基于OFDM載波通信技術的數據傳輸系統

吳伯農,武加睿

(北方工業大學機電工程學院,北京 100144)

電力線通信技術是指利用現有的電力線作為數據信息的傳輸媒介,實現數據傳輸和信息交換的一種通信方式。該技術最大優勢是在現有的電力線上實現能量和信息的同時傳遞,不需要重新布線,連接方便。電力線是用于傳輸電能的,當把它作為一種數據傳輸媒介時,信道上會出現信號衰減嚴重、噪聲干擾大、時變性強及工作環境惡劣等特點,因此必須采取相應的有效技術措施來實現電力線高速數據通信。基于傅里葉變換及其反變換的正交頻分復用技術(OFDM)可以有效地解決上述問題。

1 OFDM技術原理

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復用)技術的基本原理是,將有線信道或者無線信道分成若干個正交子信道,將高速數據信號轉換成并行的多路低速子數據流,再將每一路低速子數據流調制到每個子信道上進行傳輸,構成一個由多路低速數據并行傳輸的傳輸系統。因為各個子信道互相正交,所以每個子信道的頻譜可以重疊,從而可以提高頻譜的利用率,減小子信道間的相互干擾。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開。每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,且只傳輸高速數據流的一部分,因此每個子信道可以看成窄帶平坦衰落信道,從而可以減少碼間串擾,信道均衡變得相對容易。

OFDM是利用離散傅里葉變換及其反變換來實現的。在發送端,設OFDM符號周期為T,串行數據先經過數據編碼形成N個復數序列X(0),X(1),…,X(N-1),并將其分別調制到N個子載波f0,f1,…,fN-1上,f0為最低子載波頻率,相鄰子載波頻率間隔為1/T,所以第 N個子載波頻率可表示為：

則調制后的復信號S(t)為：

在接收端,由于子載波的正交性,用N個子載波對接收到的合成信號分別進行混頻和積分可分離出調制在各個子載波上的數據信號,則接收端第 m路子載波的輸出信號R(m)為：

由此可知R(m)與 X(m)僅差一個恒定系數,每個子載波都可以解調出相應的原始信號。OFDM是一種多載波調制技術。在單載波調制系統中,單個衰落或者干擾就可能導致整個系統癱瘓,但是在多載波的OFDM系統中只會有一小部分載波信道受影響。此外,糾錯碼的使用還可以恢復載波上的—些錯誤數據。通過合理地挑選子載波位置,使OFDM的頻譜波形既可以保持平坦,又保證了各個子載波之間的正交。但是OFDM也有其不足之處,比如發射功率控制、同步技術及信道均衡估計等。

2 基于電力線的數據傳輸系統框圖

本方案由外圍設備、微處理器、調制解調器、耦合模塊等組成。主機發出控制指令讀取接收端設備的信號,主機信號經過調制、輸出放大等處理后耦合到接收端設備的電源線上,經過通信介質傳輸到指定接收端,再通過耦合電路和解調電路,把信號分離出來。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

3 調制解調器介紹

本系統調制解調器采用INT5200。INT5200采用了ROBO/DBPSK/DQPSK調制解調方法的正交頻分復用技術(OFDM),具有84個子載波,可根據收發端信噪比選擇可用的子載波,以解決噪聲干擾及多徑衰落的影響等問題,在低信噪比信道中不需要導頻信號也可以完成同步。芯片應用了Intellon公司專有的PowerPacket技術,對所有將要被發送數據信號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送,增加了數據的吞吐量,提高了數據的傳輸速度,符合 HomePlug1.0技術標準。INT5200結構功能圖如圖2所示。

圖2 INT5200結構功能圖

Powerpacket MAC模塊主要完成鏈路層功能,是芯片的核心部分。INT5200在MAC層采用了具有優先級的載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CA)技術和自動重傳請求(ARQ)技術,提高了傳輸數據包的可靠性。同時,由于數據包優先級的靈活設定,INT5200具有較強的突發業務處理能力;其允許多幀傳輸,極大地減輕了對網絡接收端的要求,使網絡吞吐量達到最大,同時保證了最短延遲時間和最優的信號穩定性。

PowerPacket PHY模塊實現物理層功能,主要提供建立、維持和拆除物理連接的電氣手段,保證電力線上數據流的透明傳輸。該模塊主要由1個物理層邏輯序列、1個與MAC子層DMA通道對應的FIFO堆棧以及1個前向模擬通道組成。此外,還集成有對外加運算放大器的自動增益控制(AGC)電路。1對高速的10位A/D、D/A轉換器構成了前向模擬通道,其采樣速率為50 Mbps,參考電壓獨立于片內,可實現低功耗操作。該芯片還集成了模擬前端(AFE)模塊,其包含了輸入/輸出增益控制、濾波D/A轉換和A/D轉換等功能,其后可通過AC交流耦合裝置直接與電源線相連。

4 AX11015簡介

AX11015為集成以太網實體層、媒體存取控制器、TCP/IP硬件加速器及閃存的高性能的8位微處理器芯片,兼容標準8051/80390指令集,性能可達100 MIPS,內建電源管理單元,可編程看門狗定時器,3個16位定時器/計數器,512 KB的閃存與32 KB的RAM內存,并且可以外部擴展。它具有豐富的串行通信及并行接口資源,包含1個I2C接口、1個SPI、1個1-wire主模式控制器接口、3個 UART接口(其中1個可支持 921.6 kbps)、外接擴充內存接口、32個4組GPIO端口、局域總線及可選的MII(用于連接HomePNA和HomePlug)接口等。可通過Ethernet或 UART口進行應用程序的在線升級。AX11015內部結構框圖如圖3所示。

圖3 AX11015內部結構框圖

5 耦合模塊

耦合模塊是實現數據信號與電源能量耦合和解耦的關鍵電路,也是載波信號的發送和接收通路。在載波通信系統中耦合電路必須對載波信號具有較高的傳輸效率,能夠隔離電源能量,降低各種干擾對系統的影響。能不能防止電源能量涌入載波通信電路中,直接影響載波通信系統的安全性。

在電力線載波通信系統中,載波信號的耦合方式常用電容耦合和電感耦合。本系統采用電容耦合方式,即用1個電容耦合器來實現信號與能量的耦合,可將高頻信號直接發送到電源線上,同時也可以接收高頻載波信號,如圖4所示。TX_N、TX_P為高頻載波信號的發送端口,RX_N、RX_P為高頻載波信號的接收端口。mov200是雙極性陶瓷半導體器件,可感知和限制瞬時電壓浪涌和干擾對電路的沖擊損害,從而對電路起到保護作用。耦合器的前端和電容器C組成了1個高通濾波器,允許載有數據的高頻載波信號通過,也可削弱低頻噪聲和一些無用信號對系統的干擾。兩個200 kΩ的電阻用于斷電時消耗掉存儲在耦合電容兩端的電荷。

圖4 系統耦合電路

6 數據傳輸接口電路原理圖

在電力線測控系統等場合中,各臺儀表之間、主站與節點之間需要不斷地進行各種數據的交換和信息的傳輸,這需通過通信接口按照一定的協議來實現。本系統采用常用的串行通信,方便主站與從站之間的連接,如圖5所示。

圖5 接口電路部分原理圖

從主站發送出去的控制信息經過串口DB9輸出,輸出的RS-232信號經過ICL3222實現電平轉換,轉換成AX11015能識別的UART電平。AX11015對輸入的信號進行運算處理,通過MII接口傳輸到INT5200內的相應主控單元,在其控制下送往核心部件收發器,對輸入的控制信號進行OFDM調制、數據包加密等處理,即把控制信號加載到高頻信號上,調制成適合電力線信道傳輸的OFDM信號。然后由濾波緩沖單元完成對OFDM信號的去雜處理和流量傳送控制、D/A轉換、放大等處理,最后經由TXOUT_P和TXOUT_N發送給耦合電路的TX_P和TX_N,把載有控制信號的高頻信號耦合到電源線上。

接收端通過耦合電路把控制信號分離出來,接收端處的通信接口通過對載有控制信號的高頻信號經過保護電路、帶通濾波器、解調電路等電路,對控制信號進行濾波、A/D轉換、增益調整、OFDM 解調、并串轉換、錯誤檢測等處理,最后發送給接收端的微處理器。接收端的微處理器對接收到的控制信號進行分析,根據控制信號的內容來訪問接收端設備。與處理器相連的節點串口RXD和TXD不需要交叉。接收端的設備還可以按照相反的過程把所檢測到的數據或狀態信息發送給主機。

結 語

基于OFDM的載波通信技術通信速率高,對信號波形間的干擾、窄帶干擾和頻率選擇性衰落等具有很強的抗干擾性。本系統可以實現電力線遠程數據采集及電網自動化等,還可以用于實現智能家電的集中監控管理和遠程控制等。

[1]Athero Corporation.INT5200 Datasheet,2004.

[2]ASIX Corporation.AX11015 Datasheet,2006.

[3]賀良華,蔡紅娟.基于INT5200的低壓電力線通信模塊設計[J].微計算機信息,2007,23(3-2).

[4]梁秀敏,于鵬.基于低壓電力線載波通信的耦合技術電路研究[J].裝備制造技術,2009(3).

[5]王子敬,鄧磊.基于OFDM 的電力線載波通信的研究[J].電子設計工程,2009(7).