劉曉勝，吳海濤，鄭檢，李瑩雪

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001）

1 引言

眾所周知，電力線載波通信是一種很有潛力的智能電網(wǎng)通信方式，它具有成本低、無需重新鋪設(shè)線路、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，能夠完成遠(yuǎn)程智能抄表、需求側(cè)響應(yīng)、故障位置判斷、供電方與用戶信息交換等智能電網(wǎng)應(yīng)用需求，近年來愈發(fā)成為各國學(xué)者的研究熱點[1]。

但是由于電力線是一種衰落信道，信號傳輸過程中存在線路損耗、線路延時、多徑效應(yīng)等因素。傳統(tǒng)的單載波技術(shù)（如頻移鍵控FSK 或相移鍵控PSK 等）對時變頻率選擇性衰落和干擾無自適應(yīng)能力，從而導(dǎo)致了通信可靠性上的局限性，通信速率和距離也難以達(dá)到較高水平，所以這項技術(shù)的推廣和應(yīng)用長期受到限制。

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術(shù)的引入在很大程度上彌補了這一缺陷，OFDM 作為多載波調(diào)制技術(shù)具有非常出色的抗窄帶噪聲性能，并且在帶寬利用率上占有很大優(yōu)勢，代表了未來發(fā)展方向，尤其是在中國這樣電網(wǎng)質(zhì)量較差的國家更是如此[2]。

近年來出現(xiàn)了許多基于OFDM 技術(shù)的窄帶電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)，比較有影響力的有：G3-PLC，PRIME，IEEE P1901.2[3]等等。這些標(biāo)準(zhǔn)在OFDM 技術(shù)基礎(chǔ)上采取差分二相移相鍵控DBPSK 或DQPSK 調(diào)制、循環(huán)前綴、加窗技術(shù)、使用卷積碼等編碼方式作為前向糾錯技術(shù)[4]，比較有效地解決了電力線信道噪聲和多徑效應(yīng)等問題。

本文依據(jù)G3-PLC 標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用FPGA 對標(biāo)準(zhǔn)中的各個信號處理步驟進(jìn)行設(shè)計，再把它們連接組合成一個同時具有發(fā)射和接收功能的通信樣機，最后進(jìn)行仿真驗證，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計功能。

2 方案設(shè)計思路

G3-PLC 標(biāo)準(zhǔn)是本次設(shè)計的主要依據(jù)，其帶寬范圍為35.9～90.6 kHz，采樣頻率400 kHz，載波數(shù)36，子載波間隔1.562 5 kHz[5]，其他主要特征有：

1）載波頻帶：CENELEC A,B；FCC；

2）物理層速率：32 kb/s；

3）支持IPV6；

4）AES-128（高級加密系統(tǒng)）；

5）可跨變壓器傳輸；

6）魯棒性。

此外，其信號處理過程主要分成兩個部分。以發(fā)送機為例，首先對信號進(jìn)行編碼，編碼方法包括擾碼、RS 編碼、卷積編碼、交織等等，其主要作用是前向糾錯，提高通信的可靠性；第2 部分是OFDM 調(diào)制部分，包括36 路的IFFT運算（快速傅立葉逆變換）、DBPSK 調(diào)制、加循環(huán)前綴、加窗等環(huán)節(jié)，整體信號處理過程如圖1所示。

圖1 OFDM 調(diào)制解調(diào)過程框圖 Fig.1 OFDM block diagram

數(shù)字信號處理模塊基本采用FPGA 完成，由于其并行處理的特性，F(xiàn)PGA 在信號處理領(lǐng)域有一定的優(yōu)勢。型號選擇Xilinx 公司的Virtex-4 系列XC4VSX25 芯片提供128 個XtremeDSP 硬核和10 240 個Slice，適用于高速、實時的數(shù)字信號處理領(lǐng)域。

如圖2所示，F(xiàn)PGA 在系統(tǒng)中可作為一個調(diào)制解調(diào)器，該調(diào)制解調(diào)器可以利用串口與上位機通信。即，上位機可以設(shè)置要發(fā)送的數(shù)據(jù)或文件，利用串口將數(shù)據(jù)或文件發(fā)送至發(fā)送模塊，數(shù)據(jù)在發(fā)送模塊內(nèi)進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送至模擬前端部分，用于上電力線傳輸；相反，電力線上讀取的信號經(jīng)耦合電路模擬前端傳給FPGA 的接收模塊，再經(jīng)過處理經(jīng)串口發(fā)到上位機，從而檢驗數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

圖2 FPGA 連接示意圖 Fig.2 Diagram of FPGA connection

功能實現(xiàn)采用verilog 語言編程并利用Xilinx公司的ISE 軟件平臺來進(jìn)行仿真驗證。

3 編碼部分的實現(xiàn)

信道編碼可以提供通信系統(tǒng)的通信可靠性，可以針對信道噪聲進(jìn)行抗干擾。G3 標(biāo)準(zhǔn)中最主要的編碼方式是卷積碼。卷積碼糾錯能力較強，可以糾正隨機差錯以及突發(fā)差錯，故作為本次設(shè)計的主編碼方式。

3.1 卷積編碼的實現(xiàn)

G3 標(biāo)準(zhǔn)中采取碼率為1/2 的（2，1，7）卷積碼，其生成多項式是g0=1 338 和g1=1 718。具體的原理圖如圖3所示。

圖3 卷積編碼器原理 Fig.3 Principle of convolution coder

其中，輸出數(shù)據(jù)A 的生成多項式為公式（1），輸出數(shù)據(jù)B 的生成多項式為公式（2）。這樣就實現(xiàn)了用6 個移位寄存器進(jìn)行卷積編碼，每輸入1位數(shù)據(jù)輸出兩位數(shù)據(jù)，即1/2 碼率的卷積編碼。

圖4顯示的是卷積編碼的仿真結(jié)果。從圖4可以看出，輸入nbit 的數(shù)據(jù)，將產(chǎn)生2nbit 的輸出，輸出數(shù)據(jù)符合公式（1）、式（2）所示。

圖4 卷積編碼模塊仿真結(jié)果 Fig.4 Data output of convolution coder module

3.2 Viterbi 譯碼器的實現(xiàn)

卷積碼的譯碼方式有很多，其中Viterbi 譯碼是應(yīng)用最廣的一種譯碼方式。1967年，Viterbi首次提出一種基于概率的非序貫譯碼算法[6]，即后來的Viterbi 算法。1973年，Viterbi 算法被證明是一種最優(yōu)迭代算法[7]。

設(shè)卷積碼狀態(tài)寄存器共有N位，那么其狀態(tài)值Xk的狀態(tài)共有2N種，譯碼時根據(jù)接收到的編碼，推測出其所應(yīng)對應(yīng)的寄存器狀態(tài)。Viterbi 譯碼就是在所有可能狀態(tài)轉(zhuǎn)換路徑中選擇最有可能的一條，作為譯碼結(jié)果[8]。

定義概率最大路徑長度為-lnP（X,Z），其中X為與該路徑對應(yīng)的狀態(tài)，Z為接收序列，此時P（X|Z）為最大后驗概率，且P（X，Z）=P（X|Z）P（Z），于是尋徑即是尋求P（X，Z）的最大化，P（X，Z）可分解為：

定義路徑分支長度為公式（4）：

其中，kξ表示從Xk到 1Xk+的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，總體路徑長度如公式（5）：

即路徑分支長度和。任一時刻的最短路徑就是各分支路徑長度之和最小的那個，稱為幸存路徑。如果成功求取了幸存路徑，即完成了解碼過程。

基于上述分析，本設(shè)計中Viterbi 譯碼器的總體構(gòu)架如圖5所示，包括計算漢明距離、加比選、選擇幸存路徑、回溯及控制單元等。

圖5 Viterbi 譯碼框圖 Fig.5 Viterbi decoder diagram

當(dāng)編碼得來的兩位并行比特輸入譯碼器，漢明距離模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)和當(dāng)前狀態(tài)值（64 個）計算出64 組，每組2 個漢明距離。接著加比選模塊（ACS）讓每個累計漢明距離加上新的漢明距離得到2 個新的累計距離，并讓二者比較較小的為幸存者，其路徑為幸存路徑，并將其存放在RAM 中。此處共有64 個ACS 模塊并行運行，所以最終得到幸存路徑64 條，將最短的那條路徑送入回溯模塊開始回溯，輸出的信息即為譯碼結(jié)果。

4 OFDM 調(diào)制部分的實現(xiàn)

4.1 調(diào)制與解調(diào)

G3 標(biāo)準(zhǔn)可以采用不同的調(diào)制方式，主要為DBPSK 和DQPSK，其中DBPSK 調(diào)制方式簡單且通信速率較高，因此本次設(shè)計中采取這種調(diào)制方式。DBPSK 調(diào)制是相移鍵控的非相干形式，不需在接收機端恢復(fù)相干參考信號，降低了接收機的復(fù)雜度，但是也因此不能對接收端進(jìn)行眼圖信號的觀測，而且能量效率要略低于BPSK，抽樣判決點波形較BPSK 要差。

DBPSK 調(diào)制方式下，需要先將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行差分編碼，差分編碼原理為：輸入比特為0 時對應(yīng)輸出不改變，輸入比特為1 時對應(yīng)輸出取反。然后再進(jìn)行BPSK 調(diào)制，即一個簡單的映射關(guān)系：比特1 對應(yīng)輸出1，比特0 對應(yīng)輸出-1。

解調(diào)時先進(jìn)性BPSK 解調(diào)，定義一個兩位移位的寄存器用于依次讀入輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)調(diào)制原理映射解調(diào)后，兩位寄存器取異或運算，得到結(jié)果即為輸出數(shù)據(jù)。

4.2 IFFT/FFT 模塊

由OFDM 的原理可知，發(fā)射機的發(fā)送信號可由公式（6）表示。

將公式（6）進(jìn)行形式上的變換可得：

我們把sl(t)成為等效基帶信號。對這個信號進(jìn)行采樣，得到基帶信號sl(k)：

對于子載波N 非常大的系統(tǒng)來說，正交調(diào)制可以采用離散傅里葉逆變換IDFT 算法來實現(xiàn)。從公式（8）可以很容易發(fā)現(xiàn)sl(k)是d(n)的IDFT。若不考慮噪聲和干擾的影響，且假設(shè)滿足正交條件，那么在接收端采用類似的方法就可以得到接收信號。

FFT 模塊的設(shè)計采用Xilinx 公司提供的IP核來實現(xiàn)。Xilinx 公司提供了豐富的IP 核資源，在本設(shè)計中，我們采用Xilinx 的FFT v3.2 來實現(xiàn)IFFT/FFT 變換，該IP 核功能強大，配置靈活，可以滿足設(shè)計要求。

4.3 循環(huán)前綴與加窗

由于信道存在記憶性，結(jié)果導(dǎo)致了輸出塊序列不僅與當(dāng)前塊的輸入關(guān)系有關(guān)，還與上一個塊的最后M個輸入有關(guān)，這樣就產(chǎn)生了碼間干擾。

解決碼間干擾的一種辦法是添加保護間隔，即在每N 點數(shù)據(jù)塊前加入M個0，這樣就得到了一個M+N點數(shù)據(jù)塊,按照這樣的方法合適的選取保護間隔的長度可以消除碼間干擾。然而,在這種情況下，由于多徑傳播的影響，則會產(chǎn)生信道間干擾ICI，即子載波間的正交性會遭到破壞，不同的子載波間產(chǎn)生干擾。為了消除由于多徑所造成的信道間干擾，OFDM 符號需要在其保護間隔內(nèi)填入循環(huán)前綴信號，如圖6所示。

圖6 循環(huán)前綴 Fig.6 Cyclic prefix

這樣就可以保證在FFT 周期內(nèi)，OFDM 符號的延時副本內(nèi)所包含的波形的周期數(shù)也是整數(shù)。如此一來，時延小于循環(huán)前綴長度的時延信號就不會在解調(diào)過程中產(chǎn)生信道干擾。換句話說，加入CP 后，當(dāng)CP 長度大于最大時延擴展，既可以消除碼間干擾，也可以消除信道干擾。

添加循環(huán)前綴后，還需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，使得OFDM 符號在帶寬之外的功率譜密度下降更快。常用的加窗類型是升余弦函數(shù)，如公式（10）所示。

其中β為滾降因子，Ts是加窗前的符號長度，加窗后的符號長度則為（1+β）Ts。這樣相鄰符號之間就存在了相互重疊的區(qū)域。系統(tǒng)帶寬之外的功率下降速度取決于滾降因子的選取，滾降因子越大，帶寬之外的功率譜密度下降的越快。本系統(tǒng)中設(shè)置的參數(shù)為，一個符號長度T=4.0 μs，符號間重疊TTR=100ns，則加窗函數(shù)為公式（11）。

4.4 OFDM 多模塊聯(lián)調(diào)

將多個模塊連接后調(diào)試，比照輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，可以更好的分析和驗證OFDM 程序。

這里將其中最重要的幾個模塊連接起來，分別是IFFT 變換，加CP 加窗，然后去CP 去窗，最終進(jìn)行FFT 變換。前面3 個模塊的處理是為了使信號具有更加優(yōu)良的抗擾性，使之適應(yīng)電力線信道的惡劣環(huán)境，后3 個模塊是一次對應(yīng)的逆向信號處理過程，用于恢復(fù)原有的發(fā)送信號。圖7是各模塊的連接圖，圖8是其仿真結(jié)果。

圖7 多模塊連接結(jié)構(gòu) Fig.7 RTL structure of modules

圖8 多模塊連接仿真結(jié)果 Fig.8 Simulation results of modules connection

從圖中可以清晰看出，輸入數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)是一致的，即設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)制和原信號的解調(diào)還原過程，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計一套基于G3-PLC 標(biāo)準(zhǔn)的窄帶高速電力線載波通信信號處理平臺，實現(xiàn)了以卷積編碼/譯碼為代表的前向糾錯功能和包括信號調(diào)制解調(diào)、OFDM 變換、循環(huán)前綴、加窗等步驟的OFDM 調(diào)制功能，并從理論和實驗仿真兩個方面分析論證了整體設(shè)計過程，得到了期望的效果。為應(yīng)用于智能電網(wǎng)通信的電力線載波通信方法提供了一種新的設(shè)計思路。

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