t a l w a y , s o t h a tt h ed a t a t h r o u g h p u t c a nb eb e t t e r a n o t h e ro b s t a c l eo nt h ew a yt o d i g i t a l c o m m u n i c a t i o nm o d ei st h e c o m p a t i b i l i t yw i t ht h ee x i s t i n ga n a l o g m o d eo nb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，w h i c hs h o u l db et a k e ns e r i o u st oe n s u r et h e n o r m a lo p e r a t i o no ft h ee x i s t i n go n l i n ea n a l o gm a c h i n e s i nt h i sa r t i c l e ，ad i g i t a lt r a n s m i s s i o ns c h e m ai sp r e s e n t e d ，w h i c hi sc o m p a t i b l e w i mt h ee x i s t i n ga n a l o gc o m m u n i c a t i o nm o d ei nb a n d w i d t ha l l o c a t i o n p a r t o ft h et e c h n i q u e si nt h ev 3 4s t a n d a r df o rg s t n a r ea d o p t e di n t ot h i ss c h e m a s u c ha st h et r e l l i sc o d em o d u l a t i o na n ds h e l lm a p p i n g t h e o b j e c t i v eo f t h i s s c h e m ai st oi m p r o v et h ed a t at h r o u g h p u to nt h ee x t r a h i 吐p o w e rl i n ew h i l e a tt h es a m et i m et h eo t h e r a n a l o gm a c h i n e sc a n s t i l lo p e r a t en o r m a l l y c o n s i d e r i n g t h e l a r g e c o s tt o u p g r a d e a l lt h e e x i s t i n ga n a l o ge x t r a - h i g h v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e rm a c h i n e s ，t h i sa r t i c l ea l s op u t sf o r w a r da t w o s t e p t e c h n i c a lp l a nt oi m p l e m e n tt h ea b o v es c h e m as oa st oi n t e g r a t ep o p u l a rd s p t e c h n o l o g yi n t o t h ei m p l e m e n t a t i o n i nt h i s a r t i c l e ，f o c u s i s p l a c e do nt h e r e s e a r c h ，d e s i g na n di m p l e m e n t f o rt h ef i r s ts t e p c o n c e r n i n gt h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o n ，t h em u l t i - d i m e n s i o nt c m i su s e di n t h es y s t e mm e n t i o n e di nt h i sa r t i c l e i ti n t e g r a t e st h ec o d i n ga n dm o d u l a t i o n i n t oaw h o l eo n e ，w h i c hi sa d o p t e db ym a n yw i r e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s b e s i d e si t s g o o dp e r f o r m a n c e ，i ti sa l s oi m m u n et ot h ep h a s ee r r o rt y p eo f l 海交通火学硕l 学位论文 n x 9 0 。 m e a n w h i l e ，t oa c h i e v es h a p i n gg a i n ，t h es y s t e mi n t h i sa r t i c l e a d o p t s t h e t e c h n i q u e o fs h e l lm a p p i n ga sw e l l t h i sk i n do f t e c h n i q u e c a r la c h i e v ea l m o s t t h el a r g e s tp o s s i b l es h a p i n g g a i nw i t h i n t h eg i v e n c e r 2 a tt h e r e c e i v i n gt e r m i n a l ，v i t e r b id e c o d i n g a n du n s h e l l m a p p i n g a r e i m p l e m e n t e d i na d d i t i o n ，t oh a n d l et h et i m ep r o p e r l y , t h ep r o b l e mo fs y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n o rt i m e r e c o v e r y i sd i s c u s s e di nd e t a i li nt h i s a r t i c l e ， i n c l u d i n gi t st h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o n w h a t sm o r e ，s o m eo t h e r i m p o r t a n tp a r t s ，s u c ha st h es c r a m b l e r , d e s c r a m b l e r , p u l s es h a p i n g ，q a m e t c a r ed i s c u s s e di nt h i sa r t i c l ea sw e l l b e s i d e st h es o f t w a r eo f d s p , t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f h a r d w a r ea r e a l s oi l l u s t r a t e d t h ec o r eo ft h eh a r d w a r ei sat e x a si n s t r u m e n t s t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s pc h i p ，i n t e g r a t e dw i t has i n g l ec h i p ，c p l da n da n a l o g o p e r a t o r s o nt h ew h o l e ，t h i sa r t i c l ei si n t e n d e dt op r o v i d ea p o s s i b l es c h e m a f o rd i g i t a l t r a n s m i s s i o no v e re x t r a - h i g hv o l t a g ep o w e rl i n e ，w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no f c o m m u n i c a t i o nm o d ea n ds y s t e mi m p l e m e n t a t i o n ，w h i c ha i m st oa m e l i o r a t e t h ep e r f o r m a n c ef o rd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do nt h ee x i s t i n ge q u i p m e n t t h e c o m p a t i b i l i t y w i t ht h ee x i s t i n g a n a l o gc o m m u n i c a t i o n m o d ei sa l s ot a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o n k e yw o r d s t c m ，s h a p i n g ，v i t e r b i ，s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ， p o w e rl i n e c a r r i e r , d s p 【：海交通人学硕i 学位论史 1 1 应用背景 第一章前言 随着我国电力事业的不断发展，特别是随着数据业务量的不断增加，对电力通 信中的数字化传输提出了更高的要求。而通过超高压输电线的电力线载波通信是电 力系统所特有的通信方式，它对电网的安全、稳定、经济运行起着重要作用，因而 在我国，乃至世界电力通信系统中被广泛采用 1 】【2 。但是，由于历史、技术等一系 列原因，传统的超高压输电线通信方式仍采用模拟方式，并多以单边带调幅方式( s s b ) 为主 3 ，主要用于话音信号的传输，已难以适应电力系统数字化的需要，采用数字传 输方式是必然趋势。但是，由于目前大量在线运行的模拟电力线载波机的存在，因 此要求新的传输方式在带宽分配，输入输出特性等一系列指标上能同原有的模拟传 输方式相兼容，以达到既不影响目前的通信运作，又能有计划，有步骤地逐步更新、 淘汰现有模拟传输方式的目的。 1 2超高压输电线的信道特性 频带分配 我国规定的超高压输电线的载波频率范围为4 0 k h z 到5 0 0 k h z ，基本载波频带为 4 k h z 或2 5 k h z 。对于4 k h z 的载波机，频带范围为3 5 0 h z 至3 3 k h z ，对于2 5 k h z 的载波机，频带范围为3 5 0 h z 到2 3 k h z 1 。注意到这里4 k h z 的频带范围同电 话线的频带范围是几乎一致的。 信噪比 就信道的信噪比来说，目前模拟载波机的话音传输的设计标准在不良天气情况下 为2 5 d b ，在正常工作的大部分时间里，接收机输入端的信号杂音比约为3 0 4 0 d b 3 】。 失真类型 在超高压输电线上，主要的失真有如下几类【3 】 海交通大学硕i 学位论义 1 由绝缘体或导体不规则放电( 电晕放电、弧刷放电) 产生的类似于白噪声的随 机杂声。它们在4 k h z 带宽内的均方根噪声功率电平典型值为一3 5 至一2 5 d b m ( 系统电压 2 2 0 千伏) 。 2 由隔离丌关和断路器的操作及雷电、弧光等原因产生的短尖突发脉冲，其杂 音电平约为一1 5 5d b m 3 外界信号源，如其它电力线载波机通过阻波器的泄漏和能量的耦合所产生的 干扰。 而对于载波机的输出功率与电平，国家标准如下 1 ： 、w + 3 0 d b m2s 鼬| 七3 4 d b ms | 七3 7 d b m 10 w + 4 0 d b m2 0 w + 4 3 d b m4 0 w + 4 6 d b m 从以上数据可以看出，超高压输电线是带宽受限信道，其信道干扰的类型同电话信 道有许多类似之处，比较如下： 超高压输电线电话信道 带宽4 k h z ，音频坝1 ( 3 0 0 h z 3 4 k h z ) 2 0 0 h z 3 2 k h z 载频范围 4 0 k h z 5 0 0 k h z 2 0 0 h z 3 2 k h z ，常用1 8 k h z 典型信噪比 2 5 4 0 d b2 8 3 5d b 电晕放电( 白色) ，弧刷放电( 白压扩器非线性失真，相位抖动， 干扰类型 色) ，突发脉冲，邻带干扰脉冲噪声，热噪声 表格( 1 2 1 ) 从上表可以看出，除了载波频率，超高压输电线比电话信道要高得多外，在带 宽，信噪比，和干扰类型等方面，输电线信道同电话信道都有类似之处。因此，超 高压输电线信道也可以近似看作带宽受限的加性高斯白噪声信道。 1 3 数字化方案 由上文可以看出，超高压输电线信道同电话信道之问有许多类似之处，特别是 注意到电话线上已有的v 3 4 传输标准在带宽分配上同现有的4 k h z 模拟载波机是一 致的，因此，在超高压输电线上的数字传输方案可以借鉴v 3 4 标准中的某些技术。 从方案的具体实施来看，目前针对超高压输电线用的数字化方案，国内外都没 有现成的专用芯片，而数字化调制、解调、编码等又需要进行大量的高速运算，所 以本系统中采用了d s p 技术来解决这个问题。但是由于超高压输电线所要求的载频 范围较高，最高可达5 0 0 k h z ，如果一次调制，对d s p 的运算速度要求较高。而考 海交通人学硕i 学位论文 虑到目前现存的大量模拟载波机以及语音压缩技术的不断成熟，对超高压输电线的 数字化传输，可以采取下面两个方案： 1 目前的4 k h z 基本型模拟载波机，话音的有效传输频带为3 0 0 h z 到3 4 k h z ，如 果不计压扩器所引入的主观改善，在低频输出端的信噪比约为3 0 4 0 d b 3 1 ，同电 话信道类似。考虑到目前用专用芯片实现的话音压缩，最低可达2 4 k b p s ( 如d i g i t a l v o i c es y s t e m s 公司的a m b e 一1 0 0 芯片 5 】) ，因此，可以将原有模拟载波机的有效 传输频段用作数据传输，将压缩后的话音信号与数据信号用分接和复接的办法送 入数据通道中，并在其上利用v 3 4 的有关技术，实现数字化传输，以提高传输 速率。这个方案完全可以借用现有的模拟载波通道，主要的调制、解调都在基带 ( 3 0 0 h z 3 4 k h z ) 上进行，对d s p 的速率要求相对较低。如载频设为1 8 k h z ，抽 样率9 6 k h z ，采用1 0 0 m i p s 的d s p ，则在间隔的抽样点之间可以进行1 0 4 1 7 次 乘加运算。这样，只需一块t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 芯片，即可完成包括编码、解码、 调制、解调、均衡在内的所有运算。这也是本文所述系统所采用的方案。但是， 该方法需要两次调制方可实现传输，第一次是基带上的数字调制，第二次是将频 带搬移到4 0 k h z 到5 0 0 k h z 的载波工作频带上。而实际实现时，在目前的模拟超 高压电力线载波机中，由于模拟滤波器在器件上实现的困难，频谱搬移一般是分 两步来实现。先是将频带调制到2 0 k h z 左右，称为预调制，再是将预调制后的信 号搬移到最终的载频上，并且这两步调制多采用s s b 方式进行。从体制上来看， 这种方式使系统过于复杂，并且两次调制，人为地增加了噪声。但是，从数字化 的角度来看，这种方式利用了现有模拟载波机的话音通道，不必替换现有的模拟 载波机，可以很好地利用现有设备，对其它在线运行的模拟载波机影响也较小。 对数字处理芯片的运算速度也要求不是很高。 2 为了进一步简化设备，实现完全的数字化传输，可以在上一方案的基础上改变 基带调制信号的载频，将信号一次调制到4 0 k h z 5 0 0 k h z 的范围内，实现完全 的数字化传输。这样可以彻底淘汰掉现有的模拟载波机，彻底改变超高压输电线 的传输体制。但是，这种方案需要实现通带调制、解调和通带均衡，采样率也相 对较高，因此对d s p 的速率提出了更高的要求，硬件技术难度也相对更高。但 是从软件的角度而言，除了调制、解调和均衡外，其它大部分软件同上一方案是 类似或相同的。 综合以上各点考虑，本文所述系统针对方案一作了研究，设计与实现。 3 l + 海交通人学烦二卜学位论艾 2 1总体概述 2 1 1 发射机总体框架 发射机总体框架如下 第二章软件的设计 原燃兹_ s 2 8 ) - ! s h e l l m a p ， 薹 心! ! ： 差分编码器 1 耋 一 d 蠊* n i “e n 山rl l n。 ： v 。 j 。盛戮 禹：发射机总体框架 f i g u r e ：t h es t r u c t u r eo f t r a n s m i t t e r 本系统的发射机结构同参考资料【4 】中的框架结构基本类似，并作了简化。主要 是取消了预编码器( p r e e o d e 0 $ 啡线性编码器( n o n 1 i n e a re n e o d e r ) 。取消这两部分的 原因主要是由于这两项技术，尤其是预编码器的引入，会使编码器复杂化。因为在 本系统中，网格编码器是通过反馈方式同s h e l lm a p p e r 相结合的。当前发射的四维 符号决定卷积编码器的输入，卷积编码器的输出反馈到符号映射端( m a p p e r ) ，同s h e l l m a p p e r 一起决定下一个需要发送的四维符号。如果将预编码器引入，则反馈比特将 由网格编码器- ( t r e l l i se n c o d e r ) 年l 预编码器共同决定。反馈比特的计算和解码器都会 因此而复杂。另一方面，预编码的引入主要是为了方便接收端的判决反馈均衡器 ( d e c i s i o n f e e d b a c ke q u a l i z e r ) ，将接收端d f e 的反馈部分放入发射机中 8 】，因此， 预编码的效果在一定程度上可以由接收机的均衡器来替代。综合考虑到以上各方面 ：海交通大学顺。i 学位论文 的原因，本系统暂时取消了预编码。而非线性编码器的作用主要是为了增强发送端 抗非线性干扰的能力。但超高压输电线上的非线性干扰类型较多，其数学模型相对 复杂，在目前对其还没有进一步认识的情况下，本系统暂时取消了非线性编码器。 同时，由于非线性编码器处于发射机编码器的末端，同编码器的其它部分相关性较 小。今后增加这一部分也相对比较容易，所以本系统暂时没有考虑非线性编码器。 在数据传输速率的选择上，目前本系统所选择的符号速率为2 4 0 0b a u d ，比特 速率为1 4 4 k b p s 。之所以作这样的选择，主要是出于如下的考虑： 由表格( 1 2 - 1 ) 可以看到，电话信道的典型信噪比为2 8 d b ，而超高压输电线的 典型信噪比为2 5 d b ，因此，在信道带宽相同的情况下，超高压输电线的传输速率应 相对有所降低。而v 3 4 标准所能提供的极限传输速率为3 3 6 k b p s 4 。如果将传输 速率降低一半，则网格编码中信号子集内的最小平方欧几里德距离( m s e d ) 会增 大一倍，由此获得3 d b 的增益。考虑到本系统中暂时没有考虑的预编码器和非线性 编码器，所以本系统所选择的比特传输速率比v 3 4 的极限速率的一半还略低，为 1 4 4 k b p s 。对符号速率的选择，本系统目前的符号速率( 2 4 0 0 b a u d ) 只是暂时性和实 验性的，因为其占用带宽较小。为了进一步提高带宽利用率，可以采取增加符号速 率的方法，比如，可以将符号速率增至3 2 0 0 b a u d 等。同时，在比特速率不变的情况 下，通过增加符号速率，在信道允许的范围内提升信号所占用的带宽，也可以降低 对信噪比的要求，即以带宽换取信噪比。 输入的原始比特流首先经过加扰，变为伪随机序列。然后输入编码器。 本系统采用多维的网格编码调制。在发射机中，以四维符号为一个发送单位。 也就是说，发送的二维星座点两两为单位，同属一个四维子网格( 4 ds u b l a t t i c e ) 。对 每个四维符号，在输入的数据比特中有3 位( i ，i ：，i ，) 和从网格编码器反馈回来的y o 一起决定需要发送的四维子网格及其具体的四维类型。也就是说，决定发送的四维 符号中所包含的两个二维符号的绝对相位和相对的相位关系。这里( i ，i ，) 经过差分 编码器，主要是为了同网格编码器相结合，解决n x 9 0 。的相位偏差问题。 同时，本系统中用s h e l lm a p p i n g 的方法获得s h a p i n g 增益( s h a p i n gg a i n ) 。具体 做法是将二维星座点从原点向外分成一个个面积相等的同心圆。在发送时，根据输 入数据码流，尽量选择半径较小的同心圆，即半径较小的星座点被发送的概率较大。 这样使得发送所需要的平均功率降低，从而降低对信道信噪比的要求。但是，出于 每个星座点发送的概率不同，对同样数量的星座点来说，非等概率的发送方案造成 符号集所含的熵( 信息量) 降低，因此，为保持传输速率不变，往往需要增加星座点 的数量 1 8 】。所以本系统的星座点数比等概率发送所需要的星座点数要多( 约多出 6 、。 为了能使编码和s h a p i n g 很好地结合，保证有较好的编码增益和s h a p i n g 增益， 本系统中的网格编码器在总体框架中采用反馈方式，当前发送的四维符号决定网格 5 上海交通火学烦卜学位论丈 编码器的输入比特，网格编码器的输出比特y o 则通过反馈方式，同i - ，z ( m ) 一起决 定下一个四维符号的相位。 综合以上考虑，在比特速率1 4 4 k b p s ，符号速率2 4 0 0 b a u d 下，每四个四维符 号( 4 8 比特) 组成一个m a p p i n gf r a m e ，具体做法如下： 原始的4 8 比特输入数据进过加扰后，分为以下几部分： ( s l ，s 2 s 2 8 ) ( ，l 。，2 。，3 。) ，( q 0 。) ，( q 0 ，) ( 1 1 ，2 ，3 。) ，( q l 。) ，( g ) ( ，l2 ，2 2 ，3 2 ) ，( q 2 o ) 。0 2 1 ) ( 1 1 ，1 2 3 ，1 3 。) ，( q 3 。) ，( q 3 ，) 星座点从原点向外分成1 2 个面积相等的同心圆，( s ，s ：s ：8 ) 从这1 2 个同一1 1 , 圆中选出8 个同，i i , 圆，( q 。) 则从每个同心圆中选出一个点。而( ，1 ，2 ，3 ) 则将每个 同一1 1 , 圆中选出的点旋转一定角度( 0 。，9 0 。，1 8 0 。，2 7 0 。) 。这里每两个二维星 座点共用一个( ，1 ，2 ，3 ) ，也就是说( ，l ，2 ，3 ) 决定每个四维符号的相位关系。这样， 本系统的星座点总数为l = 4 1 2 - 2 = 9 6 。 对每个四维符号，网格编码器会加入一个编码比特。这样，整个m a p p i n g f r a m e 包括2 8 个s h e l l 比特( s ，s ：s ：。) ，8 个未编码比特( q ，) ，1 6 个网格编 i - q l l 特 ( ，1 ，2 ，1 3 ) ，y 0 ，对应8 个二维符号。平均每个二维符号对应5 2 8 = 6 5 个比特。如果 每个星座点等概率发送，只需2 65 = 9 0 5 1 个比特。而现在的星座点由于采用s h e l l m a p p i n g ，不等概率发送，共有9 6 个比特，如前文所述，比等概率的星座点集约多 出6 。 2 1 2 接收机总体框架 接收机总体框架如下 6 海交通人学坝”1 学位论史 锢日 通带均衡器 ( f a 。s b a n d e q u a l i z , , ) 载波恢复 ( c a m 甘r e v e q ) 解调 ( d 啪o d u l “o n ) 厨j 按牧枷总椎 5 e 柰 f i g u r e ：t h es t r u c t u r eo f r e c e i v e r 接收的信道模拟信号经过a d 变换后，进入通带均衡器，然后作解调。这里， 均衡器，解调器和载波恢复是合为一体的。解调后的信号进入维特比解码器解码， 相当于网格解码。每8 个两维符号进入反向s h e l lm a p p e r 器，去除s h e l lm a p p e r ，解 出一个m a p p i n gf r a m e ，共4 8 比特。最后经过解扰器，即可得原始比特流。 但是，在接收机中需要考虑如下的一些实际问题： 1 ) 载波检测 由于发射机和接收机一般不会同时开机，超高压输电线信道也由于种种原因， 如地震，火灾等而出现断路。因此，发射机需要检测信道载波信号的存在与否。 以决定开始接收，还是告警，重新连接等一系列操作。 2 ) 符号时钟 由于发射机和接收机的晶体振荡器一般不可能精确同步，总会存在误差。随着 时间的推移，积累的误差会导致帧失步的出现，也会导致均衡器不能正常工作。 因此，需要接收机能根据接收信号正确调整本地时间参考( t i m er e f e r e n c e ) 。 3 ) 载波恢复 为了能正确解调，需要接收机产生一个稳定的本地相位，当信道上由于非线性 的干扰而出现相位的突变( p h a s ej i t t e r ) 时，需要接收机能自适应地加以处理。 2 1 3 软件实现方式 本系统的软件实现主要基于德州仪器公司的t m s 3 2 0 c 5 4 0 2d s p 的硬件平台。 但是，如前文所述，本系统目前实现的仅是超高压输电线数字传输方案的方案一。 考虑到今后向方案二过渡的可能，也为了便于向更高速d s p 平台，如t m s 3 2 0 c 6 2 x 系列移植的方便，本系统的软件实现大部分采用c 语言，仅在一些对性能要求较关 键，或利用了5 4 0 2 内部特殊结构的场合( 主要是均衡部分) ，才使用5 4 0 2 汇编同c 7 海交通人学顾l 学位论义 的混和编程。 同时，为了加速程序的丌发和方便程序的调试，本系统的软件还采用了德州仪 器公司的d s p b i o s 技术，它类似于一个小型的实时操作系统，在程序编译时自动 将用户程序嵌入其中。由于一般用户程序，其主循环往往是一个死循环。如果用户 程序是用c 语言编写的，实际上在m a i n 函数执行结束后，程序也进入一段空的死 循环，d s p 实际上处于闲置状态。d s p b i o s 正是利用了这段空闲时间，实现各类 a p i 调用。同时，为了实现实时性，d s p b i o s 本身往往还利用d s p 的r t d x ( r e a l t i m e d a t ae x c h a n g e ) 功能，将d s p 运行数据通过仿真器c x d s 5 1 0 ) 实时反馈到h o s t ( p c ) 机 的内存或l o g 文件中，供调试参考和性能分析。所以，利用d s p b i o s ，可以很容易 地实现程序的跟踪，信息反馈和实时性能分析。整个软件架构如下图所示 2 7 1 。 离：软件架构 f i g u r e ：s o f t w a r es t r u c t u r e 在h o s t ( p c ) 端，配置工具将所需要调用的d s p b i o s 对象等写入c m d 文件，s 5 4 和h 5 4 文件中，通过编译，连接工具连入用户程序中。用户程序载入目标硬件后( t a r g e t h a r d w a r e ) ，d s p b i o s 会将c p u 负载，时钟，消息纪录等有关消息由r t d x 技术从 d s p 的j t a g 口通过e m u l a t o r 返回到h o s t 端，用户则可以通过c o d ec o m p o s e r 加以 观察，调试。同时，如果有必要，甚至可以购买第三方的软件，将一些成熟的软件 模块嵌入到用户程序中。 本系统中也采用了上面的这种软件架构。在d s p b i o s 中，分别建立了s e n d l o g ， r e c v l o g ，t r a c e 三个消息对象，分别记录发送，接收和运行的有关数据。这三个对 象在d s p 上各丌辟一块内存空间，将一些程序的调试信息记录在d s p 内存中，然 8 l 海交通大学颂i ：学位论义 后通过x d s 5 1 0 仿真器( e m u l a t o r ) 将d s p 上暂存的信息返回到h o s t ( p c ) 上，供调试 参考。 2 2 加扰与解扰 为了改善数字传输时位定时恢复的质量，使信号频谱弥散而保持恒稳，改善帧 同步和自适应时域均衡的性能，往往要求限制输入码流中连0 或连1 的长度 2 6 】。 为此，原始的信息码流需要经过随机化处理，变为伪随机序列，即这里所说的加扰 ( s c r a m b l e ) 。在接受端再进行解扰( d e s c r a m b l e ) ，以恢复原始信息码流。 2 2 1 加扰器的结构 常用的加扰方法是使用最大长度移位寄存器码【6 】。为达到最大的码字周期，在 本系统中，移位寄存器的连接参考并采用了v 3 4 标准中的c a l lm o d e 扰码多项式： i + x 。8 + x 。2 3 。该多项式为许多m o d e m 标准所采用，最大码字可能周期为2 ”1 。移 位寄存器的连接如下： 输出序判g o u t p u t $ e q n c e 由上图可得： g = s o g z 一1 8 0 g z 一2 3 固：抚码器结构 f i g u r e ：t h e s t r u c t u r eo f s c r a m b l e r 式( 2 2 1 - 1 ) l 海交通大学硕i 擘位论文 或表示为： g = 志zl o z “5 0 “ 2 2 2 解扰器的结构 式( 2 2 1 2 ) 在接收端解扰时，也是让码流通过一个移位寄存器，其结构如下： o u t p u ts e q u e n c e 固：锋扰器结构 f i g u r e ：t h es t r u c t u r eo f d e s c r a m b l e r 由上图可得： 月= g o g z 一1 8 0 g z 一2 3 式( 2 2 2 1 ) 或表示为： r = g ( 1 0 z 一1 8 0 z _ 2 3 ) 式( 2 2 _ 2 2 ) 将式( 2 2 2 2 ) 代入式( 2 2 1 2 ) ，可得r = s 。因此解扰器输出序列同加扰器输 入序列完全相同。不过，这里并没有考虑移位寄存器的初值。当加扰移位寄存器和 解扰移位寄存器的初值不同时，初始的2 3 位输出输出是有可能不同的。 l 海交通火学硕j 学位论文 2 2 31 6 位扰码算法的实现 上面所述的加扰和解扰算法是以比特为单位的。但是在本系统中，数据码流都 是以1 6 位字长为单位来处理的。如果仍以比特为单位来进行加扰和解扰，效率太低。 所以本系统中需要实现1 6 位的扰码算法，具体如下： 由于这里移位寄存器的长度为2 3 位，在程序中用一个3 2 位的长字来纪录移位 寄存器的状态。程序运行时，以1 6 位输入数据为单位进行处理，利用5 4 0 2 的3 2 位 寄存器a ，b 作为中间变量。 1 计算z “8 与z _ 2 3 位移：3 1 一2 0 1 6