電力線仿真系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 電力線通信設(shè)備的研發(fā)需要一種標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試平臺(tái)對(duì)電力線信道進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，通過信道傳輸特性和各種噪聲進(jìn)行全面的測(cè)試和驗(yàn)證，而目前缺乏這樣的平臺(tái)。文中對(duì)電力線信道傳輸特性和噪聲進(jìn)行了深入研究，并在此基礎(chǔ)上提出了一種基于硬件的電力線仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。使用Matlab仿真驗(yàn)證了該算法的可行性以及使用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 電力線通信；信道仿真；電力線噪聲；FPGA

由于配電網(wǎng)絡(luò)具有的超大規(guī)模和電力線通信具有的成本低、覆蓋廣、部署便捷等特點(diǎn)。電力線通信提供了優(yōu)良的設(shè)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(yīng)用。
然而由于電力線并不是為通信而設(shè)計(jì)，對(duì)于頻率較高的通信信號(hào)而言，電力線信道比較復(fù)雜和惡劣。因此建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試平臺(tái)對(duì)電力線通信設(shè)備的研發(fā)十分必要。對(duì)于生產(chǎn)商而言，這樣的測(cè)試平臺(tái)能在產(chǎn)品開發(fā)的每一步對(duì)算法性能立即進(jìn)行可重復(fù)性的驗(yàn)證。對(duì)于用戶而言，這樣的平臺(tái)可以幫助其在同一平臺(tái)下對(duì)比不同生產(chǎn)商的產(chǎn)品性能，以便對(duì)產(chǎn)品做出更客觀的評(píng)價(jià)。而當(dāng)前缺乏這種針對(duì)物理層進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證的工具，大部分針對(duì)電力線通信設(shè)備的測(cè)試主要集中在上層，由于采用多種糾錯(cuò)技術(shù)，所以由物理層帶來的問題有可能被掩蓋。
盡管目前基于順序執(zhí)行的處理器主頻已經(jīng)很高，但是處理深度較大的復(fù)雜數(shù)據(jù)流往往力不從心。FPGA強(qiáng)大的并行處理能力和靈活的可定制性為這類數(shù)據(jù)的處理提供了一個(gè)良好的解決方案。

1 系統(tǒng)框架
1．1 電力線信道的數(shù)學(xué)模型
基本的電力線信道模型如圖1所示，該模型描述的電力線信道分為兩個(gè)部分，分別是信道傳輸特性和噪聲。電力線信道通?？梢悦枋鰹榫€性系統(tǒng)，即用單位沖擊響應(yīng)或頻率響應(yīng)函數(shù)表示?？傻刃樾盘?hào)通過一個(gè)線性濾波器。電力線信道中的噪聲通常為加性噪聲，等效為信號(hào)電壓與噪聲源電壓之和，如式(1)所示。其中“”表示卷積運(yùn)算。

1．2 硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)具有雙向通信功能的電力線設(shè)備的測(cè)試，仿真系統(tǒng)的每個(gè)端口都應(yīng)該具有雙向通信功能。使用定向耦合器實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)和對(duì)待測(cè)設(shè)備發(fā)送信號(hào)的隔離。FPGA控制放大器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大以實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)態(tài)范圍，然后經(jīng)過A／D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。用于對(duì)信道進(jìn)行仿真的濾波器參數(shù)預(yù)先存入FPGA中，該濾波器在每次仿真前進(jìn)行修改，仿真過程中保持不變。信號(hào)經(jīng)過虛擬的電力線信道后通過D／A再次轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

FPGA中的噪聲序列產(chǎn)生器用于產(chǎn)生各種電力線噪聲。該噪聲序列經(jīng)過另一個(gè)D／A轉(zhuǎn)換器形成模擬信號(hào)，該模擬信號(hào)通過受SNR控制單元控制的放大器進(jìn)行輸出，從而調(diào)節(jié)輸出信號(hào)中噪聲成分的功率。SNR參數(shù)同濾波器參數(shù)一樣，在仿真前進(jìn)行設(shè)定和修改。