电力线数传通信设备的设计
引 言
随着社会的进步和技术的发展，多媒体业务不断增长，人们对网络带宽的要
求也随之增长。
通信网正向着 IP 化、宽带化方向发展。通信网由传输网、交换网和接入网三
部分组成。目前，我国传输网已经基本实现数字化和光纤化；交换网也实现了程
控化和数字化；而接入网仍然是通过双绞线与局端相连，只能达到 56 kb／s 的
传输速率，不能满足人们对多媒体信息的迫切需求。对接入网进行大规模改造，
以升级到 FTTC(光纤到路边)甚至 FTTH(光纤到户)，需要高昂的成本，短期内难
以实现。XDSL 技术实现了电话线上数据的高速传输，但是大多数家庭电话线路
不多，限制了可连接上网的电脑数，而且在各房间铺设传输电缆极为不便。最为
经济有效而且方便的基础设备就是电源线，把电源线作为传输介质，在家庭内部
不必进行新的线路施工，成本低。电力线作为通信信道，几乎不需要维护或维护
量极小，而且可以灵活地实现即插即用。此外，由于不必交电话费，月租费便宜。
电力线高速数据传输使电力线做为通信媒介已成为可能。铺设有电力线的地
方，通过电力线路传输各种互联网的数据，就可以实现数据通信，连成局域网或
接入互联网。通过电源线路传输各种互联网数据，可以大大推进互联网的普及。
此项技术还可以使家用电脑及电器结合为可以互相沟通的网络，形成新型的智能
化家电网，用户在任何地方通过 Internet 实现家用电器的监控和管理；可以直接
实现电力抄表及电网自动化中遥信、遥测、遥控、遥调的各项功能，而不必另外
铺设通信信道。因此，研究电力
线通信是十分必要的。
1 OFDM 基本原理
正交频分复用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种正
交多载波调制 MCM 方式。在传统的数字通信系统中，符号序列调制在一个载波
上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM 是一
种并行数据传输系统，采用频率上等间隔的 N 个子载波构成。它们分别调制一
路独立的数据信息，调制之后 N 个子载波的信号相加同时发送。因此，每个符
号的频谱只占用信道全部带宽的一部分。在 OFDM 系统中，通过选择载波间隔，
使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交特性，各子载波上的信号在频谱
上互相重叠，而接收端利用载波之间的正交特性，可以无失真地恢复发送信息，
从而提高系统的频谱利用率。图 1 给出了正交频分复用 OFDM 的基本原理。考
虑一个周期内传送的符号序列(do，d1，…，dn-1)每个符号 di 是经过基带调制后
复信号 di=ai+jbi，串行符号序列的间隔为①t=l／fs，其中 fs 是系统的符号传输速
率。串并转换之后，它们分别调制 N 个子载波(fo，f1，…，fn-1)，这 N 个子载
波频分复用整个信道带宽，相邻子载波之间的频率间隔为 1／T，符号周期 T 从①
t 增加到 N①t。合成的传输信号 D(t)可以用其低通复包络 D(t)表示。
其中 ωi=-2π·①f·i，①f=1／T=1／N①t。在符号周期[O，T]内，传输的信号为
D(t)=Re{D(t)exp(j2πfot)}，0≤t≤T。
若以符号传输速率 fs 为采样速率对 D(t)进行采样，在一个周期之内，共有 N 个
采样值。令 t=m①t，采样序列 D(m)可以用符号序列(do，d1，…，dn-1)的离散付
氏逆变换表示。即
因此，OFDM 系统的调制和解调过程等效于离散付氏逆变换和离散付氏变
换处理。其核心技术是离散付氏变换，若采用数字信号处理(DSP)技术和 FFT 快
速算法，无需束状滤波器组，实现比较简单。
2 电力线数传设备硬件构成
电力线数据传输设备的硬件框图如图 2 所示。
2. 1 数字信号处理单元 TMS320VC5402
用数字信号处理的手段实现 MODEM 需要极高的运算能力和极高的运算速
度，在高速 DSP 出现之前，数字信号处理只能采用普通的微处理器。由于速度
的限制，所实现的 MODEM 最高速度一般在 2400b／s。自 20 世纪 70 年代末，
Intel 公司推出第一代 DSP 芯片 Intel 2920 以来，近 20 年来涌现出一大批高速
DSP 芯片，从而使话带高速 DSP MCODEM 的实现成为可能。
TMS320 系列性价比高，国内现有开发手段齐全，自 TI 公司 20 世纪 80 年
代初第一代产品 TMS32010 问世以来，正以每 2 年更新一代的速度，相继推出
TMS32020 、 TMS320C25 、 TMS320C30 、 TMS320C40 以 及 第 五 代 产 品
TMS320C54X。
根 据 OFDM 调 制 解 调 器 实 现 所 需 要 的 信 号 处 理 能 力 ， 本 文 选 择 以
TMS320VC5402 作为数据泵完成 FFT 等各种算法，充分利用其软件、硬件资源，
实现具有高性价比的 OFDM 高速电力线数传设备。
TMS320C54X 是 TI 公司针对通信应用推出的中高档 16 位定点 DSP 系列器
件。该系列器件功能强大、灵活，较之前几代 DSP，具有以下突出优点：
①速度更快(40～100 MIPS)；
①指令集更为丰富；
①更多的寻址方式选择；
①2 个 40 位的累加器；
①硬件堆栈指针；
①支持块重复和环型缓冲区管理。
2. 2 高频信号处理单元
主要实现对高频信号的放大、高频开关和线路滤波等功能，并最终经小型加
工结合设备送往配电线路。信号的放大包括发送方向的可控增益放大(前向功率
控制)，接收方向 AGC 的低噪声放大部分。其中高频开关完成收发高频信号的转
换，实现双工通信。同时使收发共用一个线路滤波器，这样可以节省系统成本。
2．3 RS 一 232 接口单元
用户数据接口采用 RS 一 232 标准串行口。串口的数据中断采用边沿触发中
断，串口中断程序完成用户数据的发送与接收。将接收到的用户数据暂存到 CPU
的发送缓冲区中，等到满一个突发包时就发送到 DSP 进行处理。
3 参数设计
3．1 保护时间的选择
根据 OFDM 信号设计准则，首先选择适当的保护时间，①=20μs，这能够充
分满足在电力系统环境下，OFDM 信号消除多径时延扩展的目的。
3．2 符号周期的选择
T>200 μs，相应子信道间隔，f<5kHz，这样在 25kHz 带宽内至少要划分出 5
个子信道。另外子信道数不能太多，增加子信道数虽然可以提高频谱传输效率，
但是 DSP 器件的复杂度也将增加，成本上升，同时还将受到信道时间选择性衰
落的严重影响。因此，考虑在 25kHz 的带宽内采用 7 个子信道。
3. 3 子信道数的计算
子信道间隔：
各子信道的符号周期：T=250μs
考虑保护时间：①=20μs，则有 Ts=T+①=270μs
各子信道实际的符号率：
总的比特率：×25 子信道×2b／symbol=／s
系统的频谱效率：β=／100kHz=／Hz<2bps／Hz
可以看出，这时系统已经具有较高的频谱效率。25 路话音信号总的速率与
经串并变换和 4PSK 映射后的各子信道上有用信息的符号率相比，每个子信道还
可以插入冗余信息用于同步、载波参数、帧保护和用户信息等。需要指出的是：
①由于 OFDM 信号时频正交性的限制条件，在此设计中尽管采用了 25 个子
载波并行传输也只能传 25 路语音。如果要传 8 路语音，经串并转换和 16QAM
映射后，各个子信道上有用信息的符号率为 ／Hz，最多还可以插入的冗
余信息为 ／Hz，在实际传输中这是很难保证的传输质量的，因此该设
计相对于 M-16QAM 采用 4 个子载波传输 6 路话音并不矛盾。
①在此设计中，为冗余信息预留了较多的位，其冗余信息与有用信息的比值
为 ，大于 iDEN 系统的 。这是考虑到 OFDM 信号对于载波相位偏差和
定时偏差都较为敏感，这样就可以插入较多的参考信号以快速实现载波相位的锁
定、跟踪及位同步；另一方面对引导符号间隔的选择也较为灵活，在设计中选择
引导符号间隔 L=10。
①OFDM 信号调制解调的核心是 DFT／IDFT 算法。目前，普遍采用 DSP 芯
片完成 DFT／IDFT，因此有必要对设计所需的 DSP 性能进行估计。根据设计要
求，至少要能在 250μs 内完成 32 个复数点的 FFT 运算。我们知道，N 个复数点
的 FFT 共需要 2Nlog2 N 次实数乘法和 3Nl0g2 N 次实数加法。假设实数乘法和
实数加法都是单周期指令，以 32 个复数点为例，这样共需要 800 个指令周期，
即 20μs，因此采用 TMS320VC5402 能够满足设计要求(TMS320VC5402 的单指
令周期为 10ns)。
综上所述，OFDM 数传设备参数如表 l 所列。
4 软件构成
上面确定了 OFDM 数传设备的主要参数及算法，下面说明用 TMS320VC540
2 实现的软件设计及流程，如图 3 所示。
4. 1 调制部分的软件设计
此程序作为子程序被调用之前，要发送的数据已经被装入数据存储器，并将
数据区的首地址及长度作为入口参数传递给子程序。程序执行时，首先清发送存
储器，然后配置 AD9708 的采样速率，之后允许串行口发送中断产生，使中断服
务程序自动依次读取发送存储器中的内容，送入 AD9708 变换成模拟信号。之后
程序从数据存储器读取一帧数据，经编码，并行放入 IFFT 工作区的相应位置，
插入导频符号并将不用的点补零。随后进行 IFFT，IFFT 算法采用常用的时域抽
点算法 DIT，蝶形运算所需的 WN 可查 N=512 字的定点三角函数表得到。由于
TMS320VC5402 的数值计算为 16 位字长定点运算方式，所以 IFFT 采用成组定
点法，既提高了运算精度又保证了运算速度。然后对 IFFT 变换后的结果扩展加
窗，并将本帧信号的前扩展部分同上帧信号的后扩展部分相加，加窗所需窗函数
可查表得到。窗函数存放在窗函数表中，是事先利用 C 语言浮点运算并将结果
转换为定点数存放在表中的。
经实测，从读取串行数据到加窗工作完成最多占用 75 个抽样周期(75×125μs)
的时间，而发送一帧信号需 512+32=544 个抽样周期(544×125μs)。这说明 C5402
的运算速度足够满足需要。
当上一帧信号发送完毕，程序立即将以处理好的本帧信号送入发送存储器继
续发送，并通过入口参数判断数据是否发送完毕。
4. 2 解调部分的软件设计
用 TMS320VC5402 实现的流程分同步捕捉及解调两个阶段。同步捕捉阶段
执行时，首先清接收存储器，配置 AD9057 的采样速率，然后开串行口接收中断，
使接收中断服务程序接收来自 AD9057 的采样数据并依次自动存入接收存储器。
每得到一个新的样点，程序先用 DFT 的递推算法解调出 25 路导频符号，并
对导频均衡。之后分别同参考导频符号矢量 600h+j600h 进行点积，这里用导频
符号矢量的实部与虚部的和代替点积，即可反映相关函数的规律，以简化运算。
求得 25 路导频与参考导频的相关值后暂时保存，并分别与前一个样点所保存的
各导频相关值比较(相减)，用一个字节保存比较结果的正负号(每路导频占 1bit)。
在处理前一个样点的过程中，也用一个字节保存它同其前一样点的导频相关值比
较的正负号。对这两个字节进行简单的逻辑运算，即可判断出各导频是否在前一
个样点处出现峰值。倘若 25 路导频中有 20 个以上的导频同时出现峰值，则认为
该样点以前的 N=512 个样点即为捕捉到的一帧信号，程序进入解调阶段；否则
等待接收新的采样点继续进行同步捕捉。
解调阶段首先对捕捉到的帧信号进行实信号的 FFT 变换，仍然采用成组定
点法，之后进行均衡。然后利用导频算出本地抽样时钟的延迟 τ，在计算中应尽
量避免出现除法，可将常数分母取倒数后提前算出，作为乘法的系数。为了保证
其后二维 AGC 的精度，计算中 τ 精确到 μs。接下来根据 τ 调整抽样时钟，程
序将调整量通知串行口发送中断服务程序后，继续执行二维 AGC，而由中断服
务程序在每次中断响应时间发布命令，每次可以调整下一采样时刻提前(或落
后)1μs。
二维 AGC 分两步进行。首先根据 τ 对均衡后的调制矢量进行相位校正，这
里需要利用 FFT 变换所使用的 512 字的三角函数表，用一个指针指向三角函数
表的表头，根据 τ 及三角函数表角度间隔算出多少路子信道才需要将指针下移一
格，通过这种查表的方法可以简洁地确定各子信道的校正量。经相位校正后，即
可利用导频进行幅度校正。
接下来经判决，并／串变换及解码即可解调出本帧数据。然后对均衡器的权
值采用 LMS 算法进行调节。程序通过对这部分信号进行简单的幅值门限分析，
很容易判断出是否收到了信号。若有则继续接收；否则结束返回。
结语
本文介绍了 OFDM 技术的基本原理，叙述了基于 OFDM 技术的电力线数传
通信设备的软硬件设计，给出了此设计的具体参数。
