（计算机应用技术专业论文）智能家居网络的电力线通信调制技术实现研究.pdf

摘要 进入新世纪，随着技术的飞速发展，人们未来的生活将因为网络的飞速发 展而发生翻天覆地的变化。而构建网络的媒介也随着技术的发展出现了巨大的 变化。全球各大家电企业和通信企业重新将焦点转向了无处不在的电网，利用 电力线构建智能家居网络已经成为网络发展一个重要方向。为此，本文对智能 家具网络中电力线收发器的调制技术进行了系统的研究，用d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 为核心构成电力线收发器的调制模块，宗旨在于利用d s p 芯片 的高速数字处理能力来实现复杂的o f d m 调制。 本文借鉴了计算机网络技术，电力线通信技术，d s p 技术，首先对智能家 具网络的发展做了介绍，提出了一个未来以电力线为通信媒介的智能家居网络 架构。然后对电力线载波通信的特点进行了分析，对各种成熟的调制技术进行 了分析对比，选择o f d m 为电力线调制技术，详细叙述了调制过程，给出了从 正交到h 丌的渐变演化的过程，给出了高速d s p 芯片为核心的调制模块的系 统模型和硬件实现，并且在芯片5 4 0 2 的实际存储有限和处理速度能力己定的情 况下，优化安排调制程序的数据存储，给出了优化算法程序，最后作出了0 f d m 模型的仿真和误码率的结果。 关键词：智能家居网络，电力线网关，o f d m ，d f t ，f f t ，d s p a b 8 廿a c t a b s t r a c t l nt h e2 1 c e n t u r y j w i 廿1 t h ee v e 卜s p e e d i n gd e v e l o p m e n i o f t e c h n o i o gy ，p e o p l e s f u t u r e v e sw it a k eab 限n d - n e wi o o kd u e t ot h en e t 、 f 0 水，s r a p i dd e v e l o p m e n t 。 s ot h em e d i u m ，w h i c h c o n s t r u c tt h en e t w o r k ，1 i i i i i c h a n 口eg r e a t i y 佑rt h e i m d r o v e m e n t o f t e c h n 0 i o g y 。m a n yh o m e - e i e d n c a 卜a p p a n c ec o m p a n e sa n d c o m m u n j c a 髓o n e n t e r p s e sf o c u so n 廿i eo m n i p 限s e n te i e c t n c p o w e r n e h i f o 水。 u t i z i n ge i e c t c n et ob u dl h e i n l e i 口e n t h o m e n e t w o r kh a sb e c o m ea ni m d o r t a n td r e c t i o no fn e t w o r k d e v e i o p m e n t 。 t h e r e f o r ，th i s p a p e rm a k e a s y s t e m a “c r e s e a r c h a b o u tt h em o d u i a t i o n t e c h n o i o g y o ft h ee l e c t n ct r a n s m i t r e c e i v e u n i ti nt h e i n t e i g e n th o m e n e t w o r k 。d s p p r o c e s s o r t m s 3 2 0 c 5 4 0 2i st h e c o r es e a m e n tw h l c hn s t n j c t s t h ee i e c t c t r a n s m f t - f e c e j v eu n j t 几1 0 d u j a t i o nr t l o d u l e 。t h e h i g hs p e e dd i 口i t a i p r o c e s sc a p a c i t y o fd s p p r o c e s s o rc a r r y o u tt h ei n t n c a t e o f d mm o d u l a t i o n 。 t h i s p a p e r t a k e 竹1 e c o m p u t e rn e 水t e c h n 0 i o g v ， e l e c l c c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，d s pt e c h n 0 i o g y a sr e f e r e n c e d o i n t 。 a t f i r s t ，i ti n t r o d u t h ed e v e i o p m e n to f i n t e i i i g e n th o m en e t i f l ，o 水 a n d p u t f o n f a r daf u t u r e i n t e i g e n l h o m en e t w o r ka r c h j t e c f u r e w h o s ec o m m u n i c a t i o nm e d u mi sb a s e do ne i e c t n ci i n e 。t h e na n a n a i y s i s a b o u tl h e p o w e r n em m u n i c a “0 nc h a r a c t e n s n ch a s b e e nm a d e 。w h a r sm 0 怕，a n a n a l y s i s a sw e | ia s c o m p a s o n h a sb e o nm a d ea m o n g a k i n d so fm o d u l a t i o n t e c h n 0 1 0 9 i e s 。a s a ，e s u j t ，ac h o j c eo f0 f d mm o d u j a a o nh a sb e e 几m a d ea n d ad e d i c t i o ni nd e t a 讣e dh a sb e e nm a d e 。l ta i s o- l l u s t f a t e st h e g m d u a id e v e | o p m e n t o f f r o m - o r t h o g o n a i t o - 玳p m c e s s i o n 。 i t p r o v i d e u sas v s t e m a l i cm o d e io fm o d u i a t i o nm o d u i eb a s e do n h i g h - s p e e d d s p p r o c e s s o r a n dh a 州w a r e i m p l e m e n t 。j t h e c o n d i t j o n0 fm t e d s t o r a g ec a p a a ya n dp r o c e s s i o ns p e d d ， i t o p t i m i z e d a t a s t o 陋g e o fm o d “a 廿o n p 巾g r a m a n d b n n gf o m r d o p t i m i z a t i o np r o g 忸m 。，u i a s t ，as i m u i a t i o no fo f d mm o d e ih a s b e e nm a d ea n dac a l c u f m o no fe c r ( e r m rc o d e鹏)h a s b e e nd r a w n 。 k e y w o r d ：i n t e l l 培e n th o 】en e t w o r k ；e l e c 慨g a t e w a y ；o f d m ；f f r ；d s p 第一章绪论 第一章绪论 1 1 智能家居网络发展状况 进入2 0 世纪9 0 年代后期以来，数字化技术取得了更加迅速的发展，并日 益渗透到各个领域，智能化信息家电产品已经开始步入社会和家庭。智能信息 家电由于其安全、方便、高效、快捷、智能化等特点在2 l 世纪将成为现代社会 和家庭的新时尚。当家庭综合服务器e g r a t e d h o 玲s e r v e r ) 将家庭中各种各样 的智能信息家电通过家庭总线技术连接在一起时，就构成了功能强大、高度智 能化的现代智能家居系统“1 。 1 1 1 国外智能家居网络的发展 随着智能家电巨大的生活适用性而来的是它的巨大的市场潜力。许多计算 机、通信、家电行业的巨人都纷纷进入这个领域。c i s c o 、e c h e l o n ，血t e l 、n o n e 】、 m o t o m l a 、l u c e m 、3 c o m 、m m 、e r i c s s o n 和松下等公司都已开始建立智能信 息家电和智能家居公司。 目前，目前己出现在市场上的智能信息家电和智能家居类的产品主要有： 一、n e y w e l l 公司的智能家庭产品：它可以通过设在家庭内的控制面板、 电话或连网的计算机来监控智能家居的报警系统、照明系统、智能信息家用电 器和智能调温设备。 二、s t a r g 衄e 的家居自动化系统( j d s 公司出品) 。 三、n i 智能家居系统( h a i 公司出品) 。 四、a i d e l u x e 智能家居系统( h a l 公司出品) 。 五、v a m a g e 家居自动化系统( 、，m a g e 公司出品) ：用户可以控制照明、保 安、音频，视频、制冷，保暖、窗帘、水泵、喷泉和汽车等系统。目前在美国此 类智能信息家电、智能家居系统的最基本配置价格在1 0 0 0 多美元以上，平均系 统价格在3 0 0 0 美元左右。 广东工业大学硕士论文 1 1 2 国内智能家居网络的发展 近年在我国，高科技和信息技术正在由智能大厦走向智能住宅小区，进而 走进家庭。国家也在2 0 0 0 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中， 将建设智能化小康示范小区列入国家重点的发展方向。因此也就必然促使智能 化从智能大厦建设向智能化住宅小区，乃至向家庭智能化的方向发展。建设部 要求“到2 0 1 0 年，大中城市中6 0 的住宅要实现智能化”。 国内一些有实力的公司从去年开始设计生产、宣传推介其智能家居方面的 产品。这些公司多集中在深圳、广州和北京。这里介绍有代表性的几种系统： 1 ) 科龙集团研制的“智能网络家居系统”。据鉴定委员会专家介绍，该 系统按开放服务网关标准系统规范设计，与未来国际信息家电平台标准接轨， 在技术上具有超前性、前瞻性、先进性。 2 ) 海信的“智能家居控制系统”。它实现一般电脑所能实现各种功能外， 同时还能够独立担当家庭的“信息家电控制中心”的角色。 3 ) 清华同方的e h o m e 数字家园。e - h o m e 数字完园包括三个层次，家 庭自动化、小区智能化、社区信息化，目的是使人们的生活工作网络化。 1 1 3 以电力线为媒介的智能家居网络主要架构 随着无线通信的技术发展日益更新，3 g 作为无线通信产业的最大热点，技 术已经基本成熟。在不远的未来，通信网络将会发生巨大的变化： 第一固定电话将会被移动电话取代，小灵通的出现就是一个例子。未来的 通信就是以无线通信为主的通信世界。 第二未来家电产品将朝智能化、系统化及省能源、环保等方向发展。家 居网络的智能化和网络化势在必行。 第三可再生资源的短缺将促使网络布线不再重复建设。能源资源短缺成 为2 l 世纪人类面临的最严重的问题之一，从年翻开始价格不断上涨的铁矿 石，铜矿石都意味着网络重复布线将消耗大量的财力物力，为了节省，人们将 尽量利用可以利用的已有资源和潜在资源。 因此，我们就是可以预测一个未来的智能家居主要架构： 首先，未来的网络将主要由无线节点构成的i n t e m e t 外部网和电力线构成 的内部智能家居网络组成。智能家电的发展将使得家电上网称为现实，人们将 2 第一章绪论 从远程遥控家电的功能中得到实在的好处。系统化的结果就是智能家电组成一 个内部的局域网，用电力线作为通信媒介，节省了能源和不必要的人力物力， 家居网络通过接口与外面的主干网相联。无线通信的节点方便人们到处接入 j i l t e m e t ，从而远程控制家电，与家电进行通信，真正实现了家电的智能化。 呷甲 l 洗衣机l 也 巨调li 智能家电l 外部i n l 舢e t 图1 1 未来的智能家居网络架构图 f i g i 】r e 1 - 1f i l t u r ei n t e u 远e mh o 砖n e t w o r k 删t e c t u r ec h a r t 1 2 电力线载波通信的历史和发展情况 主干接口 既然电力线作为未来智能家居网络的通信媒介，我们先来看看电力线载波 通信的历史【4 1 。 电力线载波( p o w e rl i n ec a 州e 卜p l c ) 通信是利用高压电力线( 在电力 载波领域通常指3 5 k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 指1 0 k v 电压等级) 或 低压配电线( 3 8 q ，2 2 0 v 用户线) 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一 种特殊通信方式。近几年来，在配电网电力线s s c 通信系统开发方面，德国、英 国、美国、加拿大等国家的研究机构( 公司和学校) 先后研究开发了自己的系统。 英国n o r w e b 公司( 由r t e l 和u n i t e d u t i l i t y 合资组建) 于1 9 9 2 年、1 9 9 3 年 在配电网电力线载波技术上取得了突破，完成了世界上第1 次配电网上2 5 个终 端用户的电话与数据通信试验，在此后则致力于配电网高速数据通信技术的研 3 广东工业大学硕士论文 究，已经有在2 姗z 带宽内达到速率为1 m b i t s 的报道。 近几年，国内对配电网中、低压电力线s s c 通信技术的研究较为重视。自 1 9 9 5 年以来，先后引进了一些电力线传输抄表系统( 如加拿大海能公司的抄表 系统) ，国内一些单位，如福建时代公司、河南思达电子公司、许继集团有限公司、 上海市东供电局等也先后开发了一些抄表系统。 在电力线通信专用收发器芯片的研制方面，a d a p t i v en e t w o r k s ，i n t e l l o n ， e c h e l o n ，n a t i o n a ls e m i c o n d u t o r 等公司已有商业化的产品。 1 3 研究内容和目标 电力线载通信的关键部分就是电力线收发器，我们先来看看智能家居网络 中的电力线载波通信收发器。 1 3 1 智能家居网中的电力线载波通信收发器 智能家居网络目前面临三大问题：线路如何方便地接入到用户的家中，如 何进一步提高数据的传输速率和如何降低投资费用。利用电力网传输语音、数 据、图像，可以节省大量人力物力，给用户提供经济、方便的通信媒体。在这 种情况下，低压电力线载波通信技术收到人们的重视，对于低压电力线载波的 研究也越来越多，但是由于低压电力线固有的通信缺点，要实现高质量的电力 网络通信还有相当大的困难。如何有效的利用低压电力传输通道，开展基于低 压电力传输线的信息服务功能，己成为电力行业和通信业研究的重点。 世界上很多公司在电力线载波技术领域均积累了丰富的经验，其中比较引人 瞩目的是美国e c h e i o n 公司的l o n w o r k s 电力线传输技术。在世界上规模最大的 电力线载波网络，即意大利e n e i 全国电表联网项目中，每一个智能电表中均使 用了e c h e i o n 公司的电力线收发器。该项目的规模是2 7 0 0 万个电表。 e c h e l o n 公司所生产的电力线收发器是在l o n w o r k s 网络内部使用的收发器， 它不能与其他协议转换。其他国外的电力线收发器都处于这种状态。国内有很多 家厂家进行电力线信号传递的器件生产，但是这些产品都是定位于隔离器的水 准，不能进行有关协议的转换，不能进行干扰噪声的处理，有的只有一般的滤波 功能，所以无法作为普遍通用的有效产品，也很难被用户，特别是广大家电厂家 接受。本文研究主要立足于通用电力线收发器实现的研究，研究电力线收发器实 现最关键部分之一的调制模块。 4 第一章绪论 电力线网关的传输介质采用电力线。网络协议采用l o n t a l k 协议，拓扑结 构采用总线结构，采用电力线网关的网络解决方案如图2 1 所示： 电力线网关是一个用于在电力线网络介质中发送和接收网络信息的部件。 它的体积极小，可以嵌入到任何家用电器内部，成为家用电器的一个标准部件。 从而使家用电器实现插上电源即实现上网的效果，也即是“即插上网”。 电 力 线 图l 一2 家居网络电力线载波拓手卜结构 f i g u r e 卜2h o m en e t w o r kp l cf r a m e w o r k f i g u r e 1 3n e t w o r kh o m e a p p l i a n c e 电力线网关的结构如图l 一2 所示。它包括基于l o n w o r k s 网络操作系统 的l o n t a l k 网络协议和神经芯片，由d s p 为核心芯片组成的电力线载波模块和 耦合电路。l o n t a l k 网络协议固化在r o m 中，神经芯片用于和网络进行联接， 电力线载波模块用于进行电力线传送信息时发送信息和信息恢复，包括信道编 码、调制解调等部分，耦合电路用于隔离电力线上的高压，过滤5 0 h z 工频干扰。 电力线网关是一个适合于设备通过电力线和l o n w o r k 网络连接的接口。它 把分散的设备集成到网络中。在网关中，神经元是一个“芯片上的系统”，由多 个微处理器，读写存储器和只读存储器( r a m 和r ) 、通信和i o 接口组成。 5 广东工业大学硕士论文 只读存储器包含操作系统、l o n t a l k 通信协议和i o 功能数据库系统。芯片有 用于装置数据和应用程序的非易失性r a m ，两者都可以从通信网络上下载。 图l - 4电力线网关 审 了1 结 每个神经元芯片都赋予一个永久的全世界唯一的名为神经元i d 的4 8 位码。协 议l o n t a l k 存放在存储器芯片中，l o n t a l k 协议是一个分层的以数据包为基础 的对等的通信协议。它是一个公布的标准并遵守国际标准化组织( i s 0 ) 的分层 体系结构要求。l o n t a l k 协议设计用于控制系统而不是数据处理系统的特定的 要求。每个包由可变数目的字节构成，长度不定，并且包含应用层( 第7 层) 的信息以及寻址和其他信息。l o n t a l k 使用类似以太网所用的“载波监听多路 访问”( c s m a ) 算法。d s p 和耦合电路组成了电力线通信收发器，它在神经芯片 和l o n w o r k s 网络之间提供电力线通信的物理接口。 1 3 2 研究内容和目标 电力线啡为传输的媒介，是一个很不理想的环境，连接在电力线上的电 器多种多样，电器的打开和关闭给电力网带来冲击噪声，致使电力线在传输信 息时受到的干扰大，传输的可靠性也比较差。本文针对电力线传输的特点，给 出了电力线上调制模块实现的具体方案，主要研究内容如下： 1 ) 研究和分析了低压电力线载波通信的特点； 2 ) 对比分析了各种调制技术，结合低压电力线通信的特点选择适合于电力 线通信的调制技术： 6 第一章绪论 3 ) 详细分析了从正交到d f t 的转变过程和优化算法； 4 ) 结合d s p 芯片5 4 0 2 的资源，研究调制程序的实现和算法程序的优化； 所以本文将重点讨论电力线载波调制部分，包括硬件实现，调制技术，d s p 程序和o f d m 仿真的实现等。 研究目标： ( 1 ) d s p 芯片为核心的电力线收发器的硬件设计； ( 2 ) 与传统调制技术比较，选择适合于电力线传输的调制技术，并且给出 了d s p 程序的实现； ( 3 ) 研究设计调制模型，并且给出了实现模型的具体方案和仿真结果，给 出了基于d s p 技术的程序实现； 广东工业大学硕士论文 第二章系统硬件设计方案 2 1 电力线信道的传输特性 电力线作为传输介厦有着巨大的优势，可以大量减少投资和对线路的维护成 本，艉高载波通信的信息传输速率，降低误码藕实现信息传输网络化等。但是 要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事。在通信系统中，调 制方式和编码方式是最关键的两个方面，如何选择合适的调制解调方式，应建立 在对低压电力线信道特性了解的基础之上。低压电力线载波信道的传输特性的特 点是：具有时变性，衰减较大：尤其是电力负载为害性时，对载波通信信号近似 短路) ，控种干扰噪声复杂。 2 1 1 时变性 我国采用2 2 0v ，5 0 h z 交流两线供电。由于电网上负载的不断接入、切出，马 达的停止、启动，电器有开有关等各种随机事件，使表现出来的信道特性具有很 强的时变性。低压电力线在1 秒内可对某一频率信号的衰减变化达到2 0 d b ，因此 不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。同时，在1 秒内信噪比的变化也 可达到1 0 d b 左右【6 1 。 2 1 2 衰减特性 低压电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小( 视导 线的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳 定。因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。显然，电力线上并联 着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容， 对几百k h z 的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合 电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率”j 。 可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我 们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定干线路的衰减。实验表 第二章系统硬件设计方案 明，信号的衰减是距离的函数，般为4 0 1 0 0d b ，k m 。在农村的衰减最大，5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ：在郊区，2 5 0 m 亦能达至02 5 d b ；但在工 业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b 。 2 1 3 干扰噪声 对于低压电力网的干扰特性，人们分别对不同的地域( 城市、工业区、乡村) 作了大量试验，结论是可以用带加性干扰噪声的h 鉴鍪。苣选谚螂作为低压电力 线的基本参考模型【8 】。 室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在1 0 k h z 1 0 0 m h z 的 频率内，噪声功率谱密度以2 9 d b d e c a d e 幅度衰减。背景噪声是典型离散高斯型 的，它对通信系统的影响很好理解。其余就是脉冲噪声，它对通信系统有着重要 的影响，可以产生突发性干扰引起瞬间的高误码率。 对于室外电力线的传输特性，人们也作了研究，并且仍以带干扰的时变线性 滤波模型来描述电力线的特性。 2 1 4 相移特性 有关机构就电力线传输信号对相位的影响作了测量，结果表明，通过2 5 0 m 的电力线，正弦波的相移小于土1 0 。 以上参考国外的最新资料介绍了低压电力线的传输特性。由于我国电器上网 的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此我国电力网的干扰要比欧美严重得多， 电力线的通信环境也更加恶劣。 2 2 智能家居网中的电力线载波通信收发器 软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通 过软件编程来实现无线电台的各种功能，从基于硬件、面向用途的电台设计方法 中解放出来。采用数字信号处理技术，在可编程控制的应用硬件平台上，利用软 件来定义实现无线电台的各部分功能：包括前端的发送与接收、中频处理以及信 号的基带处理等。也就是说，整个无线电台从高频、中频、基带直到控制协议全 9 广东工业大学硕士论文 部由软件编程来实现。其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带d a 和a d 转换器，尽早的完成信号的数字化，使得无线电台的功能尽可能的用软件来定义 和实现。总之，软件无线电是一种基于数字信号处理( d s p ) 芯片，以软件为核心的 崭新的无线电通信体系结构。1 。 电力线载波系统需要实时处理信息，对信号进行编码、调制、解调等，包括 传统的a s k 、f s k 、p s k 或扩频、o f d m 等新技术的载波调制解调，对处理速度的要 求高，同时考虑到调制、解调、同步、滤波等需要进行大量的运算，我们以高速 的数字信号处理芯片d s p 为核心，根据软件无线电的思想，建立电力线载波通信 系统。 2 2 1 系统原理图和功能框图 整个硬件系统分为数字处理子系统、低通滤波线性放大电路和电力线耦合电 路系统三个部分。数字处理子系统包括t i 公司的1 6 位定点d s p 芯片 1 m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和其外部所需的d 、d ，a 转换器( 包括其所需的波形成型滤波 器) 以及相应的数据及程序存储空间。低通滤波线性放大电路包括低频滤波器以 及线性放大电路。电力线耦合电路系统完成与电网隔离及过滤5 0 h z 工频信号。 从图中可以看出，t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是整个系统的核心部分，大部分信号处理任务 由其来完成。下面是发送与接收的系统图。 2 一l 发送端系统图 6 9 u r e 2 一l 衄n s l i s s i o ns y s t e m a t i cc 吼 调制的发送端系统原理框图如图2 1 所示。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 首先对数据进行卷 积编码，然后对数据进行交织。交织后的数据进行调制，产生调制波形的样点值， 经d a 转换器和成型低通滤波器产生调制的基带模拟波形。 接受端的系统原理图 1 0 第二章系统硬件设计方案 毯酥困兮 2 2 接受端系统图 五g u r e 2 - 2r e c e i v es y s t e m a t i cc h a r t 接收端系统原理框图如图2 2 所示。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的处理过程与发送相反， 首先由a d 变换器对载波波形进行采样，并将样点值送给t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 进行处理。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 接收到样点值后首先对其进行解调，然后将解调出来的数据进行去 交织，并由卷积译码程序进行译码。 系统包括t i 公司的1 6 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 和其外部所需的刖d 、 d a 转换器( 包括其所需的波形成型滤波器) 以及相应的数据及程序存储空间。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是整个系统的核心部分，大部分信号处理任务由其来完成。为了 使系统能正常工作，还必须配备与d s p 芯片适配的电源、复位以及各种通信接口 电路。因此，设计出的硬件系统应由以下几部分组成：电源模块、d s p 芯片、存 图2 3 系统板功能框图 丘g i l r e 2 3 s y s t e m a t i cb o a r d f i l n c t i o n 盯c b 血e c t u r e 1 1 广束工业大学硕士论文 储器、时钟模块、控制逻辑、模拟接口、扩展接口、j 1 a g 接口、复位电路等。 功能框图如图2 _ 3 所示。 2 2 2 器件选择与模块实现 d s p 芯片采用t i 公司的1 6 位定点芯片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 。德州仪器公司( t i ) 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 是1 6 一b i t 的定点d s p 芯片，得到了广泛的应用。它有高度 的操作灵活性和运行速度；使用改进的哈佛结构，具有专用硬件逻辑的c p u ，片 内存储器，片内外设，以及一个高度专业化的指令集。其主要特征如下： 多总线结构，三组1 6 位具有总线保持特性的数据总线和一组程序总线。4 0 比特算术逻辑单元( a l u ) ，1 7 1 7 b “并行乘法器，一个4 0 比特专用加法器。比 较、选择和存储单元( c s s u ) 用于v “c r b i 运算的加，比较选择。两个地址发生器中 有八个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元( a r a u s ) 。具有指数编码器，可 以在一个周期里计算一个4 0 位累加器值的指数值。具有扩展寻址方式，最大可寻 址扩展程序空间为8 m 1 6 b i t 。可访问的程序存储器空间为6 4 k 1 6 b i t ，i ，o 存储 器空间为6 4 k x1 6 b i t 。具有增强型外部并行接口( x 1 0 2 ) 。支持单指令循环和块循 环。支持3 2 位长操作数指令，支持两个或三个操作数读指令，支持并行存贮和并 行装入的指令，支持条件存储指令及中断快速返回指令。片内外设有软件可编程 等待状态发生器，连接内部振荡器或外部时钟源的锁相环( p p l ) 发生器，一个 1 6 位定时器，六通道直接存储器( d m a ) 控制器，三个多通道缓冲串口( m c b s p s ) ， 8 位增强型主机接口( h p l 8 ) 。片内有基于扫描的仿真逻辑，j t a g 边界扫描逻辑 ( i e e e l 】4 9 1 ) 。 2 2 3 复位电路 系统板实现多种使d s p 复位的方式，包括上电复位、手动复位和主机复位。 这里采用m a x 7 0 5 微机监控电路，它能减少用于监控微机系统的电源与监控电路 的电路元件和复杂性，完成复位功能的复位，有很高的可靠性和精确度。在电路 上电、掉电及异常时产生一个长达2 0 0 m s 的复位信号，有一个独立的看门狗；当 1 6 s 以上没出发看门狗输入时，看门狗输出变低；有一个1 2 5 v 的电压门槛检测 器，用于掉电报警、电池欠压检测或监控高于+ 5 v 的电压；一个低电平有效的手 动复位输入，用以实现手动复位功能。 m a x 7 0 5 与d s p 的接口如图2 4 所示。 釜三耋重鎏堡! ! 堡茎奎耋 。j 7 m s 3 0 y c 5 4 0 2 硒 m a x7 0 56 b 1 0 2 2 。4 扩展存储器 图2 4 d s p 的复位接口 丘g i l r e2 - 4 d s pr e s e ti n t e 廊c e 由于d s p 内部的并行结构，片内存储器的运行速度和运行效率比片外存储器 高，所以使用存储器时尽可能使用片内存储器。同时，为了使外部存储器的读写 操作尽可能快，用d s p 芯片产生的p s 信号作为程序存储器的片选，d s 信号作为 数据存储器的片选。系统板上工作在微计算机方式，因此增加1 2 8 k 1 6 b i t 的 f l a s hr o m 用于启动时程序的自动装载。 扩展e e p r o m 采用一片1 2 8 k 一8 b i t 的2 9 e e 0 1 0 ，进行为扩展，构成1 2 8 k 8 b “的闪速存储器。e e p r o m 的控制原理如图2 5 所示。 d 0 一d 1 5d 叮一d 1 5 a 0 一a 1 6一a 1 6 7 m s 3 0 y c 5 4 0 2 2 9 e e 0 l o r o m o b0 e r o m w ew e r o m皿 图2 5e e p r o m 的控制原理 丘g u r e 2 - 5e e p r o mc o m r o l p r i n c i p l e 2 2 5 模拟接口 为了配合t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 d s p 芯片的工作，完成a d 、d ，a 转换，选择t i 广东工业大学硕士论文 公司的模拟接口芯片t l c 3 2 0 a d 5 0 。它使用过采样的一技术提供从数字至模 拟和模拟至数字的高分辨率低速信号转换，包括两个串行的同步转换通道；在d a c 之前有一个插入滤波器；在a d c 之后有一个抽取滤波器。其它的高级功能有片内 时序和控制。一结构在低系统速度和低价格下产生高分辨率的模数和数模转 换。t l c 3 2 0 a d 5 0 的选项和电路结构可以通过串行接口进行编程，选项包括：复 位、掉电、通信协议、串行时钟率、信号采样奉、增益控制及测试方式等。它有 如下特点：单端输入信号幅度l 一4 v ，单端输出信号幅度l 一4 v ，单5 v 电源供 电和5 v 模拟，3 v 数字电源，工作时最大功耗1 0 0 i w ，硬件掉电时功耗2 5 r n w ， 通用1 6 位信号处理，动态范围9 1 d b ，a d c 为6 4 倍过采样，而d a c 为2 5 6 倍过 采样，支持各种v 3 4 采样速率可以配置成主机或从机方式，多种转换速率可选。 d s p 芯片通过a d r e s e t 和f l a g 信号对t l c 3 2 0 a d 5 0 进行控制。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 对a d 5 0 的控制原理如图2 6 所示。 d v b d 图2 - 6a d 5 0 的控制原理 五g u r c 2 - 6a d 5 0 的c o 曲d l p r i i n c i p l 2 2 6j t a g 接口和电源模块 为了通过仿真器与主机相连，使用了符合i e e e l l 9 4 1 标准的m 蟠仿 真接口。它可以直接与d s p 芯片相连，如图2 7 。 第二章系统硬件设计方案 1 m s1 m s t d it d i 7 m s 3 0 ，c 5 4 0 2 n t d o1 d 0 1 船t1 w t 图2 - 7 d s p 与j 1 a g 的接口 丘g u r e2 7 n e 而c eb e t w e e nd s pa dj t a g 系统板电源由外接的+ 5 v 电源提供，板内的电源转换器实现+ 5 v 到+ 3 3 v 、 + 2 5 v 以及一5 v 的转换。电源转换芯片采用t p s 7 3 3 3 1 。 2 2 7 耦合电路的设计 电力线通信中，如何有效地把噪音滤去是通信成败的关键，可以采用一个电 容器和一个电感器组成高通滤波器。该高通滤波器可以使处于5 0 h z 的交流电噪 音大大衰减，而使处于高频的传输信号通过。耦合电路的基本框架如图2 8 所示。 其中，所选用的电容器电容值必须足够大，这样其阻抗在通信载波频率下小到可 耵g e 图2 8 电力线耦合电路图 趣u r c 2 - 8p o w e rl i n ec o u p l i gc i r c 咄拙咿锄 广东工业大学硕士论文 以令信号通过，同时其阻抗又必须大到让处于交流电工作频率的噪音无法通过。 变压器t 1 0 1 对1 0 k h z 2 0 k h z 的载波信号提供了一个线性的传输功能；电容 c 1 0 2 限制了变压器电流以避免变压器铁心的饱和；电阻r 1 0 2 在c 1 0 2 与电力线 断开后，可对其进行放电，因而减轻了由于c 1 0 2 种储存的高压而带来的损坏或 破坏设备的可能性，5 0 h z 的电网工频几乎都加在电容上，而1 0 k 2 0 k h z 的载波 信号加在变压器上。实现了工频与信号的分离。 1 6 第三章调制技术 第三章调制技术 3 1 各种成熟的调制技术 各种成熟的调制技术己经成功的运用到了通信中，下面我们来简单看看模拟 和数字调制技术。 3 1 1 模拟调制技术 1 ) 棚调制 a m 调制中，输出以调信号的包络与输入已调信号成正比，其波形可表达为： 5 a m ( f ) = ao + z ( f ) c o s ( w c f + 秒c ) 其中，a o 为外加的直流分量，耳( f ) 为调制信号，它可以是确定的信号，也 可以是随机信号，但通常认为平均值为o 。肌为载波信号的角频率。良为载波信 号的起始相位，为了保证包络检波时不发生失真，必须满足如下公式，否则会出 现过调失真。 ao+x ( f ) o 2 ) 一的调制原理 设输入信号为工( f ) ，调制载频为五，则f m 信号可表示为 o ) = a c 。s 2 万乒f + ，跏c ( f ) d f 】 式中，埒是调制指数。 3 1 2 二进制数字调制技术 各种数字调制方式被广泛地应用于现代数字通信系统中。目前，数字信号的 调制解调工作在绝大多数情况下都是交给专用的调制解调芯片来完成。而在软件 无线电中，这部分工作在专用芯片平台( 如本次实验使用d s p ) 上由软件来完成， 以达到多模式，多功能及易升级等目的【9 1 。 最常见的数字调制方式是a s k 、f s k 、p s k 三种，由此可以派生出多种其他 形式的调制方式，下面以2 a s k 为例。 1 7 广衷工业大学硕士论文 2 a s k 的信号般可表达为： p 。( f ) = 吼g ( f n 乃) c o s 眈f 其中以。为输入码元，取值为0 和1 ，取0 的概率为p ，取l 的概率为( 1 一 p ) ，g ( f ) 为持续时间为t 的矩形脉冲。二进制振幅键控方式是数字调制中出现的 最早的，也是最简单的。这种方法最初用于电报系统，但由于抗噪声性能较差， 所以在数字通信中用的不多。a s k 的产生方法有两种，相乘法和键控法。解调的 方法也有两种，相干解调和包络检波。 3 1 3 多进制数字调制 在m 进制数字调制中，每个符号可以携带l o gz 肘比特信息，因此当信道频 带受限时可以使信息传输率( 比特率) 增加，提高了频带利用率。 1 ) 四相相移键控调制( q p s k ) q p s k 一般分为四相相移键控调制( q p s k ) 和交错四相相移键控调制( o q p s k ) 。 q p s k 信号随着输入数字序列的变化，有四种不同的取值。 a 方式，相位取值：o 、2 、n 、3 4 b 方式。相位取值：4 、3n 4 、5 4 、7n 4 一 nf 2 一i：一、 - ? j ： 。 、 ， 、j! 丁并，2 2 ) 4 一d q p s k 调制 1 0 0 0 3 ”“，“ j ，、i ，。彩 乏 “i 。 图3 1q p s k 信号取值 4 一d q p s k 调制是对q p s k 信号特性的改进的一种调制方式， 调制器的原理框图如上图所示。 第三章调制技术 图3 24 _ d q p s k 调制器的原理框图 f i g u r e3 2d q p s km o d u l a t i o nu n i tp r i n c i p l ec h a r t 3 2 电力线上可用的调制技术 目前，没有一种己知的调制技术和媒介介入过程可以不经修改就可以应用在 电力线通信中。经过修改，下列调制方式基本上可以适用于电力线通信中“。 1 扩频调制，尤其是“直接序列扩频”( d s s s ) 2 不使用均衡技术的宽带单载波调制 3 使用宽带均衡技术的宽带多载波调制 4 使用自适应判决反馈均衡技术的宽带多载波调制； 5 以“正交频分复用”( 0 f d m ) 为形式的多载波调制 扩频调制技术是电力线上应用的比较广泛和相对比较成熟的技术，目前有大 量的基于扩频技术的电力线芯片。后两种方案由于采用多载波调制方式，数据流 不必集中在频谱的集中部分，可以分散在大量的子信道中，各个子信道之间可以 存在空袭。而且对于非对称数据业务来说，多载波调制技术可以根据子信道的信 道质量来承担不同的数据流量。4 和5 都可以应用于不是等距离分配的不同宽度 的扩频间隙中，在p l c 中可以使用。特别是0 f d m ，可以提供最高程度的灵活性。 3 2 1o f d m 发展历史 1 ) 单载波通信系统：通常我们采用的通信系统都是单载波方案，如下图所示。这 种系统在数据传输速率不太高的情况下，多径效应对信号符号之间的造成的干扰 不是特别严重，可以通过使用合适的均衡算法使得系统能够正常的工作。但是对 于高速数据业务来说，由于速率较高，时延扩展造成数据符号之间的相互交叠， 1 9 广东工业大学硕士论文 从而产生了符号之间的串扰( i s i ) ，这对均衡提出了更高的要求，需要引入复杂 的均衡算法，还要考虑到算法的可实现性和收敛速度。 f i g u r e3 3s i n g l ec a r r i e rs y s t e i n a t i cb a s i cf r a m e w o r k 2 ) 多载波传输系统： 下图图4 2 中给出了多载波系统的基本机构示意图 + 道 图3 4 多载波系统的基本结构 f i g u r e3 4 哪! t i c a r r i e rs y s t e m a t i cb a s i cf r u n e w o r k 多载波传输通过把数据流分解为若干个比特流，这样每个子数据流将具有低 得多的比特速率，用这样的比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载 波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中，一次衰落 或者干扰就可以导致整个链路失效，但是在多载波系统中，某一个时刻只会有少 部分的子信道会受到深衰落的影响。 3 ) o f d m 发展史 并行传送方式的0 f d m 的概念是于本世纪6 0 年代提出来的。1 9 7 0 年，o f d m 的专利被发表，其基本思想就是通过采用