基于ZYNQ+AT86RF215的電力高速載波雙模通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)規(guī)范（HRF）技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)

錢海鋒 張宏亮 王蓉

摘要：提出了一種基于ZYNQ+AT86RF215的電力高速載波雙模通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)規(guī)范（HRF）技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，此平臺(tái)采用Xilinx ZYNQ SOC平臺(tái)和Atmel AT86RF215射頻收發(fā)芯片搭建，能低成本、快速實(shí)現(xiàn)原型芯片的驗(yàn)證以及芯片模組在研產(chǎn)銷過(guò)程中的測(cè)量、分析、自動(dòng)化故障排除。首先介紹ZYNQ+ AT86RF215的驗(yàn)證平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)，其次對(duì)國(guó)網(wǎng)電力線高速載波雙模技術(shù)規(guī)范無(wú)線部分（HRF）規(guī)范進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真并在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，最后討論平臺(tái)在原型驗(yàn)證、測(cè)量分析、故障排除等方面的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：高速載波雙模技術(shù)規(guī)范;HPLC;HRF

0引言

電力行業(yè)提出2025年電力率先實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，并正通過(guò)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)云網(wǎng)、智慧能源等舉措，加速推動(dòng)碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)?；陔娏€通道的高速載波通信（HPLC）技術(shù)和基于無(wú)線通道的高速無(wú)線通信（HRF）技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)輸電、配電、用電信息化和智能化的基礎(chǔ)設(shè)施，具有重要的作用。全流程的系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用，涉及到協(xié)議、芯片、模組、網(wǎng)絡(luò)等各環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)又涉及概念驗(yàn)證、原型開發(fā)、小批量試制、實(shí)驗(yàn)局驗(yàn)證等步驟。該流程的周期長(zhǎng)，通常有2到3年的時(shí)間，專用通信芯片研發(fā)成本高，并且開發(fā)過(guò)程存在極高的失敗風(fēng)險(xiǎn)。在這個(gè)背景下，需要一種低成本的快速芯片原型驗(yàn)證平臺(tái)，需要能完成協(xié)議開發(fā)的合理性驗(yàn)證，需要能完成通信芯片流片前的功能性能驗(yàn)證，需要能完成模組開發(fā)過(guò)程中的功能性能驗(yàn)證，也需要能實(shí)現(xiàn)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的故障排除等工作。

本文提出了在ZYNQ+ AT86RF215的架構(gòu)下，實(shí)現(xiàn)電力高速載波雙模通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)規(guī)范部分原型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本方案電路具備結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)，接收和發(fā)射頻點(diǎn)靈活可調(diào)，適應(yīng)各種頻率部署要求，ARM+FPGA的結(jié)構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)協(xié)議開發(fā)，同時(shí)具備高動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)。

1硬件架構(gòu)

基于ZYNQ+AT86RF215的電力高速載波雙模通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)規(guī)范部分原型系統(tǒng)技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)的硬件架構(gòu)框圖如圖1-0所示。

芯片驗(yàn)證平臺(tái)的硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)分為核心處理板和射頻前端板兩個(gè)部分，兩部分之間用并線總線連接，完成供電、時(shí)鐘、控制、基帶數(shù)據(jù)等信號(hào)在兩個(gè)板子之間傳輸，實(shí)物如圖1-1。具體處理流程如下：

射頻前端板包括功率放大器（PA）、低噪聲接收器（LNA）和射頻收發(fā)器（Transceiver），其中PA實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的放大， LNA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的低噪聲系數(shù)接收，PA和LNA的配合使用，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，Transceiver采用的是Atmel公司的AT86RF215，是一種雙通道零中頻的軟件無(wú)線電解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC、模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC、數(shù)字濾波Filter、上變頻DUC、下變頻DDC、自動(dòng)增益控制AGC等功能。

核心處理板的主芯片為Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoCs（ZU3），處理器內(nèi)置四核ARM Cortex-A53和核心FPGA可編程邏輯模塊，實(shí)測(cè)算力可達(dá)1.2TOPS，平均功耗低至5-10W。針對(duì)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中通信協(xié)議，ARM采用C語(yǔ)言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)層2、層3的功能，F(xiàn)PGA采用Verilong語(yǔ)言開發(fā)，實(shí)現(xiàn)層1的功能。

兩個(gè)處理板的主要規(guī)格參數(shù)如下：

2軟件架構(gòu)

基于ZYNQ+AT86RF215的電力高速載波雙模通信系統(tǒng)無(wú)線技術(shù)規(guī)范（HRF）快速驗(yàn)證平臺(tái)的軟件架構(gòu)框圖如圖2所示。

芯片驗(yàn)證平臺(tái)的軟件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)分為ARM層軟件和FPGA層兩個(gè)部分，兩部分之間用DMA完成數(shù)據(jù)的交互。ARM為4個(gè)Cortex-A53核和2個(gè)RealTime核，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的層2和層3的功能。FPGA為可編程邏輯，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議的層1的功能。

3 HRF協(xié)議原型實(shí)現(xiàn)

HPLC是高速電力線載波，是在低壓電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶拵щ娏€載波技術(shù)。寬帶電力線載波通信網(wǎng)絡(luò)則是以電力線作為通信媒介，實(shí)現(xiàn)低壓電力用戶用電信息匯聚、傳輸、交互的通信網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)一步，為了更好的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在HPLC的基礎(chǔ)上增加基于無(wú)線通信信道的通信制式HRF，該協(xié)議是本文要進(jìn)行芯片原型驗(yàn)證的目標(biāo)。

在基于ZYNQ+ AT86RF215的驗(yàn)證平臺(tái)上，快速的、低成本的實(shí)現(xiàn)HRF通信協(xié)議，以達(dá)到芯片原型驗(yàn)證的目的，其中使用C軟件在4個(gè)ARM核實(shí)現(xiàn)層2、層3的功能。本文重點(diǎn)論述在FPGA的可編程邏輯上實(shí)現(xiàn)的物理層協(xié)議，該部分是芯片驗(yàn)證的重要部分，分為仿真建模和可編程定點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)過(guò)程。

3.1仿真建模

仿真建模采用Matlab軟件，版本號(hào)為R2020A，數(shù)據(jù)為雙精度浮點(diǎn)數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的功能以及性能的仿真驗(yàn)證。物理層發(fā)射鏈路的仿真實(shí)現(xiàn)流程圖3所示。物理層接收鏈路的仿真實(shí)現(xiàn)流程圖4所示。

3.2程序?qū)崿F(xiàn)

邏輯實(shí)現(xiàn)采用Xilinx Vivado軟件開發(fā)，版本號(hào)為R2019.1，數(shù)據(jù)為定點(diǎn)數(shù)，分別實(shí)現(xiàn)物理層發(fā)射鏈路和接收鏈路的功能。

系統(tǒng)主時(shí)鐘為50MHz，在速度和功耗之間做了折衷?；鶐?shù)據(jù)速率為3.125M，數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC和模數(shù)轉(zhuǎn)化ADC的接口速率為4M，因此發(fā)射鏈路要做32倍內(nèi)插，25倍的抽取，接收鏈路要做25倍的內(nèi)插，32倍抽取。為了獲得較好的帶外抑制指標(biāo)，需要在DA和AD處添加信道濾波器，帶外抑制不低于45dBc，帶內(nèi)平坦度不大于0.1dB。

PL和PS之間的DMA搬移速度為25M，用于PS和PL之間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)層1和層2、層3之間的協(xié)議幀的交互。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)位寬定位16bit，其中Turbo解碼和信道估計(jì)的主路徑數(shù)據(jù)定位32位。

完整的發(fā)射鏈路和接收鏈路的實(shí)現(xiàn)所需要的資源如下表所示：

3.3測(cè)試分析

3.3.1發(fā)射信號(hào)頻譜分析：在頻譜儀上，實(shí)時(shí)顯示RF信號(hào)的頻域信號(hào)，可以初步查看信號(hào)的質(zhì)量，如圖5。

3.3.2 接收數(shù)據(jù)星座圖分析：在信噪比比較理想情況下，抓取QPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在分析過(guò)程中畫出的星座圖，如下圖6-0 。在信噪比存在惡化情況下，抓取QPSK調(diào)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在分析過(guò)程中畫出的星座圖。如圖6-1。

3.3.3 接收數(shù)據(jù)誤碼率分析：HRF 信號(hào)，采用turbo編碼，交織，QPSK星座圖映射，OFDM調(diào)制等操作。接收數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)OFDM解調(diào)，信道均衡，星座圖軟判決，解交織，turbo碼的MAX-LOG-MAP解碼算法等。在接收端在線計(jì)算信噪比，統(tǒng)計(jì)解碼后的誤碼率，然后把統(tǒng)計(jì)結(jié)果通過(guò)網(wǎng)口送個(gè)電腦。通過(guò)改變無(wú)線信道的信噪比。繪制成曲線，圖7。

3.3.4其他在線測(cè)量參數(shù)如下表所示：

3.3.5報(bào)文分析：與在線數(shù)據(jù)質(zhì)量分析著重在信號(hào)質(zhì)量的分析不同，在線協(xié)議分析著重在層2、層3的協(xié)議報(bào)文的實(shí)時(shí)分析。

實(shí)現(xiàn)方式是按照協(xié)議要求，發(fā)送特定報(bào)文給其他網(wǎng)元，并獲得該網(wǎng)元的反饋協(xié)議報(bào)文。根據(jù)這些報(bào)文情況，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞刃畔⑦M(jìn)行具體分析，獲得網(wǎng)絡(luò)故障信息甚至實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)維。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于ZYNQ+ AT86RF215的驗(yàn)證平臺(tái)，該平臺(tái)具備架構(gòu)靈活、性能優(yōu)越且成本低廉的特點(diǎn)，同時(shí)，把泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的HRF協(xié)議在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了平臺(tái)的能力，最后，在該平臺(tái)上開發(fā)了一些列功能，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抓取、在線數(shù)據(jù)質(zhì)量分析、在線協(xié)議分析等需求，可以協(xié)助完成驗(yàn)證、故障排查和自動(dòng)化運(yùn)維的工作。平臺(tái)驗(yàn)證的結(jié)果可以直接運(yùn)用于流片，使得HRF等芯片開發(fā)周期大大縮短。

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