炮兵指挥信息系统远程供电装置调制解调器设计

李 鑫，邵元卿，王 伟

( 洛阳市伊川县71117 部队89 分队，洛阳 471000)

炮兵指挥信息系统远程供电装置采用电力线载波通信技术，能够在同一线路中实现供电与信息传输2 个功能。与市场上现有的电力线载波通信模块不同的是，炮兵指挥信息系统远程供电装置必须具备高质量通信控制和实时语音信号传输功能，为此必须设计专门的指挥信息系统信息传输调制解调器。

1 调制解调器技术原理

传输电力的线路是一种复杂的通信媒体，无处不在的噪声、不规律的负荷变化和不可预测的干扰都会严重影响信息传输的质量。要保证通信质量，提高通信速率，选择合适的调制方式是一个关键问题。正交频分复用( OFDM，orthogonal frequency division multiplexing)技术，以其抗干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为在同一线路中实现供电与信息传输2 个功能提供了有效的解决方案。

1.1 OFDM 调制原理

OFDM 是基于快速傅里叶变换实现的。设OFDM 信号的周期为T，单周期内传输N 个复符号( c0，c1，…，cN-1)。第K 个符号kc调制第K 个子载波ej2πfkt，子载波ej2πfkt( k =0，1，…，N-1)相互正交，得到合成的OFDM 信号为

式中:fk=fc+kΔf，fc为载波中心频率，Δf 为子载波间的最小间隔，通常情况下，取为符号序列( C0，C1，…，CN-1)的时间间隔; X( t)的低通复包络为S( t)=如果以为采样率对S ( t)采样，则周期［0，T］内共有个样值，得采样序列:

由式(1)可知，当以fs对S ( t)采样时，得到的N 个样值正好是的N 点离散傅里叶逆变换。

OFDM 调制原理是，在发射端，数据经QAM 调制后，形成数据速率为Rb 的二进制序列，在OFDM 部分，数据在串并转换模块中转换成N 路并行子信号。设OFDM 码元周期为T，将其分成Ct=RbT 个比特一组，这Ct个比特被分配到N个子信道上经过编码后映射为N 个复数子符号Xk(k=0，1，…，N-1 )，其中子信道K 对应的子符号Xk代表bk个比特，对这N 个复数子符号做IFFT，并将结果转换成串行输出。由于信道的多径效应可能产生码间干扰，因此要在信号发送前在码元之间插入L 个点的保护间隔CP，只要CP 大于信道最大时延，那么所有时延小于CP 的多径信号将不会窜入下一个码元周期，从而消除码间干扰。调制过程如图1所示。

1.2 OFDM 解调原理

OFDM 解调原理: 在接收端，OFDM 信号首先经过下变频转换为中频信号，再经A/D 转换形成接收射频信号的复包络，然后完成收发同步、去除保护间隔CP，最后经串并转换，将信号分离成N 路正交子信号后进行FFT 处理，即可恢复出原始数据。解调过程如图1 所示。

2 调制解调器硬件设计

炮兵指挥信息系统远程供电装置调制解调器的硬件设计框图如图2 所示。包括处理器( DSP)单元、电源模块、存储单元、ADC/DAC 单元、逻辑控制单元、耦合电路、复位及时钟电路、JTAG 仿真接口、数据转换模块、语音编解码模块等。

图1 OFDM 调制解调过程

DSP 为调制解调器的核心，用于完成OFDM 的调制与解调，我们选用TI 公司的TMS320VC5402。TMS320VC5402 有16 位的外部存储接口EMIF，为CPU 访问外围设备提供了无缝接口，为了便于多信道数字信号处理，TMS320VC5402 配备了多信道带缓冲能力的串口McBSP。

FPGA 是调制解调器的控制核心。逻辑控制信号及时钟由FPGA 提供，选用了Altera 公司的EPM7128。EPM7128 芯片结构中包括逻辑阵列块( LAB)、宏单元、扩展乘积项( 共享和并联)、可编程连线阵列( PIA)和I/O 控制块5 部分。

数字上变频器使用ADI 公司的AD9957，AD9957 的内部工作频率最高可达1GHz，具有18 位的IQ 数据通道和14 位的DAC。集成了高速直接数字频率合成器( DDS)，高性能高速14 位数模转换器( DAC)，时钟乘法器电路，可编程的内插滤波器，8 位可调的输出增益。

数字下变频器使用ADI 公司的AD6654，AD6654 具有4或6 通道的数字下变频器，单片上集成了14 位的ADC，内置ADC 的最高采样频率为92.16 MHz。

数据转换模块由Atmega1 28 和TDK73K222 组成，用于完成信息系统便携式指挥机或终端信息的解调和调制，并将数据交由处理器DSP 处理，完成数据的OFDM 调制解调。

语音编解码模块选用TI 公司的TLC320AD50，内部集成了16 位A/D 和D/A 转换器，采样速率最高可达22.05 kHz，并可通过外部编程进行设置。输入放大采用了高性能低噪声运算放大TLC2272，AD50 单端输出信号经过音频功率放大器LM386 放大后输出。

耦合模块使用共模并联电容耦合方式，用双副边耦合变压器代替传统的单边耦合变压器。这样，耦合电路受阻抗变换影响将会减小，使耦合网络的特性对变压器阻抗的依赖性减少，具有宽带和低滚降效应。

电源模块的功能是从被复线中传输的交流电获取电压，为调制解调器、数据转换模块以及便携式指挥机或终端提供所需的电源，本设计中采用TPS767D301 芯片为DSP 提供3.3 V 和1.8 V 两种电压，采用LM2756 提供5 V，12 V 和15 V电压。

图2 调制解调器硬件结构

3 调制解调器软件设计

3.1 软件流程

程序执行时首先进行一系列的初始化配置工作，如配置DSP 片内外设的各种参数等。语音编码模块和数据转换模块将需要调制的数据准备好后向DSP 产生中断请求，DSP 响应中断，数据经过串并转换后交由DSP 完成QAM 调制，随后进行IFFT 以及加入循环前缀( 即复制数据的后若干位插入到数据的前段)。所得数据再经过D/A 转换形成基带OFDM信号，最后进行数字上变频，将信号频谱搬移到适合信道传输的频带并发射出去。调制流程如图1 所示。

解调部分，接收端将接收到的信号经过数字下变频形成基带OFDM 信号后，再在DSP 中完成去除循环前缀( 即删去数据的前若干位)，然后对去除循环前缀后的数据进行FFT变换，最后通过译码即可得到源数据。解调流程如图1所示。

3.2 FFT 实现

从软件流程可以看出，实现OFDM 调制解调的中心任务就是实现FFT 算法，本设计中用DSP 的汇编程序实现FFT算法主要分为4 步:①实现输入数据的比特反转;②实现N点复数FFT; ③功率谱的计算;④输出FFT 结果。

汇编程序由rfft_task、bit_rev、fft 和power 四个子程序组成。

rfft_task:主调用子程序，用来调用其他子程序，实现统一的接口。

bit_rev: 位码倒置子程序，用来实现输入数据的比特反转。

Power:功率谱计算子程序。

Fft:FFT 算法子程序，用来完成N 点FFT 运算。在运算过程中，为避免运算结果的溢出，对每个蝶形的运算结果右移1 位。Fft 子程序分为3 个模块: 第1 级蝶形运算、第2 级蝶形运算和第3 级至log2N 级蝶形运算。以下是FFT 运算的部分代码:

4 结束语

本文设计的炮兵指挥信息系统远程供电装置调制解调器已经得到了实际应用。实践表明，利用该调制解调器进行通信，能够满足系统供电需求的情况下，实现高质量的数据和语音传输。

［1］Sanjit K. Mitral. Digital Signal Processing［M］. 北京: 电子工业出版社，2006:97 -104.

［2］毛婕.基于OFDM 电力线宽带通信的研究与实现［D］.保定:华北电力大学，2002.

［3］邹彦. DSP 原理及应用［M］. 北京: 电子工业出版社，2005.