如何设计一款“合格”的智能电表？

失并一次成功。也就是说，模拟阶段非常重要 -构建硬件之前，我们要在模拟中解决我们的系统问题。所以我们从使用MATLAB和Simulink（见图4）编写的广泛的端到端系统级模型开始。

　　图4：在Matlab / Simulink中实现G3-PLC传输模型

　　首先，我们模拟系统的数字部分。和大多数标准一样，G3-PLC会指定传输算法，参见图4，但接收端的细节较少。接收到的信号到达G3-PLC指定的物理层之前，我们需要确保我们编写的信号恢复算法能够提取噪声和线上反射的信号。我们在MATLAB中模仿那些算法并使用我们的系统建模在实际硬件部署之前动态地验证广泛条件下的算法性能。我们还进行模拟，研究在调制解调器前端增强性能所要进行的改变并降低整个系统使用的物料和成本。

　　除了数字模拟之外，我们需要为嵌入在调制解调器芯片中的模拟信号处理以及外部模拟前端的组件建模。模拟组件的性能和价格各不相同。Simulink模拟可用来确定位于电线调制解调器外部的前端组件的关键规格并检查组件对系统性能的影响。每个系统包括多个模拟、混合信号和数字元件，我们需要对它们之间的相互作用进行建模和模拟。每个系统组件都有特定的线性度、信号带宽和频率响应。非线性度会严重影响系统的性能，因此我们需要检查IP2、IP3、P1dB和频谱再生（见图5）。选择某些组件有时会意想不到地阻碍系统性能。如果无法改变组件，我们可能需要在系统中的某个地方纠正其非线性度。在系统级别，我们关注的是增益控制算法的性能，我们要评估使用真正电线时的BER和接收器灵敏度。当然，我们的目标是要以最低的价格实现我们的需求，因此要进行大量的模拟，模拟速度也变得至关重要。我们在Simulink中使用一个广泛的端到端混合信号误码率（BER）模拟，运用简单的Gaussian噪声信道模型削减计算成本。

　　图5：传输线预驱动阶段的线性分析（a）IP3的要求， （b） IP2要求

　　我们使用类似的流程来指定线路耦合器的组件。根据我们想要的电线通信类型，可以耦合到110V或220V的低电压或者甚至是一个6kV或22kV的中压电线。在线路耦合器内可能进行数个组件取舍，因此我们使用模拟来对其性能影响建模和调查。我们的输出也受到规定约束。CENELEC（欧洲电气工程标准化机构）规定我们在整个带宽上可以添加至220V电线的最大信号为134dBμV。我们的组件选择流程之一是核查组件是否在这一范围内并满足带内和带外的频谱要求。　　

　　一旦我们有了备用模拟组件，我们需要了解系统在一系列操作条件下是否稳健。也就是说，比起简单的Gaussian模型，我们需要一个更为精密的信道模型。我们开发了一个广泛的电线信道模型，包括脉冲噪声、频率选择性噪声、Gaussian噪声和其他效果。该模型比简单的Gaussian信道模型精密细致得多，但需要增加计算能力。因为更精密的信道模型需要更长的运行时间，我们将其用于出现在系统开发快要结束时、更为精密的系统建模。我们广泛应用这个模型，检查系统是否符合我们的需求。在实践中，我们使用MATLAB脚本对模型运行参数扫描。

　
　图6： 孤立清洁的电线上G3-PLC窄带OFDM电线通信系统的误帧率

　　调制方案取决于信道条件。G3-PLC标准包括不同的调制类型，可以根据接收信号的信噪比灵活选择。例如，噪声较多时，可选择ROBO 或 DBPSK ，噪声较小时可选择 DQPSK，信道噪声极小时可选择D8PSK。系统必须能够根据电线上的噪声电平在不同的调制方案之间动态切换，所以全系统的评估工作必需包括对此特性的测试（见图6）。

　　在开发过程中，我们的模拟需求会发生变化，因此模型的复杂性也会随之变化。起初，我们需要在发送和接收物理层之间模拟一个直接连接，之后我们需要加入前端模型、信道模型、线路耦合器模型等。为了使生活更轻松，我们创建了一个可配置的MATLAB模型，能够针对我们需要的模拟架构进行模型配置。我们在工具中指定要模拟哪些组件以及如何连接。例如，我们可以指定要将发送物理层模型（用 MATLAB 编写）连接到一个模拟前端（用 Simulink 编写），包括线路耦合器模型。我们的工具就会实现所有必要的连接。

　　当然，设计作品会最终告一段落，是时间完成组件并构建真正硬件的时候了。构建之后，需要对硬件进行测试，所以我们再次使用模拟环境验证硬件特性。我们的模型可以针对广泛的操作条件生成测试向量。我们也会对我们硬件、MATLAB物理层模型及其在噪声环境下的性能进行逐步比较。我们的 MATLAB 模型精确到比特，所以我们的模型和硬件在处理链的各个阶段及对所有数据输入表现都将一致。

　　电力的