基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設計

1、基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設計及FPGA實現(xiàn)摘要：本文分析研究了基于OFDM的電力線載波通信標準G3-PLC的基本參數(shù)，前導等進行設計，并進行電力線信道特性分析，并對基于OFDM的PLC系統(tǒng)進行設計，利用FPGA器件和單片機實現(xiàn)基于OFDM低壓電力線載波通信系統(tǒng)，對FPGA進行簡單介紹，并對整個系統(tǒng)進行設計，包括MCU設計、發(fā)射機設計和接收機設計。該系統(tǒng)通過試驗證明可以實現(xiàn)國內低壓配電網(wǎng)上穩(wěn)定工作，能滿足基本的設計要求。關鍵詞：電力線通信；電力線載波通信系統(tǒng)設計；FPGA實現(xiàn)The Design of Power Line Communication System based on OFD

2、M and Its FPGA ImPlementationAbstract: This paper analyzed the standard G3 - power line carrier-current communication based on OFDM basic parameter of the PLC, the frame structure, leading to carry on the design, and analysis of power line channel characteristics, and to design a PLC system based on

3、 OFDM, using FPGA device and microcomputer based on OFDM low voltage power line carrier communication system, for a brief introduction to the FPGA, and carries on the design of the whole system, including MCU design, design of transmitter and receiver design. Through experiments prove that this syst

4、em can realize the steady work of low-voltage distribution online, can satisfy the basic design requirements.Key words: Powerline communication; Power line carrier communication system design; The FPGA implementation1引言 電力線載波通信技術早在20世紀初就可以被應用，主要應用于110 kV以上的高壓遠距離輸電線路上，工作頻率在150 kHz以下1。隨著通信技術的不斷發(fā)展，逐漸從中

5、壓配電網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)上應用于家庭、小型辦公室聯(lián)網(wǎng)及高速internet接入等小型設備。同時也需要更為細微的設備系統(tǒng)被應用，低壓電力線載波通信系統(tǒng)是當前使用比較廣泛的一種系統(tǒng)，其必須采用一種非常有效可靠的調制方式來應對比較惡劣的信道環(huán)境。正交頻分復用（OFDM）技術是一種有效的能克服電力線通道多徑傳輸和頻率選擇性，具有高效的頻譜利用率2。因此OFDM技術也就成為當前使用比較普遍的技術。本文基于OFDM技術來進行電力線載波通信系統(tǒng)設計，并對PLC系統(tǒng)進行深入研究從而實現(xiàn)FPGA，從而設計出一個能夠在國內低壓配電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運行的OFDM電力線載波通信系統(tǒng)。2基于OFDM的PLC系統(tǒng)的原理及協(xié)議處理2

6、.1電力線信道特性的分析 PLC即可編程邏輯控制器(ProgrammableLogicController，PLC)的簡稱，它采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算術操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程3。當前使用比較多的電力線信道特性特性主要有輸入阻抗特性、衰減特性、噪聲特性等特性，通過這些特性的應用可以達到相應的效果，從而減少在實際應用中的誤差。2.2 OFDM技術的合理性 OFDM技術是一種多載波的調制方式，可以看做一種調制技術，也可以看做是一種復用技術4。此技術已經(jīng)被數(shù)字音視頻廣播，無線局域網(wǎng)通信，有

7、線電話網(wǎng)等領域應用。但是大量學者5-7將其應用于不同低壓電網(wǎng)的現(xiàn)場試驗，也說明了OFDM技術可以應用于PLC網(wǎng)絡，也具有良好的前途。本研究中將OFDM技術應用于電力線載波通信系統(tǒng)，這個研究也是通過多年的學者的研究證實是可以的方案，因此在本文中將OFDM技術應用電力線載波通信系統(tǒng)的設計中也是比較成熟的技術。2.3基于OFDM的電力線通信協(xié)議G3-PLC G3-PLC協(xié)議是由Maxim Integrated Products(美信公司)和法國電力公用事業(yè)公司ERDF共同開發(fā)8，并于2009年發(fā)布的一種共同協(xié)議。G3-PLC協(xié)議也是基于OFDM技術達成的協(xié)議，電力線通信的頻帶范圍5-149 kHz內

8、。具體見圖1 G3-PLC協(xié)議物理層結構框圖。該結構圖的設計能對接收的信號自行糾錯，排除因為背景噪聲和脈沖噪聲造成的比特丟失的情況下丟失的信號。而且編碼后的信息進行交織處理，譯碼進行糾錯9。G3-PLC系統(tǒng)子載波的調制的子載波最大能支持36.3 kbPs的數(shù)據(jù)率。從而實現(xiàn)信號的準確傳輸。圖1 G3-PLC協(xié)議物理層結構框圖3基于OFDM的PLC系統(tǒng)設計3.1電力線載波通信系統(tǒng)設計的目標和要求 基于OFDM的PLC系統(tǒng)設計的目的和要求是設計的幀長度要求在3.5 ms以內；系統(tǒng)的工作帶寬要求在70 kHz范圍內，而且中心頻率為431 kHz。3.2電力線載波通信系統(tǒng)的信號傳輸方式 信號傳輸方式主要

9、有3種，第一種是取實部方式，就是在第0-N/2-1號子載波調制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個零點，構成N點頻域數(shù)據(jù)進行IFFT變換，取運算結果的實部進行發(fā)送10。具體見圖2。圖2 取實部方式傳輸圖 第二種方式是共軛對稱方式，在第0-N/2-1號子載波調制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個共軛對稱點，構成N點頻域數(shù)據(jù)進行DFT變換，運算結果只有實部，虛部為零，取DFT運算結果進行發(fā)送11。具體見圖3。圖3 共軛對稱方式傳輸圖 第三種方式是正交調制方式，N點調制數(shù)據(jù)直接做IFFT運算，得到的復數(shù)信號分為I，Q兩路，分別與載波的cos分量和sin分量相乘，進行上變頻，取信號幅值進行發(fā)送。具體見圖4。圖4 正交調制方

10、式傳輸圖3.3OFDM信號系統(tǒng)參數(shù)的設計 設計OFDM信號的最高頻率必須達到450 kHz以上，考慮到國內電網(wǎng)環(huán)境的惡劣程度，為了在極端惡劣的環(huán)境進行正常的運行，選擇循環(huán)前綴的長度為75s，選擇FFT運算的點數(shù)NFFT為1 024，子載波間頻率間隔公式為得出 f=fs/NFFT7=2 MHz*1 024=1.9 kHz，OFDM信號帶寬：Bf=f(Nc-l）=1.9 kHz×(30-l）=55.1 kHz，中心頻率：f0=(fL（201× f）+fH（230× f）)/2=431.0 (kHz)。在設計中要考慮到這些參數(shù)的計算，并根據(jù)具體的要求得到很好的換算，從而

11、在設計中達到更好的實現(xiàn)。4電力線載波通信系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)4.1 電力線載波通信中FPGA的介紹 FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array）的簡稱，在復雜可編程邏輯器件的基礎上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件11。其可以在計算機的輔助下，完成電路設計與輸入，然后經(jīng)過軟件模擬優(yōu)化，并對確認的所有設計電路的功能及性能，做到最后生成FPGA器件的配置文件，用于對FPGA器件初始化12。這個性能局可以滿足用戶專用集成電路的要求，達到了用戶自行設計、自行研制和自行生產集成電路的目的。因此此系統(tǒng)也被廣泛應用于計算機的編程，并為用戶提供可以自行處理的軟件編碼，

12、從而實現(xiàn)更廣泛的應用結果。本文是采用Altera公司生產的Cyclone III系列的FPGA器件EP3C8oF484CS實現(xiàn)低壓電力線載波通信系統(tǒng)設計。4.2電力線載波通信系統(tǒng)整體設計 verilog語言是應用最廣泛的硬件描述語言之一，適合于復雜數(shù)字邏輯電路13。本文是通過FPGA器件來完成系統(tǒng)數(shù)字信號處理部分，采用PLC系統(tǒng)進行系統(tǒng)采樣，采樣頻率為2 MHz，采用串并轉換和并串轉換產生時鐘進行變換。整個基帶處理系統(tǒng)采用分別為2 MHz和1MHz2個時鐘進行處理。同時要對系統(tǒng)的40 MHz的主時鐘進行分頻，于是出現(xiàn)2個子時鐘頻率分別為2 MHz和1 MHz。4.3 電力線載波通信MCU的設計

13、 MCU單元是整個PLC系統(tǒng)的控制中心，它主要作用包括與PC機的通信，與基帶處理子系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的傳輸，以及過零點檢測信號的處理14。本文借鑒前人的研究15，采用MCS-51系列單片機實現(xiàn)MCU的功能的實現(xiàn)。具體見圖5。MCS-51MCS-51圖5 MCU與基帶處理系統(tǒng)的通信系統(tǒng)圖4.4電力線載波通信的發(fā)射機的設計 發(fā)射機接收的信號是來自MCU提供的數(shù)據(jù)信息，將并行的字節(jié)信息轉換為串行的二進制比特流15。具體發(fā)射機接收的示意圖見圖6，從圖6可以詳細的顯示發(fā)射機接收信號的途徑，并實現(xiàn)最佳的信號接收和傳輸系統(tǒng)。圖6 發(fā)射機接收示意圖4.5電力線載波通信的接收機的設計接收機是接收ADC送過來的信號，先

14、經(jīng)過符號接收信號，OFDM符號經(jīng)過FFT變換，變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)16。接收機是以2 MHz的時鐘進行采樣，通過Viterbi譯碼進行串并變換，將串行數(shù)據(jù)流變?yōu)檩敵鲂盘枙r鐘變?yōu)榱? MHz。因此接收機部分要在設計中需要兩個分別是2 MHz和1MHz的時鐘，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和傳輸，達到最終的目的。具體的傳輸數(shù)據(jù)的示意圖見圖7。圖7 接收機的數(shù)據(jù)接收示意圖5 總結 本文在借鑒前人研究的基礎上，根據(jù)實際的情況設計開發(fā)了這個電力線載波通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)是根據(jù)基于OFDM的電力線通信協(xié)議G3-PLC的原理，設計PLC的參數(shù)，從而達到基于OFDM的PLC系統(tǒng)設計的目的和要求即設計的幀長度要求在3.5 ms以內；系

15、統(tǒng)的工作帶寬要求在70 kHz范圍內，而且中心頻率為431 kHz。通過3種PLC信號傳輸方式，實現(xiàn)PLC系統(tǒng)設計的目的。結合系統(tǒng)的FPGA的實現(xiàn)，系統(tǒng)的FPGA的實現(xiàn)主要通過MCU設計、接收機、發(fā)射機的設計進行實現(xiàn)。通過對主要的幾個單元進行合理設計，從而實現(xiàn)了電力線載波通信系統(tǒng)的運行。本文根據(jù)國內低壓配電網(wǎng)的實際情況，設計了基于OFDM的低壓電線載波通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)需要通過實際的應用，這也是本文中沒有涉及的部分，設計的合理性均需要進行實際的應用，并在實踐中得到很好的證明，本設計通過實際的應用證實了可以應用于實際的工作中，并且可以得到很好的運轉，后期的工作是在更大的推廣這方面的研究，深入的加強

16、其長期的有效性和穩(wěn)定性。參考文獻1Anatory Justinian, Theethayi Nelson, ThottapPillil Rajeev. Broadband Power-Line Communications:The Channel CacityAnalysisJ.powerDelivery.2008,23(l):164-170.2Liu Wenqing，Sigle Martin，Dostert Klaus.Channel characterization and system verification fornarrowband Power line communication

17、 in smart grid apPlicationsJ. Communications Magazine,2011,49(12):28-35.3I1 Han Kim，Badri Varadarajan，andAnandDabak.PerformanceAnalysisandEnhancements of Narrowband OFDM Powerline Communication SystemsC.Smart Grid Communications (SmartGridComm).2010:362-367.4紀峰, 田正其, 鮑進, 等. 基于OFDM窄帶載波通訊技術的研究與應用J. 電測

18、與儀表,2015,52(15):113-119.5李春陽，黑勇，喬樹山. OFDM電力線載波通信系統(tǒng)的定時同步和模式識別J. 電力系統(tǒng)自動化,2012,36(8):58-61.6趙冠楠，梁風梅. 基于FPGA的寬帶OFDM系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)J. 機械工程與自動化,2011(1):63-66.7何世彪，王杰強，韓彥凈，等. OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)的符號同步及其FPGA實現(xiàn)J. 電子技術應用,2012,38(4):94-97.8周慶芳, 楊軍. 基于FPGA的OFDM基帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)J. 計算機技術與發(fā)展,2013,23(1):225-228.9王子敬, 鄧磊. 基于OFDM的電力線載波通信的研究J. 電子設計工程,2009,17(7):12-14.10周慶華. 基于DSP的OFDM高速電力線載波通信系統(tǒng)J. 通信電源技術,2009,26(2):32-34.11趙海龍，張健，周劫，等. 基于FPGA的OFDM系統(tǒng)設計與實現(xiàn)J. 通信技術,2010,43(9):12-14.12崔麗珍，王慧琴，馬勇. 基于FPGA的OFDM調制解調系統(tǒng)設計與實現(xiàn)J. 電子與封裝,2010,10(9):46-48.13白凱. 基于OFDM技術的電力線通信系統(tǒng)DSP+FpGA軟硬件設計與實現(xiàn)J. 電子測試,2013(16):94-95.14何世彪，吳紅橋，王