基于OFDM 技術的電力線通信系統DSP+FPGA 算法比較

白 凱

（西安職業技術學院，陜西西安 710077）

0 引言

電力線載波通信PLC(Power Line Communication)是利用中低壓電力網絡作為數字信息傳輸媒介的一種有線通信方式。近10年來，隨著全球信息化進程的加速發展，各種寬帶接入技術在網絡實現成本、技術先進性和接入的方便性等方面不斷的提高著自身的競爭優勢。采用何種通信方式將附近的寬帶網絡設備接入到用戶終端，成為了寬帶網絡營運商不斷探索和關注的問題，這也成為了Internet 普及的瓶頸之一，此問題被稱之為寬帶網路接入的“最后一百米問題”。PLC 技術利用覆蓋范圍最為廣泛的電力線網絡資源，建設速度快、投資少、無需布新線、室內無死角，用戶通過室內遍布的每一個插座都可以高速上網，具備了其它接入方式所不具備的優勢，成為了國內外信息接入技術研究的熱點。

近年來PLC 技術發展十分迅速，尤其是新一代高速電力線通信的異軍突起，使得用戶室內高速數據傳輸等需求可以通過電力線通信來實現。高速電力線通信技術不僅僅涉及通信中的調制解調技術和編譯碼技術本身，還受到低壓電網中的電力線信道特性和電力線噪聲甚至網絡結構的影響。因此要實現高速、可靠的寬帶電力線通信，研究適合電力線信道特性的調制解調、編譯碼等通信技術有積極的意義。而OFDM 技術抵抗信道畸變的能力強，可以通過自適應調制來高效利用信道提高信道利用率，且傳輸容量較大。本文利用高速數字信號處理器搭建基于OFDM 通信技術的硬件平臺，并驗證了OFDM 通信中的關鍵技術，為寬帶電力線通信的應用提供了有益的參考。

1 通信系統上線實驗的關鍵技術和算法

為了得到寬帶電力線通信系統實驗平臺在實際低壓電網的性能，并驗證對比各種關鍵技術和算法的適用性，本文在典型的大學實驗室環境下對各個環節的算法進行了實測實驗。

實驗系統使用的OFDM 基本參數如下：接收和發送端口處的采樣頻率為FS=39MHz，OFDM 符號周期為T，在OFDM 中使用的IFFT/FFT 計算點數為N（若為復數OFDM 則N 代表子載波個數），如果N=1024，則T=N/FS=1024/39MHz=26.25us。循環前綴CP長度NCP=128，CP 的時間周期為TCP=128/FS=3.28us。這樣，一個完整的OFDM 符號周期長度TS 為OFDM 符號周期與CP 時間周期之和TS=T+TCP=29.53us。子載波間隔為有效符號周期的倒數Δf=1/T=1/26.25us=38KHz，子 載 波 數NC=B/Δf=39MHz/38KHz 1024。若每個子載波映射均采用BPSK 方式，則傳輸速率為R=1024×1bit/26.25us=39Mbit/s。下面主要討論硬件系統實際運行中，OFDM 寬帶通信關鍵技術表現出的性能。

1.1 同步技術實驗

在39MHz 采樣頻率下，對基于多相序列族的同步算法進行了實測。圖1 給出了同步訓練序列，它由四段共軛對稱的序列構成，其中每一段由多相序列族中的最后一個序列生成。這種結構可以同時驗證基于重復結構自相關的Park 算法和本文采用的基于本地序列互相關的同步算法。

1.2 自適應信噪比估計實驗

首先給出使用虛擬子載波的OFDM 信噪比估計算法在實際電力線系統中的實測實驗結果。由于系統使用單D/A 的采樣板，所以設計實數的載波序列。頻域上每一個導頻上插入三個虛擬子載波。時域中每隔一個完整OFDM 符號周期插入導頻。這樣的結構相當于在頻域使用虛擬子載波來計算信噪比，本文使用時頻二維導頻來做信噪比估計。

圖2 為在FPGA 的sigtap 邏輯分析工具中觀測到得經過15m 單分支的低壓電力線的接收波形。可見波形包絡變化平穩，印證了電力線信道屬于慢時變的特性。圖3 為經過同步算法后確定的第一時隙里的OFDM 符號，其中同步序列與信噪比估計的定時位置已經標注到了起點位置。圖4 為接收數據幀1 的平均信噪比估計值。

根據信噪比的估計結果，對大學實驗室為代表的低壓電力線網絡中，在同一幀內插入信噪比估計符號的間隔可以控制在0.4ms 左右，即15個時隙時間內估計兩次。在連續模式傳輸的OFDM 系統中，最多每6～8個完整的OFDM 符號估計一次平均信噪比可以得到信道的基本變化規律。

1.3 抑制OFDM 系統PAPR 實驗

本節主要從實用角度，對比了限幅濾波算法與選擇性映射算法SLM 兩種抑制OFDM 的峰均功率比算法的實現。

圖5 和圖6 所示為使用限幅濾波算法的發送波形和經過15 米電力線的接收波形。根據誤碼率統計結果可以計算得出使用限幅濾波算法系統的平均誤碼率在沒有加入任何編碼和交織時為6.1%。

綜合考慮算法復雜度與效率的優化，我們認為在39MHz 帶寬的電力系統通信中使用限幅算法更加高效。這是因為抑制了PAPR 算法之后，在發送前對信號還要按照FPGA 的幅度范圍進行歸一化以適應D/A 采樣的需求，相當于增加限幅算法的信噪比，而SLM 算法損失的信噪比與其峰值成反比。所以在信噪比增益珍貴的實際系統中限幅算法非常適合高頻寬帶中的電力線通信。

1.4 編碼技術的實驗對比

本節主要考慮卷積碼+交織碼的級聯編碼與LDPC 碼的實測實比較。卷積碼和LDPC 碼均采用1/2 碼率的編碼方案。在級聯編碼方案中，卷積碼使用最常見的（2,1,3）編碼，交織則使用交織深度為256bit 的隨機交織。

在比較兩種編碼方案中，均使用了相同參數的OFDM 系統、CP 長度、PAPR 算法和同步算法。結果表明兩種方案在實驗有限的的譯碼次數中結果誤碼率都基本為0。蒙特卡洛仿真中顯示級聯碼與LDPC 碼的誤碼率差異在10dB 左右。在實際系統中，由于LDPC 碼的編碼長度很長，從碼長的角度來看，LDPC 碼更加適用于連續模式的OFDM 系統（如數字電視廣播等視頻流或者音頻流的通信過程），而級聯編碼更加適合突發模式OFDM 通信（如智能抄表、智能電網中的應用）。

圖6 限幅算法FPGA 接收波形

2 結論

本文通過對物理層平臺使用雙核數字信號處理芯片，進行OFDM 的點對點通信。基于實驗平臺，詳細分析和探討了同步算法、自適應信噪比估計算法、抑制OFDM 峰均功率比算法和編解碼算法等OFDM 通信的各個關鍵技術在低壓電力線的實測結果，并分別給出了適合低壓電力線實際系統的技術方案。

[1]張保會,劉海濤,陳長德.電話、電腦、電視與電力網“四網合一”的概念與關鍵技術[J].中國電機工程學報,2001,21(2):60-66

[2]劉斌，崔曉曼，方箭，等.電力線通信技術與實踐[M].北京：機械工業出版社，2011.

[3]ICT OMEGA project，http://www.ict-omega.eu