基于G3技术的多频带电力载波通讯技术的应用研究

付林++张娟++陈立志++张勇

摘 要：以G3标准相关技术为依托，自主研发新一代电力载波装置。其中，在FPGA芯片中实现了装置收发前端和物理层处理单元，在ARM芯片中实现了MAC/汇聚层处理单元。带宽可在7.8 kHz至10 MHz灵活调整，数据进行通信时的信号功率衰减及信号失真率均符合有关标准的要求。测试结果验证了所研发装置实现数据传输的正确性和稳定性。

关键词：G3-PLC 电力线载波技术 FPGA ARM

中图分类号：TN913 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）03（c）-0144-02

智能电网的主要任务是合理分布电力流和信息流。由于电力线载波技术固有特点，即：电力流与信息流同时可用电力线传输，这就使得电力载波再次成为人们关注的焦点之一。

目前关于G3-PLC抗干扰技术主要集中线路衰减特性和噪声干扰，并通过利用OFDM的交织、加窗技术等抑制外界干扰问题[1-3]。但配电网环境非常复杂，线路的长短以及外界噪声都是不可预见的。这就证明，由于配电系统的复杂环境，造成电力载波的使用频率不能唯一性。

因此，文章研究以跨频带、认知、在线定义为主要特征的新型电力线载波关键技术，进行系统研发，实现了“新型中压电力线载波通信系統”，并自主研制电力载波机，测试效果良好。

1 G3-PLC载波机系统整体架构

G3-PLC系统主要包括耦合电路、模拟前端、收发前端、物理层处理单元、媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）/汇聚层处理单元。FPGA、ARM芯片在数字板上；耦合电路在模拟板上，模拟前端也在模拟板上；收发前端在FPGA芯片中，物理层处理单元也在FPGA芯片中；MAC/汇聚层处理单元在ARM芯片中。

耦合前端是模拟电路构成，起到安全隔离电压的作用，提取和注入高频载波信号；模拟电路以及数模转换IC组成的模拟前端的功能是数模信号转换、信号滤波和放大；发送通路的功能是实现数模转换、发送滤波和线性驱动；接收通路的功能是接收滤波、模拟自动增益控制和模数转换。

通过多级数字插值滤波和数字上变频模块，可将基带信号转换为跨频带PLC载波信号；通过多级数字抽取滤波和数字下变频模块，可将跨频带PLC载波信号转换为基带信号；跨频带收发前端还具有时间同步功能、基带信号进行前导卷积运算和物理帧的起始位置确定的功能。

物理层算法处理单元也是数字电路。发送通路的功能是，信道编码、交织、数字调制MAC层数据帧，加循环前缀后形成物理层帧，加前导，发送到数模转换器上；接收通路的功能是，去循环前缀、数字解调、解交织同步后的物理层帧，解码后还原出MAC层数据帧；物理层算法处理单元也同时记录数据包的子载波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR），MAC层提供跨频带认知由数据帧误码率（Bit Error Rate，BER）支持。

利用处理器的软件方式实现MAC层协议栈处理单元，实现多址接入方式的选择的数据收发由物理层算法处理单元完成，软实时业务包括流量控制、快速组网策略和业务感知；通过处理器的软件方式构成汇聚层协议栈处理单元，功能是操控MAC层、处理反馈、分帧组帧和快速协议转换。

2 G3-PLC电力载波机测试

测试样品及测试时的实物连接图如1所示。

可用频率测试是针对新型PLC通信系统装置样机可用频段的测试，测试的预期目标为：新型PLC通信系统装置样机的可用频段为150 kHz至12 MHz；频点可在150 kHz至12 MHz范围内灵活调整；带宽可在7.8 kHz至10 MHz范围内灵活调整。可用频段测试的技术要求及测试结果如下。

测试方法1：将装置样机发送频点设置为6 MHz，将装置样机发送带宽设置为10 MHz。

测试结果1：成功地以中心频点6 MHz、带宽10 MHz发送信号。

测试方法2：将装置样机发送频点设置为500 kHz，将装置样机发送带宽设置为78 kHz。

测试结果2：成功地以中心频点500 kHz、带宽78 kHz发送信号。

3 结语

文章所设计的新型G3-PLC电力载波机，带宽可在7.8 kHz至10 MHz灵活调整，数据进行通信时的信号功率衰减及信号失真率均符合数据通信进行传输的相关要求。

参考文献

[1] Wang Xiaoyan，Yi Haoyong，Fan 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，Fu Xuemei.Analysis and Design of Coupling Circuit of Low Voltage Power Line Carrier Communication[D].Journal，of Baotou Vocational&TEchnical College，2008.