基于FPGA的跨频带PLC信道模拟方法与实现*

陆　阳，李建岐，胡　超

（1.国网智能电网研究院，北京102209；2.华北电力大学，北京102206）

基于FPGA的跨频带PLC信道模拟方法与实现*

陆阳1，李建岐1，胡超2

（1.国网智能电网研究院，北京102209；2.华北电力大学，北京102206）

在电力线载波信道特性研究的基础上，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的跨频带电力线载波通信(PLC)信道模拟方法，并完成了模拟器实现。所提出方法能够在150 kHz～10 MHz的跨频带范围内模拟通过现场测量取得的、或基于模型的电力线载波信道噪声、传输函数，为PLC系统的测试与优化提供了便捷高效的手段。进一步对比现场实际信道与模拟信道条件下的PLC系统测试结果，验证了信道模拟的准确性以及所提出方法的有效性。

电力线载波通信；信道特性；跨频带；信道模拟；现场可编程门阵列

0　引言

电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）是实现中、低压配电网智能化的一种重要通信方式。由于配电网的复杂性，电力线载波信道是典型的随参信道，导致PLC技术适应性和产品成熟性的验证比较困难。现有方法基于实际现场环境测试PLC性能时，测试线路需提前勘察、预约，重复测量费时费力，因此亟需研究 PLC信道模拟技术及其模拟器实现方法，为在实验室内搭建测试平台进行PLC性能的评估和优化提供便利。

针对 500 kHz以下的窄带 PLC信道，文献[1]提出了基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)设计数字滤波器并实现信道传输函数模拟的方法。文献[2]研发的信道模拟器实现了对低压配电线路窄带信道噪声、传输函数的模拟，并基于模拟的信道环境完成了PLC性能评估。针对2 MHz以上的宽带PLC信道，文献[3]基于电力线信道的循环平稳特征提出了时变信道的模拟方法。文献[4]和文献[5]则重点研究了基于FPGA的宽带多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）PLC信道模拟方法。

基于灵活可靠的FPGA实现PLC信道模拟已成为发展趋势。然而，目前大部分信道模拟研究工作主要集中在500 kHz以下的窄带PLC信道，或2 MHz以上的宽带PLC信道。值得注意的是，文献[6]面向智能电网应用，提出了 150 kHz～10 MHz跨频带范围内基于信道认知在线可定义的智能PLC技术，突破了传统PLC窄带和宽带的频率分割，使其可以根据现场电力线信道实际情况，在一个更宽的频率范围内自适应地选择最佳工作频率。因此，研究并实现满足跨频带频率范围的PLC信道模拟方法，使其满足更多样化的PLC系统测试需求，成为需要解决的问题。本文在电力线载波信道特性研究的基础上，提出了一种基于FPGA的跨频带PLC信道模拟方法，可模拟通过现场测量取得的或基于模型的PLC信道噪声、传输函数。基于所研发的信道模拟器搭建了跨频带认知PLC样机测试环境，验证了信道模拟的准确性。

1　电力线载波信道特性

1.1噪声特性

噪声是描述电力线载波信道的重要特性。中、低压电力线作为通信媒介时，其网络拓扑结构复杂，连接负载众多，且经常发生变化，无法通过纯粹的分析推导来表达它的特征，所以中、低压电力线载波信道噪声不同于普通的高斯白噪声，且不能简单归结为某种单一来源的噪声，应为多种性质不同噪声信号的叠加。电力线载波信道噪声所呈现出的特征与地点、时间以及电网负载设备等干扰源都息息相关，且噪声源之间是相互独立存在的，噪声类型一般包括：有色背景噪声、窄带噪声、工频同步的周期脉冲噪声、工频异步的周期脉冲噪声和异步脉冲噪声[7]。

1.2衰减特性

PLC信号在电力线载波信道上传输时，造成信号传输衰减的因素有很多，主要包括：线缆的集肤效应损耗；绝缘材料的电介质损耗；不对称波阻抗引起的辐射损耗；网络分支引起的功分损耗；阻抗失配、网络分支及线缆不连续点处引起的反射损耗；设备连接到网络的负载阻抗损耗；发送端和接收端阻抗失配引起的耦合损耗；耦合模式失配损耗；多径传播引起的频率选择性衰落[8]。PLC信道衰减大体上随着信号频率的增大而增加，且在高频频段往往呈现出显著的频率选择性特征。

2　基于FPGA的跨频带PLC信道模拟

2.1系统构成

跨频带PLC信道模拟器可以分为硬件和软件两部分，其中，硬件部分实现信道噪声、传输函数的实时模拟，以及待测PLC模块信号的耦合；软件部分包括在电脑上实现的用于信道参数配置的用户控制软件以及FPGA程序。图1给出了跨频带 PLC信道模拟器硬件部分的组成，包括电源滤波模块、电源模块、模拟前端模块、数据转换模块、数字电路模块5个部分。

图1　跨频带PLC信道模拟器硬件部分的组成

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）输出220 V/50 Hz交流电为整个硬件部分供电。PLC发送和接收端分别通过线性阻抗稳定网络（Line Impedance Stabilization Network，LISN）与 UPS相连，LISN具有工频低通特性并能对信道模拟器的接入阻抗进行整定，同时也避免了PLC信号直接通过电源滤波模块传播。

电源模块包含一个小变压器和两个电路板，可以将220 V交流电转换为直流电+15 V和±5 V，分别为 FPGA数字板和模拟前端（Analog Front-End，AFE）供电。

AFE模块包含两个分立的电路板。在接收板上集成有接收耦合器，它从PLC发送端接收信号，信号在输入模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）前先通过低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）使其平滑。在LPF前和后分别连接了一个放大器来进行信号衰减补偿。在发送板上，经过信道模拟器衰减后的PLC信号和产生的噪声 （分别由两个高速数模转换器（DAC）输出）分别先通过相同的放大器，再通过相同的LPF，然后由两个可变增益放大器（Variable Gain Amplifier，VGA）分别进行放大或衰减。VGA的增益由两个参考电压决定，可实现自动调节信道模拟器的输出信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）。两个参考电压由一个双通道DAC输出，DAC由FPGA产生的数字信号控制。最后，放大/衰减后的信号和噪声相加并通过线性驱动放大后，再经发送耦合器送至PLC接收端。

数据转换模块同样分为两个电路板，一个用于接收输入信号，含 1个 14 bit高速 ADC；另一个用于发送输出信号，含2个14 bit高速DAC。

数字电路模块是两个 FPGA板的结合，其中，Cyclone III FPGA板利用存储下载的配置信息完成对电力线载波信道噪声、传输函数的实时模拟，是整个跨频带PLC信道模拟器的核心；Cyclone II FPGA板提供串口功能，用于Cyclone III FPGA板和控制电脑的连接。

2.2噪声模拟方法

基于FPGA的跨频带PLC信道模拟器可以模拟四种不同类型的噪声：有色背景噪声、窄带噪声、周期脉冲噪声（含工频同步的周期脉冲噪声、工频异步的周期脉冲噪声）和非周期脉冲噪声（异步脉冲噪声）。上述噪声互相之间可以建模为具有不相关性。PLC信道噪声模拟的基本原理如图2所示，其中，ANB、ABG、API和 ANI分别代表FPGA模拟不同类型噪声时的控制参数。以下重点介绍有色背景噪声和窄带噪声的模拟。

有色背景噪声主要是由一系列低功率噪声源所产生噪声的叠加引起，噪声水平随频率的升高而降低，典型功率谱密度约在-120 dB(V2/Hz)～-140 dB(V2/Hz)之间。为模拟有色背景噪声，本文采用白噪声经过整形滤波的方法。此处的滤波器采用了有限长单位冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器实现，同时白噪声通过伪随机序列产生。设计伪随机序列通过反馈移位寄存器获得，如图3所示。移位寄存器中的两个比特信息经异或操作后反馈至输入端，同时输出比特信息循环反馈至寄存器的第一个比特。为获得M-bit的伪随机序列，可以采用以下两种方法：一是串行地从移位寄存器中取出M个比特信息，二是并行地构建M个具有不同配置的单比特产生器。

图2　PLC信道噪声模拟的基本原理

图3　单比特伪随机序列的产生

窄带噪声具有频率选择性特征，其噪声强度因地、因时而变，噪声源多为中短波无线电信号。窄带噪声可以被视为一种经相位调制的谐波，其功率谱密度分布在较窄的频率范围内，产生窄带噪声等同于产生经相位调制的谐波。在FPGA中产生正弦曲线一般采用查表法，具体步骤如下：首先，在一个完整的周期内采样一个正弦波形，并且存储 NPer个值在表中；其次，在采样率 fa下，所存储的值被周期性读出，相位间隔为INC，即每 INC个值中读取一个值；然后基于所读取的值重建正弦信号。采用这种方法，可以获得相应的正弦信号，其频率为：

按照奈奎斯特第一准则，最大可能的相位间隔 INCmax为 NPer/2-1，最小可能的相位间隔 INCmin为 1。这样即可通过调整相位间隔来获得最终希望产生的正弦信号频率。相位调制的步骤如下：考虑某存储相应值的表格，采样率 fa，初始化相位间隔 INC为 INC0，并在每读取 Nmod个采样值后将其加1或减1（需要控制在±ΔINC范围内）。上述线性相位调制的信号频率为：

获得所调制的信号带宽为：

2.3传输函数模拟方法

PLC信道传输函数往往具有低通特性，同时，由于高频载波信号在传输时存在多径反射，也会导致频率选择性衰落。经典的 PLC多径信道模型如式(4)所示[9]，其中，N代表信号传播的径数，gi=|gi|e-jφi(f)为每一径的权重系数，代表了信道的低通特性以及信号传播衰减，e-j2πf(di/vp)描述了信号的相位特性。

考虑实测的PLC信道参数，通常有两种方法可以用于基于FPGA的信道模拟，即在时域上采用FIR滤波器，或在频域上采用快速卷积法。

当在时域上采用FIR滤波方法时，设经采样的信道传输函数为H(k)，则相应的信道冲激响应h(n)可以通过离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）获得，如式(5)所示，其中，L为FIR滤波器的阶数。基于FPGA实现FIR滤波器的示意图如图4所示。本方法具有结构简单的优点，不足之处在于其所需硬件资源相对较多，并且复杂度随着滤波器的阶数增加而线性增长。

图4　基于FPGA实现FIR滤波器的示意图

当在频域上采用快速卷积法时，根据时域卷积定理，两个向量在时域的卷积等于两个向量的傅里叶变换结果在频域上直接相乘。基于这一思路，跨频带PLC信道模拟器实现快速卷积方法的示意图如图5所示。其中，M为输入信号块长度，经补零后，每个块的长度变为N=M+L；N代表信道传输函数向量的长度，该参数预先配置在FPGA中。经DFT后，与传输函数标量相乘，再作逆离散傅里叶变换(Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT)，即获得了经过信道后的信号。考虑到相邻信号块之间尾部有重叠，因此需要在输出移位寄存器进行反馈。本方法所需硬件资源较少，由于是逐块信号进行操作，故传输函数的模拟存在一定时延。

3　实际信道模拟结果

实际模拟选取我国北方某城市一段长约 650 m的10 kV中压架空线路进行信道测试，用以获得信道噪声和传输函数模拟的必要参数。把测试获取的参数通过用户控制软件输入所研发的跨频带PLC信道模拟器中，即模拟获得吻合现场中压架空线路信道实际情况的信道传输函数和背景噪声，如图6所示。所测试中压架空线路分支较少，信道传输函数模值（衰减）约为-20 dB左右，噪声相对幅值约为-40 dB左右，信道具有频率选择性，且模拟的频率范围满足跨频带要求。

图5　快速卷积的FPGA实现示意图

图6　信道传输函数和背景噪声模拟结果

4　基于跨频带信道模拟器的PLC测试

基于跨频带PLC信道模拟器，可以方便地在实验室环境下对PLC进行测试。本节以作者所在课题组研发的跨频带认知PLC系统样机为例，开展基于跨频带信道模拟器的PLC样机性能测试，测试环境如图7所示。

图7　基于跨频带信道模拟器的PLC测试环境

所搭建的测试环境包括PLC主站、PLC从站、跨频带PLC信道模拟器、衰减器和电脑。跨频带认知PLC样机可以在 150 kHz～10 MHz的频率范围内，根据信道实际情况自适应地选择最佳频段进行通信。这里，PLC主站通过由信道模拟器模拟出的下行链路与PLC从站连接，PLC从站则经由衰减器模拟的上行链路与PLC主站连接。电脑用于完成对信道模拟器的控制，以及信道噪声、传输函数参数输入等功能。

基于图6模拟获得的中压电力线载波信道特性进行PLC主站与从站间的通信测试，PLC样机会自适应地选择最佳工作频率。实际测试结果为：对于主站至从站的下行链路，样机选择了中心频点为 4 925 kHz、带宽为1 250 kHz的频段作为工作频段。相比其他频段，5 MHz附近信道的衰减和背景噪声较小，信道条件较理想，故PLC样机选择在该频段建立通信链路，这与样机在该中压架空线路实际信道环境下的选频测试结果一致。通过对比现场实际信道与模拟信道条件下的PLC样机测试结果，验证了信道模拟器的有效性。

5　总结

本文提出并实现的基于FPGA的跨频带PLC信道模拟方法，可以在实验室中提供接近现场实际信道情况的测试环境，通过 FPGA模拟电力线载波信道噪声、传输函数，为PLC技术的测试与优化提供便利。基于所研发的信道模拟器建立了跨频带认知PLC测试环境，验证了模拟器可在 150 kHz～10 MHz的跨频带频率范围内工作，实现了现场中压信道传输函数和噪声的准确再现。基于FPGA模拟PLC信道是未来的发展方向，拟将针对时变信道、双向信道模拟等方面开展进一步研究。

[1]LIU W Q，MARTIN S，DOSTERT K.Advanced emulation of channel transfer functions for performance evaluation of powerline modems[C].Proceedings of IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications(ISPLC)，2011：446-451.

[2]LIU W Q，MARTIN S，DOSTERT K.Channel characterization and system verification for narrowband power line communication 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 emulator 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 characteristics 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 the powerline channel[J].IEEE Transactions on Communications，2002，50(4)：553-559.

FPGA-based cross-band PLC channel emulation method and its implementation

Lu Yang1，Li Jianqi1，Hu Chao2
(1.State Grid Smart Grid Research Institute，Beijing 102209，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China)

On the basis of power line channel characteristics,this paper proposes a field programmable gate array(FPGA)-based cross-band power line communication(PLC)channel emulation method,and the corresponding emulator is also implemented.The proposed method can emulate both the measured and the model-based power line channel noises and transfer functions in the cross band of 150 kHz～10 MHz,which provides a convenient and efficient means for the test and optimization of PLC systems.Moreover, a comparison of the PLC system test result measured under real channel conditions with that obtained with the emulated channel conditions verifies the accuracy of the channel emulation and the effectiveness of the proposed approach.

power line communication；channel characteristics；cross-band；channel emulation；field programmable gate array

TN92

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.10.025

国家电网公司科技项目“跨频带认知电力线载波通信（PLC）技术实用化研发及应用”资助

2015-05-18)

陆阳(1984-)，通信作者，男，工学博士，工程师，主要研究方向：电力通信技术，E-mail：luyang@sgri.sgcc.com.cn。

李建岐(1969-)，男，高级工程师，主要研究方向：电力通信技术及应用。

胡超(1988-)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力线载波信道特性。

中文引用格式：陆阳，李建岐，胡超.基于 FPGA的跨频带 PLC信道模拟方法与实现[J].电子技术应用，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