基于G3技術的多頻帶電力載波通訊技術的應用研究

付林++張娟++陳立志++張勇

摘 要：以G3標準相關技術為依托，自主研發新一代電力載波裝置。其中，在FPGA芯片中實現了裝置收發前端和物理層處理單元，在ARM芯片中實現了MAC/匯聚層處理單元。帶寬可在7.8 kHz至10 MHz靈活調整，數據進行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合有關標準的要求。測試結果驗證了所研發裝置實現數據傳輸的正確性和穩定性。

關鍵詞：G3-PLC 電力線載波技術 FPGA ARM

中圖分類號：TN913 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（c）-0144-02

智能電網的主要任務是合理分布電力流和信息流。由于電力線載波技術固有特點，即：電力流與信息流同時可用電力線傳輸，這就使得電力載波再次成為人們關注的焦點之一。

目前關于G3-PLC抗干擾技術主要集中線路衰減特性和噪聲干擾，并通過利用OFDM的交織、加窗技術等抑制外界干擾問題[1-3]。但配電網環境非常復雜，線路的長短以及外界噪聲都是不可預見的。這就證明，由于配電系統的復雜環境，造成電力載波的使用頻率不能唯一性。

因此，文章研究以跨頻帶、認知、在線定義為主要特征的新型電力線載波關鍵技術，進行系統研發，實現了“新型中壓電力線載波通信系統”，并自主研制電力載波機，測試效果良好。

1 G3-PLC載波機系統整體架構

G3-PLC系統主要包括耦合電路、模擬前端、收發前端、物理層處理單元、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）/匯聚層處理單元。FPGA、ARM芯片在數字板上；耦合電路在模擬板上，模擬前端也在模擬板上；收發前端在FPGA芯片中，物理層處理單元也在FPGA芯片中；MAC/匯聚層處理單元在ARM芯片中。

耦合前端是模擬電路構成，起到安全隔離電壓的作用，提取和注入高頻載波信號；模擬電路以及數模轉換IC組成的模擬前端的功能是數模信號轉換、信號濾波和放大；發送通路的功能是實現數模轉換、發送濾波和線性驅動；接收通路的功能是接收濾波、模擬自動增益控制和模數轉換。

通過多級數字插值濾波和數字上變頻模塊，可將基帶信號轉換為跨頻帶PLC載波信號；通過多級數字抽取濾波和數字下變頻模塊，可將跨頻帶PLC載波信號轉換為基帶信號；跨頻帶收發前端還具有時間同步功能、基帶信號進行前導卷積運算和物理幀的起始位置確定的功能。

物理層算法處理單元也是數字電路。發送通路的功能是，信道編碼、交織、數字調制MAC層數據幀，加循環前綴后形成物理層幀，加前導，發送到數模轉換器上；接收通路的功能是，去循環前綴、數字解調、解交織同步后的物理層幀，解碼后還原出MAC層數據幀；物理層算法處理單元也同時記錄數據包的子載波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），MAC層提供跨頻帶認知由數據幀誤碼率（Bit Error Rate，BER）支持。

利用處理器的軟件方式實現MAC層協議棧處理單元，實現多址接入方式的選擇的數據收發由物理層算法處理單元完成，軟實時業務包括流量控制、快速組網策略和業務感知；通過處理器的軟件方式構成匯聚層協議棧處理單元，功能是操控MAC層、處理反饋、分幀組幀和快速協議轉換。

2 G3-PLC電力載波機測試

測試樣品及測試時的實物連接圖如1所示。

可用頻率測試是針對新型PLC通信系統裝置樣機可用頻段的測試，測試的預期目標為：新型PLC通信系統裝置樣機的可用頻段為150 kHz至12 MHz；頻點可在150 kHz至12 MHz范圍內靈活調整；帶寬可在7.8 kHz至10 MHz范圍內靈活調整。可用頻段測試的技術要求及測試結果如下。

測試方法1：將裝置樣機發送頻點設置為6 MHz，將裝置樣機發送帶寬設置為10 MHz。

測試結果1：成功地以中心頻點6 MHz、帶寬10 MHz發送信號。

測試方法2：將裝置樣機發送頻點設置為500 kHz，將裝置樣機發送帶寬設置為78 kHz。

測試結果2：成功地以中心頻點500 kHz、帶寬78 kHz發送信號。

3 結語

文章所設計的新型G3-PLC電力載波機，帶寬可在7.8 kHz至10 MHz靈活調整，數據進行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合數據通信進行傳輸的相關要求。

參考文獻

[1] Wang Xiaoyan，Yi Haoyong，Fan Hao.OFDM technology and its application on power line communications[M].Telecommunication for Electric Power System，2001.

[2] Liu Shugang，Liu Hongli.Design of Chebyshev coupling circuitry for low-voltage power line carrier Communications[J].Communication and Network，2011（4）：37.

[3] Yan Rui，Fu Xuemei.Analysis and Design of Coupling Circuit of Low Voltage Power Line Carrier Communication[D].Journal，of Baotou Vocational&TEchnical College，2008.