基于OFDM電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)(DOC)

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：本文分析探討了基于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(duì)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(duì)FPGA進(jìn)行簡潔介紹，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括MCU設(shè)計(jì)、放射機(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，能滿意基本的設(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)TheDesignofPowerLineCommunicationSystembasedonOFDMandItsFPGAImPlementationAbstract:ThispaperanalyzedthestandardG3-powerlinecarrier-currentcommunicationbasedonOFDMbasicparameterofthePLC,theframestructure,leadingtocarryonthedesign,andanalysisofpowerlinechannelcharacteristics,andtodesignaPLCsystembasedonOFDM,usingFPGAdeviceandmicrocomputerbasedonOFDMlowvoltagepowerlinecarriercommunicationsystem,forabriefintroductiontotheFPGA,andcarriesonthedesignofthewholesystem,includingMCUdesign,designoftransmitterandreceiverdesign.Throughexperimentsprovethatthissystemcanrealizethesteadyworkoflow-voltagedistributiononline,cansatisfythebasicdesignrequirements.Keywords:Powerlinecommunication;Powerlinecarriercommunicationsystemdesign;TheFPGAimplementation1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110kV以上的高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上，工作頻率在150kHz以下[1]。隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，漸漸從中壓配電網(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(shí)也須要更為微小的設(shè)備系統(tǒng)被應(yīng)用，低壓電力線載波通信系統(tǒng)是當(dāng)前運(yùn)用比較廣泛的一種系統(tǒng)，其必需采納一種特別有效牢靠的調(diào)制方式來應(yīng)對(duì)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)前運(yùn)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(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行深化探討從而實(shí)現(xiàn)FPGA，從而設(shè)計(jì)出一個(gè)能夠在國內(nèi)低壓配電網(wǎng)牢靠穩(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2.1電力線信道特性的分析PLC即可編程邏輯限制器(ProgrammableLogicController，PLC)的簡稱，它采納一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、依次限制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面對(duì)用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出限制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[3]。當(dāng)前運(yùn)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，從而削減在實(shí)際應(yīng)用中的誤差。2.2OFDM技術(shù)的合理性O(shè)FDM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)，也說明白OFDM技術(shù)可以應(yīng)用于PLC網(wǎng)絡(luò)，也具有良好的前途。本探討中將OFDM技術(shù)應(yīng)用于電力線載波通信系統(tǒng)，這個(gè)探討也是通過多年的學(xué)者的探討證明是可以的方案，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-PLCG3-PLC協(xié)議是由MaximIntegratedProducts(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5-149kHz內(nèi)。具體見圖1G3-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(duì)接收的信號(hào)自行糾錯(cuò)，解除因?yàn)楸尘霸肼暫兔}沖噪聲造成的比特丟失的狀況下丟失的信號(hào)。而且編碼后的信息進(jìn)行交織處理，譯碼進(jìn)行糾錯(cuò)[9]。G3-PLC系統(tǒng)子載波的調(diào)制的子載波最大能支持36.3kbPs的數(shù)據(jù)率。從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的精確傳輸。圖1G3-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3.5ms以內(nèi)；系統(tǒng)的工作帶寬要求在70kHz范圍內(nèi)，而且中心頻率為431kHz。3.2電力線載波通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸方式信號(hào)傳輸方式主要有3種，第一種是取實(shí)部方式，就是在第0-N/2-1號(hào)子載波調(diào)制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個(gè)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)部方式傳輸圖其次種方式是共軛對(duì)稱方式，在第0-N/2-1號(hào)子載波調(diào)制數(shù)據(jù)信息，再拼接N/2個(gè)共軛對(duì)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(duì)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)干脆做IFFT運(yùn)算，得到的復(fù)數(shù)信號(hào)分為I，Q兩路，分別與載波的cos重量和sin重量相乘，進(jìn)行上變頻，取信號(hào)幅值進(jìn)行發(fā)送。具體見圖4。圖4正交調(diào)制方式傳輸圖3.3OFDM信號(hào)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)OFDM信號(hào)的最高頻率必需達(dá)到450kHz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75μs，選擇FFT運(yùn)算的點(diǎn)數(shù)NFFT為1024，子載波間頻率間隔公式為得出Δf=fs/NFFT7=2MHz*1024=1.9kHz，OFDM信號(hào)帶寬：Bf=Δf(Nc-l）=1.9kHz×(30-l）=55.1kHz，中心頻率：f0=(fL（201×Δf）+fH（230×Δf）)/2=431.0(kHz)。在設(shè)計(jì)中要考慮到這些參數(shù)的計(jì)算，并依據(jù)具體的要求得到很好的換算，從而在設(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（FieldProgrammableGateArray）的簡稱，在困難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)的協(xié)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(duì)確認(rèn)的全部設(shè)計(jì)電路的功能及性能，做到最終生成FPGA器件的配置文件，用于對(duì)FPGA器件初始化[12]。這特性能局可以滿意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，并為用戶供應(yīng)可以自行處理的軟件編碼，從而實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用結(jié)果。本文是采納Altera公司生產(chǎn)的CycloneIII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，適合于困難數(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(hào)處理部分，采納PLC系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)采樣，采樣頻率為2MHz，采納串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換產(chǎn)生時(shí)鐘進(jìn)行變換。整個(gè)基帶處理系統(tǒng)采納分別為2MHz和1MHz2個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行處理。同時(shí)要對(duì)系統(tǒng)的40MHz的主時(shí)鐘進(jìn)行分頻，于是出現(xiàn)2個(gè)子時(shí)鐘頻率分別為2MHz和1MHz。4.3電力線載波通信MCU的設(shè)計(jì)MCU單元是整個(gè)PLC系統(tǒng)的限制中心，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(hào)的處理[14]。本文借鑒前人的探討[15]，采納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-51MCS-51MCS-51圖5MCU與基帶處理系統(tǒng)的通信系統(tǒng)圖4.4電力線載波通信的放射機(jī)的設(shè)計(jì)放射機(jī)接收的信號(hào)是來自MCU供應(yīng)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]。具體放射機(jī)接收的示意圖見圖6，從圖6可以具體的顯示放射機(jī)接收信號(hào)的途徑，并實(shí)現(xiàn)最佳的信號(hào)接收和傳輸系統(tǒng)。圖6放射機(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(hào)，先經(jīng)過符號(hào)接收信號(hào)，OFDM符號(hào)經(jīng)過FFT變換，變?yōu)轭l域數(shù)據(jù)[16]。接收機(jī)是以2MHz的時(shí)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?hào)時(shí)鐘變?yōu)榱?MHz。因此接收機(jī)部分要在設(shè)計(jì)中須要兩個(gè)分別是2MHz和1MHz的時(shí)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)本文在借鑒前人探討的基礎(chǔ)上，依據(jù)實(shí)際的狀況設(shè)計(jì)開發(fā)了這個(gè)電力線載波通信系統(tǒng)，本系統(tǒng)是依據(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3.5ms以內(nèi)；系統(tǒng)的工作帶寬要求在70kHz范圍內(nèi)，而且中心頻率為431kHz。通過3種PLC信號(hào)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)、放射機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)主要的幾個(gè)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。本文依據(jù)國內(nèi)低壓配電網(wǎng)的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)了基于OFDM的低壓電線載波通信系統(tǒng)，此系統(tǒng)須要通過實(shí)際的應(yīng)用，這也是本文中沒有涉及的部分，設(shè)計(jì)的合理性均須要進(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)用證明白可以應(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探討，深化的加強(qiáng)其長期的有效性和穩(wěn)定性。參考文獻(xiàn)[1]AnatoryJustinian,TheethayiNelson,ThottapPillilRajeev.BroadbandPower-LineCommunications:TheChannelCacityAnalysis[J].powerDelivery.2008,23(l):164-170.[2]LiuWenqing，SigleMartin，DostertKlaus.ChannelcharacterizationandsystemverificationfornarrowbandPowerlinecommunicationinsmartgridapPlications[J].CommunicationsMagazine,2011,49(12):28-35.[3]I1HanKim，BadriVaradarajan，andAnandDabak.PerformanceAnalysisandEnhancementsofNarrowbandOFDMPowerlineCommunicationSystems[C].SmartGridCommunications(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)的探討與應(yīng)用[J].電測與儀表,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(shí)同步和模式識(shí)別[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)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(hào)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