基于OFDM电力线载波通信系统设计

基于OFDM电力线载波通信系统设计及FPGA实现

摘要：本文分析研究了基于OFDM的电力线载波通信标准G3-PLC的基本参数，前导等进行设计，并进行电力线信道特性分析，并对基于OFDM的PLC系统进行设计，利用FPGA器件和单片机实现基于OFDM低压电力线载波通信系统，对FPGA进行简单介绍，并对整个系统进行设计，包括MCU设计、发射机设计和接收机设计。该系统通过试验证明可以实现国内低压配电网上稳定工作，能满足基本的设计要求。

关键词：电力线通信；电力线载波通信系统设计；FPGA实现

The Design of Power Line Communication System based on OFDM and Its FPGA ImPlementation

Abstract:This paper analyzed the standard G3 - power line carrier-current communication based on OFDM basic parameter of the PLC, the frame structure, leading to carry on the design, and analysis of power line channel characteristics, and to design a PLC system based on OFDM, using FPGA device and microcomputer based on OFDM low voltage power line carrier communication system, for a brief introduction to the FPGA, and carries on the design of the whole system, including MCU design, design of transmitter and receiver design. Through experiments prove that this system can realize the steady work of low-voltage distribution online, can satisfy the basic design requirements.

Key words:Powerline communication; Power line carrier communication system design; The FPGA implementation

1引言

电力线载波通信技术早在20世纪初就可以被应用，主要应用于110 kV以上的高压远距离输电线路上，工作频率在150 kHz以下[1]。随着通信技术的不断发展，逐渐从中压配电网和低压配电网上应用于家庭、小型办公室联网及高速internet接入等小型设备。同时也需要更为细微的设备系统被应用，低压电力线载波通信系统是当前使用比较广泛的一种系统，其必须采用一种非常有效可靠的

调制方式来应对比较恶劣的信道环境。正交频分复用（OFDM）技术是一种有效的能克服电力线通道多径传输和频率选择性，具有高效的频谱利用率[2]。因此OFDM技术也就成为当前使用比较普遍的技术。本文基于OFDM技术来进行电力线载波通信系统设计，并对PLC系统进行深入研究从而实现FPGA，从而设计出一个能够在国内低压配电网可靠稳定运行的OFDM电力线载波通信系统。2基于OFDM的PLC系统的原理及协议处理

2.1电力线信道特性的分析

PLC即可编程逻辑控制器(ProgrammableLogicController，PLC)的简称，它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程[3]。当前使用比较多的电力线信道特性特性主要有输入阻抗特性、衰减特性、噪声特性等特性，通过这些特性的应用可以达到相应的效果，从而减少在实际应用中的误差。

2.2 OFDM技术的合理性

OFDM技术是一种多载波的调制方式，可以看做一种调制技术，也可以看做是一种复用技术[4]。此技术已经被数字音视频广播，无线局域网通信，有线电话网等领域应用。但是大量学者[5-7]将其应用于不同低压电网的现场试验，也说明了OFDM技术可以应用于PLC网络，也具有良好的前途。本研究中将OFDM技术应用于电力线载波通信系统，这个研究也是通过多年的学者的研究证实是可以的方案，因此在本文中将OFDM技术应用电力线载波通信系统的设计中也是比较成熟的技术。

2.3基于OFDM的电力线通信协议G3-PLC

G3-PLC协议是由Maxim Integrated Products(美信公司)和法国电力公用事业公司ERDF共同开发[8]，并于2009年发布的一种共同协议。G3-PLC协议也是基于OFDM技术达成的协议，电力线通信的频带范围5-149 kHz内。具体见图1 G3-PLC协议物理层结构框图。该结构图的设计能对接收的信号自行纠错，排除因为背景噪声和脉冲噪声造成的比特丢失的情况下丢失的信号。而且编码后的信息进行交织处理，译码进行纠错[9]。G3-PLC系统子载波的调制的子载波最大能支持36.3 kbPs的数据率。从而实现信号的准确传输。

图1 G3-PLC协议物理层结构框图

3基于OFDM的PLC系统设计

3.1电力线载波通信系统设计的目标和要求

基于OFDM的PLC系统设计的目的和要求是设计的帧长度要求在3.5 ms以内；系统的工作带宽要求在70 kHz范围内，而且中心频率为431 kHz。

3.2电力线载波通信系统的信号传输方式

信号传输方式主要有3种，第一种是取实部方式，就是在第0-N/2-1号子载波调制数据信息，再拼接N/2个零点，构成N点频域数据进行IFFT变换，取运算结果的实部进行发送[10]。具体见图2。