基于OFDM电力线载波通信系统设计

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于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

2、 based on OFDM and Its FPGA ImPlementationAbstract: 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 sy

3、stem 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 t

4、hat 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 implementation1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

5、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P

6、LC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

7、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

8、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

9、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。图2 取实部方式传输图 第二种方式是共轭对称方式，在第0-N/2-1号子载波调制数据信息，再拼接N/2个共轭对称点，构成N点频域数据进行DFT变换，运算结果只有实部，虚部为零，取DFT运算结果进行发送11。具体见图3。图3 共轭对称方式传输图 第三种方式是正交调制方式，N点调制数据直接做IFFT运算，得到的复数信号分为I，Q两路，分别与载波的cos分量和sin分量相乘，进行上变频，取信号幅值进行发送。具

10、体见图4。图4 正交调制方式传输图3.3OFDM信号系统参数的设计 设计OFDM信号的最高频率必须达到450 kHz以上，考虑到国内电网环境的恶劣程度，为了在极端恶劣的环境进行正常的运行，选择循环前缀的长度为75s，选择FFT运算的点数NFFT为1 024，子载波间频率间隔公式为得出 f=fs/NFFT7=2 MHz*1 024=1.9 kHz，OFDM信号带宽：Bf=f(Nc-l）=1.9 kHz×(30-l）=55.1 kHz，中心频率：f0=(fL（201× f）+fH（230× f）)/2=431.0 (kHz)。在设计中要考虑到这些参数的计算，并根据具体