韦军+江健+杨振+明吉波

摘 要：本文对电力线信道建立了软件测试环境，针对电力线通道的特殊噪声以及信道变化等现象进行探讨，设计了实时软件定义的OFDM电力通信发射系统与接收系统。

关键词：电力通信；软件定义；监控测量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.183

电力线通信近来蓬勃发展，原因在于电力线路传递信号，不需重新布线，可解决通信传输中最后一公里的问题。在本篇论文中，对电力线信道进了以软件方式的测试环境，并且针对电力线通道的特有现象进行探讨，包括了特殊噪声以及信道变化等。

此外本文设计了实时软件定义的OFDM电力通信发射系统与接收系统。在平台使用了FPGA实验板、数字转模拟与模拟转数字开发板以及自制电力线模拟前级。在发射系统的信号处理模块中设计了串行转并行处理器、高速回旋码编码器、信号交错器、星座图映射器、反快速傅里叶转换器、循环前缀置入器和前导符码置入器等，而在接收系统设计了信号同步器、快速傅里叶转换器、信道估测器、信道均衡器、硬式决策器、信号解交错器及通道解码器等。传送频带为2.3MHz～20MHz，在64-QAM的模式的下最高传输率为42.52Mbps。

1 电力线通道监控测量

在软件监控测量平台以MATLAB实现所有信号处理，搭配FPGA实现信号的传递与存储，最后使用DAC、ADC、自制电力线模拟前级（Analog-Front-End，AFE）产生及发射信号。软件监控测量平台架构如图1。

而在信道监控测量的方式以ZF方式（ZeroForcing）实现，如图2所示。

2 电力线通信发射系统架构

在自定义电力线通信发射系统的完整硬件架构中，为了低系统时序安排的复杂度使用了多个FIFO（First-In-First-Out）缓冲器来控制时序。在传统回旋码编码会导致在处理多位数的情况的下使得系统的操作频率等效降低，可通过增加逻辑运算电路的方式使得在不增加缓存器的情形的下增加信号的输出量以保持系统的操作频率。其中星座图映射器使用查表法实现，另外在输入资料大小也必须考虑误差向量幅度。FFT/IFFT采用管道式（Pipeline）单延迟回授的FFT架构，其中FFT需要的乘法器以CORDIC算法取代。

3 电力线通信接收系统架构

在信号的同步上，分别有：延迟相关器、峰值侦测器、信号侦测器以及编码同步器，在前导符码的设计上是使用BPSK信号，所以在接收端仅需判断信号的正负值即可得到信道响应，而在信道等化一样采用ZF均衡器，而在除法器的部分也是使用CORDIC实现算法。

本论文所采用的维特比译码器硬件架构如图3，硬件译码主要包含分支路径计量值、累积路径计量值与存活路径的运算等三个步骤。当经过解交错器后的信号要进入维特比译码器前，必须要做位计量值（BitMetric）运算，其运算只是将码字0对应成1，1对应成-1。另外，此译码器输入格式是允许一个时间点进入一个位所对应的值，即1或-1，但由于解交错后的信号在一个时间点可能为2位（QPSK）、4位（16-QAM）或6位（64-QAM），故我们必须将此转换成每个时间点皆为1位；即是降低资料处理频率，方可进入译码器处理。在实现上，我们使用了一内存加上多任务器来完成此功能。

4 结语

本篇论文实现可通过定义特定缓存器的数值来达到更动硬件规格的效果，同时，在此平台中可定义星座图模式、循环前缀长度以及前导符码周期。通过此平台的配置可自行掌握通信规格，以及因应需求来调整参数，同时可兼容其他模块，如针对SFO的修正与自动增益控制等等，以达到通信平台的完整性。

參考文献：

[1]C.-H.Kuo，Design and Implementation of Viterbi Decoder for Multi-Rate Convolutional Code in DVB-TSystem，"Master's thesis，National Central University，2010.

[2]P.-C.Wang，Design and Implementation of Variable-Length Fast Fourier Transform Processor in OFDM Systems，" Master's thesis，National Central University，2007.