低壓電力線通信系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1、重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 目錄編號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目基于OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)的硬件 電路設(shè)計(jì) 摘要IAbstractII1緒論11.1電力線通信介紹11.2國(guó)內(nèi)外的發(fā)展11.2.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r11.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r22 PLC技術(shù)42.1 PLC技術(shù)原理42.2 PLC技術(shù)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(shù)的應(yīng)用52.4小結(jié)6 3 OFDM技術(shù)73.1 OFDM技術(shù)的基本原理73.2 OFDM的數(shù)學(xué)表達(dá)式83.3 OFDM的實(shí)現(xiàn)93.4 OFDM應(yīng)用于PLC103.4.1 OFDM技術(shù)適用于PLC的優(yōu)點(diǎn)103.4.2 在PLC中引入OFDM

2、技術(shù)113.5 小結(jié)124 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)134. 1 INT5200芯片134.1.1 INT5200芯片簡(jiǎn)介134.1.2 INT5200芯片的功能結(jié)構(gòu)134.1.3 INT5200的復(fù)位和初始化控制164.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(diào)制解調(diào)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(shí)現(xiàn)264.4.1 耦合電路264.4.2 保護(hù)電路264.4.3 復(fù)位電路284.4.4 以太網(wǎng)接口電路304.5 小結(jié)325 總結(jié)33致 謝34參考文獻(xiàn)35附錄37 摘要 電力線通信技術(shù)是采用

3、電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音信號(hào)的一種通信方式。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步，電力線通信技術(shù)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(diǎn)，它作為快帶接入的一種方式受到了極大的關(guān)注。 本文首先對(duì)電力線通信做了簡(jiǎn)單的介紹，然后對(duì)低壓電力線通信信道特性做了初步分析，并對(duì)能改善此信道的OFDM技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，為電力線通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。然后介紹了Intellon公司的調(diào)制解調(diào)芯INT5200以及相關(guān)技術(shù)，并在此基礎(chǔ)之上，給出了利用這種芯片的整個(gè)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案及其各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)。 關(guān)鍵詞 ：電力線通信 OFDM（正交頻分復(fù)用） 硬件電路設(shè)計(jì) 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(xué)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(lǐng)域通常指35kV及以上電壓等級(jí)）、中壓電力線（指10kV電壓等級(jí)）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(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以及在電力線通信網(wǎng)絡(luò)與其他通信網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)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(xué)科，直到最近幾年，由于技術(shù)上的突破性進(jìn)展而重現(xiàn)生機(jī)，更因其在高壓到低壓各個(gè)領(lǐng)域里的應(yīng)用所帶來(lái)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(shù)，電力線通信由于具有時(shí)變性、頻率選擇性等固有特點(diǎn)，使其在具體應(yīng)用中仍然存在很多問(wèn)題亟待我們解決（比如在技術(shù)及設(shè)

9、備上還不盡完善）。盡管如此，但因它所激發(fā)的巨大市場(chǎng)潛力仍然成為世界各大公司及科研單位競(jìng)相研究的熱點(diǎn)，并開發(fā)出相應(yīng)的器件和產(chǎn)品，同時(shí)國(guó)內(nèi)眾多的企業(yè)也緊隨國(guó)際步伐，毅然投入到這一領(lǐng)域的研發(fā)之中。相比之下，低壓PLC技術(shù)的研究及應(yīng)用更為困難。由于低壓電力線是一種復(fù)雜的傳輸媒介，線上存在大量噪聲，負(fù)載多且其工作狀態(tài)隨時(shí)間變化，配置情況復(fù)雜。其對(duì)傳輸信號(hào)的不利影響主要表現(xiàn)為具有隨機(jī)性的信道損耗、信道噪聲和多徑效應(yīng)。因此，在干擾嚴(yán)重的低壓電力線上如何實(shí)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(guó)內(nèi)外的發(fā)展2261.2.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r英國(guó)聯(lián)合電力公司的子公司Norweb通訊公司在199

10、0年開始對(duì)高速電力線通信進(jìn)行研究。1995年，該公司又與加拿大Nortel（北電網(wǎng)絡(luò)）公司聯(lián)手，共同開發(fā)這項(xiàng)新技術(shù)。19951997年的兩年間，Norweb和Notel公司已經(jīng)成功地在英國(guó)曼徹斯特對(duì)20個(gè)居民用戶進(jìn)行了PLC上網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，其中還包括話音服務(wù)。1997年10月，這兩家公司聲稱已經(jīng)解決了電力噪聲等問(wèn)題，取得了電力線載波技術(shù)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了在低壓配電網(wǎng)上進(jìn)行1Mbit/s速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程通信，欲將四通八達(dá)的電力線轉(zhuǎn)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(jìn)行該技術(shù)的市場(chǎng)推廣。

11、隨后，許多國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也紛紛開展了高速電力線通信技術(shù)的研究和開發(fā) ，如美國(guó)的Intellon、Inari（Intelogis）公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韓國(guó)的Xiline公司，瑞士的ASCOM公司，德國(guó)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(jìn)PLC技術(shù)的發(fā)展，從2004年1月1日開始，啟動(dòng)了一個(gè)稱之為OPERA(Open PLC European Research Alliance)的計(jì)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)、推動(dòng)大

12、規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，并將PLC作為實(shí)現(xiàn)“eEurope”（信息化歐洲）的重要技術(shù)手段。亞洲開展PLC研究和試驗(yàn)的國(guó)家和地區(qū)除中國(guó)大陸外，還有日本、韓國(guó)、新加坡、中國(guó)香港、中國(guó)臺(tái)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(yàn)網(wǎng)絡(luò)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2004年底，PLC的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)已遍及歐洲、亞洲、北美、洲南美洲、非洲、以及大洋洲的40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。1.2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)是世界上較早開展PLC技術(shù)研究和寬帶接入應(yīng)用的國(guó)家，并在此領(lǐng)域取得了一定的成果。國(guó)家電網(wǎng)公司高度重視PLC技術(shù)的研發(fā)和推廣，多次建立了研究PLC技術(shù)的科研項(xiàng)目，有中國(guó)的科研項(xiàng)目，有中國(guó)電力科學(xué)

13、研究院、福建電力試驗(yàn)研究院、深圳國(guó)電科技公司及北京意科公司進(jìn)行PLC技術(shù)、產(chǎn)品的研究與開發(fā)，采用國(guó)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(jìn)PLC技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展，國(guó)電通信中心自1999年開始跟蹤國(guó)內(nèi)外PLC技術(shù)的發(fā)展，在2001年成立了PLC領(lǐng)導(dǎo)小組，下設(shè)PLC技術(shù)推進(jìn)辦公室，負(fù)責(zé)全國(guó)電力系統(tǒng)PLC技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)的統(tǒng)一組織和協(xié)調(diào)工作 。先后多次到國(guó)外對(duì)PLC技術(shù)的應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)化制定進(jìn)行考察和調(diào)研，分別參加了在歐洲、美國(guó)和香港召開的PLC專題國(guó)際會(huì)議，引入國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)。由于我國(guó)低壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性

14、、供電方式和國(guó)外有很大的不同，國(guó)外已有的產(chǎn)品需要根據(jù)我國(guó)配電線路的實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)才能使用 。PLC辦公室與相關(guān)國(guó)外技術(shù)人員共同針對(duì)中國(guó)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究并解決了技術(shù)上的難題，確定了多種實(shí)驗(yàn)方案，建立了PLC家庭模擬實(shí)驗(yàn)。2001年底，開通了我國(guó)第一個(gè)以電力線為傳輸介質(zhì)的PLC寬帶接入Internet試驗(yàn)小區(qū)；2002年3月，引進(jìn)歐洲PLC產(chǎn)品進(jìn)行語(yǔ)音傳輸試驗(yàn)，在我國(guó)第一次實(shí)現(xiàn)了利用電力線同時(shí)上網(wǎng)和打電話；2002年5月，采用國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)研制的產(chǎn)品，開通了第一個(gè)由國(guó)內(nèi)電力系統(tǒng)自主研發(fā)的PLC寬帶接入系統(tǒng)。在試驗(yàn)網(wǎng)運(yùn)行成功的基礎(chǔ)上，為了早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，國(guó)電通信中心積極配合國(guó)家信息產(chǎn)業(yè)部電

15、信傳輸測(cè)試機(jī)構(gòu)和國(guó)家電磁兼容認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對(duì)已開通的PLC試驗(yàn)網(wǎng)進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。測(cè)試證明PLC網(wǎng)絡(luò)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(yàn)網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)騷擾和輻射騷擾均符合國(guó)內(nèi)和國(guó)際上的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 PLC技術(shù)2 PLC技術(shù)2.1 PLC 技術(shù)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(zhì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，話音，圖像等綜合業(yè)務(wù)的通信技術(shù)。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(jìn)行調(diào)制（如GMSK或OFDM調(diào)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(luò)作為一種信源信宿共享傳輸介質(zhì)，把各用戶連在一起。接收端的耦合電路將調(diào)制信號(hào)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(diào)、信道譯碼后將數(shù)據(jù)恢復(fù)，就可得到原通信信號(hào)(信宿)。這樣系統(tǒng)以低壓電力線為通信介質(zhì)，只要有交流電源插座就可實(shí)現(xiàn)同一電網(wǎng)內(nèi)任意兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的通信。由于電力線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面大和無(wú)需重新布線的優(yōu)點(diǎn)，電力線通信廣泛應(yīng)用于信息家電、樓宇智能化及寬帶接入等應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，由于電力線通信的物理網(wǎng)絡(luò)是由低壓配電網(wǎng)和線路負(fù)載組成的。物理網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)的，信道特性也是動(dòng)態(tài)的，這種特殊性決定了組網(wǎng)的困難性。配電網(wǎng)絡(luò)耦合電路帶通濾波調(diào)

17、制信道編碼信源耦合電路帶通濾波解調(diào)信道譯碼信宿圖1 低壓電力線通信原理框圖2.2 PLC技術(shù)特性4102.2.1低壓電力線的信道特性作為電信級(jí)的運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，通信質(zhì)量必須要有保障，而電力線作為傳輸介質(zhì)，對(duì)高頻信號(hào)的傳輸有一些不利因素，幾種表現(xiàn)為：電力線會(huì)對(duì)高頻信號(hào)造成較大的衰減。通常，電力線在某一時(shí)刻對(duì) 不同的頻率的信號(hào)，線路衰減不同，而且隨著線路的阻抗和負(fù)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(shè)備，某些大功率用電設(shè)備的頻繁開閉，會(huì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支多、衰減大，導(dǎo)致多徑反射，引起信號(hào)的選擇

18、性衰減和碼間干擾。由于電力線信道呈無(wú)法預(yù)知的多徑傳輸和發(fā)射特征，致使信道特征表現(xiàn)為一個(gè)時(shí)變的頻率選擇性衰減信道，因此信道容量和誤碼率特性會(huì)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(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸幾千米。但當(dāng)電力線上負(fù)荷較大時(shí)，采用PLC技術(shù)只能傳輸200m左右，要想實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)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(nèi)應(yīng)用，解決“最后一百米”的入戶問(wèn)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(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾十兆、甚至上百兆的數(shù)據(jù)傳輸。在前期試驗(yàn)的PLC產(chǎn)品測(cè)試中，14Mbit/s制式芯片的產(chǎn)品已

19、經(jīng)實(shí)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(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求。隨著PLC技術(shù)和產(chǎn)品的改進(jìn)，PLC 系統(tǒng)傳輸速率會(huì)不斷提高。2.3 PLC技術(shù)的應(yīng)用5電力線通信技術(shù)可以進(jìn)行模擬（語(yǔ)音信號(hào)）或數(shù)字信息（如：家居控制信號(hào)）雙工傳輸，可廣泛應(yīng)用于家居自動(dòng)化、小型辦公室、家庭辦公室通訊（如互聯(lián)網(wǎng)、內(nèi)部信件、游戲、音頻、視頻）等領(lǐng)域，具有普及效果、節(jié)省費(fèi)用、安裝方便、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。目前 ，LPC主要應(yīng)用于三個(gè)方面：智能小區(qū)、自動(dòng)抄表系統(tǒng)、家居智能化。智能住宅的概念起源于美國(guó)，在美國(guó)發(fā)展最為迅猛。所謂智能化小區(qū)

20、，是指通過(guò)綜合配置住宅區(qū)內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以綜合布線為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)為區(qū)內(nèi)各種設(shè)備管理自動(dòng)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(dòng)化（SAS）、通訊自動(dòng)化（CAS）、管理自動(dòng)化（MAS）。自動(dòng)抄表系統(tǒng)就是自動(dòng)采集各種計(jì)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(wú)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(jìn)行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本，同時(shí)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(gè)角落的微控制器和家電、PC機(jī)連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點(diǎn)是：電力線和信號(hào)線合一，無(wú)須布設(shè)信號(hào)線；人們?cè)瓉?lái)使

21、用和維護(hù)電器的習(xí)慣都不受影響，家電無(wú)須增加雙絞線、紅外等接口，只要在內(nèi)部配備電力線載波通信芯片，再更新程序就行了，對(duì)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(diǎn)不突出。因此電力線通信技術(shù)在家居智能化應(yīng)用方面有著廣泛的前景。2.4小結(jié)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(shì)。但在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(gè)并不理想的通信媒介。因此，要在電力線上實(shí)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(diào)制技術(shù)。26重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM技

22、術(shù)3 OFDM技術(shù)3.1 OFDM技術(shù)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)?，每個(gè)碼元的頻譜占整個(gè)可用帶寬。在OFDM技術(shù)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(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳輸，任何情況下，多個(gè)數(shù)據(jù)碼元都能夠及時(shí)傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)獨(dú)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(guò)這樣的變換，寬帶傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成許多窄帶系統(tǒng)。這種并行傳輸體制大大地?cái)U(kuò)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(zhuǎn)移函數(shù)在每個(gè)子載波的帶寬中會(huì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的常數(shù)，頻率選擇性信道就被分成了多個(gè)平坦衰減子信道。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法

23、中各個(gè)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(fù)雜程度和成本。同時(shí)，為了減少各子載波之間的相互串?dāng)_，需要保持足夠的頻率間隔，進(jìn)而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)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(wú)失真的復(fù)原。正交頻分復(fù)用的主要思想是在頻域內(nèi)將信號(hào)分解為N個(gè)子信號(hào)，再用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制N個(gè)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(gè)子載波可以使用不同的調(diào)制方式，比較常用的有BPSK、QPSK和QAM等。也就是說(shuō)，OFDM實(shí)質(zhì)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(jìn)行傳輸。這樣每個(gè)子載波的碼元周期被延長(zhǎng)了N倍，從而提高了抗多徑干擾的能力，同時(shí)又提高了頻譜利用率。如當(dāng)碼元為矩形脈沖時(shí)，其頻譜如圖2、圖3所示。圖2 單個(gè)子帶頻譜 圖3 OFDM頻譜結(jié)構(gòu)圖2是單個(gè)子帶頻譜，圖3是ODFM信號(hào)頻譜。從圖中可以看出，單個(gè)碼元的頻譜為sinx/x型，頻帶利用率不高，而OFDM的頻譜總的來(lái)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(hào)的頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon信息傳輸理論的極限。在對(duì)每個(gè)載波完成調(diào)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(shù)，來(lái)對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)

25、位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。OFDM可通過(guò)IDFT/DFT變換對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此變換當(dāng)中，包含了一系列復(fù)雜標(biāo)志的頻域數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制載波。傅立葉反變換的輸出是個(gè)時(shí)域的信號(hào)，稱為一個(gè)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(diào)制解調(diào)過(guò)程就等效于離散傅氏逆變換和離散傅氏變換的過(guò)程。3.2 OFDM的數(shù)學(xué)表達(dá)式723OFDM信號(hào)常常表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波的集合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （3-1）其中， （3-2） （3-3） 為第幀信號(hào)流中第個(gè)要傳輸?shù)拇a元，每個(gè)OFDM碼元的有效周期為；N為OFDM子載波的數(shù)量

26、；為第個(gè)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(nèi)是相互正交的。解調(diào)則利用了子載波在頻域內(nèi)的正交性原理，即 （3-4）因此，解調(diào)器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Xn= （3-5）由于OFDM系統(tǒng)中的子載波數(shù)量很多，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能像傳統(tǒng)的FDM那樣使用成百上千個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行相干調(diào)制。Weinstein經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推到，發(fā)現(xiàn)OFDM信號(hào)可用快速傅里葉反變換IFFT來(lái)得到，將運(yùn)算量從將為NlogN，并能用熟悉信號(hào)處理器完成OFDM調(diào)制。輸入的N個(gè)調(diào)制符號(hào)經(jīng)過(guò)N點(diǎn)的IFFT后所得到的N個(gè)數(shù)據(jù)就是所需的OFDM合成信號(hào)的N個(gè)時(shí)域采樣值，再經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后，就得到了OFDM信號(hào)波形。此信號(hào)乘以

27、實(shí)際載波就可將OFDM信號(hào)搬到所需的頻帶上。3.3 OFDM的實(shí)現(xiàn)824OFDM 調(diào)制之所以成功應(yīng)用的一個(gè)重要原因是，它可以采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)過(guò)程。系統(tǒng)通常用DSP芯片通過(guò)快速傅立葉變換對(duì)（IFFT和FFT）實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖5所示。串/并轉(zhuǎn)換調(diào)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(diào)制器2調(diào)制器N解調(diào)器2解調(diào)器1輸出串行轉(zhuǎn)換 BPFA/D下變頻FFT串/并轉(zhuǎn)換串/并去CP解調(diào)器N圖5 OFDM的實(shí)現(xiàn)框圖OFDM信號(hào)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(guò)串/并轉(zhuǎn)換器，并行輸出到N條線

28、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(zhuǎn)化為低速的并行數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸，之后再對(duì)每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制（可采用BPSK，QPSK，QAM，TCM等），該OFDM碼隨后被送入一個(gè)進(jìn)行快速傅立葉逆變換的模塊，進(jìn)行快速傅立葉逆變換?？焖俑盗⑷~逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)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(jìn)行了處理。計(jì)算出快速傅立葉逆變換樣值之后，一個(gè)循環(huán)前綴被加到了樣值前，形成拓展的OFDM信息碼元。拓展的OFDM信息碼再次通過(guò)一個(gè)并行串行轉(zhuǎn)換器模塊。得到的串行數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)射頻、帶

29、通濾波器、耦合電路等加載到電力線信道進(jìn)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(hào)是時(shí)域信號(hào)。由于信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)串行/并行的轉(zhuǎn)換器，并且把循環(huán)前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒(méi)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(hào)的復(fù)制，利用這兩個(gè)重復(fù)部分的相關(guān)特性，可以實(shí)現(xiàn)同步功能，使用循環(huán)前綴是解決OFDM信號(hào)同步的一種方法。除了解決同步問(wèn)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(nèi)存更大一些。多徑信號(hào)引起先發(fā)信息碼字的滯后到達(dá)而影響當(dāng)前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是，事實(shí)上，碼間干擾僅僅會(huì)干擾當(dāng)前信息碼的循環(huán)前

30、綴。因此，使用適當(dāng)大小的循環(huán)前綴就能夠使OFDM技術(shù)消除碼間干擾。3.4 OFDM應(yīng)用于PLC1125 在PLC技術(shù)中引入OFDM技術(shù)，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(gè)子信道都可近似看作理想信道。在規(guī)定使用的頻段內(nèi)，利用載波之間的正交性，使用幾十、上百、甚至上千個(gè)具有正交特性的載波信號(hào)，每個(gè)載波傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，各個(gè)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(shù)適用于PLC的優(yōu)點(diǎn)29OFDM技術(shù)適用于低壓電力線通信的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)： 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

31、傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸, 雖然每個(gè)子載波的傳輸速率并不高， 但是所有子信道加起來(lái)將會(huì)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(guò)多個(gè)子載波傳播， 在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)的比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使OFDM對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力很強(qiáng)；另外，OFDM與信道編碼和交織技術(shù)結(jié)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)傳輸性能下降的主要原因。OFDM系統(tǒng)通過(guò)降低碼元速率有效地克服了由多徑效應(yīng)引起的碼間干擾（ISI） 。同時(shí)通過(guò)在每個(gè)OFDM符號(hào)之間

32、加入循環(huán)前綴以形成保護(hù)間隔， 來(lái)進(jìn)一步消除殘存的碼間干擾。 OFDM可以用發(fā)射的導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)各個(gè)子載波信道進(jìn)行信道估計(jì)，然后根據(jù)信道特性的變化動(dòng)態(tài)地分配子信道，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴７治霰砻鳎琌FDM具有頻譜利用率高，抗多徑衰落和碼間干擾的特點(diǎn)， 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(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢(shì)，它成功解決了低壓電力線通信技術(shù)中的諸多難點(diǎn)。3.4.2 在PLC中引入OFDM技術(shù)30（1）高速率傳輸 OFDM技術(shù)將信道可用帶寬劃分為若干相對(duì)窄的子帶，其總傳輸速率接近系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總量。如果子帶之間的功率分配及每個(gè)符號(hào)包含的比特位的選擇遵循保證每個(gè)子信道的誤碼率均衡原則，那么實(shí)

33、現(xiàn)總速率最大化是可能的。對(duì)于較低SNR的子信道，采用較低的調(diào)制電平，較高SNR的子信道，采用最優(yōu)化的調(diào)制電平和功率分配可以實(shí)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(hào)的衰減是不斷變化的，在衰減較大的區(qū)域無(wú)法有效傳輸信號(hào)，只能利用曲線中衰減較小的區(qū)域。OFDM為保證信號(hào)的有效傳輸，在設(shè)置載波時(shí)，設(shè)定兩個(gè)或多個(gè)不同的載波傳輸相同的數(shù)據(jù)，根據(jù)信道情況自動(dòng)選擇某個(gè)衰減比較小的載波進(jìn)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(shù)，特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(guò)對(duì)信道的預(yù)測(cè)，通過(guò)自適應(yīng)信道處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)

34、傳輸。（3）抗干擾性O(shè)FDM可以自動(dòng)選擇噪聲干擾比較小的載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)某個(gè)載波受到強(qiáng)干擾影響致使接受信號(hào)的信噪比達(dá)不到正確接受信號(hào)的要求時(shí)，則放棄使用該載波傳輸數(shù)據(jù)，以此來(lái)達(dá)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(jié)OFDM 技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，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(shí)在每個(gè)子信道上信號(hào)帶寬小于信道相干帶寬，所以雖然整個(gè)信道是頻率選擇性衰落的，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的非頻率選擇性的，大大減少符號(hào)間干擾。由于具有抗多徑能力強(qiáng)、頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在PLC中引入OF

35、DM，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(xué)畢業(yè)論文 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 4 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)4. 1 INT5200芯片 4.1.1 INT5200芯片簡(jiǎn)介 INT5200是Intellon公司制造的第三代電力線調(diào)制解調(diào)芯片，它單片集成了媒介訪問(wèn)控制層（MAC）、物理層（PHY）以及模擬前端（AFE），是目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的INT5lXI的替代產(chǎn)品。INT5200應(yīng)用了Intellon公司的Powerpacket技術(shù)，采用ROBO/DBPSK/DQPSK調(diào)制方法，完全符合HomePlugl.0.1規(guī)范，傳輸速率可高達(dá)14Mbps。而且它還集成有USB1.1、以太網(wǎng)和MII/G

36、PSI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(lái)更方便靈活。它所采用的Powerpacket物理層使用OFDM 技術(shù)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(jié)構(gòu)還是在使用特點(diǎn)方面都具有很多優(yōu)勢(shì)，所以本系統(tǒng)選用INT5200作為調(diào)制解調(diào)芯片。4.1.2 INT5200芯片的功能結(jié)構(gòu) INT5200采用LBFAG（Low Profile and Fi

37、nepitch Ball Grid Array，細(xì)微間距球柵陣列封裝），有144引腳。INT5200提供三種與主機(jī)接口的模式：USB模式，用于直接與USB主機(jī)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(shè)計(jì)選用Host/DTE接口，其主要信號(hào)引腳功能如下：（1）SPI接口引腳的功能SPI_DO：通過(guò)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(shí)鐘；SPI_CS：選通E2PROM；（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(shí)鐘；（3）M

38、II接口引腳的功能MII_RX0MII_RX3：接收數(shù)據(jù)線；MII_RXCLK：接收時(shí)鐘線；MII_RXDV：接收數(shù)據(jù)有效端；MII_RX_ER：接收錯(cuò)誤指示端；MII_COL：沖突檢測(cè)；MII_TX0MII_TX3：發(fā)送數(shù)據(jù)線；MII_TXCLK：發(fā)送時(shí)鐘；MII_TXEN：發(fā)送使能；MII_CRS：載波偵聽(tīng)；MII_TX_ER：發(fā)送錯(cuò)誤；PHY25MHZ：25MHZ的時(shí)鐘輸出；（4）AFE接口引腳功能AGC0_INAGC2_IN：AGC輸入；AGC0_OUTAGC2_OUT：AGC輸出；ADC_CLK_IN：ADC時(shí)鐘輸入；ADC_CLK_OUT：ACD時(shí)鐘輸出；RX_EN_IN：AFE

39、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(bǔ)償輸入；TXOUT_N：TX信道輸出；TXOUT_P ：TX信道補(bǔ)償輸出；GAIN_OVER_N：增益無(wú)效使能端（當(dāng)此引腳通過(guò)一10K的電阻與地相連，表示為Override（增益無(wú)效）模式：當(dāng)此引腳通過(guò)一個(gè)10K的電阻與3.3V 電壓相連時(shí)表示為Normal （常規(guī)）模式）；COMPEN ： 補(bǔ)償使能；CAP_R3CAP_R4：DAC的偏置退耦電容輸入；芯片中的其它信號(hào)線在三種模式中都相同，其中LED線3條、復(fù)位線3條、時(shí)鐘線條、以及多條電源和地線；三種

40、模式的選擇可由MODE0和MODE1兩個(gè)引腳的狀態(tài)來(lái)決定。表1 INT5200的模式選擇MODE1MODE0選擇的模式00保留01USB10PHY11HOST/DTE INT5200內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，從結(jié)構(gòu)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(jī)、外圍設(shè)備間的各種接口，因此功能非常豐富。與主機(jī)的接口有USB接口、媒質(zhì)獨(dú)立接口MII或通用串行接口GPSI（選用）、管理數(shù)據(jù)接口MDI；與外設(shè)的接口有EEPROM接口SPI、仿真接口JTAG以及用于運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視的LED接口。在這些接口中，MII是一種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接

41、口，其發(fā)送/接收都以四位并行方式進(jìn)行，并與MAC時(shí)鐘同步，同時(shí)，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(wèn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(gè)精簡(jiǎn)指令集(RISC)的處理器內(nèi)核，一個(gè)含有OFDM數(shù)據(jù)處理、加密/解密算法和信道優(yōu)化算法的程序存儲(chǔ)器（ROM）、還有一個(gè)鏈接序列、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）以及兩個(gè)直接數(shù)據(jù)傳送通道（DMA）。

42、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(jí)的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免（CSMA/CA）協(xié)議來(lái)訪問(wèn)公共的電力線信道，并輔以自動(dòng)重傳請(qǐng)求ARQ和Powerpacket的優(yōu)先權(quán)機(jī)制。而且，由于電力數(shù)據(jù)包優(yōu)先等級(jí)可以靈活設(shè)定，因而使得INT5200具有較強(qiáng)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，并使得網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大，從而保證了最短的延時(shí)時(shí)間和最優(yōu)的信號(hào)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上也能為用戶提供優(yōu)良的服務(wù)品質(zhì)（QOS）。PHY模塊主要用來(lái)實(shí)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

43、電力線上比特流的透明傳輸。本模塊主要由一個(gè)物理層邏輯序列、一個(gè)與MAC子層DMA通道對(duì)應(yīng)的先進(jìn)先出（FIFO）堆棧以及一個(gè)前向模擬通道組成。PHY采用OFDM調(diào)制技術(shù)，有84個(gè)子載波采用ROBO/DBPSK/DQPSK調(diào)制方法。它的模擬前端(AFE)包含一對(duì)高速的10位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，采樣速度為50MbPs，該模塊的參考電壓獨(dú)立于片內(nèi)，可低功耗操作。再接入運(yùn)算放大器和濾波器，然后通過(guò)電力線耦合裝置便可與電力線進(jìn)行連接。4.1.3 INT5200的復(fù)位和初始化控制22INT5200有一個(gè)低有效的系統(tǒng)復(fù)位引腳(RESET_N)來(lái)初始化所有的內(nèi)部邏輯。當(dāng)電源不穩(wěn)定或超出允許的容忍范圍時(shí)，RES

44、ET_N引腳就要被置零，而且RESET_N信號(hào)在電源達(dá)到容限值范圍之內(nèi)并達(dá)到穩(wěn)定之后，至少還要持續(xù)一微秒的時(shí)間。INT5200的USB模式（USB Option）和PHY模式（PHY Option）支持軟復(fù)位功能。軟復(fù)位以主機(jī)將MDI控制寄存器的復(fù)位位置1開始，并以INT5200清除控制寄存器的復(fù)位位而結(jié)束。INT5200（USB Option）除了USB模塊和DAC/ADC時(shí)鐘發(fā)生模塊外的所有邏輯均由軟復(fù)位來(lái)初始化。INT5200（PHY Option）除了DAC/ADC和MII/GPSI的時(shí)鐘發(fā)生模塊外的所有邏輯也均由軟復(fù)位來(lái)初始化。INT5200（USB Option）和INT5200（

45、Host/DTE Option）需要由構(gòu)造EEPROM（Configuration EEPROM）來(lái)初始化。INT5200（PHY Option）可以通過(guò)構(gòu)造EEPROM，也可通過(guò)接收由MII/GPSI主機(jī)傳輸過(guò)來(lái)特定的MAC管理序列來(lái)初始化。并且這個(gè)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(dāng)選擇INT5200（USB Option）或INT5200（Host/DTE Option）時(shí)，構(gòu)造EEPROM用來(lái)存儲(chǔ)MAC地址和默認(rèn)的密匙。當(dāng)選擇為INT5200（PHY Option）時(shí)，構(gòu)造EEPROM是可選擇的。這里的EEPROM一定要選用At