一種基于OFDM技術(shù)的電纜分線測試方法*

張志友,張世軍

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院,南京 210013;2.江蘇蘇美達集團公司,南京 210018)

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一種基于OFDM技術(shù)的電纜分線測試方法*

張志友1*,張世軍2

(1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院,南京 210013;2.江蘇蘇美達集團公司,南京 210018)

隨著全球信息化的發(fā)展,電纜的應(yīng)用場合已經(jīng)滲透到社會的各個行業(yè)。針對基于FSK的電纜分線方法無法解決脈沖寬度和測量時間的矛盾,且只適用于短距離的傳輸?shù)热秉c提出了一種基于OFDM的電纜分線測試方法,仿真實驗和測試結(jié)果表明該方法能有效克服了電纜信道存在的碼間干擾,頻率選擇性衰減等問題。在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。

正交頻分復(fù)用;電纜分線;現(xiàn)場可編程門陣列

隨著全球信息化的發(fā)展,作為信息化的一個重要傳輸媒質(zhì),電纜的應(yīng)用場合已經(jīng)滲透到社會的各個行業(yè),在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著越來越重要的作用。在軍事、交通、通信、油田等重要領(lǐng)域,都有與電纜相關(guān)的設(shè)備,這些設(shè)備的安裝、維護的數(shù)量與日劇增[1-2]。另外,由于多芯電纜的廣泛應(yīng)用,電纜內(nèi)部包含導(dǎo)線數(shù)目較多且不可分,常常因沒有合適的測量儀器而使設(shè)備檢測和維修的難度加大。

目前國外相關(guān)產(chǎn)品的價格十分昂貴,其中德國BEHA公司研制生產(chǎn)的型號為5775的此類產(chǎn)品市場售價在592美元,此產(chǎn)品主要采用電阻分壓的原理,其缺點是電阻值容易受到外界條件和電纜長度的影響,從而影響測量的準(zhǔn)確性。另外,在使用中,必須引入一條導(dǎo)電良好的參考地線,這使得在長距離的電纜檢測和維修中,造成了不必要的麻煩。而在國內(nèi),文獻[3]提出了一種基于FSK的手持式電纜分線器設(shè)計方法,但是基于FSK的調(diào)制方式無法解決脈沖寬度和測量時間的矛盾,且只適用于短距離的傳輸。另一方面普通電纜是給用電設(shè)備傳送電能的,而不是用來傳送數(shù)據(jù)的,所以通過電力線來傳輸數(shù)據(jù)存在許多問題,其中信號衰減和噪聲是主要問題。

因此,本文提出了一種基于OFDM電纜分線測試方法,該方法利用OFDM調(diào)制技術(shù),有效克服了電纜信道存在的碼間干擾、頻率選擇性衰減等問題,在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中,通過引入FPGA技術(shù)大大增強了系統(tǒng)的靈活性,該方法具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 OFDM技術(shù)特點和原理

OFDM是一種多載波傳輸技術(shù),N個子載波把整個信道分割成N個子信道,N個子信道并行傳輸信息。OFDM系統(tǒng)有許多非常引人注目的優(yōu)點。第1,OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統(tǒng)為了分離開各子信道的信號,需要在相鄰的信道間設(shè)置一定的保護間隔(頻帶),以便接收端能用帶通濾波器分離出相應(yīng)子信道的信號,造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統(tǒng)各子信道間不但沒有保護頻帶,而且相鄰信道間信號的頻譜的主瓣還相互重疊,但各子信道信號的頻譜在頻域上是相互正交的,各子載波在時域上是正交的,OFDM系統(tǒng)的各子信道信號的分離(解調(diào))是靠這種正交性來完成的。第2,實現(xiàn)比較簡單。當(dāng)子信道上采用QAM或MPSK調(diào)制方式時,調(diào)制過程可以用IFFT完成,解調(diào)過程可以用FFT完成,既不用多組振蕩源,又不用帶通濾波器組分離信號。第3,抗多徑干擾能力強,抗衰落能力強。由于一般的OFDM系統(tǒng)均采用循環(huán)前綴CP(Cyclic Prefix)方式,使得它在一定條件下可以完全消除信號的多徑傳播造成的碼間干擾,完全消除多徑傳播對載波間正交性的破壞,因此OFDM系統(tǒng)具有很好的抗多徑干擾能力。OFDM的子載波把整個信道劃分成許多窄信道,盡管整個信道是有可能是極不平坦的衰落信道,但在各子信道上的衰落卻是近似平坦的,這使得OFDM系統(tǒng)子信道的均衡特別簡單,往往只需一個抽頭的均衡器即可。

OFDM基本原理如圖1所示。

OFDM信號s(n)通過時變多徑信道,設(shè)信道衰落比較緩慢,在一個OFDM符號間隔內(nèi)信道的沖擊響應(yīng)不變,記為g(n),則OFDM接收機收到的信號r(n)為

其中,“·”表示離散序列的(線性)卷積運算。

循環(huán)前綴CP使得s(n)成為s1(n)的循環(huán)擴展,根據(jù)數(shù)字信號處理的知識當(dāng)CP的長度≥g(n)(的支撐即最大非零定義域)長度時,r(n)去掉循環(huán)前綴后所得r1(n)為

其中,“?”表示循環(huán)卷積運算[WSY1]。

根據(jù)DFT的時域卷積定理,r1(n)經(jīng)過FFT后的輸出y(n)為

=X(n)·DFT[g(n)]+N1(n)

=X(n)·G(n)+N1(n)

其中G(n)是信道的頻域響應(yīng),通過簡單的均衡就可以消除其影響,提取出所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)X(n)。

應(yīng)該指出,雖然CP在一定條件下可以完全消除ISI和ICI,但接收信號去掉CP后在作DFT前,仍然存在幀內(nèi)符號間干擾,即OFDM幀符號與信道作了(循環(huán))卷積,經(jīng)DFT解卷積后,通過均衡消除了幀內(nèi)符號間干擾并得到信息序列X(N)。

2 設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

總體設(shè)計方案將通用型電纜綜合測試儀分成兩個部分(圖2):主控部件和線序接收部件,分別連在電纜兩端。

圖2 系統(tǒng)總體框圖

圖3 程序存儲模塊接口圖

當(dāng)系統(tǒng)工作于電纜測序模式時,主控部件主要完成在測試信號的發(fā)送,線序接收部件負(fù)責(zé)完成測試信號的接收,從而實現(xiàn)線序的配對。

2.2 主控部件設(shè)計方案

2.2.1 硬件平臺設(shè)計

主控部件主要利用FPGA實現(xiàn)OFDM信號產(chǎn)生以及發(fā)送過程,硬件平臺主要有以下幾部分組成:程序存儲模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、時鐘電路、電源電路。

程序存儲模塊接口圖如圖3所示。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用1 Meg Bits×16 Bitso×4 Banks(64 Mbit)SDRAM;時鐘頻率:166 MHz、143 MHz;完全同步,所有信號參考一個正的始終脈沖邊沿;內(nèi)部的存儲模塊用于屏蔽access/預(yù)充電;單3.3 V供電;LVTTL接口;短促的可編程脈沖串長度-(1,2,4,8,full page);短促的可編程脈沖串序列:連續(xù)的/交錯的;自更新模式;每64 ms 4096次刷新;隨機列地址每個時鐘周期可編程的CAS等待時間(2,3 clocks);強制讀/寫的操作能力;

數(shù)據(jù)模塊接口示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)模塊接口示意圖

2.2.2 FPGA軟件設(shè)計

主控端的FPGA軟件實現(xiàn)主要利用VHDL描述硬件功能,以完成二進制數(shù)據(jù)的OFDM調(diào)制,其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

圖5 OFDM調(diào)制框圖

主要功能模塊包含信號發(fā)生器、RS編碼器、RS編碼緩沖區(qū)、間隔保護功能、補零、IFFT等部分?；驹頌?信號發(fā)生器產(chǎn)生傳輸?shù)?位進制碼組,RS編碼器對其進行編碼,然后存入緩沖區(qū),以提供插入保護間隔所需要的36 bit編碼數(shù)據(jù),插入間隔后補28個零,組成64 bit數(shù)據(jù)進行IFFT計算,生成OFDM調(diào)制信號。

系統(tǒng)軟件操作流程如圖6所示。

圖6 主控端系統(tǒng)軟件操作流程

2.3 線序接收部件

線序接收部件的功能是實現(xiàn)測序信號的解調(diào),完成信號表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)化。線序接收部件主要利用FPGA實現(xiàn)OFDM信號的解調(diào)以及液晶顯示。

2.3.1 硬件平臺設(shè)計

線序接收部件的硬件平臺基本與主控相似,只是由于在線序接收部件的硬件平臺基礎(chǔ)上疊加了相應(yīng)的液晶顯示接口。

線序接收部件的液晶接口如圖7所示。

本系統(tǒng)采用GDM1602A LCD屏幕和兩塊PI15C3384C構(gòu)成LCD接口,通過對FPGA進行邏輯編程實現(xiàn)液晶的控制器的功能。

PI15C3384C是10 bit,2-port總線開關(guān),用于LCD電流驅(qū)動。其特點為接近零的延時;低噪聲,25 Ω類型;5 Ω開關(guān)連接輸入和輸出之間;直接與總線相連當(dāng)開關(guān)開起;超低的靜態(tài)供電(0.2 μA)。

2.3.2 FPGA軟件設(shè)計

接收端的FPGA軟件實現(xiàn)主要完成數(shù)據(jù)的OFDM解調(diào),OFDM解調(diào)的FPGA結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

解調(diào)是調(diào)制的反操作,分別是FFT計算、去零、去間隔和RS譯碼。其中關(guān)鍵技術(shù)是RS編、譯碼、插入保護保護間隔和快速傅里葉變換的FPGA實現(xiàn)。

圖7 線序接收部件的液晶接口圖

圖8 OFDM解調(diào)框圖

圖9 接收端系統(tǒng)軟件操作流程

3 實驗結(jié)果

該OFDM調(diào)制解調(diào)器使用VHDL硬件描述語言進行設(shè)計輸入,并使用Altera公司的Quartus Ⅱ 7.1開發(fā)軟件實現(xiàn)了綜合后仿真以及布局布線后仿真。系統(tǒng)最高運行時鐘頻率為50 MHz,采用10 MHz輸入輸出數(shù)據(jù)的時鐘,40 MHz內(nèi)部處理時鐘,16點FFT運算單元的運算時間為0.84 μs,整個系統(tǒng)以10 Mbit/s的速度處理連續(xù)的數(shù)據(jù)流,滿足OFDM系統(tǒng)高速和實時的要求。仿真效果如圖6所示。其中調(diào)制器部分占用54個引腳(占總數(shù)的31%),邏輯單元4 643個(占38%),存儲單元3 008個(占1%);解調(diào)器部分占用61個引腳(35%),邏輯單元5 341個(占44%),存儲單元13 464個(占6%)。

在電廠實際工作環(huán)境中,與文獻[3]設(shè)計的不同條件下正確率對比情況如表1所示。

表1 不同條件下正確率對比

由表1可知本文所提方法性能明顯由于文獻[3]的方法,且可靠傳輸距離可達到1 km以上,并且抗干擾能力強。同時,選用FPGA作為核心器件,使系統(tǒng)更靈活,便于擴展線序。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于OFDM電纜分線測試方法,該方法利用OFDM調(diào)制技術(shù),有效克服了電纜信道存在的碼間干擾、頻率選擇性衰減等問題,在提高數(shù)據(jù)傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中,通過引入FPGA技術(shù)大大增強了系統(tǒng)的靈活性,該方法具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

圖10 仿真測試結(jié)果

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張志友(1982-),男,漢,講師/工程師,江蘇鹽城人,南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院教師,研究方向為測試計量與儀器,zhangzy@njcit.cn;

張世軍(1968-),男,工學(xué)碩士,東南大學(xué)電廠熱能動力工程及自動化專業(yè)畢業(yè),研究方向為熱工自動化、電力自動化等,zsj@sumec.com.cn。

AMethodofDistinguishingCable-LinesBasedonOFDMTechnology*

ZHANGZhiyou1*,ZHANGShijun2

(1.Nanjing information occupation technical college,Nanjing 210013,China;2.SUMEC Group Corporation,Nanjing 210018,China)

With the development of global information technology,applications of the cable has permeated all sectors of society. The FSK-based cable distribution method does not resolve the contradictions q pulse width and measurement time and it applies only to the short distance.A cable distribution OFDM-based testing methods was proposed. The simulation and test results show that the method can effectively overcome drawbacks of the inter-symbol exisitng in cable channels,frequency selective fading and other issues,increase the data transfer rate,and solve the problem of cable communications.

OFDM;distinguishing cable-lines;FPGA

項目來源:國家自然科學(xué)基金項目(61375028,61301219)

2013-12-08修改日期:2013-12-27

TM757

:A

:1005-9490(2014)06-1228-05

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.043