炮兵指揮信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電裝置調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

李 鑫，邵元卿，王 偉

( 洛陽市伊川縣71117 部隊(duì)89 分隊(duì)，洛陽 471000)

炮兵指揮信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電裝置采用電力線載波通信技術(shù)，能夠在同一線路中實(shí)現(xiàn)供電與信息傳輸2 個(gè)功能。與市場(chǎng)上現(xiàn)有的電力線載波通信模塊不同的是，炮兵指揮信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電裝置必須具備高質(zhì)量通信控制和實(shí)時(shí)語音信號(hào)傳輸功能，為此必須設(shè)計(jì)專門的指揮信息系統(tǒng)信息傳輸調(diào)制解調(diào)器。

1 調(diào)制解調(diào)器技術(shù)原理

傳輸電力的線路是一種復(fù)雜的通信媒體，無處不在的噪聲、不規(guī)律的負(fù)荷變化和不可預(yù)測(cè)的干擾都會(huì)嚴(yán)重影響信息傳輸?shù)馁|(zhì)量。要保證通信質(zhì)量，提高通信速率，選擇合適的調(diào)制方式是一個(gè)關(guān)鍵問題。正交頻分復(fù)用( OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)技術(shù)，以其抗干擾能力強(qiáng)、帶寬利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，為在同一線路中實(shí)現(xiàn)供電與信息傳輸2 個(gè)功能提供了有效的解決方案。

1.1 OFDM 調(diào)制原理

OFDM 是基于快速傅里葉變換實(shí)現(xiàn)的。設(shè)OFDM 信號(hào)的周期為T，單周期內(nèi)傳輸N 個(gè)復(fù)符號(hào)( c0，c1，…，cN-1)。第K 個(gè)符號(hào)kc調(diào)制第K 個(gè)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(hào)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(hào)序列( C0，C1，…，CN-1)的時(shí)間間隔; X( t)的低通復(fù)包絡(luò)為S( t)=如果以為采樣率對(duì)S ( t)采樣，則周期［0，T］內(nèi)共有個(gè)樣值，得采樣序列:

由式(1)可知，當(dāng)以fs對(duì)S ( t)采樣時(shí)，得到的N 個(gè)樣值正好是的N 點(diǎn)離散傅里葉逆變換。

OFDM 調(diào)制原理是，在發(fā)射端，數(shù)據(jù)經(jīng)QAM 調(diào)制后，形成數(shù)據(jù)速率為Rb 的二進(jìn)制序列，在OFDM 部分，數(shù)據(jù)在串并轉(zhuǎn)換模塊中轉(zhuǎn)換成N 路并行子信號(hào)。設(shè)OFDM 碼元周期為T，將其分成Ct=RbT 個(gè)比特一組，這Ct個(gè)比特被分配到N個(gè)子信道上經(jīng)過編碼后映射為N 個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)Xk(k=0，1，…，N-1 )，其中子信道K 對(duì)應(yīng)的子符號(hào)Xk代表bk個(gè)比特，對(duì)這N 個(gè)復(fù)數(shù)子符號(hào)做IFFT，并將結(jié)果轉(zhuǎn)換成串行輸出。由于信道的多徑效應(yīng)可能產(chǎn)生碼間干擾，因此要在信號(hào)發(fā)送前在碼元之間插入L 個(gè)點(diǎn)的保護(hù)間隔CP，只要CP 大于信道最大時(shí)延，那么所有時(shí)延小于CP 的多徑信號(hào)將不會(huì)竄入下一個(gè)碼元周期，從而消除碼間干擾。調(diào)制過程如圖1所示。

1.2 OFDM 解調(diào)原理

OFDM 解調(diào)原理: 在接收端，OFDM 信號(hào)首先經(jīng)過下變頻轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，再經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換形成接收射頻信號(hào)的復(fù)包絡(luò)，然后完成收發(fā)同步、去除保護(hù)間隔CP，最后經(jīng)串并轉(zhuǎn)換，將信號(hào)分離成N 路正交子信號(hào)后進(jìn)行FFT 處理，即可恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。解調(diào)過程如圖1 所示。

2 調(diào)制解調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

炮兵指揮信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電裝置調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2 所示。包括處理器( DSP)單元、電源模塊、存儲(chǔ)單元、ADC/DAC 單元、邏輯控制單元、耦合電路、復(fù)位及時(shí)鐘電路、JTAG 仿真接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、語音編解碼模塊等。

圖1 OFDM 調(diào)制解調(diào)過程

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

FPGA 是調(diào)制解調(diào)器的控制核心。邏輯控制信號(hào)及時(shí)鐘由FPGA 提供，選用了Altera 公司的EPM7128。EPM7128 芯片結(jié)構(gòu)中包括邏輯陣列塊( LAB)、宏單元、擴(kuò)展乘積項(xiàng)( 共享和并聯(lián))、可編程連線陣列( PIA)和I/O 控制塊5 部分。

數(shù)字上變頻器使用ADI 公司的AD9957，AD9957 的內(nèi)部工作頻率最高可達(dá)1GHz，具有18 位的IQ 數(shù)據(jù)通道和14 位的DAC。集成了高速直接數(shù)字頻率合成器( DDS)，高性能高速14 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器( DAC)，時(shí)鐘乘法器電路，可編程的內(nèi)插濾波器，8 位可調(diào)的輸出增益。

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

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊由Atmega1 28 和TDK73K222 組成，用于完成信息系統(tǒng)便攜式指揮機(jī)或終端信息的解調(diào)和調(diào)制，并將數(shù)據(jù)交由處理器DSP 處理，完成數(shù)據(jù)的OFDM 調(diào)制解調(diào)。

語音編解碼模塊選用TI 公司的TLC320AD50，內(nèi)部集成了16 位A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)22.05 kHz，并可通過外部編程進(jìn)行設(shè)置。輸入放大采用了高性能低噪聲運(yùn)算放大TLC2272，AD50 單端輸出信號(hào)經(jīng)過音頻功率放大器LM386 放大后輸出。

耦合模塊使用共模并聯(lián)電容耦合方式，用雙副邊耦合變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單邊耦合變壓器。這樣，耦合電路受阻抗變換影響將會(huì)減小，使耦合網(wǎng)絡(luò)的特性對(duì)變壓器阻抗的依賴性減少，具有寬帶和低滾降效應(yīng)。

電源模塊的功能是從被復(fù)線中傳輸?shù)慕涣麟姭@取電壓，為調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊以及便攜式指揮機(jī)或終端提供所需的電源，本設(shè)計(jì)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(diào)制解調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)

3 調(diào)制解調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

程序執(zhí)行時(shí)首先進(jìn)行一系列的初始化配置工作，如配置DSP 片內(nèi)外設(shè)的各種參數(shù)等。語音編碼模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將需要調(diào)制的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后向DSP 產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，DSP 響應(yīng)中斷，數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后交由DSP 完成QAM 調(diào)制，隨后進(jìn)行IFFT 以及加入循環(huán)前綴( 即復(fù)制數(shù)據(jù)的后若干位插入到數(shù)據(jù)的前段)。所得數(shù)據(jù)再經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換形成基帶OFDM信號(hào)，最后進(jìn)行數(shù)字上變頻，將信號(hào)頻譜搬移到適合信道傳輸?shù)念l帶并發(fā)射出去。調(diào)制流程如圖1 所示。

解調(diào)部分，接收端將接收到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)字下變頻形成基帶OFDM 信號(hào)后，再在DSP 中完成去除循環(huán)前綴( 即刪去數(shù)據(jù)的前若干位)，然后對(duì)去除循環(huán)前綴后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，最后通過譯碼即可得到源數(shù)據(jù)。解調(diào)流程如圖1所示。

3.2 FFT 實(shí)現(xiàn)

從軟件流程可以看出，實(shí)現(xiàn)OFDM 調(diào)制解調(diào)的中心任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)FFT 算法，本設(shè)計(jì)中用DSP 的匯編程序?qū)崿F(xiàn)FFT算法主要分為4 步:①實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn);②實(shí)現(xiàn)N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT; ③功率譜的計(jì)算;④輸出FFT 結(jié)果。

匯編程序由rfft_task、bit_rev、fft 和power 四個(gè)子程序組成。

rfft_task:主調(diào)用子程序，用來調(diào)用其他子程序，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的接口。

bit_rev: 位碼倒置子程序，用來實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的比特反轉(zhuǎn)。

Power:功率譜計(jì)算子程序。

Fft:FFT 算法子程序，用來完成N 點(diǎn)FFT 運(yùn)算。在運(yùn)算過程中，為避免運(yùn)算結(jié)果的溢出，對(duì)每個(gè)蝶形的運(yùn)算結(jié)果右移1 位。Fft 子程序分為3 個(gè)模塊: 第1 級(jí)蝶形運(yùn)算、第2 級(jí)蝶形運(yùn)算和第3 級(jí)至log2N 級(jí)蝶形運(yùn)算。以下是FFT 運(yùn)算的部分代碼:

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的炮兵指揮信息系統(tǒng)遠(yuǎn)程供電裝置調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。實(shí)踐表明，利用該調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信，能夠滿足系統(tǒng)供電需求的情況下，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和語音傳輸。

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［2］毛婕.基于OFDM 電力線寬帶通信的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.保定:華北電力大學(xué)，2002.

［3］鄒彥. DSP 原理及應(yīng)用［M］. 北京: 電子工業(yè)出版社，2005.