韋軍+江健+楊振+明吉波

摘 要：本文對電力線信道建立了軟件測試環(huán)境，針對電力線通道的特殊噪聲以及信道變化等現(xiàn)象進(jìn)行探討，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)軟件定義的OFDM電力通信發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電力通信；軟件定義；監(jiān)控測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.183

電力線通信近來蓬勃發(fā)展，原因在于電力線路傳遞信號，不需重新布線，可解決通信傳輸中最后一公里的問題。在本篇論文中，對電力線信道進(jìn)了以軟件方式的測試環(huán)境，并且針對電力線通道的特有現(xiàn)象進(jìn)行探討，包括了特殊噪聲以及信道變化等。

此外本文設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)軟件定義的OFDM電力通信發(fā)射系統(tǒng)與接收系統(tǒng)。在平臺使用了FPGA實(shí)驗(yàn)板、數(shù)字轉(zhuǎn)模擬與模擬轉(zhuǎn)數(shù)字開發(fā)板以及自制電力線模擬前級。在發(fā)射系統(tǒng)的信號處理模塊中設(shè)計(jì)了串行轉(zhuǎn)并行處理器、高速回旋碼編碼器、信號交錯(cuò)器、星座圖映射器、反快速傅里葉轉(zhuǎn)換器、循環(huán)前綴置入器和前導(dǎo)符碼置入器等，而在接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)了信號同步器、快速傅里葉轉(zhuǎn)換器、信道估測器、信道均衡器、硬式?jīng)Q策器、信號解交錯(cuò)器及通道解碼器等。傳送頻帶為2.3MHz～20MHz，在64-QAM的模式的下最高傳輸率為42.52Mbps。

1 電力線通道監(jiān)控測量

在軟件監(jiān)控測量平臺以MATLAB實(shí)現(xiàn)所有信號處理，搭配FPGA實(shí)現(xiàn)信號的傳遞與存儲，最后使用DAC、ADC、自制電力線模擬前級（Analog-Front-End，AFE）產(chǎn)生及發(fā)射信號。軟件監(jiān)控測量平臺架構(gòu)如圖1。

而在信道監(jiān)控測量的方式以ZF方式（ZeroForcing）實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

2 電力線通信發(fā)射系統(tǒng)架構(gòu)

在自定義電力線通信發(fā)射系統(tǒng)的完整硬件架構(gòu)中，為了低系統(tǒng)時(shí)序安排的復(fù)雜度使用了多個(gè)FIFO（First-In-First-Out）緩沖器來控制時(shí)序。在傳統(tǒng)回旋碼編碼會導(dǎo)致在處理多位數(shù)的情況的下使得系統(tǒng)的操作頻率等效降低，可通過增加邏輯運(yùn)算電路的方式使得在不增加緩存器的情形的下增加信號的輸出量以保持系統(tǒng)的操作頻率。其中星座圖映射器使用查表法實(shí)現(xiàn)，另外在輸入資料大小也必須考慮誤差向量幅度。FFT/IFFT采用管道式（Pipeline）單延遲回授的FFT架構(gòu)，其中FFT需要的乘法器以CORDIC算法取代。

3 電力線通信接收系統(tǒng)架構(gòu)

在信號的同步上，分別有：延遲相關(guān)器、峰值偵測器、信號偵測器以及編碼同步器，在前導(dǎo)符碼的設(shè)計(jì)上是使用BPSK信號，所以在接收端僅需判斷信號的正負(fù)值即可得到信道響應(yīng)，而在信道等化一樣采用ZF均衡器，而在除法器的部分也是使用CORDIC實(shí)現(xiàn)算法。

本論文所采用的維特比譯碼器硬件架構(gòu)如圖3，硬件譯碼主要包含分支路徑計(jì)量值、累積路徑計(jì)量值與存活路徑的運(yùn)算等三個(gè)步驟。當(dāng)經(jīng)過解交錯(cuò)器后的信號要進(jìn)入維特比譯碼器前，必須要做位計(jì)量值（BitMetric）運(yùn)算，其運(yùn)算只是將碼字0對應(yīng)成1，1對應(yīng)成-1。另外，此譯碼器輸入格式是允許一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)入一個(gè)位所對應(yīng)的值，即1或-1，但由于解交錯(cuò)后的信號在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)可能為2位（QPSK）、4位（16-QAM）或6位（64-QAM），故我們必須將此轉(zhuǎn)換成每個(gè)時(shí)間點(diǎn)皆為1位；即是降低資料處理頻率，方可進(jìn)入譯碼器處理。在實(shí)現(xiàn)上，我們使用了一內(nèi)存加上多任務(wù)器來完成此功能。

4 結(jié)語

本篇論文實(shí)現(xiàn)可通過定義特定緩存器的數(shù)值來達(dá)到更動硬件規(guī)格的效果，同時(shí)，在此平臺中可定義星座圖模式、循環(huán)前綴長度以及前導(dǎo)符碼周期。通過此平臺的配置可自行掌握通信規(guī)格，以及因應(yīng)需求來調(diào)整參數(shù)，同時(shí)可兼容其他模塊，如針對SFO的修正與自動增益控制等等，以達(dá)到通信平臺的完整性。

參考文獻(xiàn)：

[1]C.-H.Kuo，Design and Implementation of Viterbi Decoder for Multi-Rate Convolutional Code in DVB-TSystem，"Master's thesis，National Central University，2010.

[2]P.-C.Wang，Design and Implementation of Variable-Length Fast Fourier Transform Processor in OFDM Systems，" Master's thesis，National Central University，2007.