基于嵌入式平臺的G3-PLC 系統(tǒng)設(shè)計與性能優(yōu)化*

周 宇，張 峰，劉 艷

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710021）

0 引 言

電力線通信（Power Line Commun-ication，PLC） 是現(xiàn)代智能電網(wǎng)中的一種重要通信方式，在智能家居、能源控制和智能抄表等場合有著廣泛應(yīng)用[1]。

G3-PLC 技術(shù)是基于OFDM 技術(shù)的高速窄帶電力線載波技術(shù)體系。OFDM 因具有抗多徑干擾和頻率選擇性等特點，非常適合在電力線載波通信系統(tǒng)中使用。但是，由于電力線信道特性惡劣，噪聲顯著且具有時變性[2]，通信質(zhì)量易受信號衰減、阻抗匹配等多種因素的影響。如何提高電力線通信的可靠性，一直是研究的熱點[3]。

文獻[4]表明準確的符號定時同步是實現(xiàn)OFDM 系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵，目前主要的延時自相關(guān)同步方法具有一段峰值平臺，不利于準確的符號定時同步。文獻[5]指出，相比PRIME 標準，G3-PLC 標準抗干擾性良好，但速率相對較低，結(jié)構(gòu)復雜，不利于硬件實現(xiàn)。

針對上述問題，本文在對G3-PLC 物理層信號傳輸模型、信號處理算法及信號的可靠傳輸進行優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上，以ARM 處理器為核心，實現(xiàn)基于G3 標準的電力線載波通信系統(tǒng)，極大地改善了系統(tǒng)效率和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1 G3-PLC 系統(tǒng)設(shè)計方案

G3-PLC 系統(tǒng)中核心的PLC 信號處理單元涉及的算法較多，計算量大，且系統(tǒng)對實時性要求較高。本文選擇意法半導體的ARM 處理器STM32F4 構(gòu)建PLC 信號處理單元。該處理器主頻400 MHz，片上資源豐富，能夠滿足PLC 信號處理單元對處理速度、控制、參數(shù)配置及通信接口等各方面的開發(fā)需求。信號傳輸模型的硬件平臺方案，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)方案

實現(xiàn)方案具體工作原理如下。

數(shù)據(jù)發(fā)送：終端設(shè)備A 將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過UART 傳送至PLC 信號處理單元，經(jīng)過各種編碼處理及OFDM 調(diào)制后形成多載波信號，再進行D/A 轉(zhuǎn)換將待傳輸模擬信號由耦合單元耦合至電力線發(fā)送。

數(shù)據(jù)接收：電力線上傳輸?shù)男盘栍神詈蠁卧邮眨?jīng)自動增益控制模塊處理成為PLC 信號處理單元要求的幅度范圍，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換由PLC 信號處理單元進行存儲、OFDM 解調(diào)及譯碼處理形成接收數(shù)據(jù)，通過UART 傳送至通信終端設(shè)備B。

2 G3-PLC 系統(tǒng)效率優(yōu)化

2.1 OFDM 調(diào)制解調(diào)

OFDM 通過FFT 將寬帶信道分成許多正交的子信道，將連續(xù)的高速數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)變?yōu)樵S多平行的低速數(shù)據(jù)流并調(diào)制在不同的子載波上[6]。

在OFDM 系統(tǒng)中，若電力線信道被分為N個具有相互正交特性的子信道傳輸信號，發(fā)送端的N個信號用S=[s0,s1,…,sN]T表示，則每個OFDM 符號由N個調(diào)制后的子載波合成。OFDM 調(diào)制解調(diào)原理可以用數(shù)學公式表示為：

式中，0 ≤t≤T，T表示OFDM 符號持續(xù)時間；si表示第i個子信道中的待傳輸信息；fi表示第i個信道對應(yīng)的載波頻率。

2.2 通過定點化FFT 提高運算效率

IFFT/FFT 算法的實現(xiàn)與優(yōu)化在OFDM 系統(tǒng)中至關(guān)重要。針對浮點FFT 運算量大以及浮點單片機存在功耗大、價格高、計算效率低等問題，采用浮點格式與Q0～Q31定點格式的程序轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)運算效率。浮點轉(zhuǎn)定點可表示為：

其中x表示浮點數(shù)，Xk表示轉(zhuǎn)換后的定點數(shù)，k為移位次數(shù)。由于ARM 中移位操作可以作為四則運算指令的一部分不占用額外的指令周期，可大大提高格式轉(zhuǎn)換效率。本文通過ARM 外設(shè)定時器測試FFT 運行時間，結(jié)果表明，浮點FFT 運行時間為8.80 ms，而定點FFT 僅為0.47 ms，運算時間大幅減少。FFT 效率的提高加快了OFDM 符號輸出的頻率，提高了系統(tǒng)通信速率。

2.3 通過幀結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計優(yōu)化傳輸效率

傳輸數(shù)據(jù)經(jīng)多載波合成得到的信號一般為復值信號。為保證OFDM 調(diào)制信號為實信號，避免接收端的相關(guān)檢測，需對幀結(jié)構(gòu)進行合理設(shè)計。

由于任一復數(shù)序列可進行虛實分解，即：

式（5）中：

對式（6）和式（7）分別進行DFT 變換，得：

由上述可知，為了使基帶OFDM 調(diào)制信號實數(shù)化即需要使Xop(k)為零，對應(yīng)的X(k)=X*(N-k)，即將IFFT 之前的N/2 個信息數(shù)據(jù)與該N/2 個信息數(shù)據(jù)的共軛倒序信息數(shù)據(jù)共同組成長度為N的具有共軛對稱特性的信息數(shù)據(jù)。

結(jié)合推導，設(shè)計的OFDM 符號結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 OFDM 符號幀結(jié)構(gòu)

圖2 中一個OFDM 符號結(jié)構(gòu)包含N個子載波，m個有效子載波，整個OFDM 符號幀關(guān)于中心對稱。在進行N點IFFT 變換時，可保證OFDM 信號為實信號，減少系統(tǒng)運算量。

3 G3-PLC 系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化

3.1 通過OFDM 符號同步保證可靠性

符號同步的目的是使接收端得到與發(fā)送端相同周期的符號序列。為了使OFDM 系統(tǒng)中數(shù)據(jù)可靠傳輸，必須解決惡劣電力環(huán)境下的數(shù)據(jù)同步問題。

系統(tǒng)中，發(fā)送端在每個符號前加一小段高電平信號，接收端通過高電平檢測判斷OFDM 符號的位置。發(fā)送端D/A 模塊由定時器中斷控制轉(zhuǎn)換頻率，接收端由定時器觸發(fā)A/D 轉(zhuǎn)換，并通過DMA 完成A/D 模塊與存儲器的數(shù)據(jù)傳輸，將DMA 配置為每傳輸N個數(shù)據(jù)產(chǎn)生一次傳輸完成中斷。由于系統(tǒng)中每個OFDM 符號包含N個子載波且?guī)б恍《畏逯惦娖剑宰疃鄡纱蜠MA 傳輸可得到一個完整的OFDM 符號。

在程序中通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方法實現(xiàn)符號同步。設(shè)計的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方案如圖3 所示。

圖3 狀態(tài)轉(zhuǎn)移方案

S0狀態(tài)：待DMA 接收完成一組數(shù)據(jù)后，將C置1，然后判斷DMA 是否為第一次傳輸數(shù)據(jù)；若是，則進狀態(tài)S1，否則進入狀態(tài)S2。

S1狀態(tài)：對DMA 傳輸過來的數(shù)據(jù)進行閾值判斷，尋找FFT 窗的起始位置W；若未找到窗的起始位置，W置-1，進入S0狀態(tài)；若W＞0，則進入狀態(tài)S2；W=0，則進入S3。

S2狀態(tài)：若是DMA 第一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)的W～N-1 位賦值給數(shù)組FFT[]的0 ～N-W-1位，C置0，進入S0狀態(tài)。若是第二次DMA 數(shù)據(jù)，則將DMA 傳輸數(shù)據(jù)的0 ～W-1 位的值賦給數(shù)組FFT[]，并將C置0，T 置1，進入狀態(tài)S3。

S3狀態(tài)：對fft[]中的數(shù)據(jù)進行解調(diào)，將T和F置0，進入狀態(tài)S0。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量描述，如表1 所示。

表1 狀態(tài)轉(zhuǎn)移變量描述

3.2 通過糾錯編碼提高可靠性

3.2.1 利用RS 編碼糾正系統(tǒng)突發(fā)錯誤

RS 編碼（Reed-Solomon Codes，RS）是一種m進制BCH 碼。實際應(yīng)用時，m被設(shè)置為2q，即每個碼元由q個二進制比特序列組成。RS 碼具有很強的糾錯能力，編碼效率高，適合糾正突發(fā)錯誤。編碼器如圖4 所示。

圖4 編碼器結(jié)構(gòu)

將k個碼元信息分兩路輸入編碼器中，在完成除法功能后，把余式的系數(shù)保留在移位寄存器中，即保存所有生成的監(jiān)督碼元。

將得到的監(jiān)督碼元按順序跟在原始輸入信息碼元后面組成RS(n,k)碼。系統(tǒng)接收端利用BM 迭代算法進行RS 譯碼，運算復雜度較低，可滿足通信實時性。

3.2.2 利用卷積編碼消除系統(tǒng)錯誤

G3-PLC 系統(tǒng)權(quán)衡了卷積編碼的編碼效率與約束度兩種因素，最終選用（2，1，7）卷積編碼。編碼電路中采用6 位移位寄存器，對應(yīng)的編碼效率為1/2，約束度N=7。卷積編碼器如圖5 表示。

圖5 卷積碼編碼器

在接收端采用維特比譯碼算法，維特比算法利用卷積碼的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，大大降低了譯碼復雜度，具有高效性、實時性和準確性。

3.2.3 利用時頻聯(lián)合分段重構(gòu)提高系統(tǒng)抗擾性

為了同時在時頻二維空間中增強系統(tǒng)的抗干擾性，對信號進行時頻聯(lián)合分段重構(gòu)。對待編碼信息先按照頻域分段重構(gòu)算法進行編碼，經(jīng)IFFT 調(diào)制后再進行時域分段重構(gòu)[7]。

分段重構(gòu)算法原理如下。有用的OFDM 信號為E，經(jīng)分段重構(gòu)編碼后的信息用S(m,l)表示，分段重構(gòu)編碼原理可用式（10）描述：

式中，m表示子載波的個數(shù)，n1表示分段重構(gòu)次數(shù)，l表示OFDM 信息的序號，u為整型變量且有u=0,1,2,3,…,n1-1。

發(fā)送端信號進行時頻聯(lián)合分段重構(gòu)后，接收端利用最大似然譯碼方法，依據(jù)信息所占的比率判斷發(fā)送信息，能夠極大提高譯碼準確性。

3.3 利用循環(huán)維納濾波優(yōu)化可靠性

維納濾波（Wiener Filtering）是一種基于最小均方誤差準則對平穩(wěn)過程的最優(yōu)估計器，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 維納濾波結(jié)構(gòu)

s(n)是原始信號，w(n)是噪聲信號，則輸入信號為：

輸出信號可表示為：

根據(jù)最小均方誤差準則，最佳濾波器的加權(quán)系數(shù)h(k)應(yīng)滿足維納-霍夫方程：

其中，xxφ表示x(n)的自相關(guān)序列，sxφ表示x(n)和s(n)的互相關(guān)序列。

維納濾波要求信號是平穩(wěn)的，直接運用維納濾波效果較差。因此，利用循環(huán)維納濾波對OFDM 信號進行處理，以便在較低階次時依然有較好的濾波效果[8]。

考慮到維納-霍夫方程的求解運算量較大，為了減少運算量，采用萊文森遞推算法求式（10）的最優(yōu)解，避免了矩陣求逆運算。

在電力線系統(tǒng)中采用循環(huán)維納濾波器的算法過程如下。

（1）對待濾波信號x(n)進行分段處理，每一小段待處理信號的長度大于一個完整的OFDM 信號的長度，形成新的待濾波信號x(l,k)：

其中，k表示第k段信號，l表示分段長度。

（2）若分段長度為N，對待濾波信號x(l,1)進行自相關(guān)：

對待濾波信號x(l,1)和期望信號s(l,1)的互相 關(guān)為：

根據(jù)維納霍夫方程得出第1 段的系統(tǒng)函數(shù)h(n,1)，計算y(l,1)：

同理，對待濾波信號x(l,k),k=2,3,…,m的自相 關(guān)為：

對待濾波信號x(l,k)和y(l,k-1)的互相關(guān)為：

根據(jù)維納霍夫方程得出第k段的系統(tǒng)函數(shù)h(n,k)，計算y(l,k)：

（3）信號重組，將y(l,k)依次連接，組成濾波輸出結(jié)果y(n)。

4 測試實驗及數(shù)據(jù)分析

4.1 系統(tǒng)可靠性測試

為了驗證通信系統(tǒng)性能，利用MATLAB 對系統(tǒng)進行仿真，系統(tǒng)參數(shù)按照G3 標準進行設(shè)置。時頻聯(lián)合分段次數(shù)均為4 次，循環(huán)維納濾波階次為60，在實測電力線信道環(huán)境下對每個信噪比進行800 幀數(shù)據(jù)測試，多次實驗得到誤碼率曲線如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)誤碼率

由圖7 分析可知：通信系統(tǒng)受實際的電力線噪聲干擾時，信噪比從-16 dB 開始誤碼率下降明顯，在信噪比為-11 dB 時誤碼率可達10-4，表明設(shè)計的通信系統(tǒng)可靠性高，可以滿足一般通信需求。

4.2 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)測試方案如圖8 所示，采用兩臺PC 機作為系統(tǒng)的通信終端，通過UART 和ARM 發(fā)送單元及接收單元通信。按照G3-PLC 標準進行參數(shù)設(shè)置，最后采用電力線作為通信測試信道。

通信終端A 通過串口助手連續(xù)發(fā)送由0 和1 組成的數(shù)據(jù)，由ARM 發(fā)射機進行編碼和調(diào)制后發(fā)送到ARM 接收機。接收機對接收到的數(shù)據(jù)進行濾波、解調(diào)和解碼，并將解碼后的數(shù)據(jù)顯示到串口助手。通過對比發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)相同且保持同步。系統(tǒng)通信速率可達100 kb/s，驗證了設(shè)計的通信系統(tǒng)的合理性。

圖8 系統(tǒng)測試方案

5 結(jié) 語

論文在高性能、低功耗的ARM 上實現(xiàn)G3-PLC通信系統(tǒng)，成功進行了數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的系統(tǒng)驗證，結(jié)果表明：

（1）在糾錯編碼的基礎(chǔ)上，將循環(huán)維納濾波算法和時頻聯(lián)合分段重構(gòu)編碼引入G3-PLC 系統(tǒng)，大幅提高了系統(tǒng)抗干擾性能。

（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)移方案的設(shè)計，解決了接收機數(shù)據(jù)狀態(tài)和進度不同步的問題。

（3）對稱的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計及定點化FFT，提高了系統(tǒng)運行效率。