低压电力线宽带载波通信系统发射端物理

低压电力线宽带载波通信系统发射端物理

层的实现

金鑫，张乐平，罗鸿轩，胡珊珊

（南方电网科学研究院，广州510080）

摘要：文章分析了载波通信的现状，以及宽带载波测量的关键因素。研究了低压电力线宽带载波通信系统物理层发射端的结构，该物理层发射端由信道编码、星座映射、IFFT、循环前缀与加窗、正交调制和加前导等模块构成，针对上述模块从算法实现的角度进行了分析研究。文章对Turbo交织模块、编码模块、IFFT模块等关键模块的FPGA实现方案进行了详细介绍和分析。该实现方案对宽带载波标准信号生成设备研发具有一定的指导意义。

关键词：低压电力线宽带载波通信；OFDM调制；Turbo编码；信道交织；分集拷贝

中图分类号：文献标识码：文章编号：

Implementation of physical layer of transmitter on low-voltage power line broadband carrier communication system

Jin Xin, Zhang Leping, Luo Hongxuan, Hu Shanshan

(Southern Power Grid Institute of Science, Guangzhou 510080, China)

Abstract: This paper analyzes the current situation of carrier communication and key factors of broadband carrier measurement. The structure of physical layer of transmitter on low-voltage power line broadband carrier communication system is studied. The physical layer of transmitter includes channel coding module, OFDM modulator, constellation mapper, IFFT module, cyclic prefix and window module, orthogonal modulation module and inseting preamble module. These modules are analyzed and studied from the perspective of algorithm implementation. FPGA implementing scheme of Turbo interleaver, encoding module and IFFT module is introduced and analyzed in details, which has certain guiding significance for the generation equipment of broadband carrier standard signals.

Keywords: low-voltage power line broadband carrier communication, OFDM modulation, Turbo coding, channel interleaving, diversity copy

0 引言

波通信因其无需布线，信道免维护等优势，成为用电信息采集领域首选的本地通信方案，在已经建设的用电信息采集项目中占据了主导地位。随着多年的建设与运维，载波通信的缺陷也逐步突显出来。主要表现为窄带载波通信整体技术落后，通信协议规范混乱封闭。直接导致通信速率低，设备在线率低，难以支撑对通信速率和实时性要求高的实时费控、负荷管理等新兴业务需求。另外由于通信协议的私有化，导致通信设备厂家利益固化，严重阻碍了新技术在载波通信领域的运用。为了打破现有利益格局，提升用电信息采集领域的整体技术水准，近期国内相关机构加快了对低压电力线宽带载波通信技术的研究步伐和市场布局，发表了相关技术标准[1-2]。标准规定了低压电力线宽带载波通信系统由物理层、MAC层和网络层构成，每一层都制定

了严密详细的技术标准与通信规范。在物理层，对来自MAC层的帧控制数据和载荷数据采用了不同

的信道编码技术。如图1所示，发射端物理层对帧控制数据完成Turbo编码、信道交织及分集拷贝等功能，对载荷数据完成扰码、Turbo编码、信道交织和ROBO交织功能。经过信道编码后的码字流被送入星座映射器、IFFT模块、循环前缀和加窗模块、正交调制模块和前导插入模块等，并被耦合到低压电力线上。

图1系统模型

Fig.1 System module

随着宽带载波通信规范的建立发布，宽带芯片厂家、通信模块厂家以及宽带载波通信规范发布督导部门都要面临对标检测的问题。窄带载波由于技术标准、通信协议缺乏统一的标准规范，传统的载波检测方案侧重于载波通信收发性能的检测，设计了发射频率、功率、频率偏移、接收灵敏度等技术指标。忽略了载波通信模块交互协议、组网能力等指标的考核。测试中使用被测载波通信模块作为测试用通信信号的发起方，既是被测对象又是测试设备，使得测试结论缺乏公正性，而且难以真实反映被测对象的技术水准。

为了开展独立、客观的宽带载波评测，需要进行宽带载波标准信号与协议生成设备的研发。宽带载波标准信号由其物理层实现架构决定的，链路层、应用层报文的检测同样需要物理层电路最终实现，进行宽带载波物理层实现研究显得尤为重要。文中对低压电力线宽带载波通信系统发射端物理层技术进行了深入研究，参考相关技术规范，详细制定了物理层各模块的实现方案，并在FPGA上进行了验证。文中的其余部分，将对物理层各模块的结构、工作原理和主要模块的FPGA实现方案进行详细介绍。1 发射端物理层结构

在宽带载波通信模块的发射端，MAC层对帧控制数据、载荷数据分开处理，生成的协议数据单元被送往物理层。帧控制数据完成Turbo编码、信道交织和分集拷贝，载荷数据完成白化、Turbo编码、信道交织和ROBO交织，之后都被输入星座映射模块，输出的复信号进行串并变换后，被送入IFFT模块，转换成时域信号，然后添加循环前缀，并进行加窗处理，最终生成物理层突发帧进入模拟前端，该突发帧被称为协议分组数据单元PPDU。

PPDU突发帧的格式如图2所示，它由前导符号、帧控制符号和载荷数据符号构成。

图2物理帧结构

Fig.2 Physical frame structure

来自MAC层的帧控制信息和载荷数据经过白化、Turbo编码、交织等处理后，被送入串并变换和星座映射，输出的复信号按规定的规则被映射到子载波上，形成1 024个频域数据，经过IFFT变换后，插入循环前缀并进行加窗处理后，形成OFDM符号，如图3所示。循环前缀由滚降间隔、保护间隔组成。

图3 OFDM符号结构

Fig.3 OFDM symbol structure

针对发送端产生前导序列符号、控制符号和载荷数据符号所需要的各个处理模块，下文将作详细介绍。

2发射端物理层模块功能及算法实现

2.1白化

数字信号序列中出现长0或长1序列时，容易使信号的同步信息丢失、造成错码，白化是一种不增加数据冗余而扰乱信号、改变数字信号的统计特性、使其近似于白噪声统计特性的一种信号编码技