基于ARM的安全性電力線載波通信系統設計

牛永光， 卜瑋琛， 高玲玲

(山東中實易通集團有限公司， 山東,濟南 250000)

0 引言

近年來，基于物聯網技術的智能家居行業得到了廣泛的推廣。各種新型的家電設備開始具有上網需求，這大大促進了家庭低壓電力線通信(Power Line Communication，PLC)網絡的快速發展[1-3]。相比于傳統技術，低壓電力線通信無需鋪設新的線纜設備，因此，它的實施成本低、其通信帶寬較高。

但是低壓配電網絡是在原有電力線纜上進行的，因此其傳輸信道并不十分適合數據的高速傳輸，存在噪聲干擾大、信號衰減、多徑傳播等特性[4]。目前，正交頻分復用技術(OFDM)[5]已經成為低壓電力線通信的主流方案。例如，周春良等[6]提出了一種OFDM電力線通信采樣頻偏的估計與補償方法，對幀結構的信標時間戳進行了研究，驗證了OFDM技術在PLC系統中的可行性。由于OFDM調制與解調的復雜性，目前基OFDM的電力線載波通信系統大多采用DSP或者FPGA平臺，如秦天凱等[7]對基于OFDM的電力線通信信道進行了研究，電力線通信的速率較為穩定。但是，FPGA平臺存在功耗大、成本高等問題。

因此，在綜合考慮性能和成本等因素后，提出將高效且成本低廉的ARM應用于電力線載波通信系統。首先，根據國內低壓配電網的特性，對G3-PLC協議[8-9]的前導和窗函數進行了設計；其次，給出了基于ARM的OFDM通信系統整體設計。核心硬件模塊采用STM32F4 ARM處理器，信號接口電路模塊采用了信號的耦合，以便提高施工時的安全性。系統測試驗證了其可靠性和穩定性。

1 基于OFDM的PLC系統設計

1.1 前導設計

目前，基于OFDM的低壓電力線通信的主流方案中，認可度較高的為G3-PLC標準協議。為了提高傳輸帶寬，G3-PLC幀結構在多數區段都進行了信號的傳輸[10]，這樣會導致信號的傳輸也會在信道環境最惡劣的區段中進行。因此，本文嘗試在G3-PLC協議的基礎上，對物理層所用的前導和窗函數進行了設計，只在過零點區段進行信號的傳輸，從而達到改善通信質量的目的。

根據國內低壓配電網的特性，家用交流電的頻率為50 Hz。本文嘗試在整個交流電周期內僅使用1/3的區段，即過零點區段附近進行信號的傳輸。因為該區段的背景噪聲和干擾均最低，是最理想的通信時隙。因此，采用了恒包絡零自相關序列作為前導碼，以便縮短幀長度。具體為Zadoff-Chu序列，其表達式如下：

(1)

其中，k=0,1,…,N-1，N表示序列的長度，M為一個與N互質的數，q表示隨機整數。

本系統設計的中心頻率為421 kHz，為了滿足幀長度參數的要求，選擇了長度N等于30，M等于29，q等于15的Zadoff-Chu序列。生成的前導符號如圖1所示。

(a) 波形圖

(b) 自相關特性圖圖1 前導符號

1.2 加窗函數設計

對OFDM信號加窗的目的是為了盡量降低頻譜能量的泄露，一般采用的是升余弦窗，其定義如下：

w(t)=

(2)

其中，β表示加窗的滾降系數，Ts表示符號的周期長度。

不同β時加窗后的OFDM符號功率譜如圖2所示。

圖2 加窗后OFDM符號功率譜

本系統中Ts=1 174采用的是離散時間計算升余弦窗，則式(2)變為

w(n)=

(3)

因此，本系統所用窗函數的時域波形圖如圖3所示。

圖3 窗函數的時域波形圖

采用DBPSK調制實現子載波的調制，系統的幀長度為

=[1 024×3+(1 024+120-32)×5]÷(2.0×106)

=3.253(ms)

(4)

其中，NDATA表示DATA域信息長度，NCP表示有用子載波個數，Nwindow表示加窗覆蓋點數，NFCH表示幀控制頭符號數，NFFT表示快速傅立葉變換點數，Npre表示前導符號數，fs表示采樣頻率。

從式(4)的結果可看出，系統的幀長度略小于G3-PLC交流電周的1/3，結合加窗后OFDM符號功率譜圖，完成了設計中計劃的過零點區段信號傳輸，有效改善數據通信的質量。系統產生的某一幀的時域波形如圖4所示。

圖4 某一幀的時域波形

2 基于ARM的OFDM系統硬件實現

2.1 硬件總體結構框圖

為了實現上述章節中所需系統功能和指標，需要高性能的處理器進行正反傅里葉變換運算。在綜合考慮性能和成本等因素后，選擇了ARM的STM32F4處理器，其具有更低的功耗和豐富的外設接口，較為適合OFDM系統硬件實現。系統硬件總體框圖如圖5所示。

圖5 系統硬件總體框圖

2.2 晶振電路設計

系統直接使用交流220 V供電。此外，為了穩定的輸出8M頻率的方波，核心的STM32F4處理器外接一個8M的晶體振蕩作為時鐘信號，如圖6所示。

圖6 8M晶體振蕩器電路

2.3 無源低通RC濾波電路模塊

為了對系統的輸出信號進行必要的噪聲濾波，在DA/AD接口外接了一個無源低通RC濾波器，則調制后的OFDM信號頻率f為

f=1/(2πRC)

(5)

其中，C表示該電路中電容，本系統中設置0.1 μF。R表示該電路中電阻，本系統中使用一個電位器，以便按需調節。該低通RC濾波電路如圖7所示。

圖7 低通RC濾波電路

2.4 接口及耦合電路模塊

在實際的PLC安裝工程中，如果直接將設備與電力線網絡連接起來，施工一般較為困難且存在較大的安全隱患。因此，為了提高系統實施的安全性，本系統采用扣式磁環將OFDM輸出信號和電力線進行耦合，磁環耦合方式如圖8所示。

圖8 磁環耦合方式

采用上述磁環耦合方式，可以避免施工人員直接接觸電力線網，大大增加了安全性。

3 系統性能測試

3.1 測試環境

測試過程中，采用兩臺PC機作為OFDM系統的通信端，電力線布網的環境為4層實驗樓，有效子載波為120，快速傅里葉變換點數為1 024,中心頻率為420.898 kHz，采樣頻率為2 MHz。測試硬件為網絡測試儀，測試軟件為PLC專用的Power Packet Utility。在測試過程中,通過示波器對系統發射端的模擬幀信號進行采集，如圖9所示。

圖9 幀信號的時域波形

3.2 吞吐量測試

利用網絡測試儀對本系統在2～250 m距離上的吞吐量進行了測試，結果如表1所示。

表1 系統吞吐量測試結果

3.3 延時測試

在數據包大小為128字節，吞吐量負載為80%的情況下，利用網絡測試儀對不同距離時系統的延時性能進行測試，結果如表2所示。

表2 系統延時測試結果

3.4 丟包率測試

在數據包大小為128字節，吞吐量負載為80%的情況下，利用網絡測試儀對不同距離時系統的丟包情況進行測試，結果如表3所示。

表3 系統丟包率測試結果

3.5 通信可靠性測試

作為通信系統的關鍵指標，可靠性驗證是測試驗證的必需內容。采用蒙特卡洛方法，對基于ARM的OFDM電力線通信系統進行了20次測試，每次數據傳輸大小為500幀。系統的平均誤碼率結果如圖10所示。

圖10 系統的平均誤碼率

總體來說，從表1、表2和表3可以看出，在200 m的距離上，系統的丟包率為0%，最大平均延時為36 ms，最低吞吐量95 Mbps，上述性能指標均滿足實際寬帶接入需求。此外，從圖10看出，在-5 dB之后，隨著信噪比的增加，系統平均誤碼率出現明顯下降，可達10-3水平，可有效保證通信的可靠性。

4 總結

本文提出了一種基于ARM的安全性電力線載波通信系統。主要對G3-PLC協議的前導和窗函數進行了設計。核心硬件模塊采用ARM處理器。信號接口電路模塊采用了信號的耦合，以便提高了施工時的安全性。實驗結果表明，系統的吞吐量等性能指標均滿足實際寬帶接入需求。但是正反傅里葉變換運算效率不高，后續將針對定點傅里葉變換的優化進行研究。