電力線(xiàn)仿真系統的FPGA設計與實(shí)現

摘要 電力線(xiàn)通信設備的研發(fā)需要一種標準化的測試平臺對電力線(xiàn)信道進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，通過(guò)信道傳輸特性和各種噪聲進(jìn)行全面的測試和驗證，而目前缺乏這樣的平臺。文中對電力線(xiàn)信道傳輸特性和噪聲進(jìn)行了深入研究，并在此基礎上提出了一種基于硬件的電力線(xiàn)仿真系統實(shí)現方法。使用Matlab仿真驗證了該算法的可行性以及使用FPGA硬件實(shí)現的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 電力線(xiàn)通信；信道仿真；電力線(xiàn)噪聲；FPGA

由于配電網(wǎng)絡(luò )具有的超大規模和電力線(xiàn)通信具有的成本低、覆蓋廣、部署便捷等特點(diǎn)。電力線(xiàn)通信提供了優(yōu)良的設備互聯(lián)解決方案，因而受到廣泛關(guān)注，并在智能電網(wǎng)、Internet接入、智能家居等領(lǐng)域得到了廣泛應用。
然而由于電力線(xiàn)并不是為通信而設計，對于頻率較高的通信信號而言，電力線(xiàn)信道比較復雜和惡劣。因此建立一個(gè)標準化的測試平臺對電力線(xiàn)通信設備的研發(fā)十分必要。對于生產(chǎn)商而言，這樣的測試平臺能在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的每一步對算法性能立即進(jìn)行可重復性的驗證。對于用戶(hù)而言，這樣的平臺可以幫助其在同一平臺下對比不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品性能，以便對產(chǎn)品做出更客觀(guān)的評價(jià)。而當前缺乏這種針對物理層進(jìn)行測試驗證的工具，大部分針對電力線(xiàn)通信設備的測試主要集中在上層，由于采用多種糾錯技術(shù)，所以由物理層帶來(lái)的問(wèn)題有可能被掩蓋。
盡管目前基于順序執行的處理器主頻已經(jīng)很高，但是處理深度較大的復雜數據流往往力不從心。FPGA強大的并行處理能力和靈活的可定制性為這類(lèi)數據的處理提供了一個(gè)良好的解決方案。

1 系統框架
1．1 電力線(xiàn)信道的數學(xué)模型
基本的電力線(xiàn)信道模型如圖1所示，該模型描述的電力線(xiàn)信道分為兩個(gè)部分，分別是信道傳輸特性和噪聲。電力線(xiàn)信道通?？梢悦枋鰹榫€(xiàn)性系統，即用單位沖擊響應或頻率響應函數表示?？傻刃樾盘柾ㄟ^(guò)一個(gè)線(xiàn)性濾波器。電力線(xiàn)信道中的噪聲通常為加性噪聲，等效為信號電壓與噪聲源電壓之和，如式(1)所示。其中“”表示卷積運算。

1．2 硬件結構
系統的硬件結構如圖2所示。為實(shí)現對具有雙向通信功能的電力線(xiàn)設備的測試，仿真系統的每個(gè)端口都應該具有雙向通信功能。使用定向耦合器實(shí)現對接收信號和對待測設備發(fā)送信號的隔離。FPGA控制放大器對輸入信號進(jìn)行放大以實(shí)現最大的動(dòng)態(tài)范圍，然后經(jīng)過(guò)A／D采樣轉換為數字信號進(jìn)行進(jìn)一步處理。用于對信道進(jìn)行仿真的濾波器參數預先存入FPGA中，該濾波器在每次仿真前進(jìn)行修改，仿真過(guò)程中保持不變。信號經(jīng)過(guò)虛擬的電力線(xiàn)信道后通過(guò)D／A再次轉換為模擬信號。

FPGA中的噪聲序列產(chǎn)生器用于產(chǎn)生各種電力線(xiàn)噪聲。該噪聲序列經(jīng)過(guò)另一個(gè)D／A轉換器形成模擬信號，該模擬信號通過(guò)受SNR控制單元控制的放大器進(jìn)行輸出，從而調節輸出信號中噪聲成分的功率。SNR參數同濾波器參數一樣，在仿真前進(jìn)行設定和修改。