高速電力線載波信道分析模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(zhì)的通信方式。利用電力線等媒體傳輸數(shù)據(jù)信息，可以降低運(yùn)營成本、減少構(gòu)建新的通信網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以應(yīng)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(wǎng)信息物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)件[2]。但與傳統(tǒng)通信介質(zhì)相比，電力線上各類電力負(fù)載的接入及其接入的變化就造成了復(fù)雜多變的電力線信道特性[3-4]，影響電力線信道通信質(zhì)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(zhì)量的重要因素[6]。

當(dāng)前載波通信領(lǐng)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(tǒng)抗噪聲研究的一般流程為現(xiàn)場采集，實(shí)驗(yàn)室仿真，最后進(jìn)行現(xiàn)場測試。該方式在實(shí)驗(yàn)室難以還原現(xiàn)場復(fù)雜的噪聲環(huán)境，而在現(xiàn)場驗(yàn)證費(fèi)時(shí)費(fèi)力，覆蓋噪聲場景有限，難以應(yīng)對大規(guī)模高速電力線載波現(xiàn)場調(diào)試運(yùn)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(shí)現(xiàn)噪聲采集、噪聲分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信道測試等功能，并且可在實(shí)驗(yàn)室模擬真實(shí)現(xiàn)場環(huán)境。本信道分析模塊基于現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）和模擬前端（Analog Front End，AFE）芯片實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)場運(yùn)維測試的難題。

1 噪聲分析模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 功能指標(biāo)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(gè)典型的電力線環(huán)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(shù)字通信接口連接至上位機(jī)，可由上位機(jī)控制模塊的工作狀態(tài)。

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(xiàn)場運(yùn)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(shí)長大于20 ms；支持單次采集、多次采集、隨機(jī)延時(shí)盲采等多種方式。

噪聲分析功能：現(xiàn)場噪聲頻譜的FFT 實(shí)時(shí)分析，找出干擾頻點(diǎn)分布。

噪聲錄波回放功能：支持回放噪聲信號的裝載、循環(huán)回放，多種噪聲切換等。

噪聲信號發(fā)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(fā)生，測量信號的接收和分析，進(jìn)行信道衰減測試。

1.2 模塊架構(gòu)設(shè)計(jì)

信道分析模塊架構(gòu)分為模擬信號處理、數(shù)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(shù)字信號處理和主控制器基于FPGA 及MCU 設(shè)計(jì)，兩者采用SPI 總線互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)模擬信號的高速采樣、FFT 分析與回放功能。FPGA 與MCU 協(xié)同工作，由FPGA 硬件邏輯處理高速數(shù)據(jù)的采集及緩沖，MCU 負(fù)責(zé)對FPGA 的控制及文件系統(tǒng)處理。

信道分析模塊原理結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)由FPGA 進(jìn)行處理，并且可將FPGA 輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，注入電力線進(jìn)行發(fā)送。FPGA 主要進(jìn)行高速數(shù)字信號的處理工作，SDRAM 存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)緩存，MCU 控制器實(shí)現(xiàn)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(tǒng)供電。

圖2 信道分析模塊原理結(jié)構(gòu)框圖

2 主要功能模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 FPGA 邏輯模塊劃分

依據(jù)系統(tǒng)功能及架構(gòu)，模擬信號的采樣率選擇為50 MHz，在12 bit 位寬下數(shù)據(jù)吞吐率為600 Mb/s，需要使用SDRAM 進(jìn)行數(shù)據(jù)緩沖。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯模塊的劃分如圖3 所示。

圖3 FPGA 內(nèi)部邏輯模塊

主控模塊：運(yùn)行主狀態(tài)機(jī)，協(xié)調(diào)FPGA 內(nèi)部各個(gè)模塊工作，解析MCU 通過SPI 下發(fā)的指令碼。

SDRAM 控制模塊：控制外部SDRAM 存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、讀取及刷新邏輯。

AFE 控制模塊：控制AD9866 芯片實(shí)現(xiàn)模數(shù)及數(shù)模轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)模擬信號的接收及發(fā)送。

信號發(fā)生模塊：控制可編程噪聲信號數(shù)字激勵(lì)的生成，用于波形發(fā)生功能。

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

SPI 接口控制模塊：作為控制命令及數(shù)據(jù)交互通道，對外接口符合SPI 接口標(biāo)準(zhǔn)[8]。

2.2 主控模塊

主控模塊主要功能為協(xié)調(diào)各個(gè)邏輯模塊正常工作，根據(jù)不同的工作狀態(tài)控制數(shù)據(jù)的接收及發(fā)送模塊。主控模塊的邏輯狀態(tài)機(jī)如圖4 所示。

圖4 主控模塊邏輯狀態(tài)機(jī)

2.3 SDRAM 控制模塊

SDRAM 控制模塊使用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)SDRAM 芯片的讀寫邏輯接口[9]，其狀態(tài)機(jī)包括初始化、數(shù)據(jù)讀寫、數(shù)據(jù)刷新等操作[10-11]。模塊啟動(dòng)穩(wěn)定后開始對SDRAM 芯片進(jìn)行初始化操作，配置工作模式。讀寫時(shí)，首先進(jìn)行激活，讀寫數(shù)據(jù)操作后自動(dòng)進(jìn)行預(yù)充電，并對行地址進(jìn)行復(fù)位的操作。

由于在電力線噪聲采集及噪聲回放過程中數(shù)據(jù)流是連續(xù)的，但SDRAM 芯片需要定期執(zhí)行數(shù)據(jù)刷新，不能持續(xù)讀寫，故需要使用FIFO 對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖[12-13]。

AFE 控制模塊采集的數(shù)據(jù)首先寫入FIFO 中，讀寫邏輯電路從FIFO 中讀取數(shù)據(jù)寫入SDRAM。寫完一頁數(shù)據(jù)后執(zhí)行數(shù)據(jù)刷新動(dòng)作，然后等待再次觸發(fā)SDRAM 寫入動(dòng)作。如此往復(fù)，完成對采樣數(shù)據(jù)的連續(xù)寫入。在噪聲回放模式時(shí)，數(shù)據(jù)流向相反，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)流的連續(xù)輸出及噪聲重建。

2.4 信號發(fā)生模塊

信號發(fā)生模塊可以發(fā)生周期性的噪聲信號，基于XILINX公司的DDS IP 核以及數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)[14]。信號發(fā)生模塊能夠發(fā)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(shè)備的定量抗噪聲測試。

2.5 FFT 分析模塊設(shè)計(jì)

FFT 分析模塊基于XILINX 公司的FFT IP 核實(shí)現(xiàn)，可對采樣數(shù)據(jù)流進(jìn)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(shù)據(jù)流通過FFT 模塊計(jì)算，可得出傅里葉變換實(shí)部及虛部，并儲(chǔ)存在FPGA 內(nèi)部寄存器組，供MCU 進(jìn)行讀取，獲取實(shí)時(shí)的頻譜分析數(shù)據(jù)。

3 MCU 控制程序設(shè)計(jì)

MCU 的主要功能為控制FPGA 工作模式、接收上位機(jī)指令、執(zhí)行文件管理相關(guān)功能。

3.1 主程序流程

MCU 與FPGA 協(xié)同工作可以發(fā)揮各自優(yōu)勢[16]，MCU嵌入式軟件主要程序執(zhí)行流程如圖5 所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后執(zhí)行硬件初始化，等待FPGA 完成配置，由上位機(jī)發(fā)送指令進(jìn)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(dòng)噪聲采集，支持單次采集、多次采集、隨機(jī)延時(shí)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(shù)據(jù)文件，將數(shù)據(jù)寫入SDRAM中，然后向FPGA 寫入指令碼啟動(dòng)信號回放。FPGA 模塊循環(huán)回放SDRAM 中緩存的數(shù)據(jù)文件，輸出錄制的噪聲信號。

3.4 信號發(fā)生模式工作流程

MCU 將掃頻頻率、步進(jìn)時(shí)間、步進(jìn)頻率等控制參數(shù)寫入FPGA 內(nèi)部的信號發(fā)生模塊，為電力線信道測試提供激勵(lì)源[17]。

3.5 噪聲分析功能工作流程

噪聲分析功能用于實(shí)時(shí)分析現(xiàn)場噪聲干擾頻域特性，F(xiàn)PGA 循環(huán)采樣噪聲數(shù)據(jù)并進(jìn)行FFT 計(jì)算，從而分析當(dāng)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(fā)生功能與信號分析功能實(shí)現(xiàn)，測量時(shí)，需要使用兩個(gè)信道分析模塊協(xié)同工作，其中模塊1 工作于信號發(fā)生模式作為激勵(lì)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(fā)送端接入電力線，循環(huán)發(fā)送覆蓋電力線通信頻段的掃頻噪聲信號；模塊2 在信道發(fā)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(fā)送端頻譜數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)2。將頻譜數(shù)據(jù)1 與頻譜數(shù)據(jù)2 在上位機(jī)進(jìn)行矯正計(jì)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(shí)現(xiàn)及測試結(jié)果分析

按照前述章節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的信道分析模塊樣機(jī)實(shí)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(jī)

4.1 噪聲信號采集功能測試

將信道分析模塊接入實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，電力線采集到的噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)軟件可視化處理后的時(shí)域圖形及頻域圖形如圖8 所示，采樣長度為20 ms。

圖8 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境電力線噪聲時(shí)域及頻域波形

將噪聲分析模塊接入某現(xiàn)場臺區(qū)配電室，采集到的噪聲數(shù)據(jù)經(jīng)軟件可視化處理后的時(shí)域圖形及頻域圖形如圖9 所示，采樣長度為20 ms。此環(huán)境為居民用電小區(qū)，用電負(fù)載較為復(fù)雜，包括一些大功率居民用電設(shè)備。

圖9 現(xiàn)場環(huán)境電力線噪聲時(shí)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(shù)據(jù)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(huán)境下噪聲注入電力線載波通信測試平臺，使用不同廠家標(biāo)準(zhǔn)HPLC 載波模塊在此環(huán)境下進(jìn)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(jié)果如表1 所示。

表1 不同廠家模塊在典型噪聲環(huán)境下抗衰減能力

4.3 噪聲信號發(fā)生功能測試

對掃頻噪聲波形發(fā)生功能進(jìn)行測試，掃頻參數(shù)為起始頻率1 MHz，結(jié)束頻率12 MHz，此參數(shù)配置下Pico 示波器采集到的頻譜尖峰保持?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過可視化處理后的頻域圖形如圖10 所示?？捎^察到波形掃頻起始頻率、截止頻率與設(shè)定相同，表明波形發(fā)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(shù)據(jù)，經(jīng)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(gè)模塊配置為掃頻信號發(fā)生模式，將信號注入電力線，使用另一個(gè)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?jǐn)?shù)據(jù)，經(jīng)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?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)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(dǎo)致接收端信號頻譜不完全平坦，存在某些衰減較大的頻點(diǎn)。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(jù)。

圖12 電力線信道接收端信道衰減曲線

5 結(jié)論

通過上述測試，表明本文設(shè)計(jì)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(dá)到了預(yù)期指標(biāo)，可應(yīng)用于現(xiàn)場噪聲樣本的采集及分析，并且能夠在實(shí)驗(yàn)室電力線測試信道注入現(xiàn)場環(huán)境噪聲，模擬現(xiàn)場工作環(huán)境，解決了高速電力線載波通信中噪聲研究和現(xiàn)場運(yùn)維測試的難題，對高速電力線載波技術(shù)的應(yīng)用推廣具有重要意義。