基于實時軟件定義的OFDM電力線通信系統研究

韋軍+江健+楊振+明吉波

摘 要：本文對電力線信道建立了軟件測試環境，針對電力線通道的特殊噪聲以及信道變化等現象進行探討，設計了實時軟件定義的OFDM電力通信發射系統與接收系統。

關鍵詞：電力通信；軟件定義；監控測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.183

電力線通信近來蓬勃發展，原因在于電力線路傳遞信號，不需重新布線，可解決通信傳輸中最后一公里的問題。在本篇論文中，對電力線信道進了以軟件方式的測試環境，并且針對電力線通道的特有現象進行探討，包括了特殊噪聲以及信道變化等。

此外本文設計了實時軟件定義的OFDM電力通信發射系統與接收系統。在平臺使用了FPGA實驗板、數字轉模擬與模擬轉數字開發板以及自制電力線模擬前級。在發射系統的信號處理模塊中設計了串行轉并行處理器、高速回旋碼編碼器、信號交錯器、星座圖映射器、反快速傅里葉轉換器、循環前綴置入器和前導符碼置入器等，而在接收系統設計了信號同步器、快速傅里葉轉換器、信道估測器、信道均衡器、硬式決策器、信號解交錯器及通道解碼器等。傳送頻帶為2.3MHz～20MHz，在64-QAM的模式的下最高傳輸率為42.52Mbps。

1 電力線通道監控測量

在軟件監控測量平臺以MATLAB實現所有信號處理，搭配FPGA實現信號的傳遞與存儲，最后使用DAC、ADC、自制電力線模擬前級（Analog-Front-End，AFE）產生及發射信號。軟件監控測量平臺架構如圖1。

而在信道監控測量的方式以ZF方式（ZeroForcing）實現，如圖2所示。

2 電力線通信發射系統架構

在自定義電力線通信發射系統的完整硬件架構中，為了低系統時序安排的復雜度使用了多個FIFO（First-In-First-Out）緩沖器來控制時序。在傳統回旋碼編碼會導致在處理多位數的情況的下使得系統的操作頻率等效降低，可通過增加邏輯運算電路的方式使得在不增加緩存器的情形的下增加信號的輸出量以保持系統的操作頻率。其中星座圖映射器使用查表法實現，另外在輸入資料大小也必須考慮誤差向量幅度。FFT/IFFT采用管道式（Pipeline）單延遲回授的FFT架構，其中FFT需要的乘法器以CORDIC算法取代。

3 電力線通信接收系統架構

在信號的同步上，分別有：延遲相關器、峰值偵測器、信號偵測器以及編碼同步器，在前導符碼的設計上是使用BPSK信號，所以在接收端僅需判斷信號的正負值即可得到信道響應，而在信道等化一樣采用ZF均衡器，而在除法器的部分也是使用CORDIC實現算法。

本論文所采用的維特比譯碼器硬件架構如圖3，硬件譯碼主要包含分支路徑計量值、累積路徑計量值與存活路徑的運算等三個步驟。當經過解交錯器后的信號要進入維特比譯碼器前，必須要做位計量值（BitMetric）運算，其運算只是將碼字0對應成1，1對應成-1。另外，此譯碼器輸入格式是允許一個時間點進入一個位所對應的值，即1或-1，但由于解交錯后的信號在一個時間點可能為2位（QPSK）、4位（16-QAM）或6位（64-QAM），故我們必須將此轉換成每個時間點皆為1位；即是降低資料處理頻率，方可進入譯碼器處理。在實現上，我們使用了一內存加上多任務器來完成此功能。

4 結語

本篇論文實現可通過定義特定緩存器的數值來達到更動硬件規格的效果，同時，在此平臺中可定義星座圖模式、循環前綴長度以及前導符碼周期。通過此平臺的配置可自行掌握通信規格，以及因應需求來調整參數，同時可兼容其他模塊，如針對SFO的修正與自動增益控制等等，以達到通信平臺的完整性。

參考文獻：

[1]C.-H.Kuo，Design and Implementation of Viterbi Decoder for Multi-Rate Convolutional Code in DVB-TSystem，"Master's thesis，National Central University，2010.

[2]P.-C.Wang，Design and Implementation of Variable-Length Fast Fourier Transform Processor in OFDM Systems，" Master's thesis，National Central University，2007.