基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)摘要：本文分析研究了基于OFDM的電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)G3-PLC的基本參數(shù)，前導(dǎo)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行電力線信道特性分析，并對基于OFDM的PLC系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用FPGA器件和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基于OFDM低壓電力線載波通信系統(tǒng)，對FPGA進(jìn)行簡單介紹，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括MCU設(shè)計(jì)、發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)和接收機(jī)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)通過試驗(yàn)證明可以實(shí)現(xiàn)國內(nèi)低壓配電網(wǎng)上穩(wěn)定工作，能滿足基本的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：電力線通信；電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)；FPGA實(shí)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(shù)早在20世紀(jì)初就可以被應(yīng)用，主要應(yīng)用于110 kV以上的高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上，工作頻率在150 kHz以下1。隨著通信技術(shù)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(yīng)用于家庭、小型辦公室聯(lián)網(wǎng)及高速internet接入等小型設(shè)備。同時也需要更為細(xì)微的設(shè)備系統(tǒng)被應(yīng)用，低壓電力線載波通信系統(tǒng)是當(dāng)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(diào)制方式來應(yīng)對比較惡劣的信道環(huán)境。正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)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(shù)也就成為當(dāng)前使用比較普遍的技術(shù)。本文基于OFDM技術(shù)來進(jìn)行電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對PLC系統(tǒng)進(jìn)行深入研究從而實(shí)現(xiàn)FPGA，從而設(shè)計(jì)出一個能夠在國內(nèi)低壓配電網(wǎng)可靠穩(wěn)定運(yùn)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(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計(jì)數(shù)與算術(shù)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(jī)械或生產(chǎn)過程3。當(dāng)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(yīng)用可以達(dá)到相應(yīng)的效果，從而減少在實(shí)際應(yīng)用中的誤差。2.2 OFDM技術(shù)的合理性 OFDM技術(shù)是一種多載波的調(diào)制方式，可以看做一種調(diào)制技術(shù)，也可以看做是一種復(fù)用技術(shù)4。此技術(shù)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(lǐng)域應(yīng)用。但是大量學(xué)者5-7將其應(yīng)用于不同低壓電網(wǎng)的現(xiàn)場試驗(yàn)，也說明了OFDM技術(shù)可以應(yīng)用于PLC網(wǎng)絡(luò)，也具有良好的前途。本研究中將OFDM技術(shù)應(yīng)用于電力線載波通信系統(tǒng)，這個研究也是通過多年的學(xué)者的研究證實(shí)是可以的方案，因此在本文中將OFDM技術(shù)應(yīng)用電力線載波通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也是比較成熟的技術(shù)。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(shù)達(dá)成的協(xié)議，電力線通信的頻帶范圍5-149 kHz內(nèi)

8、。具體見圖1 G3-PLC協(xié)議物理層結(jié)構(gòu)框圖。該結(jié)構(gòu)圖的設(shè)計(jì)能對接收的信號自行糾錯，排除因?yàn)楸尘霸肼暫兔}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(jìn)行交織處理，譯碼進(jìn)行糾錯9。G3-PLC系統(tǒng)子載波的調(diào)制的子載波最大能支持36.3 kbPs的數(shù)據(jù)率。從而實(shí)現(xiàn)信號的準(zhǔn)確傳輸。圖1 G3-PLC協(xié)議物理層結(jié)構(gòu)框圖3基于OFDM的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和要求 基于OFDM的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和要求是設(shè)計(jì)的幀長度要求在3.5 ms以內(nèi)；系統(tǒng)的工作帶寬要求在70 kHz范圍內(nèi)，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(shí)部方式，就是在第0-N/2-1號子載波調(diào)制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個零點(diǎn)，構(gòu)成N點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT變換，取運(yùn)算結(jié)果的實(shí)部進(jìn)行發(fā)送10。具體見圖2。圖2 取實(shí)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(diào)制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個共軛對稱點(diǎn)，構(gòu)成N點(diǎn)頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行DFT變換，運(yùn)算結(jié)果只有實(shí)部，虛部為零，取DFT運(yùn)算結(jié)果進(jìn)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(diào)制方式，N點(diǎn)調(diào)制數(shù)據(jù)直接做IFFT運(yùn)算，得到的復(fù)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(jìn)行上變頻，取信號幅值進(jìn)行發(fā)送。具體見圖4。圖4 正交調(diào)制方

10、式傳輸圖3.3OFDM信號系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)OFDM信號的最高頻率必須達(dá)到450 kHz以上，考慮到國內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境的惡劣程度，為了在極端惡劣的環(huán)境進(jìn)行正常的運(yùn)行，選擇循環(huán)前綴的長度為75s，選擇FFT運(yùn)算的點(diǎn)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(shè)計(jì)中要考慮到這些參數(shù)的計(jì)算，并根據(jù)具體的要求得到很好的換算，從而

11、在設(shè)計(jì)中達(dá)到更好的實(shí)現(xiàn)。4電力線載波通信系統(tǒng)的FPGA實(shí)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(fù)雜可編程邏輯器件的基礎(chǔ)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(jì)算機(jī)的輔助下，完成電路設(shè)計(jì)與輸入，然后經(jīng)過軟件模擬優(yōu)化，并對確認(rèn)的所有設(shè)計(jì)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(dá)到了用戶自行設(shè)計(jì)、自行研制和自行生產(chǎn)集成電路的目的。因此此系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的編程，并為用戶提供可以自行處理的軟件編碼，

12、從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用結(jié)果。本文是采用Altera公司生產(chǎn)的Cyclone III系列的FPGA器件EP3C8oF484CS實(shí)現(xiàn)低壓電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4.2電力線載波通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì) verilog語言是應(yīng)用最廣泛的硬件描述語言之一，適合于復(fù)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(jìn)行系統(tǒng)采樣，采樣頻率為2 MHz，采用串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換產(chǎn)生時鐘進(jìn)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(jìn)行處理。同時要對系統(tǒng)的40 MHz的主時鐘進(jìn)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(shè)計(jì)

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(jī)的通信，與基帶處理子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以及過零點(diǎn)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(jī)實(shí)現(xiàn)MCU的功能的實(shí)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(jī)的設(shè)計(jì) 發(fā)射機(jī)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(zhuǎn)換為串行的二進(jìn)制比特流15。具體發(fā)射機(jī)接收的示意圖見圖6，從圖6可以詳細(xì)的顯示發(fā)射機(jī)接收信號的途徑，并實(shí)現(xiàn)最佳的信號接收和傳輸系統(tǒng)。圖6 發(fā)射機(jī)接收示意圖4.5電力線載波通信的接收機(jī)的設(shè)計(jì)接收機(jī)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(jī)是以2 MHz的時鐘進(jìn)行采樣，通過Viterbi譯碼進(jìn)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(jī)部分要在設(shè)計(jì)中需要兩個分別是2 MHz和1MHz的時鐘，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和傳輸，達(dá)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(jī)的數(shù)據(jù)接收示意圖5 總結(jié) 本文在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際的情況設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)PLC的參數(shù)，從而達(dá)到基于OFDM的PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和要求即設(shè)計(jì)的幀長度要求在3.5 ms以內(nèi)；系

15、統(tǒng)的工作帶寬要求在70 kHz范圍內(nèi)，而且中心頻率為431 kHz。通過3種PLC信號傳輸方式，實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。結(jié)合系統(tǒng)的FPGA的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)的FPGA的實(shí)現(xiàn)主要通過MCU設(shè)計(jì)、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過對主要的幾個單元進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了電力線載波通信系統(tǒng)的運(yùn)行。本文根據(jù)國內(nèi)低壓配電網(wǎng)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)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(shí)際的應(yīng)用，這也是本文中沒有涉及的部分，設(shè)計(jì)的合理性均需要進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用，并在實(shí)踐中得到很好的證明，本設(shè)計(jì)通過實(shí)際的應(yīng)用證實(shí)了可以應(yīng)用于實(shí)際的工作中，并且可以得到很好的運(yùn)轉(zhuǎn)，后期的工作是在更大的推廣這方面的研究，深入的加強(qiáng)

16、其長期的有效性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)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(jì)峰, 田正其, 鮑進(jìn), 等. 基于OFDM窄帶載波通訊技術(shù)的研究與應(yīng)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(fēng)梅. 基于FPGA的寬帶OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 機(jī)械工程與自動化,2011(1):63-66.7何世彪，王杰強(qiáng)，韓彥凈，等. OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)的符號同步及其FPGA實(shí)現(xiàn)J. 電子技術(shù)應(yīng)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013,23(1):225-228.9王子敬, 鄧?yán)? 基于OFDM的電力線載波通信的研究J. 電子設(shè)計(jì)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(shù),2009,26(2):32-34.11趙海龍，張健，周劫，等. 基于FPGA的OFDM系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 通信技術(shù),2010,43(9):12-14.12崔麗珍，王慧琴，馬勇. 基于FPGA的OFDM調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電子與封裝,2010,10(9):46-48.13白凱. 基于OFDM技術(shù)的電力線通信系統(tǒng)DSP+FpGA軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 電子測試,2013(16):94-95.14何世彪，吳紅橋，王