基于ZYNQ+AT86RF215的电力高速载波双模通信系统无线技术规范（HRF）技术验证平台

钱海锋 张宏亮 王蓉

摘要：提出了一种基于ZYNQ+AT86RF215的电力高速载波双模通信系统无线技术规范（HRF）技术验证平台，此平台采用Xilinx ZYNQ SOC平台和Atmel AT86RF215射频收发芯片搭建，能低成本、快速实现原型芯片的验证以及芯片模组在研产销过程中的测量、分析、自动化故障排除。首先介绍ZYNQ+ AT86RF215的验证平台的硬件设计，其次对国网电力线高速载波双模技术规范无线部分（HRF）规范进行计算机仿真并在平台上实现，最后讨论平台在原型验证、测量分析、故障排除等方面的实现方法。

关键词：高速载波双模技术规范;HPLC;HRF

0引言

电力行业提出2025年电力率先实现碳达峰，并正通过泛在电力物联网、工业云网、智慧能源等举措，加速推动碳达峰目标的实现。基于电力线通道的高速载波通信（HPLC）技术和基于无线通道的高速无线通信（HRF）技术，是实现输电、配电、用电信息化和智能化的基础设施，具有重要的作用。全流程的系统开发和应用，涉及到协议、芯片、模组、网络等各环节，每个环节又涉及概念验证、原型开发、小批量试制、实验局验证等步骤。该流程的周期长，通常有2到3年的时间，专用通信芯片研发成本高，并且开发过程存在极高的失败风险。在这个背景下，需要一种低成本的快速芯片原型验证平台，需要能完成协议开发的合理性验证，需要能完成通信芯片流片前的功能性能验证，需要能完成模组开发过程中的功能性能验证，也需要能实现实际网络中的故障排除等工作。

本文提出了在ZYNQ+ AT86RF215的架构下，实现电力高速载波双模通信系统无线技术规范部分原型系统的设计。本方案电路具备结构灵活的特点，接收和发射频点灵活可调，适应各种频率部署要求，ARM+FPGA的结构，快速实现协议开发，同时具备高动态范围等优点。

1硬件架构

基于ZYNQ+AT86RF215的电力高速载波双模通信系统无线技术规范部分原型系统技术验证平台的硬件架构框图如图1-0所示。

芯片验证平台的硬件架构实现分为核心处理板和射频前端板两个部分，两部分之间用并线总线连接，完成供电、时钟、控制、基带数据等信号在两个板子之间传输，实物如图1-1。具体处理流程如下：

射频前端板包括功率放大器（PA）、低噪声接收器（LNA）和射频收发器（Transceiver），其中PA实现发射信号的放大， LNA实现信号的低噪声系数接收，PA和LNA的配合使用，实现了远距离传输的要求，Transceiver采用的是Atmel公司的AT86RF215，是一种双通道零中频的软件无线电解决方案，实现数模转换DAC、模数转换ADC、数字滤波Filter、上变频DUC、下变频DDC、自动增益控制AGC等功能。

核心处理板的主芯片为Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoCs（ZU3），处理器内置四核ARM Cortex-A53和核心FPGA可编程逻辑模块，实测算力可达1.2TOPS，平均功耗低至5-10W。针对泛在电力物联网中通信协议，ARM采用C语言开发，实现层2、层3的功能，FPGA采用Verilong语言开发，实现层1的功能。

两个处理板的主要规格参数如下：

2软件架构

基于ZYNQ+AT86RF215的电力高速载波双模通信系统无线技术规范（HRF）快速验证平台的软件架构框图如图2所示。

芯片验证平台的软件架构实现分为ARM层软件和FPGA层两个部分，两部分之间用DMA完成数据的交互。ARM为4个Cortex-A53核和2个RealTime核，实现通信协议的层2和层3的功能。FPGA为可编程逻辑，实现通信协议的层1的功能。

3 HRF协议原型实现

HPLC是高速电力线载波，是在低压电力线上进行数据传输的宽带电力线载波技术。宽带电力线载波通信网络则是以电力线作为通信媒介，实现低压电力用户用电信息汇聚、传输、交互的通信网络。进一步，为了更好的实现这一目标，在HPLC的基础上增加基于无线通信信道的通信制式HRF，该协议是本文要进行芯片原型验证的目标。

在基于ZYNQ+ AT86RF215的验证平台上，快速的、低成本的实现HRF通信协议，以达到芯片原型验证的目的，其中使用C软件在4个ARM核实现层2、层3的功能。本文重点论述在FPGA的可编程逻辑上实现的物理层协议，该部分是芯片验证的重要部分，分为仿真建模和可编程定点实现两个过程。

3.1仿真建模

仿真建模采用Matlab软件，版本号为R2020A，数据为双精度浮点数，分别实现发射机和接收机的功能以及性能的仿真验证。物理层发射链路的仿真实现流程图3所示。物理层接收链路的仿真实现流程图4所示。

3.2程序实现

逻辑实现采用Xilinx Vivado软件开发，版本号为R2019.1，数据为定点数，分别实现物理层发射链路和接收链路的功能。

系统主时钟为50MHz，在速度和功耗之间做了折衷。基带数据速率为3.125M，数模转换DAC和模数转化ADC的接口速率为4M，因此发射链路要做32倍内插，25倍的抽取，接收链路要做25倍的内插，32倍抽取。为了获得较好的带外抑制指标，需要在DA和AD处添加信道滤波器，带外抑制不低于45dBc，带内平坦度不大于0.1dB。

PL和PS之间的DMA搬移速度为25M，用于PS和PL之间的数据传输，实现层1和层2、层3之间的协议帧的交互。系统的数据位宽定位16bit，其中Turbo解码和信道估计的主路径数据定位32位。

完整的发射链路和接收链路的实现所需要的资源如下表所示：

3.3测试分析

3.3.1发射信号频谱分析：在频谱仪上，实时显示RF信号的频域信号，可以初步查看信号的质量，如图5。

3.3.2 接收数据星座图分析：在信噪比比较理想情况下，抓取QPSK调制的数据进行分析，在分析过程中画出的星座图，如下图6-0 。在信噪比存在恶化情况下，抓取QPSK调制的数据进行分析，在分析过程中画出的星座图。如图6-1。

3.3.3 接收数据误码率分析：HRF 信号，采用turbo编码，交织，QPSK星座图映射，OFDM调制等操作。接收数据经过OFDM解调，信道均衡，星座图软判决，解交织，turbo码的MAX-LOG-MAP解码算法等。在接收端在线计算信噪比，统计解码后的误码率，然后把统计结果通过网口送个电脑。通过改变无线信道的信噪比。绘制成曲线，图7。

3.3.4其他在线测量参数如下表所示：

3.3.5报文分析：与在线数据质量分析着重在信号质量的分析不同，在线协议分析着重在层2、层3的协议报文的实时分析。

实现方式是按照协议要求，发送特定报文给其他网元，并获得该网元的反馈协议报文。根据这些报文情况，对网络拓扑等信息进行具体分析，获得网络故障信息甚至实现自动化运维。

4结语

本文提出了一种基于ZYNQ+ AT86RF215的验证平台，该平台具备架构灵活、性能优越且成本低廉的特点，同时，把泛在电力物联网的HRF协议在该平台上实现，验证了平台的能力，最后，在该平台上开发了一些列功能，可以实现数据抓取、在线数据质量分析、在线协议分析等需求，可以协助完成验证、故障排查和自动化运维的工作。平台验证的结果可以直接运用于流片，使得HRF等芯片开发周期大大缩短。

参考文献

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