CN114143154B - 基于ofdm调制的单对双绞线以太网传输***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***及方法，包括，发射机及接收机；其中，发射机用于接收以太网传输的数据，将传输的数据切分为数据帧，将数据帧分别送入不同通道，对不同通道下的数据帧分别进行数据处理及数模转换，生成模拟信号，将模拟信号耦合到单对双绞线内进行传输；接收机用于接收单对双绞线内的模拟信号，通过对模拟信号进行模数转换，得到OFDM数字信号，对不同通道下的OFDM数字信号进行同步及信道估计与均衡处理，得到解码前信号，对解码前信号进行数据处理得到正确数据，将不同通道下的正确数据传输给以太网。本发明能够提高***传输带宽和传输距离，确保以太网数据传输的实时性和确定性。

Description

基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***及方法

技术领域

本发明涉及信号传输技术领域，特别涉及基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***及方法。

背景技术

工业以太网作为一种高效的局域网络，是现代工业自动化体系中的关键部分和智能工厂建设的基础。双线以太网因采用单对双绞线传输数据和供电，能够降低网络***的硬件成本、增加单位体积内布线的容量，是工业以太网的发展趋势。目前存在标准不够完善、缺乏专用芯片、产业应用场景稀少问题。

对于工业通信领域而言，实时性与确定性是发展的方向，高带宽和长距离传输也是应用的需求。目前传统工业以太网通信物理层都是基于PAM（Pulse AmplitudeModulation，脉冲振幅调制）调制的单载波调制技术，虽然在有线传输领域单载波调制已经相对成熟，但是在实际应用时存在传输距离近和抗干扰性差等缺点。而在物理层采用基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）的多通道频分复用技术之后，能在一个信道传输声音、图像和数据信息，使***具有多种用途；一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，因此信道的容量大大增加；宽带传输的距离远，在实际应用时有着很大的优势。

发明内容

为解决上述现有技术中所存在的上述问题，本发明提供基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***及方法，能够提高***传输带宽和传输距离，支持最小循环周期，确保以太网数据传输的实时性和确定性。

为实现上述技术内容，本发明提供了基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，包括：发射机及接收机；

其中，所述发射机用于接收以太网传输的数据，将传输的数据切分为数据帧，将数据帧分别送入不同通道，对不同通道下的数据帧分别进行数据处理，生成F-OFDM信号，对F-OFDM信号进行数模转换，生成模拟信号，将模拟信号耦合到单对双绞线内进行传输；

所述接收机用于接收单对双绞线内的模拟信号，通过对模拟信号进行模数转换，得到OFDM数字信号，对不同通道下的OFDM数字信号进行同步及信道估计与均衡处理，得到解码前信号，对解码前信号进行数据处理得到正确数据，将不同通道下的正确数据传输给以太网。

优选的，所述发射机包括：扰码模块、级联编码模块、交织模块、调制模块、IFFT模块、导频***模块、添加循环前缀和加窗模块、两线制模拟前端信号发射模块；

其中，所述扰码模块、所述级联编码模块、所述交织模块、所述调制模块、所述IFFT模块、所述导频***模块、所述添加循环前缀和加窗模块、所述两线制模拟前端信号发射模块依次连接，所述导频***模块与所述IFFT模块连接。

优选的，所述接收机包括：帧检测和符号同步模块、去循环前缀模块、FFT模块、信道估计与均衡模块、采样频率同步模块、解调制模块、解交织模块、解码模块、解扰模块和两线制模拟前端信号接收模块；

其中，所述两线制模拟前端信号接收模块、所述去循环前缀模块、所述FFT模块、所述解调制模块、所述解交织模块、所述解码模块及所述解扰模块依次连接，所述帧检测和符号同步模块、所述采样频率同步模块分别与所述去循环前缀模块连接，所述信道估计与均衡模块分别与所述FFT模块、所述解调制模块连接。

优选的，所述两线制模拟前端信号发射模块包括DAC模块及差分放大模块。

优选的，所述两线制模拟前端信号接收模块包括PGA模块及ADC模块；其中所述PGA模块用于接收单对双绞线内的模拟信号，根据信号传输的距离动态调整接收信号的功率。

优选的，所述DAC模块及ADC模块通过晶振获取时钟信号。

优选的，所述***中，所述单对双绞线进行数据传输时，支持四路通道数据传输，其中四路通道包括1.536-16.896MHz频带、16.896-32.256MHz频带、32.256-47.616MHz频带、47.616-62.976MHz频带，所述四路通道独立配置参数及子载波间隔，同时传输周期性数据和非周期性数据。

优选的，所述四路通道根据不同的工作模式独立配置参数及子载波间隔，同时传输周期性数据和非周期性数据；其中，所述工作模式包括TDD和FDD的双工工作模式。

优选的，所述工作模式通过手动调制或者自适应调制进行设置，其中，所述自适应调制通过动态信道传输模型根据工作环境与单对双绞线信道情况自适应调整工作参数；

其中动态信号传输模型包括预先对发射机发送训练序列，接收端接收序列后根据传输过程中的损失对信道情况进行预估计，并根据预估计结果，选取不同通道的调制阶数。

为更好的实现上述技术效果，本发明还提供了基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输方法，包括：

接收以太网传输的数据，将传输的数据切分为数据帧，将数据帧分别送入不同通道，对不同通道下的数据帧分别进行数据处理，生成F-OFDM信号，对F-OFDM信号进行数模转换，生成模拟信号，将模拟信号耦合到单对双绞线内进行传输；

接收单对双绞线内的模拟信号，通过对模拟信号进行模数转换，得到OFDM数字信号，对不同通道下的OFDM数字信号进行同步及信道估计与均衡处理，得到解码前信号，对解码前信号进行数据处理得到正确数据，将不同通道下的正确数据传输给以太网。

本发明具有如下技术效果：

本发明采用基于有线物理介质的多通道频分复用高带宽传输技术，在单对双绞线以太网PAM调制技术基础上增加了一种可选方案，采用OFDM技术可以同时支持时分和频分复用，提高***传输带宽和传输距离，支持最小循环周期，确保以太网数据传输的实时性和确定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于PAM调制的单对双绞线以太网传输***结构图；

图2为基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***总体结构示意图；

图3为两线制模拟前端装置示意图；

图4为基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***实现方法的步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

为了解决在现有技术中存在的问题，本发明提供了如下方案：

本发明提出的基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***中，在单对双绞线以太网物理层中创新性使用了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）技术，该技术相比于传统的单载波调制技术能极大提高以太网频带利用率，提高信道传输时抗干扰的能力，特别适用于工业以太网环境中。同时在提高以太网数据传输距离的同时不会降低带宽，特别使用于中距离高带宽需求的工业以太网现场。

如图1所示，图1为现有技术中基于PAM调制的传统单对双绞线以太网传输***结构图，GMII接口接收MAC芯片传输的MPDU（Media Protocol Data Unit，媒体协议数据单元），在PCS层经过简单的扰码和编码处理，主要在模拟部分对数据进行处理，包括对回声和***损耗进行补偿，对数据进行译码等操作，实现难度大，***复杂，对模拟技术要求较高。

而本申请在单对双绞线以太网物理层中采用多通道频分复用高带宽传输技术，有异于传统的单载波调制技术。使用多通道频分复用技术时，发射机首先将MAC传输过来的数据按照工作模式切分成固定长度的帧，再按数据帧的优先级送入不同的通道进行数据处理。在每一通道中，送入的数据首先要进行扰码操作，然后送入前向纠错处理单元进行级联编码操作，根据不同的工作模式，级联编码的编码长度也不一样，以提供不同的纠错能力。之后进行交织及调制处理，不同的调制方式对应不同的带宽，再进行***导频操作，用于后续信道估计及均衡。将各信道处理完成的数据串并转换后经过IFFT和加窗处理形成CP-OFDM调制，不同信道的IFFT点数不一样，由工作模式决定。之后各通道数据单独利用数字滤波器进行低通滤波对带外进行有效抑制，四通道数据叠加后形成基带信号，利用专用的单对双绞线模拟前端装置调制后耦合到单对双绞线内进行传输；

接收机通过专用的单对双绞线模拟前端转置接收基带信号，利用各自信道的数字滤波器对符号序列进行提取，再送入FFT完成CP-OFDM的解调，解调后的数据需要送入信道估计及均衡模块进行处理，以对双绞线信道产生的干扰和噪声进行补偿，补偿后的数据再经过解调模块及前向纠错处理单元中的译码模块分别进行译码，得到译码后的数据即可送回MAC。

该***将以太网MAC（Medium Access Control，媒体接入控制）的数据经过一系列处理，以OFDM符号的形式送到模拟前端信号发射模块，将信号调制到单对双绞线基带的多个子载波上发射出去，在接收端，从多子载波上接收信号解调之后还原成OFDM符号，经过同步处理等，还原成以太网数据，完成整个***的发送与接收。与单载波***相比，由于采用OFDM调制，使得基带信道支持不同的子载波间隔，具有不同的最小循环周期，满足工业以太网不同应用场景中对实时性的不同要求。同时，由于在时域将信号展宽，使得信号可以传递更远的距离，满足工业现场对于中距离传输数据的要求。

所述单对双绞线以太网传输***应用于工业以太网及车载以太网物理层中，该***兼容传统的单对双绞线物理层，同时支持更多扩展功能，提供更高的带宽与更远的传输距离。

该***拥有多种工作模式，不同的工作模式对应不同的带宽与实时性要求，可满足不同场景的需求。同时支持四通道数据并网传输，每一通道都可独立配置，可用于周期与非周期数据并网传输。且同时支持TDD和FDD的双工工作模式，支持多用户接入，拥有更大的灵活性。***工作模式可手动选择也可以***自适应调制，由内置的动态信道传输模型根据工作环境与双绞线信道情况自动选择最合适的工作参数，以保证传输质量不受影响。

该***采用多载波传输技术能在单对双绞线上同时支持4通道数据传输，支持1.536-16.896MHz频带，支持16.896-32.256MHz频带，支持32.256-47.616MHz频带，支持47.616-62.976MHz频带，四路通道可独立配置参数，独立设置子载波间隔，可同时传输工业所需的周期性数据和非周期性数据，可支持多用户接入。由于多载波带宽更大，增加了传输距离和抗干扰的能力。根据应用场景的不同，可以调整子载波间隔即调制数据最小循环周期，使其应用于对实时性要求不同的场景，满足不同的需求。

该***由于采用多通道频分复用传输技术，在单对双绞线网络传输数据时，可同时支持TDD（Time Division Duplexing，时分双工技术）或FDD（Frequency DivisionDuplexing，频分双工技术），***灵活性更强。采用TDD工作时，按时间划分***工作方式，发送与接收时间平均分配，单对双绞线四通道同一时刻只能发送或者接收数据，与传统单对线工作模式相同。采用FDD时，四路通道可单独配置成上行或者下行，通常采用两路上行和两路下行，上下行数据带宽相同，实现真正的全双工工作。

该***内置的动态信道传输模型会在每次数据传输之前预先向对端发送训练序列，对端接收训练序列后会根据传输过程中的损失对信道情况进行预估计，评估每一子载波信道的优劣情况，根据信道情况选择合适的调制阶数，对于稳定的信道，采用高阶调制，对于不稳定的信道，采用低阶调制。由此可以最大化信道容量，同时保证***带宽不受影响。

如图2所示，为本发明实现的基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***的具体结构，主要包括：发射机包括扰码模块，级联编码模块，交织模块，调制模块，IFFT模块，导频***模块，添加循环前缀和加窗模块，两线制模拟前端信号发射模块等。接收机包括帧检测和符号同步模块，去循环前缀模块，FFT模块，信道估计与均衡模块，采样频率同步模块，解调制模块，解交织模块，解码模块，解扰模块和两线制模拟前端信号接收模块等。每个模块的作用如下：

扰码模块，对数字信号的比特级进行随机处理，减少连0和连1的出现，从而减少码间干扰和抖动，方便接收端的时钟提取；同时又扩展了基带信号频谱，起到加密的效果；

级联编码模块，用于传输数据的纠错检错，降低传输的误码率，同时提供编码增益；

交织模块，用于改进级联码的性能，提供频率隔离以及减轻频率选择性衰减、窄频带干扰，提高突发纠错性能；

调制模块，用于将基带信号变换成适合信道传输的信号，提高发射效率；

IFFT模块，用于频域到时域的转换，快速实现子载波的正交叠加；

导频***模块，导频为已知数据，用于快速进行帧检测，符号同步，同时可用于信道估计和采样频率同步，提高准确度的同时降低资源的使用；

添加循环前缀和加窗模块，用于消除ISI（Inter Symbol Interference，符号间干扰）和降低OFDM符号的带外功率；

两线制模拟前端信号发射模块，用于将OFDM数字信号转换成模拟信号发送到信道上，同时进行滤波和功率放大处理；

帧检测和符号同步模块，用于对信道上突发传输的数据进行检测，同时精确定位OFDM符号的位置，便于后续解调处理；

去循环前缀模块，去除之前添加的循环前缀；

FFT模块，用于时域到频域的转换，实现对正交叠加子载波的解调；

信道估计与均衡模块，用于估计出信道的时域或频域响应，对接收到的数据进行校正和恢复，以获得相干检测的性能增益。

采样频率同步模块，用于消除发射机DAC（Digital to analog converter，数模转换器）和接收机ADC（Analog to digital converter）采样周期和相位之间偏差带来的影响，保持子载波的正交性。

解调制模块，解交织模块，解码模块和解扰模块，发射机部分功能的逆过程。

两线制模拟前端信号接收模块，用于将双绞线上的模拟信号转换为OFDM数字信号送入后续模块进行处理，同时根据传输距离调整接收功率。

如图3所示，图中展示了两线制模拟前端信号发送和接收模块的主要组成。主要包括PGA、ADC、DAC、晶振和差分放大器。发送和接收信号的主要工作流程如下：

发送数据时从前处理模块获取OFDM符号数据流，首先通过DAC进行数模转换，需要进行过采样，得到所需的模拟信号，在前处理过程中已经进行了滤波操作，因此此处不需要再进行滤波；得到模拟信号后，由于传输距离较远，需要对信号进行差分放大操作，在发送时以恒定功率放大，将放大后的信号发送到双绞线上；接收数据时从双绞线上首先获得模拟信号，需要根据信号传输的距离通过PGA动态调整接收信号的功率，以保证能收到大部分的信号；之后将接收到的模拟信号送入ADC进行模数转换，得到所需的OFDM数字信号，送入后续模块进行处理；

晶振为高速ADC和DAC提供所需的时钟。

实施例二

本发明还提供了基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输的方法：

图4为本发明实现基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输实现方法的步骤流程图。如图4所示，本发明实现基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，包括如下步骤：

首先从MAC芯片处通过GMII接口获取MPDU（Media Protocol Data Unit，媒体协议数据单元），将数据单元按需求分发到四个不同频段的通道；

每个通道内的数据首先进行扰码处理，再通过级联编码***进行前向编码处理，之后进行交织编码处理，得到编码后的数据单元。

编码后的数据单元需要进行高阶调制，根据信道的情况，对不同子载波的数据进行不同的阶数的调制，保证***总带宽不变，调制完成的数据需要按序***导频信号，包括训练序列导频和块状导频。

调制完成且***导频的数据需要进行快速傅里叶变换，完成从频域到时域的转换，再进行添加循环前缀和加窗操作，得到CP-OFDM数据。

再根据各子带的不同参数利用低通滤波器对各子带的数据进行分别滤波，得到F-OFDM数据。

处理完成的F-OFDM数据需要送入模拟前端AFE进行数模转换和功率放大，调制完成的信号耦合到双绞线信道上进行传输。

接收时从双绞线信道上接收模拟信号，需要根据传输距离动态调整接收功率保证接收信号的完整性，再进行各子带的单独滤波去除噪声和干扰。

需要对得到的OFDM数字信号进行同步，包括符号同步和采样频率同步，还需要进行信道估计与均衡操作，才能得到较为准确的解码前的信号。

最后对数据进行解调制，解交织，级联译码和解扰码操作才能得到正确的数据。将四个通道的数据单独或合并后送回MAC进行处理。

综上所述，基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***是一种新型的单对双绞线以太网物理层实现方案，该方案能实现传统单载波调制以太网传输的所有功能，同时由于采用多载波调制技术，能在保持传输带宽的情况下提高传输的距离，提高传输过程中抗干扰的能力，同时还能根据不同的应用场景，调整传输的最小循环周期，应用于对实时性需求不同的工业场景，该方案灵活性更大，适用性更广，具有良好的应用前景。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于，包括：发射机及接收机；

其中，所述发射机用于接收以太网传输的数据，将传输的数据切分为数据帧，将数据帧分别送入不同通道，对不同通道下的数据帧分别进行数据处理，生成F-OFDM信号，对所述F-OFDM信号进行数模转换，生成模拟信号，将模拟信号耦合到单对双绞线内进行传输；

所述接收机用于接收所述单对双绞线内的模拟信号，通过对模拟信号进行模数转换，得到OFDM数字信号，对不同通道下的OFDM数字信号进行同步及信道估计与均衡处理，得到解码前信号，对所述解码前信号进行数据处理得到正确数据，将不同通道下的正确数据传输给以太网；

所述发射机包括：扰码模块、级联编码模块、交织模块、调制模块、IFFT模块、导频***模块、添加循环前缀和加窗模块、两线制模拟前端信号发射模块；

其中，所述扰码模块、所述级联编码模块、所述交织模块、所述调制模块、所述IFFT模块、所述导频***模块、所述添加循环前缀和加窗模块、所述两线制模拟前端信号发射模块依次连接，所述导频***模块与所述IFFT模块连接；

所述接收机包括：帧检测和符号同步模块、去循环前缀模块、FFT模块、信道估计与均衡模块、采样频率同步模块、解调制模块、解交织模块、解码模块、解扰模块和两线制模拟前端信号接收模块；

其中，所述两线制模拟前端信号接收模块、所述去循环前缀模块、所述FFT模块、所述解调制模块、所述解交织模块、所述解码模块及所述解扰模块依次连接，所述帧检测和符号同步模块、所述采样频率同步模块分别与所述去循环前缀模块连接，所述信道估计与均衡模块分别与所述FFT模块、所述解调制模块连接。

2.根据权利要求1所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：所述两线制模拟前端信号发射模块包括DAC模块及差分放大模块。

3.根据权利要求2所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：所述两线制模拟前端信号接收模块包括PGA模块及ADC模块；其中所述PGA模块用于接收单对双绞线内的模拟信号，根据信号传输的距离动态调整接收信号的功率。

4.根据权利要求3所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：所述DAC模块及ADC模块通过晶振获取时钟信号。

5.根据权利要求1所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：所述***中，所述单对双绞线进行数据传输时，支持四路通道数据传输，其中四路通道包括1.536-16.896MHz频带、16.896-32.256MHz频带、32.256-47.616MHz频带、47.616-62.976MHz频带，所述四路通道独立配置参数及子载波间隔，同时传输周期性数据和非周期性数据。

6.根据权利要求5所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：

所述四路通道根据不同的工作模式独立配置参数及子载波间隔，同时传输周期性数据和非周期性数据；其中，所述工作模式包括TDD和FDD的双工工作模式。

7.根据权利要求6所述基于OFDM调制的单对双绞线以太网传输***，其特征在于：

所述工作模式通过手动调制或者自适应调制进行设置，其中，所述自适应调制通过动态信道传输模型根据工作环境与单对双绞线信道情况自适应调整工作参数；

其中动态信号传输模型包括预先对发射机发送训练序列，接收端接收序列后根据传输过程中的损失对信道情况进行预估计，并根据预估计结果，选取不同通道的调制阶数。

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