炮兵指揮信息系統遠程供電裝置調制解調器設計

李 鑫，邵元卿，王 偉

( 洛陽市伊川縣71117 部隊89 分隊，洛陽 471000)

炮兵指揮信息系統遠程供電裝置采用電力線載波通信技術，能夠在同一線路中實現供電與信息傳輸2 個功能。與市場上現有的電力線載波通信模塊不同的是，炮兵指揮信息系統遠程供電裝置必須具備高質量通信控制和實時語音信號傳輸功能，為此必須設計專門的指揮信息系統信息傳輸調制解調器。

1 調制解調器技術原理

傳輸電力的線路是一種復雜的通信媒體，無處不在的噪聲、不規律的負荷變化和不可預測的干擾都會嚴重影響信息傳輸的質量。要保證通信質量，提高通信速率，選擇合適的調制方式是一個關鍵問題。正交頻分復用( OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)技術，以其抗干擾能力強、帶寬利用率高、結構簡單、成本低等優點，為在同一線路中實現供電與信息傳輸2 個功能提供了有效的解決方案。

1.1 OFDM 調制原理

OFDM 是基于快速傅里葉變換實現的。設OFDM 信號的周期為T，單周期內傳輸N 個復符號( c0，c1，…，cN-1)。第K 個符號kc調制第K 個子載波ej2πfkt，子載波ej2πfkt( k =0，1，…，N-1)相互正交，得到合成的OFDM 信號為

式中:fk=fc+kΔf，fc為載波中心頻率，Δf 為子載波間的最小間隔，通常情況下，取為符號序列( C0，C1，…，CN-1)的時間間隔; X( t)的低通復包絡為S( t)=如果以為采樣率對S ( t)采樣，則周期［0，T］內共有個樣值，得采樣序列:

由式(1)可知，當以fs對S ( t)采樣時，得到的N 個樣值正好是的N 點離散傅里葉逆變換。

OFDM 調制原理是，在發射端，數據經QAM 調制后，形成數據速率為Rb 的二進制序列，在OFDM 部分，數據在串并轉換模塊中轉換成N 路并行子信號。設OFDM 碼元周期為T，將其分成Ct=RbT 個比特一組，這Ct個比特被分配到N個子信道上經過編碼后映射為N 個復數子符號Xk(k=0，1，…，N-1 )，其中子信道K 對應的子符號Xk代表bk個比特，對這N 個復數子符號做IFFT，并將結果轉換成串行輸出。由于信道的多徑效應可能產生碼間干擾，因此要在信號發送前在碼元之間插入L 個點的保護間隔CP，只要CP 大于信道最大時延，那么所有時延小于CP 的多徑信號將不會竄入下一個碼元周期，從而消除碼間干擾。調制過程如圖1所示。

1.2 OFDM 解調原理

OFDM 解調原理: 在接收端，OFDM 信號首先經過下變頻轉換為中頻信號，再經A/D 轉換形成接收射頻信號的復包絡，然后完成收發同步、去除保護間隔CP，最后經串并轉換，將信號分離成N 路正交子信號后進行FFT 處理，即可恢復出原始數據。解調過程如圖1 所示。

2 調制解調器硬件設計

炮兵指揮信息系統遠程供電裝置調制解調器的硬件設計框圖如圖2 所示。包括處理器( DSP)單元、電源模塊、存儲單元、ADC/DAC 單元、邏輯控制單元、耦合電路、復位及時鐘電路、JTAG 仿真接口、數據轉換模塊、語音編解碼模塊等。

圖1 OFDM 調制解調過程

DSP 為調制解調器的核心，用于完成OFDM 的調制與解調，我們選用TI 公司的TMS320VC5402。TMS320VC5402 有16 位的外部存儲接口EMIF，為CPU 訪問外圍設備提供了無縫接口，為了便于多信道數字信號處理，TMS320VC5402 配備了多信道帶緩沖能力的串口McBSP。

FPGA 是調制解調器的控制核心。邏輯控制信號及時鐘由FPGA 提供，選用了Altera 公司的EPM7128。EPM7128 芯片結構中包括邏輯陣列塊( LAB)、宏單元、擴展乘積項( 共享和并聯)、可編程連線陣列( PIA)和I/O 控制塊5 部分。

數字上變頻器使用ADI 公司的AD9957，AD9957 的內部工作頻率最高可達1GHz，具有18 位的IQ 數據通道和14 位的DAC。集成了高速直接數字頻率合成器( DDS)，高性能高速14 位數模轉換器( DAC)，時鐘乘法器電路，可編程的內插濾波器，8 位可調的輸出增益。

數字下變頻器使用ADI 公司的AD6654，AD6654 具有4或6 通道的數字下變頻器，單片上集成了14 位的ADC，內置ADC 的最高采樣頻率為92.16 MHz。

數據轉換模塊由Atmega1 28 和TDK73K222 組成，用于完成信息系統便攜式指揮機或終端信息的解調和調制，并將數據交由處理器DSP 處理，完成數據的OFDM 調制解調。

語音編解碼模塊選用TI 公司的TLC320AD50，內部集成了16 位A/D 和D/A 轉換器，采樣速率最高可達22.05 kHz，并可通過外部編程進行設置。輸入放大采用了高性能低噪聲運算放大TLC2272，AD50 單端輸出信號經過音頻功率放大器LM386 放大后輸出。

耦合模塊使用共模并聯電容耦合方式，用雙副邊耦合變壓器代替傳統的單邊耦合變壓器。這樣，耦合電路受阻抗變換影響將會減小，使耦合網絡的特性對變壓器阻抗的依賴性減少，具有寬帶和低滾降效應。

電源模塊的功能是從被復線中傳輸的交流電獲取電壓，為調制解調器、數據轉換模塊以及便攜式指揮機或終端提供所需的電源，本設計中采用TPS767D301 芯片為DSP 提供3.3 V 和1.8 V 兩種電壓，采用LM2756 提供5 V，12 V 和15 V電壓。

圖2 調制解調器硬件結構

3 調制解調器軟件設計

3.1 軟件流程

程序執行時首先進行一系列的初始化配置工作，如配置DSP 片內外設的各種參數等。語音編碼模塊和數據轉換模塊將需要調制的數據準備好后向DSP 產生中斷請求，DSP 響應中斷，數據經過串并轉換后交由DSP 完成QAM 調制，隨后進行IFFT 以及加入循環前綴( 即復制數據的后若干位插入到數據的前段)。所得數據再經過D/A 轉換形成基帶OFDM信號，最后進行數字上變頻，將信號頻譜搬移到適合信道傳輸的頻帶并發射出去。調制流程如圖1 所示。

解調部分，接收端將接收到的信號經過數字下變頻形成基帶OFDM 信號后，再在DSP 中完成去除循環前綴( 即刪去數據的前若干位)，然后對去除循環前綴后的數據進行FFT變換，最后通過譯碼即可得到源數據。解調流程如圖1所示。

3.2 FFT 實現

從軟件流程可以看出，實現OFDM 調制解調的中心任務就是實現FFT 算法，本設計中用DSP 的匯編程序實現FFT算法主要分為4 步:①實現輸入數據的比特反轉;②實現N點復數FFT; ③功率譜的計算;④輸出FFT 結果。

匯編程序由rfft_task、bit_rev、fft 和power 四個子程序組成。

rfft_task:主調用子程序，用來調用其他子程序，實現統一的接口。

bit_rev: 位碼倒置子程序，用來實現輸入數據的比特反轉。

Power:功率譜計算子程序。

Fft:FFT 算法子程序，用來完成N 點FFT 運算。在運算過程中，為避免運算結果的溢出，對每個蝶形的運算結果右移1 位。Fft 子程序分為3 個模塊: 第1 級蝶形運算、第2 級蝶形運算和第3 級至log2N 級蝶形運算。以下是FFT 運算的部分代碼:

4 結束語

本文設計的炮兵指揮信息系統遠程供電裝置調制解調器已經得到了實際應用。實踐表明，利用該調制解調器進行通信，能夠滿足系統供電需求的情況下，實現高質量的數據和語音傳輸。

［1］Sanjit K. Mitral. Digital Signal Processing［M］. 北京: 電子工業出版社，2006:97 -104.

［2］毛婕.基于OFDM 電力線寬帶通信的研究與實現［D］.保定:華北電力大學，2002.

［3］鄒彥. DSP 原理及應用［M］. 北京: 電子工業出版社，2005.