基于OFDM技术的电力线载波通信系统的设计与实现

摘要

随着科学技术的发展，信息时代的到来，信息的传输成为支撑人类社会活动和交流的基础。电力线载波通信，作为一种新的家庭宽带接入手段，引起了人们极大的关注。低压电力线载波通信技术由于涉及到家庭自动化和家庭上网的良好前景而备受瞩目。正交频分复用(OFDM)技术被认为是目前在具有频率选择性衰减特性通信环境中实现高速信号传输的主流技术，因此，基于OFDM技术的电力线载波通信系统具有频带利用率高，能有效对抗频率选择性衰落和载波间干扰，有效克服符号间干扰等特点。但是实现OFDM电力线载波通信系统的一个难点是OFDM调制会产生大的峰均功率比(PAPR)，导致系统对放大器件的线性度要求增大，因此必须通过一定的方法来降低峰均功率比，避免实现系统的非线性失真和频谱扩散。
　　 本文在熟悉TMS320C6000 DSP芯片结构、软件开发环境Code Composer Studio(CCS)及其开发流程的基础上，结合TI公司提供的TMS320C6701EVM板，通过NXP的ARM芯片LPC2132作为控制中心，配上显示模块和外围电路的设计，完成了基于OFDM技术的电力线通信系统的设计和实现。论文根据系统基带数学模型和结构模型，提出了OFDM电力线载波通信系统的整体设计方案，并完成了系统外围电路各个模块电路，包括D/A, A/D，滤波，功放，耦合等电路的分析和设计，构建了OFDM电力线载波通信系统的硬件平台。本文在CCS环境下采用C语言和线性汇编语言实现系统调制和解调各部分软件模块化编程，并在ADS(ARM Developer Suite)环境下完成MCU的各任务编程和现实模块的编程，从而完成了系统软件设计和实现。
　　 在系统硬件实现的前提下，通过对现有通信系统峰均比降低技术的研究，提出了构造N阶矩阵T和预补偿技术来解决高峰均比的问题。在预补偿技术中，摒弃了传统的坐标，而是采用极坐标查表的方式来进行预补偿，从而降低OFDM系统的高峰均比。
　　 通过测试，本文完成的基于OFDM技术的电力线载波通信系统具有较好的数据传输性能，峰均比降低效果好，可作为OFDM电力线载波通信系统和算法验证平台。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究的背景

1.2 电力线载波通信系统研究现状

1.2.1 国内电力线载波通信现状

1.2.2 国外电力线载波通信现状

1.2.3 电力线载波通信的设计方案及存在的问题

1.2.4 电力线载波通信的优缺点

1.3 电力线信道分析

1.3.1 噪声特性

1.3.2 阻抗特性

1.3.3 衰减特性

1.4 论文内容及章节安排

第二章 OFDM技术及其在电力线载波通信中的关键技术研究

2.1 电力线载波通信中的OFDM技术

2.1.1 OFDM调制的基本原理

2.1.2 0FDM技术应用于电力线载波通信的系统组成

2.2 0FDM调制（通信系统）的峰均比降低技术

2.2.1 OFDM峰均比的定义

2.2.2 高峰均比带来的问题

2.3 基于矩阵变换降低峰均比的算法研究

2.3.1 矩阵算法降低峰均功率比原理

2.3.2 构造矩阵降低峰均功率比

2.4 0FDM高峰均比的预补偿技术研究

2.4.1 预补偿技术的原理

2.4.2 极坐标法查表预补偿技术研究

2.5 本章小结

第三章 电力线载波通信系统的硬件的设计

3.1 电力线载波硬件系统框图

3.2 MCU与显示屏接口电路设计

3.3 MCU与DSP接口电路设计

3.4 发射模块前端电路设计

3.4.1 DAC转换电路设计

3.4.2 低通滤波电路设计

3.4.3 功率放大电路设计

3.4.4 上行耦合电路设计

3.5 接收模块前端电路设计

3.5.1 下行耦合电路设计

3.5.2 LNA低噪放大电路

3.5.3 BFP带通滤波电路

3.5.4 AGC自动增益调节电路

3.5.5 ADC模数转换电路

3.6 复位电路设计

3.7 FLASH存储器电路设计

3.8 电源电路设计

3.8.1 5V电源设计

3.8.2 3.3V电源设计

3.9 本章小结

第四章 电力线载波通信系统的软件的设计

4.1 MCU程序设计

4.1.1 MCU初始化

4.1.2 MCU串口任务

4.1.3 MCU主程序

4.2 0FDM调制解调软件功能模块编写

4.2.1 1/2卷积码编码器

4.2.2 交织与反交织器

4.2.3 数字调制模块

4.2.4 IFFT/FFT转换模块

4.2.5 循环前缀模块

4.2.6 数字解调模块

4.3 显示器控制界面设计

4.4 字库烧写软件的编写

4.4.1 字符的形成

4.4.2 字库软件编写

4.5 本章小结

第五章 实验和结果分析

5.1 实验测试

5.1.1 距离测试

5.1.2 抗干扰测试

5.1.3 抑制峰均比效果测试

5.2 实验结果分析

5.3 本章小结

第六章 总结

6.1 本文主要结论

6.2 今后进一步的改进之处

攻读学位期间发表的学术论文目录

致谢

参考文献