基于OFDM 技術(shù)的電力線通信系統(tǒng)DSP+FPGA 算法比較

白 凱

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710077）

0 引言

電力線載波通信PLC(Power Line Communication)是利用中低壓電力網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)字信息傳輸媒介的一種有線通信方式。近10年來(lái)，隨著全球信息化進(jìn)程的加速發(fā)展，各種寬帶接入技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)成本、技術(shù)先進(jìn)性和接入的方便性等方面不斷的提高著自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。采用何種通信方式將附近的寬帶網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入到用戶終端，成為了寬帶網(wǎng)絡(luò)營(yíng)運(yùn)商不斷探索和關(guān)注的問(wèn)題，這也成為了Internet 普及的瓶頸之一，此問(wèn)題被稱之為寬帶網(wǎng)路接入的“最后一百米問(wèn)題”。PLC 技術(shù)利用覆蓋范圍最為廣泛的電力線網(wǎng)絡(luò)資源，建設(shè)速度快、投資少、無(wú)需布新線、室內(nèi)無(wú)死角，用戶通過(guò)室內(nèi)遍布的每一個(gè)插座都可以高速上網(wǎng)，具備了其它接入方式所不具備的優(yōu)勢(shì)，成為了國(guó)內(nèi)外信息接入技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

近年來(lái)PLC 技術(shù)發(fā)展十分迅速，尤其是新一代高速電力線通信的異軍突起，使得用戶室內(nèi)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨罂梢酝ㄟ^(guò)電力線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。高速電力線通信技術(shù)不僅僅涉及通信中的調(diào)制解調(diào)技術(shù)和編譯碼技術(shù)本身，還受到低壓電網(wǎng)中的電力線信道特性和電力線噪聲甚至網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。因此要實(shí)現(xiàn)高速、可靠的寬帶電力線通信，研究適合電力線信道特性的調(diào)制解調(diào)、編譯碼等通信技術(shù)有積極的意義。而OFDM 技術(shù)抵抗信道畸變的能力強(qiáng)，可以通過(guò)自適應(yīng)調(diào)制來(lái)高效利用信道提高信道利用率，且傳輸容量較大。本文利用高速數(shù)字信號(hào)處理器搭建基于OFDM 通信技術(shù)的硬件平臺(tái)，并驗(yàn)證了OFDM 通信中的關(guān)鍵技術(shù)，為寬帶電力線通信的應(yīng)用提供了有益的參考。

1 通信系統(tǒng)上線實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)和算法

為了得到寬帶電力線通信系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)際低壓電網(wǎng)的性能，并驗(yàn)證對(duì)比各種關(guān)鍵技術(shù)和算法的適用性，本文在典型的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的算法進(jìn)行了實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用的OFDM 基本參數(shù)如下：接收和發(fā)送端口處的采樣頻率為FS=39MHz，OFDM 符號(hào)周期為T，在OFDM 中使用的IFFT/FFT 計(jì)算點(diǎn)數(shù)為N（若為復(fù)數(shù)OFDM 則N 代表子載波個(gè)數(shù)），如果N=1024，則T=N/FS=1024/39MHz=26.25us。循環(huán)前綴CP長(zhǎng)度NCP=128，CP 的時(shí)間周期為TCP=128/FS=3.28us。這樣，一個(gè)完整的OFDM 符號(hào)周期長(zhǎng)度TS 為OFDM 符號(hào)周期與CP 時(shí)間周期之和TS=T+TCP=29.53us。子載波間隔為有效符號(hào)周期的倒數(shù)Δf=1/T=1/26.25us=38KHz，子 載 波 數(shù)NC=B/Δf=39MHz/38KHz 1024。若每個(gè)子載波映射均采用BPSK 方式，則傳輸速率為R=1024×1bit/26.25us=39Mbit/s。下面主要討論硬件系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，OFDM 寬帶通信關(guān)鍵技術(shù)表現(xiàn)出的性能。

1.1 同步技術(shù)實(shí)驗(yàn)

在39MHz 采樣頻率下，對(duì)基于多相序列族的同步算法進(jìn)行了實(shí)測(cè)。圖1 給出了同步訓(xùn)練序列，它由四段共軛對(duì)稱的序列構(gòu)成，其中每一段由多相序列族中的最后一個(gè)序列生成。這種結(jié)構(gòu)可以同時(shí)驗(yàn)證基于重復(fù)結(jié)構(gòu)自相關(guān)的Park 算法和本文采用的基于本地序列互相關(guān)的同步算法。

1.2 自適應(yīng)信噪比估計(jì)實(shí)驗(yàn)

首先給出使用虛擬子載波的OFDM 信噪比估計(jì)算法在實(shí)際電力線系統(tǒng)中的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由于系統(tǒng)使用單D/A 的采樣板，所以設(shè)計(jì)實(shí)數(shù)的載波序列。頻域上每一個(gè)導(dǎo)頻上插入三個(gè)虛擬子載波。時(shí)域中每隔一個(gè)完整OFDM 符號(hào)周期插入導(dǎo)頻。這樣的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在頻域使用虛擬子載波來(lái)計(jì)算信噪比，本文使用時(shí)頻二維導(dǎo)頻來(lái)做信噪比估計(jì)。

圖2 為在FPGA 的sigtap 邏輯分析工具中觀測(cè)到得經(jīng)過(guò)15m 單分支的低壓電力線的接收波形。可見(jiàn)波形包絡(luò)變化平穩(wěn)，印證了電力線信道屬于慢時(shí)變的特性。圖3 為經(jīng)過(guò)同步算法后確定的第一時(shí)隙里的OFDM 符號(hào)，其中同步序列與信噪比估計(jì)的定時(shí)位置已經(jīng)標(biāo)注到了起點(diǎn)位置。圖4 為接收數(shù)據(jù)幀1 的平均信噪比估計(jì)值。

根據(jù)信噪比的估計(jì)結(jié)果，對(duì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室為代表的低壓電力線網(wǎng)絡(luò)中，在同一幀內(nèi)插入信噪比估計(jì)符號(hào)的間隔可以控制在0.4ms 左右，即15個(gè)時(shí)隙時(shí)間內(nèi)估計(jì)兩次。在連續(xù)模式傳輸?shù)腛FDM 系統(tǒng)中，最多每6～8個(gè)完整的OFDM 符號(hào)估計(jì)一次平均信噪比可以得到信道的基本變化規(guī)律。

1.3 抑制OFDM 系統(tǒng)PAPR 實(shí)驗(yàn)

本節(jié)主要從實(shí)用角度，對(duì)比了限幅濾波算法與選擇性映射算法SLM 兩種抑制OFDM 的峰均功率比算法的實(shí)現(xiàn)。

圖5 和圖6 所示為使用限幅濾波算法的發(fā)送波形和經(jīng)過(guò)15 米電力線的接收波形。根據(jù)誤碼率統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以計(jì)算得出使用限幅濾波算法系統(tǒng)的平均誤碼率在沒(méi)有加入任何編碼和交織時(shí)為6.1%。

綜合考慮算法復(fù)雜度與效率的優(yōu)化，我們認(rèn)為在39MHz 帶寬的電力系統(tǒng)通信中使用限幅算法更加高效。這是因?yàn)橐种屏薖APR 算法之后，在發(fā)送前對(duì)信號(hào)還要按照FPGA 的幅度范圍進(jìn)行歸一化以適應(yīng)D/A 采樣的需求，相當(dāng)于增加限幅算法的信噪比，而SLM 算法損失的信噪比與其峰值成反比。所以在信噪比增益珍貴的實(shí)際系統(tǒng)中限幅算法非常適合高頻寬帶中的電力線通信。

1.4 編碼技術(shù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比

本節(jié)主要考慮卷積碼+交織碼的級(jí)聯(lián)編碼與LDPC 碼的實(shí)測(cè)實(shí)比較。卷積碼和LDPC 碼均采用1/2 碼率的編碼方案。在級(jí)聯(lián)編碼方案中，卷積碼使用最常見(jiàn)的（2,1,3）編碼，交織則使用交織深度為256bit 的隨機(jī)交織。

在比較兩種編碼方案中，均使用了相同參數(shù)的OFDM 系統(tǒng)、CP 長(zhǎng)度、PAPR 算法和同步算法。結(jié)果表明兩種方案在實(shí)驗(yàn)有限的的譯碼次數(shù)中結(jié)果誤碼率都基本為0。蒙特卡洛仿真中顯示級(jí)聯(lián)碼與LDPC 碼的誤碼率差異在10dB 左右。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于LDPC 碼的編碼長(zhǎng)度很長(zhǎng)，從碼長(zhǎng)的角度來(lái)看，LDPC 碼更加適用于連續(xù)模式的OFDM 系統(tǒng)（如數(shù)字電視廣播等視頻流或者音頻流的通信過(guò)程），而級(jí)聯(lián)編碼更加適合突發(fā)模式OFDM 通信（如智能抄表、智能電網(wǎng)中的應(yīng)用）。

圖6 限幅算法FPGA 接收波形

2 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)物理層平臺(tái)使用雙核數(shù)字信號(hào)處理芯片，進(jìn)行OFDM 的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，詳細(xì)分析和探討了同步算法、自適應(yīng)信噪比估計(jì)算法、抑制OFDM 峰均功率比算法和編解碼算法等OFDM 通信的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)在低壓電力線的實(shí)測(cè)結(jié)果，并分別給出了適合低壓電力線實(shí)際系統(tǒng)的技術(shù)方案。

[1]張保會(huì),劉海濤,陳長(zhǎng)德.電話、電腦、電視與電力網(wǎng)“四網(wǎng)合一”的概念與關(guān)鍵技術(shù)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001,21(2):60-66

[2]劉斌，崔曉曼，方箭，等.電力線通信技術(shù)與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]ICT OMEGA project，http://www.ict-omega.eu