一种基于FPGA的电力线信道模拟器

本发明属于电力通信领域，涉及一种基于fpga的电力线信道模拟器。

背景技术：

1、电力线作为电力传播网络，具有覆盖范围广、连接方便等特点，被通信技术研究人员认为是接入网方案中最有发展潜力的技术之一。尽管部分plc技术和产品已经投入到生产使用中，但plc的商用化时间较短，发展不成熟，仍有许多亟需解决的问题。

2、在低压电力线路中，负载随机接入以及用电设备随机开关，导致配电网络呈现处难以预测的信道特征。首先，电力线阻抗变化大，导致能量在传输过程经过多次反射衰减，最后到达接收端的有效能量过低，影响接收性能；其次，电力线分支复杂，拓扑结构不固定，网络节点多，导致信号呈现出严重的多径衰落特性；最后，电力线中噪声种类繁杂，噪声源难以定位，严重影响plc信号传输质量。因此电力线信道和噪声的研究工作对于电力线通信技术的发展具有重要意义。国内外学者已在信道与噪声建模方面进行了大量研究，并在此基础上对所提出的各种电力线通信方法进行理论分析和仿真实验。但当前的仿真及验证工作大多处于软件阶段，缺少用于实际测试的信道模拟设备，仿真耗时过长且难以模拟最真实的电力线场景。为了能够尽快缩短电力线通信设备的研发周期，减少设备投入之前到现场的调试次数，需要开发一种适用于电力线信道的硬件模拟设备，可在实验室模拟不同场景下电力线信道的各种特性，以方便测试人员对所设计的系统进行调试。

3、现有电力线信道模拟器通常存在工作频率不高、模拟精度过低、噪声单一等缺陷，使用局限性较大，难以准确还原电力线信道的实际通信环境。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于fpga的电力线信道模拟器，采用随机噪声的电力线信道模拟设备设计方案并进行了实现，以减少通信系统测试时的人力物力的投入。

2、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种基于fpga的电力线信道模拟器，包括相连的fpga部分和前端电路部分包括；

4、所述fpga部分包括信道产生模块和噪声产生模块；

5、所述前端电路部分包括增益控制模块和ad/da芯片；增益控制模块将信号缩放到一定大小；ad/da芯片将模拟信号转换为数字信号进行接收或将数字信号转换为模拟信号进行发送；

6、用fpga构建电力线信道的传输函数，信道经典多径模型表示为其中n为路径数，取2～5，ci为衰减因子，τi为延时因子；选择合适的参考信道以确定多径模型的各个参数。

7、可选的，所述电力线信道模拟器的输入信号与信道的脉冲响应通过线性卷积后得到输出序列，即y＝h*x；

8、信道脉冲响应和输入信号的卷积使用fir滤波器进行实现；将所选参考信道的脉冲响应的参数转化为fir滤波器结构中的延迟和滤波器系数，凭借fpga的嵌入式乘法器，提高fir滤波器的吞吐量；

9、长度为n的fir滤波器输出对应于输入序列x[n]的关系以卷积形式给出其中h[0]≠0到h[n-1]≠0是fir滤波器的抽头系数，同时对应fir滤波器的脉冲响应；将接收信号通过信道fir滤波器以模拟电力线信道传输特性对信号的影响；

10、用fpga模拟电力线上的噪声干扰，将所述噪声干扰加入信道中，与通过信道模拟部分的信号进行叠加，形成最终传输信号；所述噪声干扰由低功率的背景噪声模块以及脉冲噪声模块形成；所述背景噪声模块产生的背景噪声为m序列伪随机数，所述脉冲噪声模块产生的脉冲噪声使用middleton class-a脉冲噪声模型进行实现；

11、middleton class-a模型的概率密度函数为：

12、

13、其中

14、

15、

16、

17、所述脉冲噪声模块包括伪随机数发送模块、判决模块、加权因子生成模块、高斯白噪声发生器模块及乘法器模块；伪随机数用于产生伪随机数序列；判决模块是用于将设定的门限值模块的门限值和伪随机数发生器模块产生的数值进行比较并判决；加权因子生成模块用于生成加权因子；高斯白噪声发生器模块用于生成高斯白噪声；乘法器模块用于加权因子和高斯白噪声的相乘，然后输出的即为随机脉冲噪声；

18、所述前端电路部分中定向耦合器用于区分双向通信中的双向数据，增益控制模块由两块级联的ad603芯片和一块hmc624a芯片组成，能够调节的增益范围为-53db～+60db；增益控制模块通过spi协议连接到fpga内部；

19、位机pc通过uart向fpga芯片发送控制指令，fpga芯片ps端解析指令进行下列操作：选择fpga内部存储的参考信道；控制输出信号的信噪比；通过spi调整前端增益控制模块的增益从而调节输出信号大小。

20、本发明的有益效果在于：使用fir滤波器还原信道传输特性，结构清晰节省资源；噪声方面采用middleton class-a脉冲噪声模型，更加还原实际通信环境，使得测试结果贴合现实；前端电路部分的增益控制模块采用两块级联的ad603与一块hmc624a组合而成，能够实现更大的增益范围。总体而言，本发明能够在消耗一定资源的情况下还原实际电力线场景，减少电力线通信系统测试时的人力物力的投入。

21、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.一种基于fpga的电力线信道模拟器，其特征在于：包括相连的fpga部分和前端电路部分包括；

2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的电力线信道模拟器，其特征在于：所述电力线信道模拟器的输入信号与信道的脉冲响应通过线性卷积后得到输出序列，即y＝h*x；

技术总结
本发明涉及一种基于FPGA的电力线信道模拟器，属于电力通信领域。本发明使用FIR滤波器还原信道传输特性，结构清晰节省资源；噪声方面采用MiddletonClass‑A脉冲噪声模型，更加还原实际通信环境，使得测试结果贴合现实；前端电路部分的增益控制模块采用两块级联的AD603与一块HMC624A组合而成，能够实现更大的增益范围。总体而言，本发明能够在消耗一定资源的情况下还原实际电力线场景，减少电力线通信系统测试时的人力物力的投入。

技术研发人员：胡博强,毛翔宇,刘何鑫,周健
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12