一種基于OFDM技術的電纜分線測試方法*

張志友,張世軍

(1.南京信息職業技術學院繼續教育學院,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技術的電纜分線測試方法*

張志友1*,張世軍2

(1.南京信息職業技術學院繼續教育學院,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展,電纜的應用場合已經滲透到社會的各個行業。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等缺點提出了一種基于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。在提高數據傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。

正交頻分復用;電纜分線;現場可編程門陣列

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

目前國外相關產品的價格十分昂貴,其中德國BEHA公司研制生產的型號為5775的此類產品市場售價在592美元,此產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,從而影響測量的準確性。另外,在使用中,必須引入一條導電良好的參考地線,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,文獻[3]提出了一種基于FSK的手持式電纜分線器設計方法,但是基于FSK的調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備傳送電能的,而不是用來傳送數據的,所以通過電力線來傳輸數據存在許多問題,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調制技術,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,在提高數據傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。在系統實現過程中,通過引入FPGA技術大大增強了系統的靈活性,該方法具有非常廣闊的應用前景。

1 OFDM技術特點和原理

OFDM是一種多載波傳輸技術,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系統有許多非常引人注目的優點。第1,OFDM具有非常高的頻譜利用率。普通的FDM系統為了分離開各子信道的信號,需要在相鄰的信道間設置一定的保護間隔(頻帶),以便接收端能用帶通濾波器分離出相應子信道的信號,造成了頻譜資源的浪費。OFDM系統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系統的各子信道信號的分離(解調)是靠這種正交性來完成的。第2,實現比較簡單。當子信道上采用QAM或MPSK調制方式時,調制過程可以用IFFT完成,解調過程可以用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系統均采用循環前綴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,設信道衰落比較緩慢,在一個OFDM符號間隔內信道的沖擊響應不變,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。

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

其中,“?”表示循環卷積運算[WSY1]。

根據DFT的時域卷積定理,r1(n)經過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,通過簡單的均衡就可以消除其影響,提取出所傳輸的數據X(n)。

應該指出,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,仍然存在幀內符號間干擾,即OFDM幀符號與信道作了(循環)卷積,經DFT解卷積后,通過均衡消除了幀內符號間干擾并得到信息序列X(N)。

2 設計方案

2.1 系統總體設計方案

總體設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 系統總體框圖

圖3 程序存儲模塊接口圖

當系統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送,線序接收部件負責完成測試信號的接收,從而實現線序的配對。

2.2 主控部件設計方案

2.2.1 硬件平臺設計

主控部件主要利用FPGA實現OFDM信號產生以及發送過程,硬件平臺主要有以下幾部分組成:程序存儲模塊、數據存儲模塊、時鐘電路、電源電路。

程序存儲模塊接口圖如圖3所示。

數據存儲模塊采用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;內部的存儲模塊用于屏蔽access/預充電;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;

數據模塊接口示意圖如圖4所示。

圖4 數據模塊接口示意圖

2.2.2 FPGA軟件設計

主控端的FPGA軟件實現主要利用VHDL描述硬件功能,以完成二進制數據的OFDM調制,其結構框圖如圖5所示。

圖5 OFDM調制框圖

主要功能模塊包含信號發生器、RS編碼器、RS編碼緩沖區、間隔保護功能、補零、IFFT等部分。基本原理為:信號發生器產生傳輸的4位進制碼組,RS編碼器對其進行編碼,然后存入緩沖區,以提供插入保護間隔所需要的36 bit編碼數據,插入間隔后補28個零,組成64 bit數據進行IFFT計算,生成OFDM調制信號。

系統軟件操作流程如圖6所示。

圖6 主控端系統軟件操作流程

2.3 線序接收部件

線序接收部件的功能是實現測序信號的解調,完成信號表現形式的轉化。線序接收部件主要利用FPGA實現OFDM信號的解調以及液晶顯示。

2.3.1 硬件平臺設計

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上疊加了相應的液晶顯示接口。

線序接收部件的液晶接口如圖7所示。

本系統采用GDM1602A LCD屏幕和兩塊PI15C3384C構成LCD接口,通過對FPGA進行邏輯編程實現液晶的控制器的功能。

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

2.3.2 FPGA軟件設計

接收端的FPGA軟件實現主要完成數據的OFDM解調,OFDM解調的FPGA結構框圖如圖8所示。

解調是調制的反操作,分別是FFT計算、去零、去間隔和RS譯碼。其中關鍵技術是RS編、譯碼、插入保護保護間隔和快速傅里葉變換的FPGA實現。

圖7 線序接收部件的液晶接口圖

圖8 OFDM解調框圖

圖9 接收端系統軟件操作流程

3 實驗結果

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

在電廠實際工作環境中,與文獻[3]設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,使系統更靈活,便于擴展線序。

4 結論

本文提出了一種基于OFDM電纜分線測試方法,該方法利用OFDM調制技術,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,在提高數據傳輸速率的同時,有效地解決了電纜通信的問題。在系統實現過程中,通過引入FPGA技術大大增強了系統的靈活性,該方法具有非常廣闊的應用前景。

圖10 仿真測試結果

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

張世軍(1968-),男,工學碩士,東南大學電廠熱能動力工程及自動化專業畢業,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