基于OFDM电力线载波通信系统设计 设计

1、基于OFDM电力线载波通信系统设计及FPGA实现摘要：本文分析研究了基于OFDM的电力线载波通信标准G3-PLC的基本参数，前导等进行设计，并进行电力线信道特性分析，并对基于OFDM的PLC系统进行设计，利用FPGA器件和单片机实现基于OFDM低压电力线载波通信系统，对FPGA进行简单介绍，并对整个系统进行设计，包括MCU设计、发射机设计和接收机设计。该系统通过试验证明可以实现国内低压配电网上稳定工作，能满足基本的设计要求。关键词：电力线通信；电力线载波通信系统设计；FPGA实现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 电力线载波通信技术早在20世纪初就可以被应用，主要应用于110 kV以上的高压远距离输电线路上，工作频率在150 kHz以下1。随着通信技术的不断发展，逐渐从中

5、压配电网和低压配电网上应用于家庭、小型办公室联网及高速internet接入等小型设备。同时也需要更为细微的设备系统被应用，低压电力线载波通信系统是当前使用比较广泛的一种系统，其必须采用一种非常有效可靠的调制方式来应对比较恶劣的信道环境。正交频分复用（OFDM）技术是一种有效的能克服电力线通道多径传输和频率选择性，具有高效的频谱利用率2。因此OFDM技术也就成为当前使用比较普遍的技术。本文基于OFDM技术来进行电力线载波通信系统设计，并对PLC系统进行深入研究从而实现FPGA，从而设计出一个能够在国内低压配电网可靠稳定运行的OFDM电力线载波通信系统。2基于OFDM的PLC系统的原理及协议处理2

6、.1电力线信道特性的分析 PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)的简称，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程3。当前使用比较多的电力线信道特性特性主要有输入阻抗特性、衰减特性、噪声特性等特性，通过这些特性的应用可以达到相应的效果，从而减少在实际应用中的误差。2.2 OFDM技术的合理性 OFDM技术是一种多载波的调制方式，可以看做一种调制技术，也可以看做是一种复用技术4。此技术已经被数字音视频广播，无线局域网通信，有

7、线电话网等领域应用。但是大量学者5-7将其应用于不同低压电网的现场试验，也说明了OFDM技术可以应用于PLC网络，也具有良好的前途。本研究中将OFDM技术应用于电力线载波通信系统，这个研究也是通过多年的学者的研究证实是可以的方案，因此在本文中将OFDM技术应用电力线载波通信系统的设计中也是比较成熟的技术。2.3基于OFDM的电力线通信协议G3-PLC G3-PLC协议是由Maxim Integrated Products(美信公司)和法国电力公用事业公司ERDF共同开发8，并于2009年发布的一种共同协议。G3-PLC协议也是基于OFDM技术达成的协议，电力线通信的频带范围5-149 kHz内

8、。具体见图1 G3-PLC协议物理层结构框图。该结构图的设计能对接收的信号自行纠错，排除因为背景噪声和脉冲噪声造成的比特丢失的情况下丢失的信号。而且编码后的信息进行交织处理，译码进行纠错9。G3-PLC系统子载波的调制的子载波最大能支持36.3 kbPs的数据率。从而实现信号的准确传输。图1 G3-PLC协议物理层结构框图3基于OFDM的PLC系统设计3.1电力线载波通信系统设计的目标和要求 基于OFDM的PLC系统设计的目的和要求是设计的帧长度要求在3.5 ms以内；系统的工作带宽要求在70 kHz范围内，而且中心频率为431 kHz。3.2电力线载波通信系统的信号传输方式 信号传输方式主要

9、有3种，第一种是取实部方式，就是在第0-N/2-1号子载波调制数据信息，再拼接N/2个零点，构成N点频域数据进行IFFT变换，取运算结果的实部进行发送10。具体见图2。图2 取实部方式传输图 第二种方式是共轭对称方式，在第0-N/2-1号子载波调制数据信息，再拼接N/2个共轭对称点，构成N点频域数据进行DFT变换，运算结果只有实部，虚部为零，取DFT运算结果进行发送11。具体见图3。图3 共轭对称方式传输图 第三种方式是正交调制方式，N点调制数据直接做IFFT运算，得到的复数信号分为I，Q两路，分别与载波的cos分量和sin分量相乘，进行上变频，取信号幅值进行发送。具体见图4。图4 正交调制方

10、式传输图3.3OFDM信号系统参数的设计 设计OFDM信号的最高频率必须达到450 kHz以上，考虑到国内电网环境的恶劣程度，为了在极端恶劣的环境进行正常的运行，选择循环前缀的长度为75s，选择FFT运算的点数NFFT为1 024，子载波间频率间隔公式为得出 f=fs/NFFT7=2 MHz*1 024=1.9 kHz，OFDM信号带宽：Bf=f(Nc-l）=1.9 kHz(30-l）=55.1 kHz，中心频率：f0=(fL（201 f）+fH（230 f）)/2=431.0 (kHz)。在设计中要考虑到这些参数的计算，并根据具体的要求得到很好的换算，从而在设计中达到更好的实现。4电力线载波

11、通信系统的FPGA实现4.1 电力线载波通信中FPGA的介绍 FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的简称，在复杂可编程逻辑器件的基础上发展起来的新型高性能可编程逻辑器件11。其可以在计算机的辅助下，完成电路设计与输入，然后经过软件模拟优化，并对确认的所有设计电路的功能及性能，做到最后生成FPGA器件的配置文件，用于对FPGA器件初始化12。这个性能局可以满足用户专用集成电路的要求，达到了用户自行设计、自行研制和自行生产集成电路的目的。因此此系统也被广泛应用于计算机的编程，并为用户提供可以自行处理的软件编码，从而实现更广泛的应用结果。本文是采用

12、Altera公司生产的Cyclone III系列的FPGA器件EP3C8oF484CS实现低压电力线载波通信系统设计。4.2电力线载波通信系统整体设计 verilog语言是应用最广泛的硬件描述语言之一，适合于复杂数字逻辑电路13。本文是通过FPGA器件来完成系统数字信号处理部分，采用PLC系统进行系统采样，采样频率为2 MHz，采用串并转换和并串转换产生时钟进行变换。整个基带处理系统采用分别为2 MHz和1MHz2个时钟进行处理。同时要对系统的40 MHz的主时钟进行分频，于是出现2个子时钟频率分别为2 MHz和1 MHz。4.3 电力线载波通信MCU的设计 MCU单元是整个PLC系统的控制中

13、心，它主要作用包括与PC机的通信，与基带处理子系统进行数据的传输，以及过零点检测信号的处理14。本文借鉴前人的研究15，采用MCS-51系列单片机实现MCU的功能的实现。具体见图5。MCS-51MCS-51图5 MCU与基带处理系统的通信系统图4.4电力线载波通信的发射机的设计 发射机接收的信号是来自MCU提供的数据信息，将并行的字节信息转换为串行的二进制比特流15。具体发射机接收的示意图见图6，从图6可以详细的显示发射机接收信号的途径，并实现最佳的信号接收和传输系统。图6 发射机接收示意图4.5电力线载波通信的接收机的设计接收机是接收ADC送过来的信号，先经过符号接收信号，OFDM符号经过F

14、FT变换，变为频域数据16。接收机是以2 MHz的时钟进行采样，通过Viterbi译码进行串并变换，将串行数据流变为输出信号时钟变为了1 MHz。因此接收机部分要在设计中需要两个分别是2 MHz和1MHz的时钟，从而实现数据的接收和传输，达到最终的目的。具体的传输数据的示意图见图7。图7 接收机的数据接收示意图5 总结 本文在借鉴前人研究的基础上，根据实际的情况设计开发了这个电力线载波通信系统，本系统是根据基于OFDM的电力线通信协议G3-PLC的原理，设计PLC的参数，从而达到基于OFDM的PLC系统设计的目的和要求即设计的帧长度要求在3.5 ms以内；系统的工作带宽要求在70 kHz范围内

15、，而且中心频率为431 kHz。通过3种PLC信号传输方式，实现PLC系统设计的目的。结合系统的FPGA的实现，系统的FPGA的实现主要通过MCU设计、接收机、发射机的设计进行实现。通过对主要的几个单元进行合理设计，从而实现了电力线载波通信系统的运行。本文根据国内低压配电网的实际情况，设计了基于OFDM的低压电线载波通信系统，此系统需要通过实际的应用，这也是本文中没有涉及的部分，设计的合理性均需要进行实际的应用，并在实践中得到很好的证明，本设计通过实际的应用证实了可以应用于实际的工作中，并且可以得到很好的运转，后期的工作是在更大的推广这方面的研究，深入的加强其长期的有效性和稳定性。参考文献1A

16、natory 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 in smart grid apP

17、licationsJ. 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纪峰, 田正其, 鲍进, 等. 基于OFDM窄带载波通讯技术的研究与应用J. 电测与仪表,2015,52(15):11

18、3-119.5李春阳，黑勇，乔树山. OFDM电力线载波通信系统的定时同步和模式识别J. 电力系统自动化,2012,36(8):58-61.6赵冠楠，梁风梅. 基于FPGA的宽带OFDM系统的设计与实现J. 机械工程与自动化,2011(1):63-66.7何世彪，王杰强，韩彦净，等. OFDM低压电力线通信系统的符号同步及其FPGA实现J. 电子技术应用,2012,38(4):94-97.8周庆芳, 杨军. 基于FPGA的OFDM基带数据传输系统的设计与实现J. 计算机技术与发展,2013,23(1):225-228.9王子敬, 邓磊. 基于OFDM的电力线载波通信的研究J. 电子设计工程,2009,17(7):12-14.10周庆华. 基于DSP的OFDM高速电力线载波通信系统J. 通信电源技术,2009,26(2):32-34.11赵海龙，张健，周劫，等. 基于FPGA的OFDM系统设计与实现J. 通信技术,2010,43(9):12-14.12崔丽珍，王慧琴，马勇. 基于FPGA的OFDM调制解调系统设计与实现J. 电子与封装,2010,10(9):46-48.13白凯. 基于OFDM技术的电力线通信系统DSP+FpGA软硬件设计与实现J. 电子测试,2013(16):94-95.14何世彪，吴红桥，王杰