基于OFDM电力线载波通信系统设计.doc
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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电力线载波通信原则G3-PLC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OFDMPLC系统进行设计,运用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进行简朴简介,并对整个系统进行设计,包括MCU设计、发射机设计和接受机设计。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,能满足基本设计规定。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 OFDM an
2、d 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 OFD
3、M, 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 system c
4、an 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,重要应用于110 kV以上高压远距离输电线路上,工作频率在150 kHz如下1。伴随通信技术不停发展,逐渐从中压配电网和低
5、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。同步也需要更为细微设备系统被应用,低压电力线载波通信系统是目前使用比较广泛一种系统,其必须采用一种非常有效可靠调制方式来应对比较恶劣信道环境。正交频分复用(OFDM)技术是一种有效能克服电力线通道多径传播和频率选择性,具有高效频谱运用率2。因此OFDM技术也就成为目前使用比较普遍技术。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,从而设计出一种可以在国内低压配电网可靠稳定运行OFDM电力线载波通信系统。2基于OFDMPLC系统原理及协议处理2.1电力线信道特性分析 PLC即
6、可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController,PLC)简称,它采用一类可编程存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、次序控制、定期、计数与算术操作等面向顾客指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制多种类型机械或生产过程3。目前使用比较多电力线信道特性特性重要有输入阻抗特性、衰减特性、噪声特性等特性,通过这些特性应用可以到达对应效果,从而减少在实际应用中误差。2.2 OFDM技术合理性 OFDM技术是一种多载波调制方式,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,有线电话网等领域应用。不过大量学者5-7将其应用于不一样
7、低压电网现场试验,也阐明了OFDM技术可以应用于PLC网络,也具有良好前途。本研究中将OFDM技术应用于电力线载波通信系统,这个研究也是通过数年学者研究证明是可以方案,因此在本文中将OFDM技术应用电力线载波通信系统设计中也是比较成熟技术。2.3基于OFDM电力线通信协议G3-PLC G3-PLC协议是由Maxim Integrated Products(美信企业)和法国电力公用事业企业ERDF共同开发8,并于公布一种共同协议。G3-PLC协议也是基于OFDM技术到达协议,电力线通信频带范围5-149 kHz内。详细见图1 G3-PLC协议物理层构造框图。该构造图设计能对接受信号自行纠错,排除
8、由于背景噪声和脉冲噪声导致比特丢失状况下丢失信号。并且编码后信息进行交错处理,译码进行纠错9。G3-PLC系统子载波调制子载波最大能支持36.3 kbPs数据率。从而实现信号精确传播。图1 G3-PLC协议物理层构造框图3基于OFDMPLC系统设计3.1电力线载波通信系统设计目和规定 基于OFDMPLC系统设计目和规定是设计帧长度规定在3.5 ms以内;系统工作带宽规定在70 kHz范围内,并且中心频率为431 kHz。3.2电力线载波通信系统信号传播方式 信号传播方式重要有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
9、换,取运算成果实部进行发送10。详细见图2。图2 取实部方式传播图 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,运算成果只有实部,虚部为零,取DFT运算成果进行发送11。详细见图3。图3 共轭对称方式传播图 第三种方式是正交调制方式,N点调制数据直接做IFFT运算,得到复数信号分为I,Q两路,分别与载波cos分量和sin分量相乘,进行上变频,取信号幅值进行发送。详细见图4。图4 正交调制方式传播图3.3OFDM信号系统参数设计 设计OFDM信号最高频率必须到达450 kHz以上,考虑到国内电网环境恶劣程度,为了在极
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