文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.025
中文引用格式: 陸陽,李建岐,胡超. 基于FPGA的跨頻帶PLC信道模擬方法與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015,41(10):92-95,99
英文引用格式: Lu Yang,Li Jianqi,Hu Chao. FPGA-based cross-band PLC channel emulation method and its implementation[J].Application of Electronic Technique,2015,41(10):92-95,99
0 引言
電力線載波通信(Power Line Communication,PLC)是實(shí)現(xiàn)中、低壓配電網(wǎng)智能化的一種重要通信方式。由于配電網(wǎng)的復(fù)雜性,電力線載波信道是典型的隨參信道,導(dǎo)致PLC技術(shù)適應(yīng)性和產(chǎn)品成熟性的驗(yàn)證比較困難?,F(xiàn)有方法基于實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境測試PLC性能時,測試線路需提前勘察、預(yù)約,重復(fù)測量費(fèi)時費(fèi)力,因此亟需研究PLC信道模擬技術(shù)及其模擬器實(shí)現(xiàn)方法,為在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建測試平臺進(jìn)行PLC性能的評估和優(yōu)化提供便利。
針對500 kHz以下的窄帶PLC信道,文獻(xiàn)[1]提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array,F(xiàn)PGA)設(shè)計數(shù)字濾波器并實(shí)現(xiàn)信道傳輸函數(shù)模擬的方法。文獻(xiàn)[2]研發(fā)的信道模擬器實(shí)現(xiàn)了對低壓配電線路窄帶信道噪聲、傳輸函數(shù)的模擬,并基于模擬的信道環(huán)境完成了PLC性能評估。針對2 MHz以上的寬帶PLC信道,文獻(xiàn)[3]基于電力線信道的循環(huán)平穩(wěn)特征提出了時變信道的模擬方法。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]則重點(diǎn)研究了基于FPGA的寬帶多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)PLC信道模擬方法。
基于靈活可靠的FPGA實(shí)現(xiàn)PLC信道模擬已成為發(fā)展趨勢。然而,目前大部分信道模擬研究工作主要集中在500 kHz以下的窄帶PLC信道,或2 MHz以上的寬帶PLC信道。值得注意的是,文獻(xiàn)[6]面向智能電網(wǎng)應(yīng)用,提出了150 kHz~10 MHz跨頻帶范圍內(nèi)基于信道認(rèn)知在線可定義的智能PLC技術(shù),突破了傳統(tǒng)PLC窄帶和寬帶的頻率分割,使其可以根據(jù)現(xiàn)場電力線信道實(shí)際情況,在一個更寬的頻率范圍內(nèi)自適應(yīng)地選擇最佳工作頻率。因此,研究并實(shí)現(xiàn)滿足跨頻帶頻率范圍的PLC信道模擬方法,使其滿足更多樣化的PLC系統(tǒng)測試需求,成為需要解決的問題。本文在電力線載波信道特性研究的基礎(chǔ)上,提出了一種基于FPGA的跨頻帶PLC信道模擬方法,可模擬通過現(xiàn)場測量取得的或基于模型的PLC信道噪聲、傳輸函數(shù)?;谒邪l(fā)的信道模擬器搭建了跨頻帶認(rèn)知PLC樣機(jī)測試環(huán)境,驗(yàn)證了信道模擬的準(zhǔn)確性。
1 電力線載波信道特性
1.1 噪聲特性
噪聲是描述電力線載波信道的重要特性。中、低壓電力線作為通信媒介時,其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜,連接負(fù)載眾多,且經(jīng)常發(fā)生變化,無法通過純粹的分析推導(dǎo)來表達(dá)它的特征,所以中、低壓電力線載波信道噪聲不同于普通的高斯白噪聲,且不能簡單歸結(jié)為某種單一來源的噪聲,應(yīng)為多種性質(zhì)不同噪聲信號的疊加。電力線載波信道噪聲所呈現(xiàn)出的特征與地點(diǎn)、時間以及電網(wǎng)負(fù)載設(shè)備等干擾源都息息相關(guān),且噪聲源之間是相互獨(dú)立存在的,噪聲類型一般包括:有色背景噪聲、窄帶噪聲、工頻同步的周期脈沖噪聲、工頻異步的周期脈沖噪聲和異步脈沖噪聲[7]。
1.2 衰減特性
PLC信號在電力線載波信道上傳輸時,造成信號傳輸衰減的因素有很多,主要包括:線纜的集膚效應(yīng)損耗;絕緣材料的電介質(zhì)損耗;不對稱波阻抗引起的輻射損耗;網(wǎng)絡(luò)分支引起的功分損耗;阻抗失配、網(wǎng)絡(luò)分支及線纜不連續(xù)點(diǎn)處引起的反射損耗;設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載阻抗損耗;發(fā)送端和接收端阻抗失配引起的耦合損耗;耦合模式失配損耗;多徑傳播引起的頻率選擇性衰落[8]。PLC信道衰減大體上隨著信號頻率的增大而增加,且在高頻頻段往往呈現(xiàn)出顯著的頻率選擇性特征。
2 基于FPGA的跨頻帶PLC信道模擬
2.1 系統(tǒng)構(gòu)成
跨頻帶PLC信道模擬器可以分為硬件和軟件兩部分,其中,硬件部分實(shí)現(xiàn)信道噪聲、傳輸函數(shù)的實(shí)時模擬,以及待測PLC模塊信號的耦合;軟件部分包括在電腦上實(shí)現(xiàn)的用于信道參數(shù)配置的用戶控制軟件以及FPGA程序。圖1給出了跨頻帶PLC信道模擬器硬件部分的組成,包括電源濾波模塊、電源模塊、模擬前端模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字電路模塊5個部分。
不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)輸出220 V/50 Hz交流電為整個硬件部分供電。PLC發(fā)送和接收端分別通過線性阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(Line Impedance Stabi-
lization Network,LISN)與UPS相連,LISN具有工頻低通特性并能對信道模擬器的接入阻抗進(jìn)行整定,同時也避免了PLC信號直接通過電源濾波模塊傳播。
電源模塊包含一個小變壓器和兩個電路板,可以將220 V交流電轉(zhuǎn)換為直流電+15 V和±5 V,分別為FPGA數(shù)字板和模擬前端(Analog Front-End,AFE)供電。
AFE模塊包含兩個分立的電路板。在接收板上集成有接收耦合器,它從PLC發(fā)送端接收信號,信號在輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter,ADC)前先通過低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)使其平滑。在LPF前和后分別連接了一個放大器來進(jìn)行信號衰減補(bǔ)償。在發(fā)送板上,經(jīng)過信道模擬器衰減后的PLC信號和產(chǎn)生的噪聲(分別由兩個高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出)分別先通過相同的放大器,再通過相同的LPF,然后由兩個可變增益放大器(Variable Gain Amplifier,VGA)分別進(jìn)行放大或衰減。VGA的增益由兩個參考電壓決定,可實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)信道模擬器的輸出信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)。兩個參考電壓由一個雙通道DAC輸出,DAC由FPGA產(chǎn)生的數(shù)字信號控制。最后,放大/衰減后的信號和噪聲相加并通過線性驅(qū)動放大后,再經(jīng)發(fā)送耦合器送至PLC接收端。
數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊同樣分為兩個電路板,一個用于接收輸入信號,含1個14 bit高速ADC;另一個用于發(fā)送輸出信號,含2個14 bit高速DAC。
數(shù)字電路模塊是兩個FPGA板的結(jié)合,其中,Cyclone III FPGA板利用存儲下載的配置信息完成對電力線載波信道噪聲、傳輸函數(shù)的實(shí)時模擬,是整個跨頻帶PLC信道模擬器的核心;Cyclone II FPGA板提供串口功能,用于Cyclone III FPGA板和控制電腦的連接。
2.2 噪聲模擬方法
基于FPGA的跨頻帶PLC信道模擬器可以模擬四種不同類型的噪聲:有色背景噪聲、窄帶噪聲、周期脈沖噪聲(含工頻同步的周期脈沖噪聲、工頻異步的周期脈沖噪聲)和非周期脈沖噪聲(異步脈沖噪聲)。上述噪聲互相之間可以建模為具有不相關(guān)性。PLC信道噪聲模擬的基本原理如圖2所示,其中,ANB、ABG、API和ANI分別代表FPGA模擬不同類型噪聲時的控制參數(shù)。以下重點(diǎn)介紹有色背景噪聲和窄帶噪聲的模擬。
有色背景噪聲主要是由一系列低功率噪聲源所產(chǎn)生噪聲的疊加引起,噪聲水平隨頻率的升高而降低,典型功率譜密度約在-120 dB(V2/Hz)~-140 dB(V2/Hz)之間。為模擬有色背景噪聲,本文采用白噪聲經(jīng)過整形濾波的方法。此處的濾波器采用了有限長單位沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response,F(xiàn)IR)濾波器實(shí)現(xiàn),同時白噪聲通過偽隨機(jī)序列產(chǎn)生。設(shè)計偽隨機(jī)序列通過反饋移位寄存器獲得,如圖3所示。移位寄存器中的兩個比特信息經(jīng)異或操作后反饋至輸入端,同時輸出比特信息循環(huán)反饋至寄存器的第一個比特。為獲得M-bit的偽隨機(jī)序列,可以采用以下兩種方法:一是串行地從移位寄存器中取出M個比特信息,二是并行地構(gòu)建M個具有不同配置的單比特產(chǎn)生器。
窄帶噪聲具有頻率選擇性特征,其噪聲強(qiáng)度因地、因時而變,噪聲源多為中短波無線電信號。窄帶噪聲可以被視為一種經(jīng)相位調(diào)制的諧波,其功率譜密度分布在較窄的頻率范圍內(nèi),產(chǎn)生窄帶噪聲等同于產(chǎn)生經(jīng)相位調(diào)制的諧波。在FPGA中產(chǎn)生正弦曲線一般采用查表法,具體步驟如下:首先,在一個完整的周期內(nèi)采樣一個正弦波形,并且存儲NPer個值在表中;其次,在采樣率fa下,所存儲的值被周期性讀出,相位間隔為INC,即每INC個值中讀取一個值;然后基于所讀取的值重建正弦信號。采用這種方法,可以獲得相應(yīng)的正弦信號,其頻率為:
按照奈奎斯特第一準(zhǔn)則,最大可能的相位間隔INCmax為NPer/2-1,最小可能的相位間隔INCmin為1。這樣即可通過調(diào)整相位間隔來獲得最終希望產(chǎn)生的正弦信號頻率。相位調(diào)制的步驟如下:考慮某存儲相應(yīng)值的表格,采樣率fa,初始化相位間隔INC為INC0,并在每讀取Nmod個采樣值后將其加1或減1(需要控制在±INC范圍內(nèi))。上述線性相位調(diào)制的信號頻率為:
獲得所調(diào)制的信號帶寬為:
2.3 傳輸函數(shù)模擬方法
考慮實(shí)測的PLC信道參數(shù),通常有兩種方法可以用于基于FPGA的信道模擬,即在時域上采用FIR濾波器,或在頻域上采用快速卷積法。
當(dāng)在時域上采用FIR濾波方法時,設(shè)經(jīng)采樣的信道傳輸函數(shù)為H(k),則相應(yīng)的信道沖激響應(yīng)h(n)可以通過離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)獲得,如式(5)所示,其中,L為FIR濾波器的階數(shù)?;贔PGA實(shí)現(xiàn)FIR濾波器的示意圖如圖4所示。本方法具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn),不足之處在于其所需硬件資源相對較多,并且復(fù)雜度隨著濾波器的階數(shù)增加而線性增長。
當(dāng)在頻域上采用快速卷積法時,根據(jù)時域卷積定理,兩個向量在時域的卷積等于兩個向量的傅里葉變換結(jié)果在頻域上直接相乘。基于這一思路,跨頻帶PLC信道模擬器實(shí)現(xiàn)快速卷積方法的示意圖如圖5所示。其中,M為輸入信號塊長度,經(jīng)補(bǔ)零后,每個塊的長度變?yōu)镹=M+L;N代表信道傳輸函數(shù)向量的長度,該參數(shù)預(yù)先配置在FPGA中。經(jīng)DFT后,與傳輸函數(shù)標(biāo)量相乘,再作逆離散傅里葉變換(Inverse Discrete Fourier Transform,IDFT),即獲得了經(jīng)過信道后的信號??紤]到相鄰信號塊之間尾部有重疊,因此需要在輸出移位寄存器進(jìn)行反饋。本方法所需硬件資源較少,由于是逐塊信號進(jìn)行操作,故傳輸函數(shù)的模擬存在一定時延。
3 實(shí)際信道模擬結(jié)果
實(shí)際模擬選取我國北方某城市一段長約650 m的10 kV中壓架空線路進(jìn)行信道測試,用以獲得信道噪聲和傳輸函數(shù)模擬的必要參數(shù)。把測試獲取的參數(shù)通過用戶控制軟件輸入所研發(fā)的跨頻帶PLC信道模擬器中,即模擬獲得吻合現(xiàn)場中壓架空線路信道實(shí)際情況的信道傳輸函數(shù)和背景噪聲,如圖6所示。所測試中壓架空線路分支較少,信道傳輸函數(shù)模值(衰減)約為-20 dB左右,噪聲相對幅值約為-40 dB左右,信道具有頻率選擇性,且模擬的頻率范圍滿足跨頻帶要求。
4 基于跨頻帶信道模擬器的PLC測試
基于跨頻帶PLC信道模擬器,可以方便地在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對PLC進(jìn)行測試。本節(jié)以作者所在課題組研發(fā)的跨頻帶認(rèn)知PLC系統(tǒng)樣機(jī)為例,開展基于跨頻帶信道模擬器的PLC樣機(jī)性能測試,測試環(huán)境如圖7所示。
所搭建的測試環(huán)境包括PLC主站、PLC從站、跨頻帶PLC信道模擬器、衰減器和電腦??珙l帶認(rèn)知PLC樣機(jī)可以在150 kHz~10 MHz的頻率范圍內(nèi),根據(jù)信道實(shí)際情況自適應(yīng)地選擇最佳頻段進(jìn)行通信。這里,PLC主站通過由信道模擬器模擬出的下行鏈路與PLC從站連接,PLC從站則經(jīng)由衰減器模擬的上行鏈路與PLC主站連接。電腦用于完成對信道模擬器的控制,以及信道噪聲、傳輸函數(shù)參數(shù)輸入等功能。
基于圖6模擬獲得的中壓電力線載波信道特性進(jìn)行PLC主站與從站間的通信測試,PLC樣機(jī)會自適應(yīng)地選擇最佳工作頻率。實(shí)際測試結(jié)果為:對于主站至從站的下行鏈路,樣機(jī)選擇了中心頻點(diǎn)為4 925 kHz、帶寬為1 250 kHz的頻段作為工作頻段。相比其他頻段,5 MHz附近信道的衰減和背景噪聲較小,信道條件較理想,故PLC樣機(jī)選擇在該頻段建立通信鏈路,這與樣機(jī)在該中壓架空線路實(shí)際信道環(huán)境下的選頻測試結(jié)果一致。通過對比現(xiàn)場實(shí)際信道與模擬信道條件下的PLC樣機(jī)測試結(jié)果,驗(yàn)證了信道模擬器的有效性。
5 總結(jié)
本文提出并實(shí)現(xiàn)的基于FPGA的跨頻帶PLC信道模擬方法,可以在實(shí)驗(yàn)室中提供接近現(xiàn)場實(shí)際信道情況的測試環(huán)境,通過FPGA模擬電力線載波信道噪聲、傳輸函數(shù),為PLC技術(shù)的測試與優(yōu)化提供便利。基于所研發(fā)的信道模擬器建立了跨頻帶認(rèn)知PLC測試環(huán)境,驗(yàn)證了模擬器可在150 kHz~10 MHz的跨頻帶頻率范圍內(nèi)工作,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場中壓信道傳輸函數(shù)和噪聲的準(zhǔn)確再現(xiàn)?;贔PGA模擬PLC信道是未來的發(fā)展方向,擬將針對時變信道、雙向信道模擬等方面開展進(jìn)一步研究。
參考文獻(xiàn)
[1] LIU W Q,MARTIN S,DOSTERT K.Advanced emulation ofchannel transfer functions for performance evaluation of powerline modems[C].Proceedings of IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applica-tions(ISPLC),2011:446-451.
[2] LIU W Q,MARTIN S,DOSTERT K.Channel characterizationand system verification for narrowband power line communi-cation in smart grid applications[J].IEEE Communications Magazine,2011,49(12):28-35.
[3] CANETE F J,DIEZ L,CORTES J A,et al.Time-varying channel emulator for indoor power line communications[C].Proceedings of IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM),2008.
[4] WELING N.Flexible FPGA-based powerline channel emula-tor for testing MIMO-PLC,neighborhood networks,hidden node or VDSL coexistence scenarios[C].Proceedings of IEEE ISPLC,2011:12-17.
[5] WELING N,ENGELEN A,THIEL S.Broadband MIMO powerline channel emulator[C].Proceedings of IEEE ISPLC,2014:105-110.
[6] LIU W L,BUMILLER G,GAO H J.On(power-) line defined PLC system[C].Proceedings of IEEE ISPLC,2014:81-86.
[7] GOTZ M,RAPP M,DOSTERT K.Power line channel char-acteristics and their effect on communication system design[J].IEEE Communications Magazine,2004,42(4):78-86.
[8] OPERA.Effect of channel characterisation on PHY- part A,EC/IST FP6 Project No 507667,2004.
[9] ZIMMERMANN M,DOSTERT K.A multipath model for thepowerline channel[J].IEEE Transactions on Communications,2002,50(4):553-559.