電力線仿真系統的FPGA設計與實現

摘要 電力線通信設備的研發需要一種標準化的測試平臺對電力線信道進行實時仿真，通過信道傳輸特性和各種噪聲進行全面的測試和驗證，而目前缺乏這樣的平臺。文中對電力線信道傳輸特性和噪聲進行了深入研究，并在此基礎上提出了一種基于硬件的電力線仿真系統實現方法。使用Matlab仿真驗證了該算法的可行性以及使用FPGA硬件實現的實用價值。
關鍵詞 電力線通信；信道仿真；電力線噪聲；FPGA

由于配電網絡具有的超大規模和電力線通信具有的成本低、覆蓋廣、部署便捷等特點。電力線通信提供了優良的設備互聯解決方案，因而受到廣泛關注，并在智能電網、Internet接入、智能家居等領域得到了廣泛應用。
然而由于電力線并不是為通信而設計，對于頻率較高的通信信號而言，電力線信道比較復雜和惡劣。因此建立一個標準化的測試平臺對電力線通信設備的研發十分必要。對于生產商而言，這樣的測試平臺能在產品開發的每一步對算法性能立即進行可重復性的驗證。對于用戶而言，這樣的平臺可以幫助其在同一平臺下對比不同生產商的產品性能，以便對產品做出更客觀的評價。而當前缺乏這種針對物理層進行測試驗證的工具，大部分針對電力線通信設備的測試主要集中在上層，由于采用多種糾錯技術，所以由物理層帶來的問題有可能被掩蓋。
盡管目前基于順序執行的處理器主頻已經很高，但是處理深度較大的復雜數據流往往力不從心。FPGA強大的并行處理能力和靈活的可定制性為這類數據的處理提供了一個良好的解決方案。

1 系統框架
1．1 電力線信道的數學模型
基本的電力線信道模型如圖1所示，該模型描述的電力線信道分為兩個部分，分別是信道傳輸特性和噪聲。電力線信道通?？梢悦枋鰹榫€性系統，即用單位沖擊響應或頻率響應函數表示?？傻刃樾盘柾ㄟ^一個線性濾波器。電力線信道中的噪聲通常為加性噪聲，等效為信號電壓與噪聲源電壓之和，如式(1)所示。其中“”表示卷積運算。

1．2 硬件結構
系統的硬件結構如圖2所示。為實現對具有雙向通信功能的電力線設備的測試，仿真系統的每個端口都應該具有雙向通信功能。使用定向耦合器實現對接收信號和對待測設備發送信號的隔離。FPGA控制放大器對輸入信號進行放大以實現最大的動態范圍，然后經過A／D采樣轉換為數字信號進行進一步處理。用于對信道進行仿真的濾波器參數預先存入FPGA中，該濾波器在每次仿真前進行修改，仿真過程中保持不變。信號經過虛擬的電力線信道后通過D／A再次轉換為模擬信號。

FPGA中的噪聲序列產生器用于產生各種電力線噪聲。該噪聲序列經過另一個D／A轉換器形成模擬信號，該模擬信號通過受SNR控制單元控制的放大器進行輸出，從而調節輸出信號中噪聲成分的功率。SNR參數同濾波器參數一樣，在仿真前進行設定和修改。