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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 and Its FPGA ImPlementation
Abstract: 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 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 system 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 implementation
1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，为了在极端恶劣环境进行正常运行，选择循环前缀长度为75μs，选择FFT运算点数NFFT为1 024，子载波间频率间隔公式为得出 Δ f=fs/NFFT7=2 MHz*1 024=1.9 kHz，OFDM信号带宽：Bf=Δf(Nc-l）=1.9 kHz×(30-l）=55.1 kHz，中心频率：f0=(fL（201×Δ f）+fH（230×Δ f）)/2=431.0 (kHz)。在设计中要考虑到这些参数计算，并根据详细规定得到很好换算，从而在设计中到达更好实现。
4电力线载波通信系统FPGA实现
4.1 电力线载波通信中FPGA简介
FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）简称，在复杂可编程逻辑器件基础上发展起来新型高性能可编程逻辑器件[11]。其可以在计算机辅助下，完毕电路设计与输入，然后通过软件模拟优化，并对确认所有设计电路功能及性能，做到最终生成FPGA器件配置文献，用于对FPGA器件初始化[12]。这个性能局可以满足顾客专用集成电路规定，到达了顾客自行设计、自行研制和自行生产集成电路目。因此此系统也被广泛应用于计算机编程，并为顾客提供可以自行处理软件编码，从而实现更广泛应用成果。本文是采用Altera企业生产Cyclone III系列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器件来完毕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。同步要对系统40 MHz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设计
MCU单元是整个PLC系统控制中心，它重要作用包括与PC机通信，与基带处理子系统进行数据传播，以及过零点检测信号处理[14]。本文借鉴前人研究[15]，采用MCS-51系列单片机实现MCU功能实现。详细见图5。
MCS-51
MCS-51

图5 MCU与基带处理系统通信系统图
4.4电力线载波通信发射机设计
发射机接受信号是来自MCU提供数据信息，将并行字节信息转换为串行二进制比特流[15]。详细发射机接受示意图见图6，从图6可以详细显示发射机接受信号途径，并实现最佳信号接受和传播系统。

图6 发射机接受示意图
4.5电力线载波通信接受机设计
接受机是接受ADC送过来信号，先通过符号接受信号，OFDM符号通过FFT变换，变为频域数据[16]。接受机是以2 MHz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。因此接受机部分要在设计中需要两个分别是2 MHz和1MHz时钟，从而实现数据接受和传播，到达最终目。详细传播数据示意图见图7。

图7 接受机数据接受示意图
5 总结
本文在借鉴前人研究基础上，根据实际状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电力线通信协议G3-PLC原理，设计PLC参数，从而到达基于OFDMPLC系统设计目和规定即设计帧长度规定在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。通过3种PLC信号传播方式，实现PLC系统设计目。结合系统FPGA实现，系统FPGA实现重要通过MCU设计、接受机、发射机设计进行实现。通过对重要几种单元进行合理设计，从而实现了电力线载波通信系统运行。本文根据国内低压配电网实际状况，设计了基于OFDM低压电线载波通信系统，此系统需要通过实际应用，这也是本文中没有波及部分，设计合理性均需要进行实际应用，并在实践中得到很好证明，本设计通过实际应用证明了可以应用于实际工作中，并且可以得到很好运转，后期工作是在更大推广这方面研究，深入加强其长期有效性和稳定性。

参照文献
[1]Anatory Justinian, Theethayi Nelson, ThottapPillil Rajeev. Broadband Power-Line Communications:The Channel CacityAnalysis[J].powerDelivery.,23(l):164-170.
[2]Liu Wenqing，Sigle Martin，Dostert Klaus.Channel characterization and system verification for
narrowband Power line communication in smart grid apPlications[J]. Communications Magazine,,49(12):28-35.
[3]I1 Han Kim，Badri Varadarajan，andAnandDabak.PerformanceAnalysisandEnhancements of Narrowband OFDM Powerline Communication Systems[C].Smart Grid Communications (SmartGridComm).:362-367.
[4]纪峰, 田正其, 鲍进, 等. 基于OFDM窄带载波通讯技术研究与应用[J]. 电测与仪表,,52(15):113-119.
[5]李春阳，黑勇，乔树山. OFDM电力线载波通信系统定期同步和模式识别[J]. 电力系统自动化,,36(8):58-61.
[6]赵冠楠，梁风梅. 基于FPGA宽带OFDM系统设计与实现[J]. 机械工程与自动化,(1):63-66.
[7]何世彪，王杰强，韩彦净，等. OFDM低压电力线通信系统符号同步及其FPGA实现[J]. 《电子技术应用》,,38(4):94-97.
[8]周庆芳, 杨军. 基于FPGAOFDM基带数据传播系统设计与实现[J]. 计算机技术与发展,,23(1):225-228.
[9]王子敬, 邓磊. 基于OFDM电力线载波通信研究[J]. 电子设计工程,,17(7):12-14.
[10]周庆华. 基于DSPOFDM高速电力线载波通信系统[J]. 通信电源技术,,26(2):32-34.
[11]赵海龙，张健，周劫，等. 基于FPGAOFDM系统设计与实现[J]. 通信技术,,43(9):12-14.
[12]崔丽珍，王慧琴，马勇. 基于FPGAOFDM调制解调系统设计与实现[J]. 电子与封装,,10(9):46-48.
[13]白凯. 基于OFDM技术电力线通信系统DSP+FpGA软硬件设计与实现[J]. 电子测试,(16):94-95.
[14]何世彪，吴红桥，王杰强，等. 电力线载波通信定期同步算法及其FPGA实现[J]. 计算机应用,,31(11):2918-2921.
[15]谢骏, 陈忠辉. 基于OFDM技术电力线载波通信系统发送端设计[J]. 《有线电视技术》,(1):25-28.
[16]Hiemstra DM，Kirischian V Single Event UPset Characterization ofthe Virtex-6 Field Programmable Gate Array Using Proton Irradiation[J]. Radiation Effects Data WOrkshoP(REDW)，:l-4.