电力线载波通信同步与信道估计算法研究及FPGA实现

论文摘要

随着智能电网与智能家居的迅速发展，电力线载波通信芯片的需求量剧增，对电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）技术的研究，一方面可以产生巨大的经济效益，另一方面将推动我国的PLC技术的发展。国内的PLC载波芯片主要采用单载波与扩频调制技术，仅限于普通抄表功能，不能满足智能电网与智能家居在可靠性、安全性、及时性等方面的要求。基于正交频分复用（OrthogonalFrequency Division Multiplexing，OFDM）的PLC技术具有频带利用率高、抗信道衰弱能力强、适合高速率传输、以及抗码间干扰能力强的特性，是第三代PLC芯片的核心技术，应用前景十分广阔。本文介绍了G3-PLC的物理层协议，对G3技术标准下的OFDM基带系统下的信道编码、映射与解映射、调制与解调、循环前缀、加窗技术、成帧的基本原理进行了研究，并且用Matlab对OFDM基带系统进行仿真，用于硬件仿真之后结果验证。研究了基于OFDM电力线载波通信的同步算法，针对同步偏移对OFDM系统产生的影响和结合本系统的实际情况，对传统的帧同步算法进行了改进，采用阀值保持方法，可以防止虚警的现象；对频率同步的原理进行了研究，给出了估计的频率偏移范围；对传统的符号定时算法进行了改进，仿真结果表明该算法具有门限的自适应性，防止旁瓣的干扰，易于硬件实现的特点。研究了基于OFDM的电力线载波通信的信道估计算法，分析了低压电力线信道的特性，建立了低压电力线的信道模型。深入的研究了最小平方（Least square，LS）、最小均方误差（Minimum Mean Squared Eorror，MMSE）、奇异值分解（SingularValue Decomposition，SVD）频域信道估计算法，并且在性能与复杂度上将三种算法进行了比较。在电力线载波通信同步与信道估计的算法基础上，将各个子模块用FPGA实现。每个模块给出了硬件实现框图、实现过程中的详细步骤以及在Modelsim中的仿真图形。最后将通过功能仿真的程序下载到FPGA进行时序仿真，将仿真之后结果与算法仿真的结果进行对比，证明了提出的优化算法与硬件实现方案的合理性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 电力线载波通信研究的背景与意义
• 1.1.1 电力线载波通信研究的背景
• 1.1.2 电力线载波通信研究的意义
• 1.2 国内外研究的现状
• 1.3 PLC 技术的优势与劣势
• 1.3.1 PLC 技术的优势
• 1.3.2 PLC 技术的劣势
• 1.4 电力线载波通信调制方式
• 1.5 本文的结构与主要的内容安排
• 2 G3-PLC 的物理层协议
• 2.1 G3-PLC 的技术标准下 OFDM 基本模型
• 2.2 信道编码
• 2.2.1 扰码
• 2.2.2 前向纠错编码
• 2.2.3 交织编码
• 2.3 映射与解映射
• 2.3.1 帧控制头 FCH 映射与解映射
• 2.3.2 数据段 Data 的映射与解映射
• 2.4 调制与解调原理
• 2.5 保护间隔、循环前缀与加窗技术
• 2.5.1 保护间隔和循环前缀
• 2.5.2 加窗技术
• 2.6 G3-PLC 的技术标准下 PPDU
• 2.6.1 G3-PLC 的技术标准下一帧数据的结构
• 2.6.2 前导
• 2.6.3 FCH 域与 Data 域以及组合成帧
• 2.7 本章小结
• 3 基于 OFDM 的电力线载波通信同步算法研究
• 3.1 OFDM 同步的概述
• 3.2 同步偏差对 OFDM 基带系统的影响
• 3.2.1 符号定时同步偏移的影响
• 3.2.2 采样频率偏移的影响
• 3.3 基于 OFDM 的 PLC 技术同步模型
• 3.4 帧同步算法
• 3.5 采样频偏估计算法
• 3.6 符号定时算法
• 3.6.1 常用的符号定时同步算法
• 3.6.2 适合硬件实现简化的符号定时算法
• 3.6.3 三种简化符号定时算法的比较
• 3.6.4 采用绝对归一化算法的改进与优点
• 3.7 本章小结
• 4 基于 OFDM 的电力线载波通信信道估计算法研究
• 4.1 低压电力线信道
• 4.1.1 低压电力线信道的输入阻抗特性
• 4.1.2 低压电力线信道的衰减特性
• 4.1.3 低压电力线信道的噪声特性
• 4.1.4 低压电力线信道模型
• 4.2 OFDM 信道估计基本原理
• 4.2.1 OFDM 信道估计概述
• 4.2.2 信道估计系统模型
• 4.3 基于训练序列的电力线载波信道估计算法
• 4.3.1 最小平方的信道估计算法
• 4.3.2 最小均方信道估计算法
• 4.3.3 奇异值分解（SVD）信道估计算法
• 4.4 三种信道估计算法比较
• 4.5 小结
• 5 基于 OFDM 的 PLC 同步及信道估计的 FPGA 实现
• 5.1 FPGA 的设计流程
• 5.2 电力线载波通信硬件的平台设计
• 5.3 帧同步的 FPGA 实现
• 5.4 频偏估计的 FPGA 实现
• 5.4.1 复数自相关求和
• 5.4.2 CORDIC 求复数幅角及 FPGA 实现
• 5.4.3 频偏补偿
• 5.5 符号定时的 FPGA 实现
• 5.6 信道估计 LS 算法的 FPGA 实现
• 5.6.1 获取有效数据
• 5.6.2 信道估计模块
• 5.6.3 信道补偿模块
• 5.7 接收机系统测试
• 5.8 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 后续的研究工作与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及取得成果目录