一种基于OFDM技术的电缆分线测试方法*

张志友,张世军

(1.南京信息职业技术学院继续教育学院,南京 210013;2.江苏苏美达集团公司,南京 210018)



一种基于OFDM技术的电缆分线测试方法*

张志友1*,张世军2

(1.南京信息职业技术学院继续教育学院,南京 210013;2.江苏苏美达集团公司,南京 210018)

随着全球信息化的发展,电缆的应用场合已经渗透到社会的各个行业。针对基于FSK的电缆分线方法无法解决脉冲宽度和测量时间的矛盾,且只适用于短距离的传输等缺点提出了一种基于OFDM的电缆分线测试方法,仿真实验和测试结果表明该方法能有效克服了电缆信道存在的码间干扰,频率选择性衰减等问题。在提高数据传输速率的同时,有效地解决了电缆通信的问题。

正交频分复用;电缆分线;现场可编程门阵列

随着全球信息化的发展,作为信息化的一个重要传输媒质,电缆的应用场合已经渗透到社会的各个行业,在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。在军事、交通、通信、油田等重要领域,都有与电缆相关的设备,这些设备的安装、维护的数量与日剧增[1-2]。另外,由于多芯电缆的广泛应用,电缆内部包含导线数目较多且不可分,常常因没有合适的测量仪器而使设备检测和维修的难度加大。

目前国外相关产品的价格十分昂贵,其中德国BEHA公司研制生产的型号为5775的此类产品市场售价在592美元,此产品主要采用电阻分压的原理,其缺点是电阻值容易受到外界条件和电缆长度的影响,从而影响测量的准确性。另外,在使用中,必须引入一条导电良好的参考地线,这使得在长距离的电缆检测和维修中,造成了不必要的麻烦。而在国内,文献[3]提出了一种基于FSK的手持式电缆分线器设计方法,但是基于FSK的调制方式无法解决脉冲宽度和测量时间的矛盾,且只适用于短距离的传输。另一方面普通电缆是给用电设备传送电能的,而不是用来传送数据的,所以通过电力线来传输数据存在许多问题,其中信号衰减和噪声是主要问题。

因此,本文提出了一种基于OFDM电缆分线测试方法,该方法利用OFDM调制技术,有效克服了电缆信道存在的码间干扰、频率选择性衰减等问题,在提高数据传输速率的同时,有效地解决了电缆通信的问题。在系统实现过程中,通过引入FPGA技术大大增强了系统的灵活性,该方法具有非常广阔的应用前景。

1 OFDM技术特点和原理

OFDM是一种多载波传输技术,N个子载波把整个信道分割成N个子信道,N个子信道并行传输信息。OFDM系统有许多非常引人注目的优点。第1,OFDM具有非常高的频谱利用率。普通的FDM系统为了分离开各子信道的信号,需要在相邻的信道间设置一定的保护间隔(频带),以便接收端能用带通滤波器分离出相应子信道的信号,造成了频谱资源的浪费。OFDM系统各子信道间不但没有保护频带,而且相邻信道间信号的频谱的主瓣还相互重叠,但各子信道信号的频谱在频域上是相互正交的,各子载波在时域上是正交的,OFDM系统的各子信道信号的分离(解调)是靠这种正交性来完成的。第2,实现比较简单。当子信道上采用QAM或MPSK调制方式时,调制过程可以用IFFT完成,解调过程可以用FFT完成,既不用多组振荡源,又不用带通滤波器组分离信号。第3,抗多径干扰能力强,抗衰落能力强。由于一般的OFDM系统均采用循环前缀CP(Cyclic Prefix)方式,使得它在一定条件下可以完全消除信号的多径传播造成的码间干扰,完全消除多径传播对载波间正交性的破坏,因此OFDM系统具有很好的抗多径干扰能力。OFDM的子载波把整个信道划分成许多窄信道,尽管整个信道是有可能是极不平坦的衰落信道,但在各子信道上的衰落却是近似平坦的,这使得OFDM系统子信道的均衡特别简单,往往只需一个抽头的均衡器即可。

OFDM基本原理如图1所示。

OFDM信号s(n)通过时变多径信道,设信道衰落比较缓慢,在一个OFDM符号间隔内信道的冲击响应不变,记为g(n),则OFDM接收机收到的信号r(n)为

其中,“·”表示离散序列的(线性)卷积运算。

循环前缀CP使得s(n)成为s1(n)的循环扩展,根据数字信号处理的知识当CP的长度≥g(n)(的支撑即最大非零定义域)长度时,r(n)去掉循环前缀后所得r1(n)为

其中,“⊗”表示循环卷积运算[WSY1]。

根据DFT的时域卷积定理,r1(n)经过FFT后的输出y(n)为

=X(n)·DFT[g(n)]+N1(n)

=X(n)·G(n)+N1(n)

其中G(n)是信道的频域响应,通过简单的均衡就可以消除其影响,提取出所传输的数据X(n)。

应该指出,虽然CP在一定条件下可以完全消除ISI和ICI,但接收信号去掉CP后在作DFT前,仍然存在帧内符号间干扰,即OFDM帧符号与信道作了(循环)卷积,经DFT解卷积后,通过均衡消除了帧内符号间干扰并得到信息序列X(N)。

2 设计方案

2.1 系统总体设计方案

总体设计方案将通用型电缆综合测试仪分成两个部分(图2):主控部件和线序接收部件,分别连在电缆两端。

图2 系统总体框图

图3 程序存储模块接口图

当系统工作于电缆测序模式时,主控部件主要完成在测试信号的发送,线序接收部件负责完成测试信号的接收,从而实现线序的配对。

2.2 主控部件设计方案

2.2.1 硬件平台设计

主控部件主要利用FPGA实现OFDM信号产生以及发送过程,硬件平台主要有以下几部分组成:程序存储模块、数据存储模块、时钟电路、电源电路。

程序存储模块接口图如图3所示。

数据存储模块采用1 Meg Bits×16 Bitso×4 Banks(64 Mbit)SDRAM;时钟频率:166 MHz、143 MHz;完全同步,所有信号参考一个正的始终脉冲边沿;内部的存储模块用于屏蔽access/预充电;单3.3 V供电;LVTTL接口;短促的可编程脉冲串长度-(1,2,4,8,full page);短促的可编程脉冲串序列:连续的/交错的;自更新模式;每64 ms 4096次刷新;随机列地址每个时钟周期可编程的CAS等待时间(2,3 clocks);强制读/写的操作能力;

数据模块接口示意图如图4所示。

图4 数据模块接口示意图

2.2.2 FPGA软件设计

主控端的FPGA软件实现主要利用VHDL描述硬件功能,以完成二进制数据的OFDM调制,其结构框图如图5所示。

图5 OFDM调制框图

主要功能模块包含信号发生器、RS编码器、RS编码缓冲区、间隔保护功能、补零、IFFT等部分。基本原理为:信号发生器产生传输的4位进制码组,RS编码器对其进行编码,然后存入缓冲区,以提供插入保护间隔所需要的36 bit编码数据,插入间隔后补28个零,组成64 bit数据进行IFFT计算,生成OFDM调制信号。

系统软件操作流程如图6所示。

图6 主控端系统软件操作流程

2.3 线序接收部件

线序接收部件的功能是实现测序信号的解调,完成信号表现形式的转化。线序接收部件主要利用FPGA实现OFDM信号的解调以及液晶显示。

2.3.1 硬件平台设计

线序接收部件的硬件平台基本与主控相似,只是由于在线序接收部件的硬件平台基础上叠加了相应的液晶显示接口。

线序接收部件的液晶接口如图7所示。

本系统采用GDM1602A LCD屏幕和两块PI15C3384C构成LCD接口,通过对FPGA进行逻辑编程实现液晶的控制器的功能。

PI15C3384C是10 bit,2-port总线开关,用于LCD电流驱动。其特点为接近零的延时;低噪声,25 Ω类型;5 Ω开关连接输入和输出之间;直接与总线相连当开关开起;超低的静态供电(0.2 μA)。

2.3.2 FPGA软件设计

接收端的FPGA软件实现主要完成数据的OFDM解调,OFDM解调的FPGA结构框图如图8所示。

解调是调制的反操作,分别是FFT计算、去零、去间隔和RS译码。其中关键技术是RS编、译码、插入保护保护间隔和快速傅里叶变换的FPGA实现。

图7 线序接收部件的液晶接口图

图8 OFDM解调框图

图9 接收端系统软件操作流程

3 实验结果

该OFDM调制解调器使用VHDL硬件描述语言进行设计输入,并使用Altera公司的Quartus Ⅱ 7.1开发软件实现了综合后仿真以及布局布线后仿真。系统最高运行时钟频率为50 MHz,采用10 MHz输入输出数据的时钟,40 MHz内部处理时钟,16点FFT运算单元的运算时间为0.84 μs,整个系统以10 Mbit/s的速度处理连续的数据流,满足OFDM系统高速和实时的要求。仿真效果如图6所示。其中调制器部分占用54个引脚(占总数的31%),逻辑单元4 643个(占38%),存储单元3 008个(占1%);解调器部分占用61个引脚(35%),逻辑单元5 341个(占44%),存储单元13 464个(占6%)。

在电厂实际工作环境中,与文献[3]设计的不同条件下正确率对比情况如表1所示。

表1 不同条件下正确率对比

由表1可知本文所提方法性能明显由于文献[3]的方法,且可靠传输距离可达到1 km以上,并且抗干扰能力强。同时,选用FPGA作为核心器件,使系统更灵活,便于扩展线序。

4 结论

本文提出了一种基于OFDM电缆分线测试方法,该方法利用OFDM调制技术,有效克服了电缆信道存在的码间干扰、频率选择性衰减等问题,在提高数据传输速率的同时,有效地解决了电缆通信的问题。在系统实现过程中,通过引入FPGA技术大大增强了系统的灵活性,该方法具有非常广阔的应用前景。

图10 仿真测试结果

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张志友(1982-),男,汉,讲师/工程师,江苏盐城人,南京信息职业技术学院继续教育学院教师,研究方向为测试计量与仪器,zhangzy@njcit.cn;

张世军(1968-),男,工学硕士,东南大学电厂热能动力工程及自动化专业毕业,研究方向为热工自动化、电力自动化等,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

项目来源:国家自然科学基金项目(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