电力线仿真系统的FPGA设计与实现

摘要 电力线通信设备的研发需要一种标准化的测试平台对电力线信道进行实时仿真，通过信道传输特性和各种噪声进行全面的测试和验证，而目前缺乏这样的平台。文中对电力线信道传输特性和噪声进行了深入研究，并在此基础上提出了一种基于硬件的电力线仿真系统实现方法。使用Matlab仿真验证了该算法的可行性以及使用FPGA硬件实现的实用价值。
关键词 电力线通信；信道仿真；电力线噪声；FPGA

由于配电网络具有的超大规模和电力线通信具有的成本低、覆盖广、部署便捷等特点。电力线通信提供了优良的设备互联解决方案，因而受到广泛关注，并在智能电网、Internet接入、智能家居等领域得到了广泛应用。
然而由于电力线并不是为通信而设计，对于频率较高的通信信号而言，电力线信道比较复杂和恶劣。因此建立一个标准化的测试平台对电力线通信设备的研发十分必要。对于生产商而言，这样的测试平台能在产品开发的每一步对算法性能立即进行可重复性的验证。对于用户而言，这样的平台可以帮助其在同一平台下对比不同生产商的产品性能，以便对产品做出更客观的评价。而当前缺乏这种针对物理层进行测试验证的工具，大部分针对电力线通信设备的测试主要集中在上层，由于采用多种纠错技术，所以由物理层带来的问题有可能被掩盖。
尽管目前基于顺序执行的处理器主频已经很高，但是处理深度较大的复杂数据流往往力不从心。FPGA强大的并行处理能力和灵活的可定制性为这类数据的处理提供了一个良好的解决方案。

1 系统框架
1．1 电力线信道的数学模型
基本的电力线信道模型如图1所示，该模型描述的电力线信道分为两个部分，分别是信道传输特性和噪声。电力线信道通常可以描述为线性系统，即用单位冲击响应或频率响应函数表示。可等效为信号通过一个线性滤波器。电力线信道中的噪声通常为加性噪声，等效为信号电压与噪声源电压之和，如式(1)所示。其中“”表示卷积运算。

1．2 硬件结构
系统的硬件结构如图2所示。为实现对具有双向通信功能的电力线设备的测试，仿真系统的每个端口都应该具有双向通信功能。使用定向耦合器实现对接收信号和对待测设备发送信号的隔离。FPGA控制放大器对输入信号进行放大以实现最大的动态范围，然后经过A／D采样转换为数字信号进行进一步处理。用于对信道进行仿真的滤波器参数预先存入FPGA中，该滤波器在每次仿真前进行修改，仿真过程中保持不变。信号经过虚拟的电力线信道后通过D／A再次转换为模拟信号。

FPGA中的噪声序列产生器用于产生各种电力线噪声。该噪声序列经过另一个D／A转换器形成模拟信号，该模拟信号通过受SNR控制单元控制的放大器进行输出，从而调节输出信号中噪声成分的功率。SNR参数同滤波器参数一样，在仿真前进行设定和修改。

2 电力线信道和噪声特性分析
2．1 电力线传输特性分析
电力线通信信道不同于其他有线通信信道，而类似于一个总线线路。信号通常不会从发射机沿一条路径径直地传到接收机，而是会传过一些附加的路径，或者是反射路径。一个最简单的分支模型，可以用来对电力线信道进行分析，如图3所示。信号从A点向C进行传输，在B点处由于阻抗不匹配将引起一部分信号的反射。B点的信号同时将分别向C点和D点传输。D点并非接收终端，因此也存在阻抗不匹配的情况，它将一部分信号反射回B点，并依次循环下去。复杂的电力线信道可以分解成该模型的并联或级联。

成一定的比例；单位线长度的内的分布式电导G1由耗散引起，它和f成一定的比例。因此，其传输常数可被简化为

式(9)表示电力线传输特性的一般模型，其参数值可以根据测量得到，或者按传输线原理对电力线介质进一步分析得出估计。在仿真分析中，可以通过调节该参数模型中多径的数N对该模型的精确度进行控制。
2．2 电力线噪声的分类
Manfred Zimmermann将电力线噪声分为：
(1)有色背景噪声。这类噪声具有相对低的功率谱密度，并且功率随着频率的变化而变化。这类噪声由大量低功率噪声源叠加而成，其功率谱密度往往随时间变化，变化周期一般为几分钟到几个小时。
(2)窄带噪声。这类噪声常常由经过幅度调制的正弦信号产生，最常见的源是由无线电广播站的发射信号耦合到电力线上产生。
(3)与电网频率异步的周期脉冲噪声。这类噪声的频率一般为50 Hz～200 kHz之间，因此这类噪声具有离散的线谱，谱间隔即为噪声频率。该噪声通常由开关电源或其他用电器，如CRT显示器等造成。
(4)与电网频率同步的周期脉冲噪声。这类噪声的频率在我国一般为50 Hz或100 Hz。这类噪声持续时间很短，通常为μs级。它有随频率降低的频谱密度。这类噪声由供电电源通过整流二极管引起，因此与工频交流电同步。
(5)异步脉冲噪声。这类噪声是由于各种电子或者机械的开关瞬态造成。这类噪声通常随机出现，持续时间从μs到ms级不等。它的功率谱密度很大，最大比背景噪声高50 dB以上。
这5类噪声中，前3类的统计特性变化较慢，一般变化周期为数秒，数分钟甚至数小时，而功率谱通常较低，因此这几类噪声可以统称为背景噪声。而后两类噪声时变性很强，一般在μs和ms级。最关键的是，这两类噪声功率谱密度值通常很大，因此能造成比特错误甚至是突发连续错误。因此这两类噪声是电力线通信中需要被考虑和克服的主要难点。
Michael Bauer对电力线的脉冲噪声进行了测量和仿真，提出脉冲噪声的时域特性可以用式(10)逼近，其结果如图4所示。