基于FPGA的低压宽带电力线载波通信系统研究

摘要

低压电力线载波通信（PLC）可以利用现有电力线作为传输媒介，具有投资成本低、建设周期短、安装使用方便、通信安全等一系列优点，是“最后一公里”问题的有力解决方案之一。目前，低压PLC技术发展迅速，正向高速化、宽带化发展。然而，低压电力线是为传输电力而设计的，其信道环境恶劣，严重影响了通信质量。OFDM调制具有抗频率选择性衰落、频带利用率高等优点，目前已成为低压宽带PLC技术的主流调制方式。本文对基于OFDM技术的低压宽带电力线载波通信系统进行研究，并利用FPGA技术，实现系统中的关键模块的设计，主要工作如下： （1）详细讨论和分析了基于OFDM的低压宽带电力线载波通信系统方案。首先，介绍了系统物理层架构、物理层符号以及系统参数。然后，分析了系统关键技术。前导P符号具有良好的恒包络和自相关特性，可用于自动增益控制（AGC）和接收机同步；双二进制Turbo编码采用预编码机制，保证了状态的循环；多级信道交织技术具有更强的抗突发错误能力。除此之外，讨论了扰码、星座映射、窗函数等关键技术。 （2）本文的低压宽带PLC系统传输速率高，性能强，系统结构复杂。其中采用了双二进制Turbo编码和多级信道交织技术，具有更强的鲁棒性，但是FPGA实现起来较为复杂。经过长时间研究协议和Verilog代码编写调试，完成了系统发射端关键单元的设计。给出了发射端关键单元的基于FPGA的具体设计方法、实现过程以及仿真结果，主要包括：前导生成单元、加扰器单元、Turbo编码器单元、信道交织单元、分集拷贝单元、星座映射单元、添加循环前缀及加窗单元等。 （3）针对OFDM系统对同步敏感的问题，对低压宽带PLC系统的符号定时同步问题进行了研究。首先，对OFDM系统的符号定时同步误差进行了分析，定时滞后将导致解调错误，定时超前只会有引入相位旋转。然后，简单介绍了经典Schmidl算法和Park算法。进一步，针对本文系统由10.5个P符号和2.5个M符号组成的前导序列，提出一种改进的延时相关算法，该算法性能受到信噪比的影响。接着，对传统的基于训练序列的互相关算法进行了研究，该算法弥补了延时相关算法的不足，可以产生尖锐的峰值，在低信噪比依然具有良好的符号同步性能，但是其计算复杂度高，不易在FPGA中实现。最后，针对基于训练序列的互相关算法存在的这一问题，提出五种简化改进算法，经过Matlab仿真，分析比较各种方法性能，最终确定采用P符号量化、同时进行绝对值归一化的算法，并对改进的符号同步算法进行了FPGA仿真实现，具有良好的符号同步效果。

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ABSTRACT

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符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 低压电力线通信国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文的主要内容和结构安排

第二章 基于OFDM的电力线载波通信原理

2.1 OFDM技术

2.1.1 OFDM系统数学模型

2.1.2 循环前缀与保护间隔

2.1.3 简单OFDM系统的构成

2.1.4 OFDM系统的同步技术

2.2 低压电力线信道特性

2.2.1 阻抗特性

2.2.2 衰减特性

2.2.3 噪声特性

2.3 OFDM调制在PLC中的应用

2.3.1 G3-PLC

2.3.2 HomePlug AV

2.4 本章小结

第三章 基于OFDM的低压宽带电力线载波通信系统方案

3.1 系统整体方案

3.1.1 系统架构

3.1.2 物理层符号及系统参数

3.2 前导序列

3.3 编码部分

3.3.1 扰码

3.3.2 Turbo编码

3.3.3 信道交织

3.3.4 分集拷贝

3.4 星座映射

3.5 窗函数

3.6 本章小结

第四章 系统发射端关键单元的FPGA实现

4.1 FPGA设计基础

4.1.1 FPGA简介

4.1.2 开发工具

4.1.3 Zedboard简介

4.2 前导生成单元设计

4.3 编码部分设计

4.3.1 加扰器单元设计

4.3.2 Turbo编码器单元设计

4.3.3 信道交织单元设计

4.3.4 分集拷贝单元设计

4.4 星座映射单元设计

4.5 添加循环前缀及加窗单元设计

4.6 本章小结

第五章 基于OFDM的宽带电力线通信定时同步算法研究

5.1 符号定时同步误差分析

5.2 传统符号定时同步方法研究

5.2.1 经典Schmidl算法

5.2.2 Park算法

5.2.3 改进的延时相关算法

5.2.4 基于训练序列的互相关法

5.3 改进的符号定时同步算法

5.3.1 改进的互相关算法原理

5.3.2 改进算法的FPGA实现

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 申请（授权）专利

3.3 参与科研项目及获奖