低壓電力線通信系統(tǒng)的硬件電路設計

1、重慶理工大學畢業(yè)論文 目錄編號 畢業(yè)設計（論文）題目基于ofdm低壓電力線通信系統(tǒng)的硬件 電路設計 摘要iabstractii1緒論11.1電力線通信介紹11.2國內外的發(fā)展11.2.1 國外發(fā)展狀況11.2.2 國內發(fā)展狀況22 plc技術42.1 plc技術原理42.2 plc技術特性42.2.1低壓電力線的信道特性42.2.2傳輸特性52.3 plc技術的應用52.4小結6 3 ofdm技術73.1 ofdm技術的基本原理73.2 ofdm的數(shù)學表達式83.3 ofdm的實現(xiàn)93.4 ofdm應用于plc103.4.1 ofdm技術適用于plc的優(yōu)點103.4.2 在plc中引入ofdm

2、技術113.5 小結124 系統(tǒng)的硬件電路設計134. 1 int5200芯片134.1.1 int5200芯片簡介134.1.2 int5200芯片的功能結構134.1.3 int5200的復位和初始化控制164.2 系統(tǒng)總體設計174. 3 系統(tǒng)的各功能模塊184.3.1 以太網(wǎng)物理層模塊184.3.2 調制解調模塊214.3.3 系統(tǒng)可編程單元234.3.4 供電電源模塊244. 4 系統(tǒng)的電路實現(xiàn)264.4.1 耦合電路264.4.2 保護電路264.4.3 復位電路284.4.4 以太網(wǎng)接口電路304.5 小結325 總結33致 謝34參考文獻35附錄37 摘要 電力線通信技術是采用

3、電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號的一種通信方式。進入21世紀以來，隨著調制技術的進步，電力線通信技術也得到了迅速的發(fā)展。由于電力線通信不需要重新布線，成本低廉等優(yōu)點，它作為快帶接入的一種方式受到了極大的關注。 本文首先對電力線通信做了簡單的介紹，然后對低壓電力線通信信道特性做了初步分析，并對能改善此信道的ofdm技術進行了系統(tǒng)的闡述，為電力線通信系統(tǒng)的硬件設計奠定了基礎。然后介紹了intellon公司的調制解調芯int5200以及相關技術，并在此基礎之上，給出了利用這種芯片的整個系統(tǒng)硬件電路設計方案及其各功能模塊的具體實現(xiàn)。 關鍵詞 ：電力線通信 ofdm（正交頻分復用） 硬件電路設計 int5200

4、 iiabstract power communication uses power lines as communication media for data transmission and information exchange. as we enter the 21st century, with the development of the technologies of modulation, power line communication is developing rapidly. because power line communication has several a

5、dvantages, such as no need of new wire and low cost, it has drawn a lot of attention in the fields of broadband access. this thesis firstly makes a simple introduction for powerline communication , discussing the transmission channel property of the low voltage powerline, then introduces the orthogo

6、nal frequency division multiplexing technology which can improve this transmission channel in detail that prepares the ground for the further hardware circuit design of the plc device. after the related theory analysis , the thesis introduces the intellons the chips of int5200 and correlative techno

7、logy ,and then it presentes the design proposal for the whole system and also makes every functional module actualized part by part .key words：powerline communication ofdm（orthogonal frenquency division multiplexing） hardware circuit design int5200 重慶理工大學畢業(yè)論文 緒論1 緒論1.1電力線通信介紹127電力線通信（power line comm

8、unication，plc）是指以高壓電力線（在電力載波領域通常指35kv及以上電壓等級）、中壓電力線（指10kv電壓等級）或低壓配電線（380/220v用戶線）電力線作為傳輸媒介，在電力線通信網(wǎng)絡的各個節(jié)點之間以及在電力線通信網(wǎng)絡與其他通信網(wǎng)絡之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和信息傳遞的一種特殊通信方式。它是一門即古老又年輕的學科，直到最近幾年，由于技術上的突破性進展而重現(xiàn)生機，更因其在高壓到低壓各個領域里的應用所帶來的震撼而令人鼓舞，被喻為“未被挖掘的金山 ”。然而，作為一種具有光明前景的通信技術，電力線通信由于具有時變性、頻率選擇性等固有特點，使其在具體應用中仍然存在很多問題亟待我們解決（比如在技術及設

9、備上還不盡完善）。盡管如此，但因它所激發(fā)的巨大市場潛力仍然成為世界各大公司及科研單位競相研究的熱點，并開發(fā)出相應的器件和產(chǎn)品，同時國內眾多的企業(yè)也緊隨國際步伐，毅然投入到這一領域的研發(fā)之中。相比之下，低壓plc技術的研究及應用更為困難。由于低壓電力線是一種復雜的傳輸媒介，線上存在大量噪聲，負載多且其工作狀態(tài)隨時間變化，配置情況復雜。其對傳輸信號的不利影響主要表現(xiàn)為具有隨機性的信道損耗、信道噪聲和多徑效應。因此，在干擾嚴重的低壓電力線上如何實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)字通信仍然是擺在人們面前的重大課題1。1.2 國內外的發(fā)展2261.2.1 國外發(fā)展狀況英國聯(lián)合電力公司的子公司norweb通訊公司在199

10、0年開始對高速電力線通信進行研究。1995年，該公司又與加拿大nortel（北電網(wǎng)絡）公司聯(lián)手，共同開發(fā)這項新技術。19951997年的兩年間，norweb和notel公司已經(jīng)成功地在英國曼徹斯特對20個居民用戶進行了plc上網(wǎng)實驗，其中還包括話音服務。1997年10月，這兩家公司聲稱已經(jīng)解決了電力噪聲等問題，取得了電力線載波技術的重大突破，利用新開發(fā)的數(shù)字電力線dpl（digital power line）載波技術，實現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進行1mbit/s速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h程通信，欲將四通八達的電力線轉化為信息高速公路，并在1998年3月25日，成立合資公司nor.web,進行該技術的市場推廣。

11、隨后，許多國家的研究機構也紛紛開展了高速電力線通信技術的研究和開發(fā) ，如美國的intellon、inari（intelogis）公司，以色列的itran、main.net公司，韓國的xiline公司，瑞士的ascom公司，德國的polytrax公司，西班牙的ds2公司等，產(chǎn)品的傳輸也從1mbit/s發(fā)展到2、14、24mbit/s，甚至200mbit/s。歐盟為促進plc技術的發(fā)展，從2004年1月1日開始，啟動了一個稱之為opera(open plc european research alliance)的計劃，旨在聯(lián)合歐洲的主要plc研究開發(fā)力量，致力于制定歐洲的plc統(tǒng)一技術標準、推動大

12、規(guī)模商業(yè)化應用，并將plc作為實現(xiàn)“eeurope”（信息化歐洲）的重要技術手段。亞洲開展plc研究和試驗的國家和地區(qū)除中國大陸外，還有日本、韓國、新加坡、中國香港、中國臺灣等。目前日本的東京電力、新加坡電力、香港電力、香港中華電力等建立了一定規(guī)模的試驗網(wǎng)絡。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止2004年底，plc的實驗網(wǎng)絡已遍及歐洲、亞洲、北美、洲南美洲、非洲、以及大洋洲的40多個國家和地區(qū)。1.2.2 國內發(fā)展狀況我國是世界上較早開展plc技術研究和寬帶接入應用的國家，并在此領域取得了一定的成果。國家電網(wǎng)公司高度重視plc技術的研發(fā)和推廣，多次建立了研究plc技術的科研項目，有中國的科研項目，有中國電力科學

13、研究院、福建電力試驗研究院、深圳國電科技公司及北京意科公司進行plc技術、產(chǎn)品的研究與開發(fā)，采用國外芯片，先后生產(chǎn)出了傳輸速率為2、14、45、200mbit/s的低壓plc產(chǎn)品以及14、45mbit/s中壓plc產(chǎn)品。為了推進plc技術在中國的發(fā)展，國電通信中心自1999年開始跟蹤國內外plc技術的發(fā)展，在2001年成立了plc領導小組，下設plc技術推進辦公室，負責全國電力系統(tǒng)plc技術研發(fā)試驗的統(tǒng)一組織和協(xié)調工作 。先后多次到國外對plc技術的應用與標準化制定進行考察和調研，分別參加了在歐洲、美國和香港召開的plc專題國際會議，引入國外產(chǎn)品進行試驗。由于我國低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構、負荷特性

14、、供電方式和國外有很大的不同，國外已有的產(chǎn)品需要根據(jù)我國配電線路的實際情況進行改進才能使用 。plc辦公室與相關國外技術人員共同針對中國配電網(wǎng)的結構特點，研究并解決了技術上的難題，確定了多種實驗方案，建立了plc家庭模擬實驗。2001年底，開通了我國第一個以電力線為傳輸介質的plc寬帶接入internet試驗小區(qū)；2002年3月，引進歐洲plc產(chǎn)品進行語音傳輸試驗，在我國第一次實現(xiàn)了利用電力線同時上網(wǎng)和打電話；2002年5月，采用國內電力系統(tǒng)研制的產(chǎn)品，開通了第一個由國內電力系統(tǒng)自主研發(fā)的plc寬帶接入系統(tǒng)。在試驗網(wǎng)運行成功的基礎上，為了早日實現(xiàn)商業(yè)化運營，國電通信中心積極配合國家信息產(chǎn)業(yè)部電

15、信傳輸測試機構和國家電磁兼容認證機構，對已開通的plc試驗網(wǎng)進行了相關測試。測試證明plc網(wǎng)絡作為一種寬帶接入方式，在網(wǎng)路功能、傳輸性能等方面基本滿足用戶駐地網(wǎng)的要求；在電磁兼容方面，plc試驗網(wǎng)絡的傳導騷擾和輻射騷擾均符合國內和國際上的相關標準。2重慶理工大學畢業(yè)論文 plc技術2 plc技術2.1 plc 技術原理3低壓電力線通信，是利用現(xiàn)有的低壓配電線路（220v或380v交流供電線路）作為通信介質，實現(xiàn)數(shù)據(jù)，話音，圖像等綜合業(yè)務的通信技術。低壓電力線通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。信源（已編碼）經(jīng)信道編碼后進行調制（如gmsk或ofdm調制方法等），帶通濾波器濾波，最后經(jīng)耦合電路耦合到低壓

16、電力線上傳輸。配電網(wǎng)絡作為一種信源信宿共享傳輸介質，把各用戶連在一起。接收端的耦合電路將調制信號與電力線上的高電壓分離，經(jīng)帶通濾波器濾除信道中引入的可用頻帶外的噪聲，再經(jīng)解調、信道譯碼后將數(shù)據(jù)恢復，就可得到原通信信號(信宿)。這樣系統(tǒng)以低壓電力線為通信介質，只要有交流電源插座就可實現(xiàn)同一電網(wǎng)內任意兩點或多點之間的通信。由于電力線網(wǎng)絡的覆蓋面大和無需重新布線的優(yōu)點，電力線通信廣泛應用于信息家電、樓宇智能化及寬帶接入等應用領域。同時，我們也應該看到，由于電力線通信的物理網(wǎng)絡是由低壓配電網(wǎng)和線路負載組成的。物理網(wǎng)絡是動態(tài)的，信道特性也是動態(tài)的，這種特殊性決定了組網(wǎng)的困難性。配電網(wǎng)絡耦合電路帶通濾波調

17、制信道編碼信源耦合電路帶通濾波解調信道譯碼信宿圖1 低壓電力線通信原理框圖2.2 plc技術特性4102.2.1低壓電力線的信道特性作為電信級的運營網(wǎng)絡，通信質量必須要有保障，而電力線作為傳輸介質，對高頻信號的傳輸有一些不利因素，幾種表現(xiàn)為：電力線會對高頻信號造成較大的衰減。通常，電力線在某一時刻對 不同的頻率的信號，線路衰減不同，而且隨著線路的阻抗和負載變化，信道的衰減也在不斷變化 。電力線上存在較大的噪聲干擾。由于電力線上連接有各種各樣的用電設備，某些大功率用電設備的頻繁開閉，會在電力線上產(chǎn)生各種噪聲干擾，而且噪聲幅度較大。低壓電網(wǎng)拓撲結構復雜，分支多、衰減大，導致多徑反射，引起信號的選擇

18、性衰減和碼間干擾。由于電力線信道呈無法預知的多徑傳輸和發(fā)射特征，致使信道特征表現(xiàn)為一個時變的頻率選擇性衰減信道，因此信道容量和誤碼率特性會收到多徑衰減的影響而惡化。2.2.2 傳輸特性（1）傳輸距離當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸幾千米。但當電力線上負荷較大時，采用plc技術只能傳輸200m左右，要想實現(xiàn)更長距離的數(shù)據(jù)傳輸，只能采用增加中繼的方式。低壓plc作為寬帶接入的一種手段，如果只在樓宇內應用，解決“最后一百米”的入戶問題，是完全可以滿足需要的。（2）傳輸速率理論上講，利用ofdm技術可以實現(xiàn)幾十兆、甚至上百兆的數(shù)據(jù)傳輸。在前期試驗的plc產(chǎn)品測試中，14mbit/s制式芯片的產(chǎn)品已

19、經(jīng)實現(xiàn)了500kbit/s3mbit/s的傳輸速率，45mbit/s制式芯片的產(chǎn)品傳輸速率在340mbit/s左右，完全能夠滿足普通上網(wǎng)用戶對網(wǎng)絡帶寬的需求。隨著plc技術和產(chǎn)品的改進，plc 系統(tǒng)傳輸速率會不斷提高。2.3 plc技術的應用5電力線通信技術可以進行模擬（語音信號）或數(shù)字信息（如：家居控制信號）雙工傳輸，可廣泛應用于家居自動化、小型辦公室、家庭辦公室通訊（如互聯(lián)網(wǎng)、內部信件、游戲、音頻、視頻）等領域，具有普及效果、節(jié)省費用、安裝方便、應用廣泛等特點。目前 ，lpc主要應用于三個方面：智能小區(qū)、自動抄表系統(tǒng)、家居智能化。智能住宅的概念起源于美國，在美國發(fā)展最為迅猛。所謂智能化小區(qū)

20、，是指通過綜合配置住宅區(qū)內的各功能子系統(tǒng)，以綜合布線為基礎，以計算機網(wǎng)絡為區(qū)內各種設備管理自動化的新型住宅小區(qū)。通常智能化大廈是“三a”系統(tǒng)，即：安全自動化（sas）、通訊自動化（cas）、管理自動化（mas）。自動抄表系統(tǒng)就是自動采集各種計量表的讀數(shù)（如：電表、水表、煤氣表等），現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)方法有：電話線、無線電、電力線和紅外線等等。電力線載波抄表系統(tǒng)則是利用現(xiàn)有的電力線為媒介進行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本，同時可以方便快捷地實現(xiàn)自動化抄收。家居智能化即以電力線為物理媒介，把分布在住宅各個角落的微控制器和家電、pc機連成一個網(wǎng)絡。其優(yōu)點是：電力線和信號線合一，無須布設信號線；人們原來使

21、用和維護電器的習慣都不受影響，家電無須增加雙絞線、紅外等接口，只要在內部配備電力線載波通信芯片，再更新程序就行了，對老式家電的改造也很容易。家電的信息量少，電力線載波速度慢的缺點不突出。因此電力線通信技術在家居智能化應用方面有著廣泛的前景。2.4小結電力線通信是利用配電網(wǎng)線路作為媒介的一種通信方式，具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便等顯著優(yōu)勢。但在高速數(shù)據(jù)傳輸時，電力線信道呈現(xiàn)出的頻率選擇特性、阻抗劇烈變化、較大的噪聲干擾及高衰減等特性，使電力線成為一個并不理想的通信媒介。因此，要在電力線上實現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，必須選擇一種適合電力線信道特性的調制技術。26重慶理工大學畢業(yè)論文 ofdm技

22、術3 ofdm技術3.1 ofdm技術的基本原理69在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，碼元是連續(xù)傳輸?shù)模總€碼元的頻譜占整個可用帶寬。在ofdm技術中，將高速串行數(shù)據(jù)分為成百上千路低速并行數(shù)據(jù)，多個連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時傳輸，任何情況下，多個數(shù)據(jù)碼元都能夠及時傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，每個獨立數(shù)據(jù)流的帶寬即子信道，只占用可用帶寬的一小部分。通過這樣的變換，寬帶傳輸系統(tǒng)轉換成許多窄帶系統(tǒng)。這種并行傳輸體制大大地擴展了碼元的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。如果子載波間隔比信道固有帶寬小得多，則信道轉移函數(shù)在每個子載波的帶寬中會簡化為簡單的常數(shù)，頻率選擇性信道就被分成了多個平坦衰減子信道。在傳統(tǒng)的頻分復用方法

23、中各個子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接收濾波器，大大增加了系統(tǒng)的復雜程度和成本。同時，為了減少各子載波之間的相互串擾，需要保持足夠的頻率間隔，進而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號處理技術的ofdm系統(tǒng)，各子載波頻譜互相重疊，但必須加以特殊的正交限制，以便在接收端能保證無失真的復原。正交頻分復用的主要思想是在頻域內將信號分解為n個子信號，再用n個子信號分別調制n個不同的子載波。為了獲得較高的頻譜利用率，使各子載波的頻譜分布相互重疊和正交，合成后一起發(fā)送。每個子載波可以使用不同的調制方式，比較常用的有bpsk、qpsk和qam等。也就是說，ofdm實質上是將高速的串行數(shù)據(jù)流變

24、成低速并行數(shù)據(jù)再進行傳輸。這樣每個子載波的碼元周期被延長了n倍，從而提高了抗多徑干擾的能力，同時又提高了頻譜利用率。如當碼元為矩形脈沖時，其頻譜如圖2、圖3所示。圖2 單個子帶頻譜 圖3 ofdm頻譜結構圖2是單個子帶頻譜，圖3是odfm信號頻譜。從圖中可以看出，單個碼元的頻譜為sinx/x型，頻帶利用率不高，而ofdm的頻譜總的來看近似為矩形，且其邊帶分量相互疊加后，變得很小。所以，ofdm信號的頻譜利用率理論上可以達到shannon信息傳輸理論的極限。在對每個載波完成調制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，它又采用了一種叫作homeplug的處理技術，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號

25、位的載波進行合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發(fā)送。ofdm可通過idft/dft變換對來實現(xiàn)。在此變換當中，包含了一系列復雜標志的頻域數(shù)據(jù)來調制載波。傅立葉反變換的輸出是個時域的信號，稱為一個ofdm碼元。為了保證子載波相互正交，子載波間的最小間隔等于碼元周期倒數(shù)的整數(shù)倍。ofdm系統(tǒng)的調制解調過程就等效于離散傅氏逆變換和離散傅氏變換的過程。3.2 ofdm的數(shù)學表達式723ofdm信號常常表示成并行傳輸?shù)恼徽{制子載波的集合，其數(shù)學表達式為： （3-1）其中， （3-2） （3-3） 為第幀信號流中第個要傳輸?shù)拇a元，每個ofdm碼元的有效周期為；n為ofdm子載波的數(shù)量

26、；為第個子載波的中心頻率，為所用的子載波的最低中心頻率。子載波在頻域內是相互正交的。解調則利用了子載波在頻域內的正交性原理，即 （3-4）因此，解調器的數(shù)學表達式為：xn= （3-5）由于ofdm系統(tǒng)中的子載波數(shù)量很多，所以實際應用時不能像傳統(tǒng)的fdm那樣使用成百上千個振蕩器和鎖相環(huán)進行相干調制。weinstein經(jīng)過數(shù)學推到，發(fā)現(xiàn)ofdm信號可用快速傅里葉反變換ifft來得到，將運算量從將為nlogn，并能用熟悉信號處理器完成ofdm調制。輸入的n個調制符號經(jīng)過n點的ifft后所得到的n個數(shù)據(jù)就是所需的ofdm合成信號的n個時域采樣值，再經(jīng)過d/a轉換后，就得到了ofdm信號波形。此信號乘以

27、實際載波就可將ofdm信號搬到所需的頻帶上。3.3 ofdm的實現(xiàn)824ofdm 調制之所以成功應用的一個重要原因是，它可以采用數(shù)字信號處理（dsp）技術來實現(xiàn)調制解調過程。系統(tǒng)通常用dsp芯片通過快速傅立葉變換對（ifft和fft）實現(xiàn)上述過程，其實現(xiàn)過程如圖5所示。串/并轉換調制器1上變頻d/abpf加cp并/串ifft輸入串行數(shù)據(jù) 電力線信道······調制器2調制器n解調器2解調器1輸出串行轉換 bpfa/d下變頻fft串/并轉換串/并去cp····解調器n圖5 ofdm的實現(xiàn)框圖ofd

28、m信號發(fā)送器的原理是：輸入的數(shù)據(jù)以串行的方式輸入發(fā)送器，速率為5碼元/秒。然后這些碼元經(jīng)過串/并轉換器，并行輸出到n條線路上（指頻率通道）。則這n條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率為5碼元/秒，這樣就把高速的串行數(shù)據(jù)傳輸轉化為低速的并行數(shù)據(jù)信號進行傳輸，之后再對每路低速數(shù)據(jù)進行基帶調制（可采用bpsk，qpsk，qam，tcm等），該ofdm碼隨后被送入一個進行快速傅立葉逆變換的模塊，進行快速傅立葉逆變換。快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉化為時域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被ofdm按照頻域數(shù)據(jù)進行了處理。計算出快速傅立葉逆變換樣值之后，一個循環(huán)前綴被加到了樣值前，形成拓展的o

29、fdm信息碼元。拓展的ofdm信息碼再次通過一個并行串行轉換器模塊。得到的串行數(shù)據(jù)經(jīng)d/a轉換成模擬信號，再經(jīng)過射頻、帶通濾波器、耦合電路等加載到電力線信道進行傳輸。接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號是時域信號。由于信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信號經(jīng)過一個串行/并行的轉換器，并且把循環(huán)前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒有刪掉任何信息。循環(huán)前綴中的信息是冗余的，只是碼元尾部一段樣本信號的復制，利用這兩個重復部分的相關特性，可以實現(xiàn)同步功能，使用循環(huán)前綴是解決ofdm信號同步的一種方法。除了解決同步問題，使用循環(huán)前綴還可以很好的消除碼間干擾。我們要求循環(huán)前綴的值比信道內存更大一些。多

30、徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達而影響當前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是，事實上，碼間干擾僅僅會干擾當前信息碼的循環(huán)前綴。因此，使用適當大小的循環(huán)前綴就能夠使ofdm技術消除碼間干擾。3.4 ofdm應用于plc1125 在plc技術中引入ofdm技術，就可以使電力線上的高速數(shù)據(jù)通信成為可能。ofdm的基本思想就是把可用信道帶寬劃分為若干子信道，每個子信道都可近似看作理想信道。在規(guī)定使用的頻段內，利用載波之間的正交性，使用幾十、上百、甚至上千個具有正交特性的載波信號，每個載波傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，各個載波傳輸數(shù)據(jù)的總和就是總的傳輸速率。3.4.1 ofdm技術適用于plc的優(yōu)點29ofdm技術

31、適用于低壓電力線通信的優(yōu)點有如下幾點： ofdm允許重疊的正交子載波作為子信道，提高了頻譜利用率。 ofdm是把一組高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉化成相對低速的并行數(shù)據(jù)來傳輸, 雖然每個子載波的傳輸速率并不高， 但是所有子信道加起來將會獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，子載波數(shù)量越多，ofdm的數(shù)據(jù)傳輸速率越高。 ofdm是把一組數(shù)據(jù)通過多個子載波傳播， 在每個子載波上的信號時間就相應的比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使ofdm對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力很強；另外，ofdm與信道編碼和交織技術結合，將有更好地抗衰落性能。特別適宜于電力線這種非常惡劣的信道環(huán)境。碼間干擾（isi）是造成系統(tǒng)傳輸性能下降

32、的主要原因。ofdm系統(tǒng)通過降低碼元速率有效地克服了由多徑效應引起的碼間干擾（isi） 。同時通過在每個ofdm符號之間加入循環(huán)前綴以形成保護間隔， 來進一步消除殘存的碼間干擾。 ofdm可以用發(fā)射的導頻信號對各個子載波信道進行信道估計，然后根據(jù)信道特性的變化動態(tài)地分配子信道，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。分析表明，ofdm具有頻譜利用率高，抗多徑衰落和碼間干擾的特點， 能抑制阻抗衰減與噪聲干擾， 在帶寬受限的低壓電力線通信領域具有較大的優(yōu)勢，它成功解決了低壓電力線通信技術中的諸多難點。3.4.2 在plc中引入ofdm技術30（1）高速率傳輸 ofdm技術將信道可用帶寬劃分為若干相對窄的子帶，其總

33、傳輸速率接近系統(tǒng)的設計總量。如果子帶之間的功率分配及每個符號包含的比特位的選擇遵循保證每個子信道的誤碼率均衡原則，那么實現(xiàn)總速率最大化是可能的。對于較低snr的子信道，采用較低的調制電平，較高snr的子信道，采用最優(yōu)化的調制電平和功率分配可以實現(xiàn)10mbit/s，甚至100mbit/s以上的數(shù)據(jù)傳輸。（2）抗衰減性 電力線上信號的衰減是不斷變化的，在衰減較大的區(qū)域無法有效傳輸信號，只能利用曲線中衰減較小的區(qū)域。ofdm為保證信號的有效傳輸，在設置載波時，設定兩個或多個不同的載波傳輸相同的數(shù)據(jù)，根據(jù)信道情況自動選擇某個衰減比較小的載波進行有效數(shù)據(jù)傳輸。在任何失真的信道中都可以采用ofdm技術，特

34、別是在具有頻率選擇特性的衰減信道中，效果尤其明顯。ofdm可以通過對信道的預測，通過自適應信道處理技術實現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。（3）抗干擾性ofdm可以自動選擇噪聲干擾比較小的載波進行數(shù)據(jù)傳輸。當某個載波受到強干擾影響致使接受信號的信噪比達不到正確接受信號的要求時，則放棄使用該載波傳輸數(shù)據(jù)，以此來達到正確傳輸數(shù)據(jù)的目的。ofdm還可以有效地抑制等幅波干擾。3.5 小結ofdm 技術作為一種多載波調制技術，在頻域把信道分成許多正交子信道，各子信道的載波間保持正交，頻譜相互重疊，這樣減少子信道間干擾，提高頻譜利用率。同時在每個子信道上信號帶寬小于信道相干帶寬，所以雖然整個信道是頻率選擇性衰落的，但

35、是每個子信道是相對平坦的非頻率選擇性的，大大減少符號間干擾。由于具有抗多徑能力強、頻譜利用率高等優(yōu)點，在plc中引入ofdm，就可以使電力線上的高速數(shù)據(jù)通信成為可能。重慶理工大學畢業(yè)論文 系統(tǒng)的硬件電路設計 4 系統(tǒng)的硬件電路設計4. 1 int5200芯片 4.1.1 int5200芯片簡介 int5200是intellon公司制造的第三代電力線調制解調芯片，它單片集成了媒介訪問控制層（mac）、物理層（phy）以及模擬前端（afe），是目前市場上應用較多的int5lxi的替代產(chǎn)品。int5200應用了intellon公司的powerpacket技術，采用robo/dbpsk/dqpsk調制

36、方法，完全符合homeplugl.0.1規(guī)范，傳輸速率可高達14mbps。而且它還集成有usb1.1、以太網(wǎng)和mii/gpsi接口以及10-bitadc、10-bitdac、濾波器、功率放大器和agc控制器，使用比較方便，從而為plc通信裝置的研究開發(fā)提供了一款比較理想的解決方案。int5200芯片接口多，使用起來更方便靈活。它所采用的powerpacket物理層使用ofdm 技術能更好的克服噪聲干擾及多徑衰減，更適合于信道環(huán)境比較惡劣的低壓電力線。int5200是intellon公司最新的電力線載波通信芯片，它不論在功能結構還是在使用特點方面都具有很多優(yōu)勢，所以本系統(tǒng)選用int5200作為調

37、制解調芯片。4.1.2 int5200芯片的功能結構 int5200采用lbfag（low profile and finepitch ball grid array，細微間距球柵陣列封裝），有144引腳。int5200提供三種與主機接口的模式：usb模式，用于直接與usb主機相連；phy模式，用于與以太網(wǎng)控制器或微控制器相連；host/dte模式，用于直接與以太網(wǎng)phy相連。本設計選用host/dte接口，其主要信號引腳功能如下：（1）spi接口引腳的功能spi_do：通過該端可將數(shù)據(jù)輸出至e2prom；spi_di：數(shù)據(jù)從e2prom讀入；spi_clk：spi時鐘；spi_cs：選通e2

38、prom；（2）mdi接口引腳的功能mii_mdio：管理數(shù)據(jù)輸入輸出；mii_mdclk：管理數(shù)據(jù)i/o時鐘；（3）mii接口引腳的功能mii_rx0mii_rx3：接收數(shù)據(jù)線；mii_rxclk：接收時鐘線；mii_rxdv：接收數(shù)據(jù)有效端；mii_rx_er：接收錯誤指示端；mii_col：沖突檢測；mii_tx0mii_tx3：發(fā)送數(shù)據(jù)線；mii_txclk：發(fā)送時鐘；mii_txen：發(fā)送使能；mii_crs：載波偵聽；mii_tx_er：發(fā)送錯誤；phy25mhz：25mhz的時鐘輸出；（4）afe接口引腳功能agc0_inagc2_in：agc輸入；agc0_outagc2_ou

39、t：agc輸出；adc_clk_in：adc時鐘輸入；adc_clk_out：acd時鐘輸出；rx_en_in：afe rx使能輸入；rx_en_out：afe rx使能輸出；erxt：外部偏置精密電阻輸入；rxin_p：rx信道輸入；rxin_n： rx信道補償輸入；txout_n：tx信道輸出；txout_p ：tx信道補償輸出；gain_over_n：增益無效使能端（當此引腳通過一10k的電阻與地相連，表示為override（增益無效）模式：當此引腳通過一個10k的電阻與3.3v 電壓相連時表示為normal （常規(guī)）模式）；compen ： 補償使能；cap_r3cap_r4：dac的

40、偏置退耦電容輸入；芯片中的其它信號線在三種模式中都相同，其中l(wèi)ed線3條、復位線3條、時鐘線條、以及多條電源和地線；三種模式的選擇可由mode0和mode1兩個引腳的狀態(tài)來決定。表1 int5200的模式選擇mode1mode0選擇的模式00保留01usb10phy11host/dte int5200內部結構如圖6所示，從結構圖可以看出，int5200是一款集成了多種i/o口以及mac/phy/afe的電力線通信收發(fā)芯片。i/o模塊主要集成了mac與主機、外圍設備間的各種接口，因此功能非常豐富。與主機的接口有usb接口、媒質獨立接口mii或通用串行接口gpsi（選用）、管理數(shù)據(jù)接口mdi；與外

41、設的接口有eeprom接口spi、仿真接口jtag以及用于運行狀態(tài)監(jiān)視的led接口。在這些接口中，mii是一種標準工業(yè)接口，其發(fā)送/接收都以四位并行方式進行，并與mac時鐘同步，同時，mii還帶有csma/cd協(xié)議。gpsi工是一種靈活的雙向串行接口，接口線數(shù)目少于mii。 帶通濾波器ledspowerpacket媒介訪問層i/ox數(shù)/模powerpacket 物理層mii gspi耦合電路usb電x帶通濾波器力數(shù)/模spi線eeprom圖6 int5200內部結構mac模塊主要完成鏈路層功能，是芯片的核心部分，本模塊包括一個精簡指令集(risc)的處理器內核，一個含有ofdm數(shù)據(jù)處理、加密/

42、解密算法和信道優(yōu)化算法的程序存儲器（rom）、還有一個鏈接序列、數(shù)據(jù)存儲器（ram）以及兩個直接數(shù)據(jù)傳送通道（dma）。為了可靠的傳輸以太數(shù)據(jù)包，mac層采用了具有優(yōu)先級的載波偵聽多路訪問/沖突避免（csma/ca）協(xié)議來訪問公共的電力線信道，并輔以自動重傳請求arq和powerpacket的優(yōu)先權機制。而且，由于電力數(shù)據(jù)包優(yōu)先等級可以靈活設定，因而使得int5200具有較強的突發(fā)處理能力。而允許電力線上的多幀傳輸則極大的減輕了對網(wǎng)絡的要求，并使得網(wǎng)絡吞吐量達到最大，從而保證了最短的延時時間和最優(yōu)的信號穩(wěn)定性，此外，mac還具有流量控制功能。int5200的這些功能可確保在特別惡劣的電力線信道

43、上也能為用戶提供優(yōu)良的服務品質（qos）。phy模塊主要用來實現(xiàn)物理層功能，提供建立、維持和拆除物理連接的電氣手段，保證電力線上比特流的透明傳輸。本模塊主要由一個物理層邏輯序列、一個與mac子層dma通道對應的先進先出（fifo）堆棧以及一個前向模擬通道組成。phy采用ofdm調制技術，有84個子載波采用robo/dbpsk/dqpsk調制方法。它的模擬前端(afe)包含一對高速的10位a/d、d/a轉換器，采樣速度為50mbps，該模塊的參考電壓獨立于片內，可低功耗操作。再接入運算放大器和濾波器，然后通過電力線耦合裝置便可與電力線進行連接。4.1.3 int5200的復位和初始化控制22in

44、t5200有一個低有效的系統(tǒng)復位引腳(reset_n)來初始化所有的內部邏輯。當電源不穩(wěn)定或超出允許的容忍范圍時，reset_n引腳就要被置零，而且reset_n信號在電源達到容限值范圍之內并達到穩(wěn)定之后，至少還要持續(xù)一微秒的時間。int5200的usb模式（usb option）和phy模式（phy option）支持軟復位功能。軟復位以主機將mdi控制寄存器的復位位置1開始，并以int5200清除控制寄存器的復位位而結束。int5200（usb option）除了usb模塊和dac/adc時鐘發(fā)生模塊外的所有邏輯均由軟復位來初始化。int5200（phy option）除了dac/adc和

45、mii/gpsi的時鐘發(fā)生模塊外的所有邏輯也均由軟復位來初始化。int5200（usb option）和int5200（host/dte option）需要由構造eeprom（configuration eeprom）來初始化。int5200（phy option）可以通過構造eeprom，也可通過接收由mii/gpsi主機傳輸過來特定的mac管理序列來初始化。并且這個初始化的mac管理序列一定要在int5200（phy option）在電力線上發(fā)送接收數(shù)據(jù)之前發(fā)生。當選擇int5200（usb option）或int5200（host/dte option）時，構造eeprom用來存儲mac地址和默認的密匙。當選擇為int5200（phy option）時，構造eeprom是可選擇的。這里的eeprom一