DSP用于电力线载波通信研究.pdf
E L E C T R O N I C P R O D U C T S C H I N A h t t p:/w w w.e p c.c o m.c n A U G U S T 2 0 0 34 5DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGYD S P 专栏DSP用于电力线载波通信研究清华M o t o r o l a M C U/D S P 应用开发研究中心 张乐平摘 要：本文介绍了电力线M o d e m（P L M）的一个设计方案。该方案以M o t o r o l a 的1 6 位数字信号处理器D S P 5 6 F 8 0 5 为控制核心，采用具有较强纠错能力的T u r b o 码编译码方案，从而在电力线较为恶劣的通信环境下仍能取得较好的通信质量。关 键 词：P L M；D S P 5 6 F 8 0 5；T u r b o 码1 引 言低压电力线载波通信的突出优点在于它利用已有的低压配电网作为信息传输的载体，从而避免了新的通信网络的建设和投资。在住宅智能控制、布线困难的工业自动化控制等系统中，采用低压电力线通信方案有着极为显著的优越性。电力线用于信息传输存在以下主要问题：线路阻抗小信号衰减大时变性大噪声影响大问题1 意味着发送端必须要有大电流输出，给硬件设计增加了难度；问题2 4 导致了误码率的升高，通信质量严重下降。对于前者，可采用输出电流较大的运放（如T L E 2 3 0 1，可输出 1 A 的电流）做输出模块。对于后者，解决方法之一是采用双线通信，引入反馈机制，发送端采取缓冲方式，当接受信息有错的时候要求重发，但这样很可能导致信道阻塞，尤其是多对多通信的时候，情况会更加恶化；另一种解决方法是采用一种纠错能力强的编译码方案，这可能使得算法复杂化，运算速度降低进而导致通信速率下降，这种方法对处理器运算速度的要求极为苛刻。本设计方案采用后一种解决办法，所选处理器为 M o t o r o l a 公司的 D S P 5 6 F 8 0 5，该 D S P采用 5 6 8 0 0 H a w k V 1 内核，关键部分采用双哈佛结构支持并行处理，在8 0 M H z 的时钟频率下可达到4 0 M I P S 的指令执行速度，有外存储器扩展接口；此外，片内集成了丰富的功能模块，如 S C I（异步串行通信）、T i m e r（定时器）、A D C（A/D 转换）等，从而使得该 D S P 同时又具备系统控制功能，无需另加M C U。本方案中所选的载波频率位于 9 5 1 2 5 k H z，符合载波频带划分的相关法规。目前，这个称为 P L M（P o w e r L i n e M o d e m）的低压电力线载波通信模块还在进一步的调试改进之中，以期能达到实用标准。2 P L M 工作原理P L M 的工作原理如图 1 所示，其中包括耦合，预处理，功率放大，F S K 调制，D S P 控制单元等模块。由于D S P 5 6 F 8 0 5片内数据 R A M 只有 2 k，无法满足 T u r b o码的译码要求，所以须外扩R A M。下面介绍具体的工作过程。发送端：终端数据经 D S P 5 6 F 8 0 5的 S C I 模块传送到D S P 的某一缓冲区中，经过编码处理之后，根据各b i t 的值（0 或者1），由定时器产生不同频率的方波，发送到F S K 调制模块转换成对应频率的正弦波，经电流放大之后（P o w e r S t a g e 模块中用了可输出 1 A 电流的 T L E 2 3 0 1运放），耦合到电力线上。接收端：图 1 P L M 原理框图今日电子 h t t p:/w w w.e p c.c o m.c n 2 0 0 3 年第8 期4 6DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGYD S P 专栏经高频滤波（滤掉市电信号及低频噪声）之后载波信号传送到P r e p r o c e s s 模块进行预处理，该模块保持输入信号的频率不变，幅度调整为 3.4 V（峰峰值），直流偏置调整为1.7 V，使得任何时刻信号的瞬时值都处于0 3.4 V 的范围之内（注：D S P 的A/D 采样的输入电压幅度范围即为0 3.4 V），而后进行A/D 采样，译码，经校验后如果没有错误则通过S C I将数据发送到相应终端。3 总体编码方案如图2 所示，d a t a 是从终端经S C I 发送过来的数据；d a t a加上表示数据长度的一个字的内容之后求C R C 校验值，高低位分开存储，形成待处理的m e s g；m e s g 信息序列经过T u r b o编码形成两个校验序列 T u r b o P a r i t y 1 和 T u r b o P a r i t y 2；m e s g、T u r b o P a r i t y 1、T u r b o P a r i t y 2再加上同步头s y n h e a d e r 构成待发送序列t r a n s f e r。同步头为 1 1 1 1 1 1 1 1，一般数字通信发送的字符 A S C 码的最高位为0，这样可减小误同步的可能性。整个编译码方案的核心是 T u r b o 码，下面简单介绍一下。T u r b o 码由法国科学家B e r r o u 于1 9 9 3 年提出，它是在综合了过去几十年人们在构造级联码及改进最大后验概率译码（M A P 译码）算法等基础上的一种推广和创新。它采用卷积码，并使用了一种全新的译码思想迭代译码，突破了以往最小码距的设计思想，获得了趋近香农限的性能，是目前各种编码方案中纠错能力最强的一种。由于用M A P算法译码的时候牵涉到大量的指数运算，译码延迟过大。本方案采用了改进的L O G-M A P译码算法，主要的运算为判断、线性加减和少量的乘运算，大大加快了译码速度，且译码性能和M A P算法相近。译码时由T u r b o 码译码算法译出信息序列，校验无错后经 S C I 发送到终端。4 软件综述程序大部分用 C 语言编写，所用编译器为 M e t r o w e r k s公司的C o d e W a r r i o r（D S P 版），编译连接后整个代码长度约为 1 0 k。图 2 数据包格式状态意义S T A T E 0无操作S T A T E 1S C I 接收准备好S T A T E 2S C I 接收中S T A T E 3S C I 接收完毕S T A T E 4P L 发送准备好S T A T E 5P L 数据发送中S T A T E 6P L 数据发送结束S T A T E 7P L 接收开始S T A T E 8P L 接收中，F S K 检波状态0，寻找载波信号S T A T E 9P L 接收中，F S K 检波状态1，寻找同步头S T A T E 1 0P L 接收中，F S K 检波状态2，接收数据S T A T E 1 1P L 接收中，F S K 检波状态3，数据接收完毕S T A T E 1 2S C I 发送准备好S T A T E 1 3S C I 发送中表1 P L M 各状态意义列表图 3 程序工作流程图E L E C T R O N I C P R O D U C T S C H I N A h t t p:/w w w.e p c.c o m.c n A U G U S T 2 0 0 34 7DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGY DSP TECHNOLOGYD S P 专栏软件的难点在于协调P L M 的各种状态，须兼顾速度和稳定性。表 1 是 P L M各状态的意义，图 3 是状态转换图。下面介绍一下整个工作流程。P L M上电复位后处于S T A T E 7，A/D采样开启，开始检测电力线中有无匹配的载波信号，同时查询S C I 是否接收到数据，再根据目前系统状态决定是否开S C I 接收中断，接收 S C I传来的数据。这个判决的分界点为 S T A T E 6和S T A T E 9。S T A T E 6 之前的状态表示正在接收 S C I 传送的数据（S T A T E 0 除外），S C I 接收中断已开；S T A T E 9之后的状态表示P L M 已经在接收有效数据（不包括同步头）或者数据已经接收完毕正在通过S C I 向终端发送，所以就不再开S C I接收中断，以免丢失数据。以下根据P L M处于 S T A T E 6 S T A T E 9时 S C I是否接收到数据分别介绍 P L M的工作过程：1 接收到数据。则关闭 A/D 采样，开 S C I 接收中断，P L M 转向 S T A T E 1，将终端传来的数据存放到D S P的相应缓冲区中，数据接收完毕后进行编码处理，待编码完成则启动B i t T m r（该定时器用来根据信息位的值产生不同频率的方波）发送数据。B i t T m r 每1 0 0 s 触发，即每一个b i t 的载波持续时间为1 0 0 s。当全部数据位发送完毕之后，重新开启 A/D采样，而后恢复到S T A T E 7的初始状态。2 没有接收到数据。如果P L M 检测到匹配的载波信号，则P L M 就开始寻找同步头，当找到同步头之后，开始接收“数据”（注意：此处的“数据”不是各b i t 确切的值，而是根据采样值计算出来的“等效频率”，该“等效频率”序列即是T u r b o 码译码的入口）存放到相应的缓冲区中，“数据”接收完毕之后进行译码、校验，得到真正的信息序列，如果有错则丢弃，重开 A/D 采样，而后恢复 S T A T E 7，如果无错则开S C I 发送中断向终端发送数据，发送完毕后重开 A/D采样，恢复 S T A T E 7；如果没有匹配的载波信号出现，则 P L M 一直处于检测载波信号状态。5 调试整个代码正在进一步调试改进中，T u r b o 码优秀的纠错性能可以保证通信质量，但限制了数据传输的速度，须进一步优化T u r b o 码的译码算法，目前预计可以达到的收发速率为 1 k b/s 左右。6 结论低压电力线载波通信是个具有广阔应用前景的课题，高性能的 P L M是该课题的研究重点。本方案以 D S P 5 6 F 8 0 5这一款具备 M C U强大控制能力的高性能D S P作为中心处理器，采用纠错能力很强的T u r b o 码作为编译码的核心，可以实现高质量的电力线载波通信。参考文献1关清三.数字调制解调基础.科学出版社，2 0 0 22桑林，郝建军，刘丹谱.数字通信.北京邮电大学出版社,2 0 0 23王新梅,肖国镇.纠错码原理与方法.西安电子科技大学出版社，2 0 0 24郑君里，应启珩，杨为理.信号与系统.高等教育出版社，2 0 0 05邵贝贝，龚光华，薛涛,刘永毅等.M o t o r o l a D S P 型1 6 位单片机原理与实践.北京航空航天大学出版社,2 0 0 36何海波，周拥华，吴昕，张有兵，J.N G U I M B I S，程时杰.低压电力线载波通信研究与应用现状.继电器，2 0 0 1E P C结束语基于 P C I 总线的通用多D S P 目标系统中，采用双地址映射方法克服了单一映射使接口复杂的缺点，同时利用了存储器映射可进行突发传输的特点，充分发挥P C I 总线的高速传输特性，提高数据传输的实时性；高速的数字信号处理器、灵活的软件下载及数据读写方式，增强了系统的通用性，扩展了系统应用领域；在线配置 E E P R O M的修改，增加了系统的实用性；友好的可视人机交互界面，实时的动态波形显示，数据归档，尽量大的软件升级空间等特点，使得该系统可作为数据采集系统、可作为各种算法的硬件试验平台、虚拟仪器的硬件前端等，具有较高应用价值。参考文献1P C I 9 0 5 4 D a t a B o o k.P L X C o r p o r a t i o n2D A S P 2 1 8 1 F i x e d D i g i n a l S i g n a l P r o c e s s o r.A D C o r p o r a t i o n3李贵山主编 P C I 局部总线及其应用.西安电子科技大学出版社，2 0 0 34孙莉.基于标准总线的通用多D S P 系统设计.西安电子科技大学硕士学位论文，2 0 0 2E P C（上接第 4 4 页）
