高速電力線載波信道分析模塊的設計與實現

郝偉琦，王賢輝，李 錚，肖德勇，陳奎熹

（北京智芯微電子科技有限公司，北京 102200）

0 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）是一種使用電力線作為物理通信介質的通信方式。利用電力線等媒體傳輸數據信息，可以降低運營成本、減少構建新的通信網絡的支出[1]。而相比窄帶載波，高速載波具有速率高、抗干擾能力強等優點，可以應用于用電信息采集、智慧能源等多場景，作為解決“最后一公里”問題的有效傳輸模式，是組成電網信息物理系統的基礎底層網絡構件[2]。但與傳統通信介質相比，電力線上各類電力負載的接入及其接入的變化就造成了復雜多變的電力線信道特性[3-4]，影響電力線信道通信質量的特性有線路阻抗、噪聲等[5]，其中噪聲是影響低壓電力線載波通信質量的重要因素[6]。

當前載波通信領域正在研究各種抗噪聲方法以提高抗噪聲干擾能力[7]。傳統抗噪聲研究的一般流程為現場采集，實驗室仿真，最后進行現場測試。該方式在實驗室難以還原現場復雜的噪聲環境，而在現場驗證費時費力，覆蓋噪聲場景有限，難以應對大規模高速電力線載波現場調試運維需求。

為此，本文提出了一種高速電力線載波信道分析模塊，可實現噪聲采集、噪聲分析、數據存儲、信道測試等功能，并且可在實驗室模擬真實現場環境。本信道分析模塊基于現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和模擬前端（Analog Front End，AFE）芯片實現，成本相對較低，便于攜帶，解決了高速電力線載波通信中噪聲研究和現場運維測試的難題。

1 噪聲分析模塊架構設計

1.1 功能指標定義

信道分析模塊的連接示意圖如圖1 所示。圖中所示為一個典型的電力線環境，信道分析模塊通過電力線耦合接口連接至電力線，可以從電力線采集或向電力線注入噪聲。數字通信接口連接至上位機，可由上位機控制模塊的工作狀態。

圖1 信道分析模塊連接示意圖

為滿足高速電力線載波通信中噪聲研究和現場運維測試的需求，噪聲分析模塊需具備以下主要功能：

噪聲采集功能：采集帶寬0.2～25 MHz，單次采集時長大于20 ms；支持單次采集、多次采集、隨機延時盲采等多種方式。

噪聲分析功能：現場噪聲頻譜的FFT 實時分析，找出干擾頻點分布。

噪聲錄波回放功能：支持回放噪聲信號的裝載、循環回放，多種噪聲切換等。

噪聲信號發生功能：白噪聲、脈沖噪聲、窄帶噪聲、掃頻噪聲等。

信道測量功能：支持單頻、掃頻等測量信號發生，測量信號的接收和分析，進行信道衰減測試。

1.2 模塊架構設計

信道分析模塊架構分為模擬信號處理、數字信號處理和主控制器三部分；模擬信號處理電路基于AFE 芯片AD9866 搭建，采樣率為50 MS/s，采樣位寬為12 bit，可采集并重建覆蓋高速載波通信頻段的噪聲信號。數字信號處理和主控制器基于FPGA 及MCU 設計，兩者采用SPI 總線互聯，實現模擬信號的高速采樣、FFT 分析與回放功能。FPGA 與MCU 協同工作，由FPGA 硬件邏輯處理高速數據的采集及緩沖，MCU 負責對FPGA 的控制及文件系統處理。

信道分析模塊原理結構框圖如圖2 所示。模擬信號處理電路將來自電力線的模擬信號放大后轉換為數字信號，經由FPGA 進行處理，并且可將FPGA 輸出的數字信號轉換為模擬信號，注入電力線進行發送。FPGA 主要進行高速數字信號的處理工作，SDRAM 存儲器實現采樣數據緩存，MCU 控制器實現了文件及控制接口，SPIFlash 用于保存FPGA 的配置文件，AC-DC 電源模塊用于為系統供電。

圖2 信道分析模塊原理結構框圖

2 主要功能模塊實現

2.1 FPGA 邏輯模塊劃分

依據系統功能及架構，模擬信號的采樣率選擇為50 MHz，在12 bit 位寬下數據吞吐率為600 Mb/s，需要使用SDRAM 進行數據緩沖。根據系統功能需求，FPGA內部邏輯模塊的劃分如圖3 所示。

圖3 FPGA 內部邏輯模塊

主控模塊：運行主狀態機，協調FPGA 內部各個模塊工作，解析MCU 通過SPI 下發的指令碼。

SDRAM 控制模塊：控制外部SDRAM 存儲器，實現數據存儲、讀取及刷新邏輯。

AFE 控制模塊：控制AD9866 芯片實現模數及數模轉換，實現模擬信號的接收及發送。

信號發生模塊：控制可編程噪聲信號數字激勵的生成，用于波形發生功能。

FFT 分析模塊；用于實時分析采集到的信號頻譜信息，用于噪聲實時分析及信道衰減測試。

SPI 接口控制模塊：作為控制命令及數據交互通道，對外接口符合SPI 接口標準[8]。

2.2 主控模塊

主控模塊主要功能為協調各個邏輯模塊正常工作，根據不同的工作狀態控制數據的接收及發送模塊。主控模塊的邏輯狀態機如圖4 所示。

圖4 主控模塊邏輯狀態機

2.3 SDRAM 控制模塊

SDRAM 控制模塊使用狀態機實現SDRAM 芯片的讀寫邏輯接口[9]，其狀態機包括初始化、數據讀寫、數據刷新等操作[10-11]。模塊啟動穩定后開始對SDRAM 芯片進行初始化操作，配置工作模式。讀寫時，首先進行激活，讀寫數據操作后自動進行預充電，并對行地址進行復位的操作。

由于在電力線噪聲采集及噪聲回放過程中數據流是連續的，但SDRAM 芯片需要定期執行數據刷新，不能持續讀寫，故需要使用FIFO 對數據進行緩沖[12-13]。

AFE 控制模塊采集的數據首先寫入FIFO 中，讀寫邏輯電路從FIFO 中讀取數據寫入SDRAM。寫完一頁數據后執行數據刷新動作，然后等待再次觸發SDRAM 寫入動作。如此往復，完成對采樣數據的連續寫入。在噪聲回放模式時，數據流向相反，實現采樣數據流的連續輸出及噪聲重建。

2.4 信號發生模塊

信號發生模塊可以發生周期性的噪聲信號，基于XILINX公司的DDS IP 核以及數字邏輯實現[14]。信號發生模塊能夠發送白噪聲、脈沖噪聲、窄帶噪聲、掃頻噪聲信號，可用于電力線載波設備的定量抗噪聲測試。

2.5 FFT 分析模塊設計

FFT 分析模塊基于XILINX 公司的FFT IP 核實現，可對采樣數據流進行快速傅里葉變換[15]，獲取信號的頻譜特性。

輸入離散信號數據流通過FFT 模塊計算，可得出傅里葉變換實部及虛部，并儲存在FPGA 內部寄存器組，供MCU 進行讀取，獲取實時的頻譜分析數據。

3 MCU 控制程序設計

MCU 的主要功能為控制FPGA 工作模式、接收上位機指令、執行文件管理相關功能。

3.1 主程序流程

MCU 與FPGA 協同工作可以發揮各自優勢[16]，MCU嵌入式軟件主要程序執行流程如圖5 所示，系統啟動后執行硬件初始化，等待FPGA 完成配置，由上位機發送指令進入不同的工作模式分支。

圖5 MCU 主程序流程

3.2 噪聲采集模式工作流程

MCU 向FPGA 寫入指令碼啟動噪聲采集，支持單次采集、多次采集、隨機延時盲采等多種定制采集方案。

3.3 噪聲回放模式工作流程

MCU 讀取TF 卡中的數據文件，將數據寫入SDRAM中，然后向FPGA 寫入指令碼啟動信號回放。FPGA 模塊循環回放SDRAM 中緩存的數據文件，輸出錄制的噪聲信號。

3.4 信號發生模式工作流程

MCU 將掃頻頻率、步進時間、步進頻率等控制參數寫入FPGA 內部的信號發生模塊，為電力線信道測試提供激勵源[17]。

3.5 噪聲分析功能工作流程

噪聲分析功能用于實時分析現場噪聲干擾頻域特性，FPGA 循環采樣噪聲數據并進行FFT 計算，從而分析當前信道噪聲的頻域特性。

3.6 信道測量功能工作流程

信道測量功能依托于信號發生功能與信號分析功能實現，測量時，需要使用兩個信道分析模塊協同工作，其中模塊1 工作于信號發生模式作為激勵源，模塊2 工作于信號分析模式測量信道。

信道測量方法如圖6 所示。模塊1 在載波信道發送端接入電力線，循環發送覆蓋電力線通信頻段的掃頻噪聲信號；模塊2 在信道發送端使用最大保持模式接收信號、測量信號頻譜特征并記錄為發送端頻譜數據1。然后模塊2 在信道接收端使用最大保持模式測量信號頻譜特征并記錄為接收端頻譜數據2。將頻譜數據1 與頻譜數據2 在上位機進行矯正計算，即可得出該通信頻段載波信道的衰減特性。

圖6 信道測量功能示意圖

4 實現及測試結果分析

按照前述章節設計實現的信道分析模塊樣機實物如圖7 所示，模塊整體外形尺寸為12 cm×8.2 cm，可使用電力線或外接直流電源供電。

圖7 信道分析模塊樣機

4.1 噪聲信號采集功能測試

將信道分析模塊接入實驗室環境，電力線采集到的噪聲數據經軟件可視化處理后的時域圖形及頻域圖形如圖8 所示，采樣長度為20 ms。

圖8 實驗室環境電力線噪聲時域及頻域波形

將噪聲分析模塊接入某現場臺區配電室，采集到的噪聲數據經軟件可視化處理后的時域圖形及頻域圖形如圖9 所示，采樣長度為20 ms。此環境為居民用電小區，用電負載較為復雜，包括一些大功率居民用電設備。

圖9 現場環境電力線噪聲時域及頻域波形

4.2 噪聲信號回放功能測試

使用信號回放功能回放采集的數據文件，將信道測量模塊輸出接至示波器，輸出錄制的噪聲波形信號，可觀察到輸出的噪聲信號與采集信號的波形一致。

將不同環境下噪聲注入電力線載波通信測試平臺，使用不同廠家標準HPLC 載波模塊在此環境下進行載波回傳測試，測試模塊的抗噪聲能力，測試條件為TMI=4，PB=1，測試結果如表1 所示。

表1 不同廠家模塊在典型噪聲環境下抗衰減能力

4.3 噪聲信號發生功能測試

對掃頻噪聲波形發生功能進行測試，掃頻參數為起始頻率1 MHz，結束頻率12 MHz，此參數配置下Pico 示波器采集到的頻譜尖峰保持數據經過可視化處理后的頻域圖形如圖10 所示。可觀察到波形掃頻起始頻率、截止頻率與設定相同，表明波形發生功能正常。

圖10 信道分析模塊掃頻模式輸出

4.4 噪聲分析功能測試

使用信號源向信道分析模塊注入1 MHz 頻率的單頻噪聲信號，使用信號分析模式輸出采集的頻譜數據，經過可視化處理后可觀察到接收信號的頻譜信息，如圖11所示，可觀察到1 MHz 的單頻噪聲信號頻譜，表明模塊噪聲信號分析功能工作正常。

圖11 信號分析功能輸出信號頻譜

4.5 信道測量功能測試

將一個模塊配置為掃頻信號發生模式，將信號注入電力線，使用另一個信道分析模塊在另一位置采集此信號并輸出頻譜最大保持數據，經過軟件可視化處理后可生成信道衰減曲線，如圖12（a）所示。圖12（b）為Pico 示波器在同一接收位置采集的頻譜最大保持數據經過標定后輸出的信道衰減曲線。從圖中可觀察到，電力線信道上衰減導致接收端信號頻譜不完全平坦，存在某些衰減較大的頻點。通過對載波信道的衰減特性分析，有助于選擇合理的載波通信頻率，并為中繼器的安裝位置選取提供理論依據。

圖12 電力線信道接收端信道衰減曲線

5 結論

通過上述測試，表明本文設計的高速電力線載波信道分析模塊各功能工作正常，噪聲采集及回放功能達到了預期指標，可應用于現場噪聲樣本的采集及分析，并且能夠在實驗室電力線測試信道注入現場環境噪聲，模擬現場工作環境，解決了高速電力線載波通信中噪聲研究和現場運維測試的難題，對高速電力線載波技術的應用推廣具有重要意義。