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基于OFDM电力线载波通信系统设计及FPGA实现

作　者: 王杰强
导　师: 何世彪
学　校: 重庆大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 电力线通信 OFDM G3-PLC协议 符号同步 FPGA
分类号: TM73
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


低压电力线通信是利用低压电力线进行数据信息传输的一种网络技术的统称。低压电力线网络覆盖范围广，使得低压电力线通信无需再建设新的通信网络，大大降低了电力线通信的成本，具有连接方便的优点。由于低压配电网络并非专为通信用途而设计，电力线的传输信道并不是很适合数据的传输。正交频分复用（OFDM）技术可以有效克服电力线信道的多径干扰和频率选择性衰落的影响，具有高效的频谱利用率。因此，OFDM技术非常适合于低压电力线载波通信系统使用。目前，OFDM技术在低压电力线通信中的应用越来越受到重视。本文首先介绍了电力线通信的相关背景，国内外研究现状及本文的研究内容，接着介绍了低压电力线信道的传输特性，分别就它的输入阻抗特性，衰减特性，噪声特性进行了分析。根据电力线信道特性，得出了交流电过零点区段是电力线通信的最佳通信时隙。介绍了OFDM技术的基本原理和实现过程，阐明OFDM技术用于电力线载波通信的优势。分析研究了基于OFDM的电力线载波通信标准G3-PLC的物理层相关规范，包括基本参数，帧结构，前导等，并对G3协议的主要模块进行软件仿真。在G3-PLC协议的基础上，根据国内低压配电网络的特点和现状，设计了基于OFDM低压电力线载波通信系统，主要有：系统实现框图，过零点通信，帧结构设计、前导设计、窗函数的选取等。接着，利用FPGA器件和单片机实现了基于OFDM低压电力线载波通信系统的整个物理层协议。系统主要包括了微控制单元（MCU），基带调制解调器以及模拟前端。详细阐述了系统关键功能模块的硬件实现原理及过程。根据系统的帧结构，提出了基于训练序列的新的符号同步算法。该算法不仅能够有效地实现系统的符号同步，而且运算量低，硬件资源消耗少，同步速度快。最后，本文搭建了系统的硬件调试平台，并对硬件系统进行调试。结果表明该系统在国内低压配电网上工作稳定，基本满足设计要求。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
1 绪论  9-13
  1.1 引言  9
  1.2 低压电力线载波通信国内外研究现状  9-11
    1.2.1 国外研究现状  10
    1.2.2 国内研究现状  10-11
  1.3 本文结构安排及主要内容  11-12
  1.4 小结  12-13
2 基于 OFDM 的 PLC 系统及协议  13-29
  2.1 电力线信道特性分析  13-16
    2.1.1 输入阻抗特性  13-14
    2.1.2 衰减特性  14
    2.1.3 噪声特性  14-16
  2.2 OFDM 技术  16-22
    2.2.1 OFDM 原理  17-19
    2.2.2 OFDM 的实现  19-20
    2.2.3 保护间隔和循环前缀  20-22
  2.3 基于 OFDM 的电力线通信协议 G3-PLC  22-27
    2.3.1 G3-PLC 协议物理层概述  22-23
    2.3.2 G3-PLC 系统基本参数  23-25
    2.3.3 G3-PLC 帧结构  25-27
  2.4 小结  27-29
3 基于 OFDM 的 PLC 系统设计  29-41
  3.1 设计目标和要求  29-30
  3.2 信号传输方式  30-32
  3.3 系统参数设计  32-33
  3.4 系统组成结构  33-40
    3.4.1 帧结构设计  33-34
    3.4.2 前导设计  34-36
    3.4.3 加窗函数设计  36-38
    3.4.4 系统仿真  38-40
  3.5 小结  40-41
4 系统的 FPGA 实现  41-79
  4.1 FPGA 简介  41-42
  4.2 系统整体设计  42-44
    4.2.1 设计语言与工具  42-43
    4.2.2 系统总体架构  43-44
  4.3 MCU 设计  44-45
  4.4 发射机设计  45-61
    4.4.1 前导生成  46-47
    4.4.2 加扰  47-49
    4.4.3 卷积编码  49-51
    4.4.4 交织  51-53
    4.4.5 调制映射  53-56
    4.4.6 IFFT  56-58
    4.4.7 添加循环前缀和加窗  58-60
    4.4.8 数据输出模块  60-61
  4.5 接收机设计  61-77
    4.5.1 符号同步  62-68
    4.5.2 信道估计  68-73
    4.5.3 Viterbi 译码  73-77
  4.6 小结  77-79
5 硬件测试与性能分析  79-87
  5.1 系统硬件平台  79-81
  5.2 串口电路设计  81-82
  5.3 测试与性能分析  82-85
    5.3.1 MCU 与 PC 机通信协议  82-83
    5.3.2 测试结果分析  83-85
  5.4 小结  85-87
6 全文总结  87-89
  6.1 总结  87-88
  6.2 进一步的研究工作  88-89
致谢  89-91
参考文献  91-95
附录  95
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  95
  B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目及取得成果目录  95

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 输配电工程、电力网及电力系统 > 电力系统的调度、管理、通信
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