（信号与信息处理专业论文）基于dsp的电力线载波机实现.pdf

摘要 摘要 在传统的电力线载波通信领域，电力线载波机的调制解调单元都是用 模拟器件实现的，这种传统的载波机已不能完全满足现有市场对通信质量 的要求。本课题所涉及的项目就是为了适应现代高速发展的电力线载波通 信的要求，而提出的一种基于数字信号处理器( d s p ) 芯片的数字单边带 调制解调方案。 首先文中论述了电力线载波通信技术的发展过程和应用情况，并阐述 了全数字单边带调制解调模块的算法研究和系统的软硬件实现过程。 然后论文重点介绍了在系统实现时遇到的技术性难题和这些技术性难 题的工程解决方案，其中包括：1 数字信号处理器的性能问题。包括数字 信号处理器的运算量和数字信号处理器的存储空间问题。2 自动增益控制 ( a g c ) 实现方案问题。3 相位同步解决问题。根据接收载波与调制载波 的相位差对信号增益的的影响，本文中提出一种二次a g c 的方法来解决 自动增益控制和相位同步的问题，并取得了很好的效果。4 信道均衡实现 问题。数字信号处理器通过标致串行接口( s p i ) 与单片机的通信，实现了 可调的频域均衡。5 数字信号处理器的上电引导实现问题。介绍了工程中 最常用的并口上电引导方式。6 数据滤波器设计问题。重点介绍了希尔伯 特( h i l b e r t ) 滤波器的设计。 最后，通过测试结果，验证了上面提到解决方案的性能，表明该系统 达到了设计指标，具有很高的市场竞争力。 关键词：电力线载波机，数字信号处理器，自动增益控制，相位同步 均衡，多项滤波 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ef i e l do ft r a d i t i o n a lp o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) c o m m u n i c a t i o n s ，t h e m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o nc e l l so fp l cw e r ei m p l e m e n t e di nm e a n so fa n a l o g m e t h o d t h et r a d i t i o n a lp l cs y s t e m sc a n tc a t c hu pw i t ht h em a r k e td e m a n d s f o r h i g h e r c o m m u n i c a t i o n q u a l i t y t h e n a na l l d i g i t a l m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o ns c h e m eb a s e do nt m s 3 2 0 c 6 7 1 3i sp r o p o s e d ，w h i c h a i m sa tt h eh i g hs p e e dp l cc o m m u n i c a t i o n s t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n so fp l cc o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e d i nt h i s p a p e r a n d t h e a l g o r i t h m r e s e a r c ha n dh a r d w a r e s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n o ft h ea l l d i g i t a ls i n g l es i d e b a n d ( s s b ) m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o np r o j e c ta r ed e t a i l e d t h i sp a p e re s p e c i a l l ya d d r e s s e st h ef o l l o w i n gs o l u t i o n st ot e c h n o l o g i c a l d i f f i c u l t i e so fr e s e a c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ew h o l es y s t e m ：1 t h ep r o b l e m o fd s p sp e r f o r m a n c e i n c l u d em i p sa n dm e m o r ys p a c eo fd s p 2 t h e i m p l e m e n t a t i o n o ft h ef e a t u r ea g c 3 t h es o l u t i o nt o p h a s e s y n c h r o n i z a t i o n i n t r o d u c eaq u a d r a t i ca g cc o n t r o lm e t h o dt o s o l v et h e p r o b l e m2a n d3 4 t h e s o l u t i o nt oc h a n n e l se q u a l i z a t i o n m c uc o n f i gd s p v i as p ip o r t 5 t h ei m p l e m e n t a t i o no fb o o t l o a d e ri nd s p e m p h a s i z e so n b o o t l o a d e rv i ap a r a l l e lp o r t 6 t h ed e s i g na n da n a l y s i so fd i g i t a lf i l t e r e m p h a s i z e t h eh i l b e r tf i l t e rd e s i g n t h er e s u l t so ft h ed e b u g g i n gs h o wt h a tt h em o d u l em e e t st h ed e s i r a b l e r e q u i r e m e n t sa n di m p r o v e st h es y s t e m sr a t eo fp e r f o r m a n c ea n dp r i c e s ot h e s y s t e mh a sa c q u i r e dw e l le c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d ：p l c ( p o w e rl i n ec a r r i e r ) ，d s p ，a g c ，p h a s es y n c h r o n i z a t i o n ， e q u a l i z a t i o n ，p o l y p h a s ef i l t e r i i 图目录 图目录 图1 - 1 电力线载波通信示意图1 图2 - 1 单边带调制的相移法方框图6 图2 - 2 单边带调制的流程图7 图2 - 3h i l b e r t 解调8 图2 - 4 单边带解调的流程图9 图3 - 1d s p 设计流程图1 0 图3 - 2 系统硬件框图1 2 图3 - 3t l v 3 2 0 a lc 11 级联图1 3 图3 - 4o p 3 7 的增益带宽积图1 4 图3 - 5 系统程序流程图1 5 图4 - 1c c s 中计算运行时钟数2 0 图4 - 2 信号抽取示意图2 2 图4 - 3 内插( l = 2 ) 前后的频谱结构图2 2 图4 - 4 内插框图一2 3 图4 - 5 多相滤波结构图2 4 图4 - 6 解调原理方框图2 6 图4 7g o e r t z e l 算法框图2 8 图4 - 8 加了噪声的单频信号2 9 图4 - 9m a t l a b 下的结果。2 9 图4 1 0 信道频带特性。3 2 图4 1 1 补偿滤波器频带特性3 3 图4 1 2 补偿后的信道频带特性3 3 图4 1 3h i l b e r t 滤波器的传递函数。3 5 图4 1 4h i l b e r t 滤波器频谱和相位图。3 6 图4 1 5 对消结果3 7 图5 - 1 电力线载波机实物图4 5 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 崤警 日期：2 口d 年多月争日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：髓导师签名 日期：州f 年芗月垆日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力线载波通信介绍 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ，简称p l c ) 通信是电力系统特 有的一种通信方式，利用高压输电线进行载波通信，是确保电网安全、优 质、经济运行，实现调度自动化和管理现代化的重要通信方式。在电力系 统中，电力线载波通信主要传输以下信息： ( 1 ) 传送语音信息 ( 2 ) 传送远动控制数据 ( 3 ) 传送远方保护信号 对于载波机，各种信号应该是透明传输的，这样，不同类型的信号就 可以在同一个载波机上传输了。 它的结构如图1 - 1 所示，通过阻波器( 一种通直流隔高频信号的设备) 和耦合电容，及结合设备，就可以把载波机连接到高压电网上进行通信。 现在的电力线通信网就是在电力线上大量的接入载波机来实现的。 1 、阻波器 3 结台设各 2 耦合电容 4 电力线载波机 图1 - 1 电力线载波通信示意图 长期以来，电力线载波通信网一直是电力通信网的基础网络，目前在 3 5k v 以上电压等级的输电线路上多数已开通电力线载波通道“1 ，形成了 l 电子科技大学硕士学位论文 庞大的电力线载波通信网。 近年来，随着光纤通信的发展，电力线载波通信已从主导的电力通信 方式改变为辅助通信方式。但是电力通信规程要求主要变电站必须具有两 条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，由于电力线载波技术革新带 来的新的载波功能以及由于昔日数量庞大的电力线载波机的更新换代，都 导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式，但是在全国仍然 存在较大的市场需求，全国共有约2 0 家企业从事高压电力线载波机的，于发 和生产。 1 2 电力线载波通信的发展及特点 1 2 1 电力线载波通信发展历程 电力线载波通信技术的发展经历了从模拟到数字的发展过程。电力线 载波通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期。它以电力线路为传输通道，利 用载波方式将模拟或数字信号变成高频信号，通过电力线实现远距离传输。 它具有可靠性高、安全保密性好、投资少见效快、传输距离远、与电网建 设同步等得天独厚的优点。它主要用于电网调度通信、复用远动、高频保 护和远方跳闸信号等。在我国，4 0 年代时已有日本生产的载波机在东北运 行，作为长距离电力调度的通信手段i2 1 。 5 0 6 0 年代，我国开始研制自己的z d d 一1 型电力线载波机，未能实 现产品化。后经不断改进，形成了具有中国特色的z d d 一5 型电力线载波机。 该设备为4 门用户、两级调幅、具有a g c ( 自动增益控制) 电路和音频转 接接口，呼叫方式采用脉冲制式，经改进的z d d 一5 a 型机也能够复用远动 信号。该机所代表的模拟制式电力线载波机技术己趋成熟，以z d d 一1 2 、 z j 一5 、z b d 一3 机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我 国应用时间最长的主流机型。我们可将在此之前的载波机称为第一代载波 机。 8 0 年代中期，电力载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小 型化、多功能的载波机，如s 一2 载波机等。在这一阶段，主要的技术进步 为：单片机代替了布线逻辑的自动盘：集成电路的调制器、压扩器、滤波 器和a g c 放大器代替了笨重、多故障的模拟电路；c m o s 、v m o s 高频大功率 电子科技大学硕士学位埝文 庞大的电力线载波通信网。 近年来，随着光纤通信的发展，电力线载波通信已从主导的电力通信 方式改变为辅助通信方式。但是电力通信规程要求主要变电站必须具有两 条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，由于电力线载波技术革新带 来的新的载波功能以及由_ 丁昔f 1 数量庞大的电力线载波机的更新换代，都 导致了电力线载波机虽然作为电力通信的辅助通信方式，但是在全国仍然 存在较大的市场需求，全国共有约2 0 家企业从事高压电力线载波机的开发 和生产。 1 2 电力线载波通信的发展及特点 1 2 1 电力线载波通信发展历程 电力线载波通信技术的发展经仂了从模拟到数字的发展过程。电力线 载波通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期。它以电力线路为传输通道，利 用载波方式将模拟或数字信号变成高频信号，通过电力线实现远距离传输。 它具有可靠性高、安全保密性好、投资少见效快、传输距离远、与电网建 设同步等得天独厚的优点。它主要用于电网调度通信、复用远动、高频保 护和远方跳闸信号等。在我国，4 0 年代时已有日本生产的载波机在东北运 行作为长距离电力调度的通信手段“j 。 5 0 6 0 年代，我国开始研制自己的z d d1 型电力线载波机，未能实 现产品化。后经不断改进，形成了具有中国特色的z d d 一5 型电力线载波机。 该设备为4 门用广、两级调幅、具有a g c ( 白动增益控制) 电路和音频转 接接口，呼叫方式采用脉冲制式，经改进的z d d 一5 a 型机也能够复用远动 信号。该机所代表的模拟制式电力线载波机技术已趋成熟，以z d d l2 、 z j 5 、z b d3 机型为代表，在技术指标上得到了较大地提高，并成为我 国应用时间最长的主流机型。我们可将在此之前的载波机称为第一代载波 机。 8 0 年代中期，电力载波技术开始了单片机和集成化的革命，产生了小 型化、多功能的载波机，如s 一2 载波机等。在这一阶段，主要的技术进步 为：单片机代替了布线逻辑的自动盘：集成电路的调制器、压扩器、滤波 器和a g e 放大器代替了笨重、多故障的模拟电路；c m o s 、y m o s 高频大功率 器和a g e 放大器代替了笨重、多故障的模拟电路；c m o s 、v m o s 高频大功率 第一章绪论 管在功放电路中的应用等。在这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。 9 0 年代中期，以s n c 一5 电力线载波机为代表，在国内首次采用数字 信号处理( d s p ) 技术，将载波机音频至中频部分的信号处理使用d s p 器件 来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。这类载波机可称 之为数字化电力线载波机，划为第三代。由此开始，电力线载波业界进入 了载波机的数字化革命阶段，许多企业纷纷着力于数字电力线载波机的技 术研究。9 0 年代末期，采用新西兰生产的m 3 4 0 数据复接器，结合电力线 载波机的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。这一成果提高 了载波机的通信容量，初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题， 从而为电力线载波市场带来了空前的机遇。从市场看，数字化和全数字载 波机已占高压电力线载波机产品的大部分市场，模拟电力线载波机销售量 已开始萎缩，除了特殊的应用场合外将趋于淘汰。 电力线载波通信在l o k v 线路上的应用国外自5 0 年代开始，主要应用 于中压电网的负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低( 有时小于1 0 b s ，甚至更低) ，并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在 8 0 年代后期多数是直接使用小型化的集成电路载波机实现点对点通信，也 有个别采用窄带调频载波机的，使用范围很受限制。随着l o k v 线路通信 需求的增长，到了9 0 年代末，出现了多种载波通信设备( 这些设备可采用 不同的线路耦合方式，如电容耦合、变压器耦合、低压耦合、陶瓷电真空 耦合及天线耦合等) ，调制方式也在原来的f s k 及p s k 调制、音频注入等方 式的基础上开发了先进的扩频调制方式( 如直接序列扩频、跳频、跳时、 交叉混合扩频、c h i r p 线性调频、o f d m 正交频分复用等) 。目前在国内使用 的1 0k v 电力线数据传输设备中，使用最多的还是窄带调制设备( 主要是 多信道p s k 及f s k 调制) ，采用扩频方式的设备也己开始崭露头角。 电力线载波在3 8 0 2 2 0 v 用户配电网上的应用，在9 0 年代后期之前只 限于采用调幅或调频制式的载波电话机，实现近距离的拨号通话，也有采 用专用的芯片实现近距离数据传输的。我国大规模开展用户配电网载波应 用技术的研究是在2 0 0 0 年左右，目前在自动抄表系统中采用的载波通信方 式有扩频、窄带调频或调相。在使用的设备中，以窄带调制类型的设备为 多数，其主要原因可能是其成本低廉。而电力线上网的应用由于要求的速 率至少要达到5 1 2k b s 1 0 m b s ，所以无一例外地采用扩频通信方式。在 电子科技大学硕士学位论文 各种方式中，由于采用0 f d m 调制具有突发模式的多通道传输、较高的传输 速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力，再加上前向 纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳定可靠， 因而成为电力线上网应用的主导通信方式。 1 2 2 电力线载波通信的特点 它具有下面一些主要特点p j ： 1 ) 可靠性高。电力线载波通信是利用高压输电线传送4 0 k 一5 0 0 k h z 的信号，而电力线路结构非常牢固，不易被人和自然灾害破坏，即使电力 线发生接地或断开等故障时，高频信号也可以通过其它耦合进行传输，从 而保证电力线载波通信电路的畅通。 2 ) 经济性强。不需要专门架设通信线路，节省了通信线路投资和线路 维护费用，十分经济，只要有电力线的地方，就可以组成电力线载波通信。 3 ) 就目前而言，电力线载波通信依然是国内电力系统通信的一种重要 方式，特别是在农村电力网应用更为广泛。长期以来，电力线载波通信是 电力通信网的基础。在全国几十万公里的高压输电线路上多数开通了电力 载波通道，形成了庞大的电力线载波通信网。随着数字光纤通信的发展， 电力线载波通信以从主导地位变为辅助通信方式。但是，由于我国经济发 展不平衡，同时电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同通信 方式的互为备用的通信信道，还有以前安装的电力线载波机的更新换代等 因素，都使电力线载波机，尽管作为电力通信辅助通信方式，但仍然存在较 大的市场需求。 4 ) 速率低，受可用的电力线载波传输频率限制( 4 0 5 0 0 k h z ，基本带 宽4 k h z ) ，通信速率较低。 5 ) 受电力线路噪声影响大，电路信噪比指标较低。 上述第1 ，2 ，3 条是电力线载波通信的优势，也是他的生命力所在， 第4 ，5 条是电力线载波通信的局限性。如何克服它的局限性，发挥它的优 势，是从事电力线载波通信工作者面临的问题。 数字式电力线载波机是载波机发展的方向，它有着通话质量高、综合 传输容量大、便于组网、功能强、性价比高、能适合未来电力发展的需要 等优点。它的推广使用必将在很大程度上改变电力线载波通信的现状，使 4 第一章绪论 我国电力线载波事业迈上一个新台阶。 1 3 本文的组织结构 本论文主要围绕d s p 在电力线载波通信调制解调中的应用，讨论了调 制解调模块的系统实现过程。本文根据工程实现时遇到的具体细节，重点 介绍了开发过程中几个关键问题的解决方法。 第一章绪论概述了电力线载波通信现状、发展和特点。 第二章着重介绍了基于d s p 的调制解调的算法设计。 第三章系统的介绍了载波机的系统硬件结构，与调制解调的软件流程。 第四章重点介绍了系统实现时遇到的主要难题和解决方案。其中包括： 1 d s p 的性能问题，包括d s p 的运算量问题和d s p 的存储空间问题。 2 自动增益控制实现的方案问题。3 解决相位同步的问题，根据接收载波 与调制载波的相位差对信号增益的影响，本文中提出一种二次a g c 的方 法来解决自动增益控制和相位同步的问题，并取得了很好的效果。4 ，信道 均衡的实现问题，通过s p i 口与单片机的通信，d s p 实现了可调的频域均 衡。5 上电引导的实现问题，介绍了工程中最常见的并口上电引导方法。 6 数据滤波器的设计问题，重点介绍了h i l b e r t 滤波器的设计。 最后，列出了本系统的测试结果，从而验证了本系统中的实现成果。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 调制算法 第二章载波机的算法介绍 模拟线性幅度调制方法可分为：1 a m ( 双边带幅度调制) ，2 s s b ( 单 边带调制) ，3 v s b ( 残边带调制) 。其中单边带调制是一种重要的模拟调制 方式，它突出的优点就是占用的频带是三种调制方式种最窄的，它比a m 少占有一半的频带，并且调制解调也比较简单，比较适合在d s p 中实现。 故本系统设计的数字化载波机，采用单边带幅度调制。而单边带的具体实 现方法有很多种。下面就对适合于d s p 的单边带调制解调实现的方法作一 个简单的介绍 4 1 5 1 。 2 2h i l b e r t s s b 调制的方法 现在比较成熟的s s b 的调制方法主要有：1 多级滤波法，2 h i b e r t 法，3 维弗法。在相同的滤波器阶数条件下，h i i b e r t 调制法比另外两种 方法对无用边带的抑制效果更好，所以我们采用h i i b e r t 变换的方法来滤 除一个边带“1 。则信号处理过程如图2 1 所示。 图2 1 单边带调制的相移法方框图 第二章载波机的算法介绍 为 设x ( f ) 为信号，c o s c o t 为载波，则调制后的下边带信号s ( t ) 可表示 踯) = i 1 加) c 。s q 兰；i n 咄 x ( t ) 为x ( t ) 的希尔伯特变换。而上边带信号只要把式( 2 1 ) 号变为“一”号即可。 ( 2 一1 ) 中的“+ ” 图2 - 2 单边带调制的流程图 使用数字方法来实现，首先，要对信号采样后再处理。以语音信号为 例，利用d s p 实现单边带调制。语音信号的主要能量集中在o 3 3 4 k h z 之间，根据n y q u i s t 定理，需要使用8 k h z 的a d c 采样之后送入d s p 。 载波可用频率为4 0 5 0 0 k h z ，考虑选择最高载频5 0 0 k h z 的情况为载波频 率。则调制输出d a c 转换器的频率需要采用1 m h z 。为了载波可以4 k h z 为步迸变化，我们把4 k h z 频率的正旋信号通过1 m h z 采样之后的一个周 电子科技大学硕士学位论文 期数据存在d s p 内。通过不同的取值间隔n ，可以产生n * 4 k h z 为频率 的载频信号。 根据式( 2 - 1 ) 可以知道，将语音信号乘以载波的余弦值再加上语音信 号的希尔伯特变换乘以载波的正弦值，就可以得到调制在5 0 0 k h z 载波上 的下边带信号。但是语音信号是按8 k h z 采样得到的数据，而载波是按 1 m h z 采样得到的，这样在载波和信号相乘之前必须对信号数据进行插值 处理。插值处理有很多种的方法，可以在相邻的采样点之间插入0 值，然 后低通滤波。这种方法可以使插值之后的频谱不发生任何变化。于是可以 得到单边带调制的流程图如图2 2 所示。 2 3 h i l b e r t s s b 解调的算法 解调为调制的逆过程，通常，有两种方法：一种是用相干解调，另外 一种是利用h i i b e r t 变换的方法采用互补对消方法来抵消掉相应的上边带 或者下边带信号。其中h i l b e r t 法算法实现起来比较复杂，但解调时对噪 声与无用边带的抑制更好，所以我们采样h i i b e r t 法解调 4 ”。其h i i b e r t 变换法的信号处理过程如图2 3 ： 图2 3h i i b e r t 解调 首先，我们把接收到的信号分为i ，q 两路，i 路与一个c o s 的载波信 8 第二章载波机的算法介绍 号对应点相乘，q 路与一个s i n 的载波信号的对应点相乘，然后，得到的 两路信号分别通过两个低通滤波器，滤掉其中的高频分量，然后再通过 h i i b e r t 正交解调法，就可以得到基带信号。这种h i i b e r t 解调法类似于 h i i b e r t 调制，是其逆过程，其具体的软件流程图如图2 4 所示。 图2 4 单边带解调的流程图 电子科技大学硕士学位论文 第三章调制解调模块的软硬件实现 3 1d s p 系统的设计过程 图3 - 1 所示是一个d s p 嵌入式系统设计的一般过程。 图3 1d s p 设计流程图 在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能 指标、信号处理的要求，通常可用数据流程图、数学运算序列、正式的符 号或自然语言来描述。 1 0 第三章调制解调模块的软硬件实现 第二步是根据系统的要求进行高级语言的仿真。一般来说，为了实现 系统的最终目标，需要对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同 导致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳 的处理方法，即数字信号处理的算法。常用的仿真工具为m a t l a b 。 在完成第二步之后，接下来就可以设计实时d s p 系统，实时d s p 系 统的设计包括硬件设计和软件设计两个方面。硬件设计首先要根据系统运 算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制以及体积、功耗等要求选 择合适的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其他电路。软件设 计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 程序。软 件硬件设计可以同时进彳亍。这样可以减少系统开发的时间。 d s p 硬件和软件设计完成后，就需要进行硬件和软件的调试。软件的 调试一般借助于d s p 开发工具，如软件模拟器、d s p 开发板或仿真器等。 如果系统的硬件已经验证完毕，可以直接使用系统硬件调试软件。而且可 以通过软件设置来验证系统硬件模块。 最后，是验证系统的功能，把d s p 软件下载到系统中的d s p 去，让整 个系统独立的运行，验证系统的功能与稳定性。验证一般分为实验室验证 和外场验证，其中开发工程师一般完成实验室验证，然后由专门的产品负 责人进行外场验证，把外场的问题反馈给开发工程师，再由工程师来升级 维护。下面我们分别介绍一下系统的硬件结构与软件流程 】【”。 3 2 硬件总体方案 调制解调模块的组成框图如图3 2 所示。 框图说明 ( 1 ) d s p 系统 数字处理系统由于其可靠性强、可编程性好、抗干扰能力大等优势， 现在在通信、航天制导、仪器仪表等各个领域正得到越来越广泛的应用。 在此调制解调模块中由两片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 g j 和两片e e p r o m 组成的系统是 整个系统的核心处理部分。其中d s p l 负责调制功能，而d s p 2 负责解调功 能。每个d s p 外部附带一个e e p r o m ，用来存储掉电后还需要存储的程序和 数据。e e p r o m 直接通过d s p 的普通并口和d s p 连接。 电子科技大学硕士学位论文 为了保证系统的实时性，同时出于对价格的折中考虑，系统选用了两 片t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 。t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 是1 6 b i t 浮点d s p ，时钟频率可以高达2 0 0 m ， 运算精度高，价格适中，而且采购比较方便。 图3 - 2 系统硬件框图 ( 2 ) a d c 、d a c 转换模块 从数据流程上看，调制时首先将0 4 k h z 模拟信号( 包括语音信号、 信令信号、远动信号等) 通过a d c l 转换成为数字信号传送给d s p 进行数 字调制处理，处理完毕后，将己调信号通过d a 2 转换为模拟信号再由电力 线路输出。 解调时，首先通过a d c 3 把电力线上的调制信号采样成数字信号。d s p 处理完后，将0 4 k h z 的模拟信号通过d a c l 输出。 本系统中a d d a i 选择t i 公司单片集成的a d 和d a 转换的模数和数模 转换器t l v 3 2 0 a i c l i 作为a d d a 的转换器件。 t l v 3 2 0 a i c i i “的精度为1 6 b i t ，传输速率最低2 2 k s p s ，最高8 8 k s p s 。 片内f i r 滤波器能产生8 4 d bs n r 的信号给a d c ，8 5 d bs n r 的信号给d a c ， 带宽超过l l k h z 。并且能与t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 进行无缝串行连接。同时8 块以 下的t l v 3 2 0 a i c l l 可以级联，最多可以级联8 片，通过一个m c b s p 口可以 时分复用。因为本系统需要两路a d d a ，在本系统中级联了两块 t l v 3 2 0 a i c l l ，连接如图3 - 3 所示。 号 第三章调制解调模块的软硬件实现 图3 3t l v 3 2 0 a i c l l 级联图 因为低频信号输入输出都为0 4 k h z ，根据n y q u i s t 定理和工程的经 验，我们选择t l v 3 2 0 a i c l l 的采样和恢复工作时钟为1 6 k h z 。 d a 2 选用a d 7 6 8 “，a d 3 选用a d 9 2 4 0 “”。a d 7 6 8 精度为1 6 b i t ，更新 速率最高可达3 0 m s p s 。a d 9 2 4 0 精度为1 4 b i t ，更新速率为1 0 m s p s 。 因为输出的中频调制信号占用频带为4 0 k h z 一5 0 0 k h z ，我们选择a d 7 6 8 恢复时钟频率为2 m h z 。而输入的解调信号为4 0 k h z 一5 0 0 k h z 中的8 k h z 的 窄带信号，如果考虑降低采样率，可以使用带通采样，但是，系统要求载 波是可变的，且带通采样会造成正负频率翻转，故我们采用低通采样，这 样a d 3 ( a d 9 2 4 0 ) 的采样率定为为2 m h z 。 在本系统中，在每个a d ，d a 中都加了一个运算放大器电路，其作用 在于：输入的信号是单端信号，为了与前级电路信号相匹配，且需要满足 a d 转换差分输入的要求，故需要运放电路将单端信号转换为所要求的差 分信号。 在音频端，采用推荐的t i 公司运放t l e 2 0 6 2 “构成简单跟随器，并 加了一个1 ：1 的变压器，实现从单端到差分的转换。 在射频端，a d 7 6 8 前端选用的是宽带电流反馈性运放a d 8 0 1 1 “；而 a d 9 2 4 0 前端选用的是增益带宽积较大的低噪声精密高速运放0 p 3 7 “。图 3 4 是o p 3 7 的增益带宽积。 电子科技大学硕士学位论文 o p 2 7 a , o p 2 y g o p 3 7 o f = 3 7 e l a r g 函捌b 黼l d i f f e r e n 丁i 垂d _ v o l 耥a 雠p l 晤瞄a t l a n v8 f r e o u e 群c y v b c 女2 1 5 v 轧2 2 m 1 5 拍州 吣 、 ? ” 、x ”隙 吣 图3 40 p 3 7 的增益带宽积图 ( 3 ) 模拟滤波器电路 d a 3 ( a d 9 2 4 0 ) 的输出为各个采样点的阶跃保持值，故调制输出中除了 基带信号的频谱还有基带频谱的高频分量，故我们需要在a d 9 2 4 0 的输出后 面加上一个截止频率为a d 9 2 4 0 的采样频率1 2 的低通滤波器。这样才能得 到想要的模拟调制信号。 ( 4 )f i f o d s p 与a d 9 2 4 0 和a d 7 6 8 的接口是普通的并口连接，为了防止d s p 把 大量的时间花在与它们的数据传输上，我们在d s p 与a d 9 2 4 0 和a d 7 6 8 之间 各放入一个f i f o 。这样等存储到一定数量的数据后，d s p 再统一的进行一 次d m a 处理，这样可以把d s p 的运算量主要放在系统的算法实现上。 ( 5 ) c p l d 逻辑控制 由于本系统需要大量的逻辑与时序控制，x i l i n x 公司的x c 9 5 1 4 4 价 格便宜，使用方便，我们选择使用它。可以把整个系统板上的需要进行逻 辑处理的控制信号和时钟信号接入x c 9 5 1 4 4 中，然后通过设计与编程在 x c 9 5 1 4 4 内连接不同的逻辑单元再输出，从而得到需要的控制信号。 ( 6 ) 看门狗电路 在系统中添加看门狗电路是出于这样的考虑：电力线载波机很可能在 比较恶劣工作环境中运转，极有可能外部噪声等干扰因素会导致系统混乱， 1 4 m寸eo一矗芝盛燕曰_掌1日葛h嚣1ac、 第三章调制解调模块的软硬件实现 故需要在系统中加看门狗电路，以便在系统不稳定时重启。从而重新进入 稳定工作状态，保证了系统运行的安全可靠。本系统采用m a x i m 公司生产 的m a x 8 2 3 “63 芯片，把d s p 的一个引脚接到看门狗的时钟输入，然后d s p 工 作后在内部定期运行一下引脚的输出值取反程序。这样如果d s p 内部程序 跑飞了，就不能定期运行引脚取反程序，看门狗就会对整个系统复位。 3 3 系统的软件流程 3 3 1 软件总体框图 系统程序流程简图如下图3 5 所示。 图3 - 5 系统程序流程图 如果不在d s p 中植入实时操作系统，那么d s p 软件一般包括两个部 分： ( 1 ) 系统配置 系统上电工作之后，必须迸行初始化。主要步骤包括对1 系统需要使 用的变量与存储空间配置。2 d s p 的时钟配置。3 d s p 中断配置。4 系统需 电子科技大学硕士学位论文 要使用的外设模块配置。本系统的初始化工作在程序的主框架中是用c 语 言和汇编语言混合实现的。配置进行完后d s p 就等待中断触发程序继续运 行。 ( 2 ) 中断服务程序 中断服务处理子程序是本系统中应用程序的核心所在。系统上电初始 化时，在中断向量表的相应位置将初始化一个临时中断服务处理子程序的 入口地址，一旦初始化结束，每当e d m a 通道数据传送结束，将产主一个 中断，此时d s p 将调用执行所指向的中断服务程序，并在中断服务程序中 完成对数字信号的调制解调处理，再从另一e d m a 通道把处理好的数据输 出。 中断服务程序实际上就是信号进行调制与解调算法的处理程序。 3 3 2 调制端程序 首先，调制是把输入的0 4 k h z 信号计算成为4 0 k h z - - 5 0 0 k h z 的调制 信号，d s p 的处理方法可有流处理，和块处理法两种。流处理法为输入一 个数据，就处理一次，得到对应的输出，这种方法延时小，需要存储的空 间小。而块处理法，是每输入一帧数据再一起处理一次。这种方法比较适 合使用流水线操作来实现，并且c p u 对外设操作没有流处理频繁。故我们 的d s p 内部软件采用块处理方法。于是软件的结构为每次接收到一帧 a i c l l 采样数据，d s p 就产生一次中断，然后d s p 内部计算完后，通过 e d m a 模块把数据送到f i f o 中去。软件流程如图3 6 ： 其中基带信号通过1 6 k h z 采样转化为数字信号，然后d s p 通过e d m a 模块自动把采样数据搬移到d s p 内部的s d r a m 中的一个缓存空间中，并 产生一次中断。d s p 被中断触发后，就对缓存中的数据进行2 倍的内插滤 波，其中用到了多相滤波器来实现，多项滤波的理论我们在后面会介绍”。 然后把得到的采样率变为3 2 k h z 的信号分为相同的两路。第一路通过一个 h i l b e r t 的f i r 滤波器，第二路作一个n 2 的延时，其中n 为h i l b e r t 滤波 器的系数个数。第二路信号之所以作延时，是因为第一路信号通过一个 h i l b e r t 的f i r 滤波就会产生n 2 的延时效果。然后两路信号都进行6 4 倍 的内插，其中也是用到了多相滤波器理论。然后用一个相差9 0 度的s i n 与 第三章调制解调模块的软硬件实现 c o s 数据与得到的每点数据进行相乘。最后把每点数据相加就得到了调制 数据。 图3 6 调制软件流程 3 3 3 解调端程序 解调是调制的逆过程，解调时我们对调制信号采用了低通采样而不是 带通采样，这是因为：1 载波机的载波会变换，如果带通采样，每次改变 载波必须变换一次a d c 的频率，也就是要对a d c 和f i f o 复位一次。这 样对连续工作有影响。2 带通采样对载波位置为奇次信号时，采样信号到 基带是翻转的，这样不方便处理。3 带通采样的信号混叠影响更大。 软件流程如图3 7 。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 7 解调软件流程 调制信号为4 0 k h z - - 5 0 0 k h z 的s s b 信号，我们对它低通采样后得到 了2 m h z 采样率的数字信号，然后通过f i f o 与d s p 进行数据传输，当f i f o 数据半满时，触发一次d s p 的e d m a 中断，然后e d m a 自动把f i f o 中 的数据搬移到d s p 中的缓存中，并产生一次中断。在d s p 的中断程序中， 首先，把获得的数据分成两路，第一路与载波频率的c o s 数字信号对应 点相乘，第二路与载波频率0 9 ，的s i n 数字信号对应点相乘。然后对这两路 信号进行6 4 倍的下采样，其中用到了多相滤波器理论。之后，得到了两路 采样频率为3 2 k h z 的信号。与调制端相同，一路通过h i l b e r t 滤波，另一 路作n 2 的延时，之后两路信号相加也就得到了解调出来的基带信号了。 此时得到的基带信号，可能存在增益大小不定，相位不同步的问题，于是 我们通过一种二次a g c 的控制方法分别解决这两个问题，二次a g c 在第 四章介绍。最后，就可以得到完整的基带信号了。我们通过e d m a 把基带 信号输出。 第三章调制解调模块的软硬件实现 载波机的理论比较简单，但在调制与解调的具体工程实现时，遇到了 很多在理论仿真中不曾考虑到的问题。下一章，我们分别介绍了实现中的 关键问题与我们的解决方法。 电子科技大学硕士学位论文 4 1 性能问题 第四章实现关键技术 在d s p 实现时，除了要保证d s p 运行的正确性。我们还要考虑它的 性能问题，其中包括运算量与内存使用性能。d s p 的运算能力和存储空间都 是有限的。要想d s p 正确的运行，软件的运算量和存储大小就必须满足 d s p 的要求。运算量与内部存储空间也是d s p 实现时，常遇到的问题。解 决这两个问题没有统一绝对的方法，一般是凭一些工程的经验。下面我们 就电力线载波的开发经验，来介绍解决这两个问题的方法 1 8 。 4 1 1 运算量问题 首先我们介绍怎样测试d s p 中软件的运算量。第一种方法，我们可以 使用c c s 中自带的一个p r o f i l e 功能，它有一个计数器。可以计算d s p 两 个断点之间运算所使用的时钟个数。 图4 1c c s 中计算运行时钟数 2 0 第四章实现关键技术 如图4 1 ，首先在需要测试运算时间的程序段的开始和结束处，都设 上断点。然后设置p r o f i l e r 中e n a b l ec l o c k 。同时选择v i e wc l o c k 。这样就 可以得到一个测试程序运行的时钟数。如果要计算这段程序运算的绝对时 间可使用如下的计算公式： t = c l o c k n u m f 其中c l o c kn u m 为程序运行的时钟数，f 为d s p 的时钟频率。 第二种方法是我们使用d s p 内部的计数器来计算d s p 程序运行的时 间。