基于USRP的电力线载波技术验证平台设计与实现.pdf

第 5 1 卷第 l 2期 2 0 1 4年6月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r ume n t at i o n VO 1 5 l No 1 2 J un 2 5 。 2 0 1 4 基于U S R P 的电力线载波技术验证平台设计与实现木 杨冰， 陶锋 ， 褚广斌 ， 刘伟麟， 李建岐 ( 中国电力科 学研 究院， 北京1 0 0 1 9 2 ) 摘要： 针对电力线载波通信技术研究缺少实际验证环境的问题， 提出了一种基于U S R P( U n i v e r s a l S o ft w a r e R a d i o P e r i p h e r y )的电力线载波通信技术验证平 台。以U S R P 硬件板卡为基础 ， 通过对U S R P ； L 卡的F P G A 进行二次开发 实现电力线载波通信数字前端，使用U S R P 卡上的S R A M 完成对发送数据与接收数据的缓存以简化设计的复 杂度 ， 采用 以太网接 口实现U S R P 板卡 与主机ma t l a b 软件的连接 ， 结合 自主开发的模拟前端与耦合 电路 ， 使得用 于电力线载波技术研究的仿真代码可以直接在电力线信道上进行验证，提高了电力线载波通信技术研究的效 率与可靠性。测试结果表明 ， 通过灵活配置数字前端的工作频率与带宽， 验证平 台适用于不 同频带范围的电力 线载波技术验证。 关键词 ： 电力线通信 ； U S R P ； 软件无线电 ； 验证平 台； 数字前端 ； 中图分类号 ： T M7 3 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 1 0 8 0 6 Po we r Li ne Co m mun i c a t i o n Te c h no l o g y Ve r i fic a t i o n Pl a t f o r m De s i g n a nd I m p l e m e nt a t i o n Ba s e d o n US RP YANG Bi n g ， T AO F e n g ， CHU G u a n g b i n ， L I U W e i - l i n ， L I J i a n q i ( C h i n a E l e c t r i c P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A p o w e r l i n e c o m mu n i c a t i o n ( P L C )t e c h n o l o g y v e r i fi c a t i o n p l a t f o r m b a s e d 0 13 U S R P i s p r o p o s e d d u e t o t h e l a c k o f r e a l v e r i fi c a t i o n e n v i r o n me n t d u r i n g r e s e a r c h B a s e d o n t h e US RP h a r d wa r e b o a r d ， t h e P L C d i g i t a l f r o n t e n d i s r e d e s i g n e d i n F P GA，a n d t h e S RAM i s a d o p t e d t o c a c h e t h e t r a n s mi t t i n g a n d r e c e i v i n g p a c k e t s t o s i mp l i f y t h e p l a t f o r m d e s i g n E t h e r n e t i n t e r f a c e i s u s e d t o c o n n e c t t h e US RP b o a r d a n d ma t l a b s o ft wa r e o n P C ； t h e r e f o r e ， wi t h t h e a i d o f a s i mp l e a n a l o g f r o n t - e n d a n d c o u p l i n g c i r c u i t ， t h e ma t l a b c o d e f o r r e s e a r c h i n g t h e P L C t e c h n i q u e c a n b e v e r i fie d o n r e a l p o we r - l i n e e n v i r o n me n t d i r e c t l y，S O t ha t t he e ffi c i e n c y a n d r e l i a bi l i t y o f r e s e a r c h i n g a r e pr o mo t e d T h e t e s t r e s u l t s h o ws ，b y c o n fi g u ri n g t h e wo r k i n g f r e q u e n c y a n d b a n d wi d t h ，t h e p l a t f o r m i s s u i t a b l e f o r d i f f e r e n t k i n ds o f PLC t e c h n i q ue s Ke y w o r d s ： p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n( P L C) ， U S R P ， s o ft w a r e d e fi n e d r a d i o ， v e ri fi c a t i o n p l a t f o rm， d i g i t a l f r o n t - e n d 0 引 言 算法的性能进行检验成为了非常值得关注的问题。 随着智能电网的在全球范 围内的日益推广 ， 面向 智能电网应用的电力线载波通信技术得到了又一次 1 ， 跨越式发展一 ，在众多智能电网应用新需求的推动 下 ， 跨频带、 频谱认知、 频谱聚合等新技术不断涌现。 然而 ， 由于电力线信道 的信道情况复杂 ， 噪声 、 衰减 、 阻抗等参数随电力线物理特性 、 拓扑结构、 环境等因 素影响巨大 ， 仅通过仿真或信道模拟 的方法对P L C 物 r 理层新技术进行验证具有很大的局限性 。 因此 ， 如 何使用统一的硬件平台在现场快速的对P L C 物理层 基金项目： 国家电网公司“ 千人计划” 专项资助项目( T X T 1 一 j 2 0 0 1 ) - 1 08 - 目前 ，常用的P L C 产品均为定制化 的集成 电路 ， 无法对物理层算法进行大规模更改 ， 即使有些产品具 有可编程的特性 ， 其产品的耦合带宽 、 前端采样速率 等硬件结构也难以适应要求更高的智能电网应用。 所 以， 为了对P L C 物理层算法进行快速验证 ， 需 要选 择 使用现有 的成熟的通用硬件平台 ， 并在其基础上进行 二次开发 ， 以适应P L C 技术的独特性。 本文从验证平 台的选择出发 ， 介绍通用软件无线 电外设( U S R P ) 的结构及其对P L C 技术验证需求 的适 用性 ；在此基础上介绍基于通用软件无线电外设 的 P L C 技术验证系统的开发与使用 ； 最后给出验证 系统 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1 卷第 1 2期 2 0 1 4年6月 2 5日 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r ume n t at i on V0 1 5l No 1 2 J un 2 5 - 2 0 1 4 将2 5 6 k 个采样点存入S R A M即可， S R A M中将包含众 多连续循环 的发送数据序列 ，通过该方法 ，无需在 U S R P 的F P G A内实现对数据包的定时同步算法 ， 而仅 需将捕获并存人S R A M的数据上传至主机 ，由主机 Ma t l a b 进行包括 同步算法在 内的物理层算法验证 与 评估 ，从而进 一步简化 了P L C 验证平台接收端 的设 计 。 另一方面， 即使发送端不使用循环发送 的方式 ， 也 可 以使用简单 的链路外 同步方式 ( 如无线数传模块 等 ) 实现较为粗糙 的节点 问同步 ， 而仅需保证发送数 据序列被涵盖在2 5 6 k 个捕获采样点 内即可( 如当带宽 为2 0 0 k Hz 时 ， 2 5 6 k 个采样点可 以捕 获1 2 8 s 的数 据 ) ， 也可以避免在F P G A 内实现定时同步算法，从而简化 平 台设计。 在流程上 ， 当接收节点得知发送节点即将进行数 据发送时， 主机通过配置 串口通知U S R P 板中的F P G A 开始进行数据接收， 同时配置F P G A中的数字前端 ， 包 括接收的中心频点 、 带宽等 ， 对数字前端的配置需要 与发送端保持一致。 F P G A 将经过接受耦合器 、 模数转 换器 与数字下变频模块的基带采样数据存储至 S R A M， 并 向主机上报接收过程结束 。主机得知数据 接收结束后 ， 向F P G A 配置数据上传指示 ， 此时 ， F P G A 的相应接收数据计数器清零 ， 并准备进入数据上传状 态。上传过程中， F P G A 从S R A M中将数据读出，交给 U S R P 源代码 中的包交换模块 ，最终通过以太网接 口 上传 ， 并由主机的Ma t l a b 程序读取。 以上可见 ， P L C 验证平台的数据收发功能实际上 完成 了Ma t l a b 中的基带数据与 电力线上 的载波调制 信号之间的转换， 为Ma t l a b 物理层算法验证提供了简 便可靠的软硬件平台。 6 P LC 验证平台测试实例 使用本文介绍的P L C 验证平台，可以通过配置 r1I F P G A中数字前端 ，实现不 同频率与带宽的信号在 电力线信道上的传输。 图7 是在2 MH z 频点上传输带宽为7 8 k H z 的信号 时的接收频谱。发送端产生4 0 9 6 点 的白噪声序列 ， 经 过 I F F T 运算与加窗处理后 的数据作 为发送 序列 ， 由 Ma t l a b 下载 I U S R P 板进行发送 ， 经过电力线传输后 ， 由接收端捕获的数据经上传并在M a tl a b 中进行加窗 与F F rr 运算得到了图7 中的接收信号频谱 ( 包括幅值 与相位 ) 。 图8 是在7 M H z 频点上传输带宽为I O M H z 的信号 时的接收频谱。数据的产生、 发送 、 接收 、 分析过程与 图7 类似 ，不同之处仅在于对数字前端的工作频率与 中心频点配置不同。 可以看 出， 与窄带信号相 比， 宽带 一 1 l 2 0 一 曼 生 曼 乏 霉 l 1 _ - L l 。 研 I 【 。 0 T r ， i 1 l 1 T 下l T r 频率 【 k Hz 】 一 、 、 ， 、 、 h 一 I 2 0 频率 f k Hz 】 一 图7 中心频率2 MH z 带宽7 8 k Hz 信号接收频谱 Fi g 7 Re c e i v i n g s pe c t r um wi t h 2 MHz c e nt e r 40 I 1 2 O 0 粤 2 0 冒 基 罩 f r e q u e n c y a n d 7 8 k Hz b a n d wi d t h 、 一 ， flIIl H IiIili 2 0 0 0 4 0 0 0 6 0 0 0 8 o 00 1 0 0 0 0 1 2 0 0 0 频率 【 k Hz 】 = = - 一- 0 - 图8 中心频率7 MHz 带宽1 0 MHz 信号接收频谱 Fi g 8 Re c e i v i n g s pe c t ru m wi t h 7 MHz c e nt e r f r e q u e n c y a n d I O MHz b a n d wi d t h 信号的频谱在幅值上较不平坦， 这是由于电力线信道 阻抗、 衰减等特性与频率相关。 7 结束语 针对电力线载波通信 的物理层算法如何在电力 线信道上进行快速验证 的问题 ， 本文提出了一种基于 U S R P 架构的P L C 验证平 台，通过在U S R P 基础上 的二 次开发 ， 该平台实现了对系统工作频点与带宽的灵活 配置 ；验证平 台使用与Ma t l a b 连接 的以太 网接 口， 使 得用于算法仿真的Ma t l a b 代码可以直接在 电力线信 道上进行验证 。本文提 出的P L C 验证平 台具有较高的 灵活性 ， 且可 以在U S R P 的基础上快速实现 ， 为P L C 物 理层算法研究提供了实际可靠的验证手段。 参 考 文 献 【 1 S t e f a n o G ， A n n a S ， Z h i n g W， F o r t h e G r i d a n d T h r o u g h t h e G r i d ： T h e R o l e o f P o w e r L i n e C o mm u n i c a t i o n s i n t h e S ma r t G ri d叨 P r o c e e d i n g s o f t h e I E E E ， 2 0 1 1 ， 9 9 ( 6 ) ： 9 9 8 1 0 2 7 【 2 】 肖世杰 构建 中国智能 电网技 术思考f J 】 电力系统 自动化， 2 0 0 9 ， 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m