基于G3技術(shù)的多頻帶電力載波通訊技術(shù)的應(yīng)用研究

付林++張娟++陳立志++張勇

摘 要：以G3標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)技術(shù)為依托，自主研發(fā)新一代電力載波裝置。其中，在FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)了裝置收發(fā)前端和物理層處理單元，在ARM芯片中實(shí)現(xiàn)了MAC/匯聚層處理單元。帶寬可在7.8 kHz至10 MHz靈活調(diào)整，數(shù)據(jù)進(jìn)行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。測試結(jié)果驗證了所研發(fā)裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：G3-PLC 電力線載波技術(shù) FPGA ARM

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

智能電網(wǎng)的主要任務(wù)是合理分布電力流和信息流。由于電力線載波技術(shù)固有特點(diǎn)，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(guān)注的焦點(diǎn)之一。

目前關(guān)于G3-PLC抗干擾技術(shù)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(shù)等抑制外界干擾問題[1-3]。但配電網(wǎng)環(huán)境非常復(fù)雜，線路的長短以及外界噪聲都是不可預(yù)見的。這就證明，由于配電系統(tǒng)的復(fù)雜環(huán)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(rèn)知、在線定義為主要特征的新型電力線載波關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了“新型中壓電力線載波通信系統(tǒng)”，并自主研制電力載波機(jī)，測試效果良好。

1 G3-PLC載波機(jī)系統(tǒng)整體架構(gòu)

G3-PLC系統(tǒng)主要包括耦合電路、模擬前端、收發(fā)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(shù)字板上；耦合電路在模擬板上，模擬前端也在模擬板上；收發(fā)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(gòu)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(shù)模轉(zhuǎn)換IC組成的模擬前端的功能是數(shù)模信號轉(zhuǎn)換、信號濾波和放大；發(fā)送通路的功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換、發(fā)送濾波和線性驅(qū)動；接收通路的功能是接收濾波、模擬自動增益控制和模數(shù)轉(zhuǎn)換。

通過多級數(shù)字插值濾波和數(shù)字上變頻模塊，可將基帶信號轉(zhuǎn)換為跨頻帶PLC載波信號；通過多級數(shù)字抽取濾波和數(shù)字下變頻模塊，可將跨頻帶PLC載波信號轉(zhuǎn)換為基帶信號；跨頻帶收發(fā)前端還具有時間同步功能、基帶信號進(jìn)行前導(dǎo)卷積運(yùn)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(shù)字電路。發(fā)送通路的功能是，信道編碼、交織、數(shù)字調(diào)制MAC層數(shù)據(jù)幀，加循環(huán)前綴后形成物理層幀，加前導(dǎo)，發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器上；接收通路的功能是，去循環(huán)前綴、數(shù)字解調(diào)、解交織同步后的物理層幀，解碼后還原出MAC層數(shù)據(jù)幀；物理層算法處理單元也同時記錄數(shù)據(jù)包的子載波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），MAC層提供跨頻帶認(rèn)知由數(shù)據(jù)幀誤碼率（Bit Error Rate，BER）支持。

利用處理器的軟件方式實(shí)現(xiàn)MAC層協(xié)議棧處理單元，實(shí)現(xiàn)多址接入方式的選擇的數(shù)據(jù)收發(fā)由物理層算法處理單元完成，軟實(shí)時業(yè)務(wù)包括流量控制、快速組網(wǎng)策略和業(yè)務(wù)感知；通過處理器的軟件方式構(gòu)成匯聚層協(xié)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(xié)議轉(zhuǎn)換。

2 G3-PLC電力載波機(jī)測試

測試樣品及測試時的實(shí)物連接圖如1所示。

可用頻率測試是針對新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)可用頻段的測試，測試的預(yù)期目標(biāo)為：新型PLC通信系統(tǒng)裝置樣機(jī)的可用頻段為150 kHz至12 MHz；頻點(diǎn)可在150 kHz至12 MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整；帶寬可在7.8 kHz至10 MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整。可用頻段測試的技術(shù)要求及測試結(jié)果如下。

測試方法1：將裝置樣機(jī)發(fā)送頻點(diǎn)設(shè)置為6 MHz，將裝置樣機(jī)發(fā)送帶寬設(shè)置為10 MHz。

測試結(jié)果1：成功地以中心頻點(diǎn)6 MHz、帶寬10 MHz發(fā)送信號。

測試方法2：將裝置樣機(jī)發(fā)送頻點(diǎn)設(shè)置為500 kHz，將裝置樣機(jī)發(fā)送帶寬設(shè)置為78 kHz。

測試結(jié)果2：成功地以中心頻點(diǎn)500 kHz、帶寬78 kHz發(fā)送信號。

3 結(jié)語

文章所設(shè)計的新型G3-PLC電力載波機(jī)，帶寬可在7.8 kHz至10 MHz靈活調(diào)整，數(shù)據(jù)進(jìn)行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合數(shù)據(jù)通信進(jìn)行傳輸?shù)南嚓P(guān)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Wang Xiaoyan，Yi Haoyong，F(xiàn)an 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，F(xiàn)u Xuemei.Analysis and Design of Coupling Circuit of Low Voltage Power Line Carrier Communication[D].Journal，of Baotou Vocational&TEchnical College，2008.