基于FPGA的電力線載波調(diào)制系統(tǒng)的研究

1、基于fpga的電力線載波調(diào)制系統(tǒng)的研究電力線載波()通信作為電力系統(tǒng)特有的通信方式，廣泛用于電力系統(tǒng)的調(diào)度通信、生產(chǎn)指揮、行政業(yè)務(wù)通信以及其他各種信息的傳輸。隨著數(shù)字通信技術(shù)的進展，采納電力線上網(wǎng)、舉行多媒體通信也具有寬敞的前景，電力線載波通信已經(jīng)成為當(dāng)今討論熱點之一。線路調(diào)制單元是電力線載波機中關(guān)鍵部件之一。為了提高頻帶的利用率，線路調(diào)制普通采納單邊帶調(diào)制方式。用法數(shù)字化處理辦法來實現(xiàn)線路的單邊帶調(diào)制，能夠克服的諸多缺陷。線路調(diào)制需要完成正交變換、濾波和頻譜搬移等處理，運算量與采樣率挺直相關(guān)。高采樣率導(dǎo)致了高的運算量，低成本芯片無法滿足運算需求?？捎糜趯崿F(xiàn)dsp運算處理單元，達到實時完成數(shù)字

2、信號處理功能的目的，它為線路調(diào)制單元的數(shù)字化實現(xiàn)提供了一條性價比較高的途徑。本文將介紹線路調(diào)制的fpga實現(xiàn)，包括：線路調(diào)制單元數(shù)字化實現(xiàn)的總體設(shè)計，cic和fir的fpga實現(xiàn)以及載波發(fā)生器單元的設(shè)計。線路調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)計劃電力線載波通信標(biāo)準(zhǔn)要求的信號頻率為40500khz，頻帶寬度為4khz。按照奈奎斯特定理，采樣頻率不能小于1mhz。采納數(shù)字化處理方式實現(xiàn)調(diào)制就是將信號的頻譜搬移過程轉(zhuǎn)化為數(shù)字域的數(shù)值計算過程。單邊帶信號可以表示為x(n)cos(wn)±x(n)sin(wn)，式中x(n)為基帶信號，x(n)為基帶信號的正交信號，w為載波頻率。由該式可知，完成單邊帶調(diào)制需要信號的

3、正交變換、載波信號的產(chǎn)生、信號與載波的乘加等數(shù)值運算。希爾伯特變換是一種便于采納fpga實現(xiàn)的正交變換辦法，它可由系數(shù)具有奇對稱特性的fir濾波器實現(xiàn)?；鶐盘柕念l率較低，相應(yīng)應(yīng)以較低的采樣率采樣，而調(diào)制信號的頻率較高，應(yīng)以較高的采樣率采樣。因此在調(diào)制過程中必需舉行采樣率的提升，內(nèi)插技術(shù)可以實現(xiàn)采樣率的變換。調(diào)制單元調(diào)制部分的數(shù)字化實現(xiàn)的規(guī)律結(jié)構(gòu)1所示。由圖1可見，調(diào)制單元由正交變換、內(nèi)插和調(diào)制三部分組成。完成正交變換的hilbert濾波器為系數(shù)奇對稱的fir濾波器，延遲保持了正交信號與原始信號的時光同步。載波發(fā)生器，乘法器和加法器完成單邊帶調(diào)制。載波發(fā)生器由查表法實現(xiàn)，地址為13位，字長為1

4、6位，可以產(chǎn)生所需要的各種載波頻率。內(nèi)插完成采樣率的提升，再用濾除無用頻率重量。在設(shè)計中，通過內(nèi)插將信號采樣率由8ks/s提升至8.192ms/s，內(nèi)插率i=1024。分兩級完成：第一級內(nèi)插率i=8，該級內(nèi)插采納128階系數(shù)偶對稱fir濾波器濾波。其次級內(nèi)插率i=128，該級內(nèi)插采納3級級聯(lián)的cic(積分梳狀)濾波器。由上述計劃可見，合理設(shè)計fir、cic濾波器和載波發(fā)生器是線路調(diào)制單元數(shù)字化實現(xiàn)的關(guān)鍵，線路調(diào)制單元和其他的組件舉行數(shù)據(jù)交換，控制和接口電路在此不作一一贅述。濾波器的fpga設(shè)計線路調(diào)制解調(diào)需要用到fir和cic兩種濾波器，這兩種濾波器的共同特點是，具有線性相位，十分適合應(yīng)用需求

5、。但這兩種濾波器對fpga資源耗費較大，因此必需采納合理的結(jié)構(gòu)削減fpga資源的開銷。1 cic濾波器的設(shè)計設(shè)計cic濾波器時，首先要考慮濾波器的增益，防止溢出。內(nèi)插均選用三級級聯(lián)的cic濾波器，傳遞函數(shù)為h（z）=(1-z-128)/(1-z-1)3。由傳遞函數(shù)可以求出濾波器的增益為1283，增強的字長為log2(128)321位，輸入信號寬度為13位，實現(xiàn)時必需預(yù)留21+1334位防止溢出。將內(nèi)插器與濾波器結(jié)合起來并對其實現(xiàn)2所示。圖2 cic內(nèi)插程序設(shè)計采納語言，用 ii 3.0綜合后cic濾波器耗費資源350個le（logic element）。按照hogenaur的剪除理論在每一級輸

6、出時都可以剪除掉最后的若干位。通過信噪比的計算，可確定剪除位數(shù)，設(shè)計中積分部分每級可以剪除6位，分離取22、28和34位，梳狀部分每級剪除1位，分離取14、15和16位，濾波器的輸出為13位。采納剪除理論后，消耗的資源為240個le，資源消耗削減了32。2 fir濾波器的設(shè)計fir濾波器階數(shù)高，假如按其級聯(lián)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)時資源的利用率十分低，須加以改進。一種辦法是提高時鐘速度，重復(fù)利用乘法器和加法器。這種辦法程序設(shè)計比較復(fù)雜，時鐘提升也導(dǎo)致功耗增強，額外資源的消耗較多。另一種辦法是利用fir濾波器的分布式結(jié)構(gòu)舉行設(shè)計，這是一種高效的辦法。信號x(n)通過n抽頭，n位的fir濾波器可以用下式表示，其中

7、h(n)是濾波器系數(shù)，y為輸出信號。輸入信號x(n)采納補碼的形式，可表示為重新對上式求和如下：簡寫形式如下：由上式可看出，把輸入信號每位的值xb作為地址，將濾波器系數(shù)h(n)的值和xb的每一位xb(n)乘積疊加，并將結(jié)果存入rom中，就可以通過查表并移位相加而得到終于內(nèi)積的結(jié)果。囫圇濾波器的實現(xiàn)無須乘法器，節(jié)約了fpga片內(nèi)資源。試驗證實根據(jù)級聯(lián)結(jié)構(gòu)舉行設(shè)計時，128階fir濾波器需要占用3000個le以上，提高時鐘重復(fù)利用乘法器后為1500le，而采納分布式的結(jié)構(gòu)資源消耗僅為900多個le。希爾伯特濾波器因為階數(shù)較低，消耗的資源更少。假定數(shù)據(jù)h(n)為b位，fir的階數(shù)為n,則需要的地址空

8、間為2n，當(dāng)n較大時實現(xiàn)會有困難。通過將128階的濾波器分割為8塊16階的辦法，有效削減了存儲容量。該結(jié)構(gòu)既節(jié)約資源又靈便。利用線性相位fir濾波器的對稱性，還可以節(jié)約一半存儲量。3 載波發(fā)生器的實現(xiàn)電力線路中影響衰減特性的因素?zé)o數(shù)，這就要求電力線載波機線路調(diào)制單元的載波頻率可變。nco可以產(chǎn)生不同頻率的正弦信號抽樣值。3所示，預(yù)先存儲一張正弦信號rom表，表中放有8192個抽樣點的值。假設(shè)所需的載波頻率為300khz，nco從rom表中每隔300個點取出一個值，即可得到頻率為300khz正弦信號的抽樣值。在實現(xiàn)中正弦信號rom表的是通過對頻率為1hz的正弦信號在一個周期內(nèi)舉行8192次等間隔

9、采樣得到的。因為頻率辨別率為1khz,所以按照需要載波頻率的不同，nco轉(zhuǎn)變抽取點間的間隔，就能在一定范圍內(nèi)得到任何1khz整數(shù)倍頻率的正弦信號抽樣值。圖3 nco內(nèi)部原理圖圖4 nco設(shè)計流程正弦信號具有重復(fù)性，因此設(shè)計時只需存放四分之一個周期的值，即2048個抽樣值。這樣節(jié)省了大量的rom空間和存儲單元。nco的流程4所示。正弦信號和余弦信號僅僅是相位上偏差了90°，因此每次從ram中取正弦信號抽樣值的時候，將地址指針延遲四分之一周期就能取出與之嚴格同步的余弦信號值。設(shè)計時nco采納了雙時鐘結(jié)構(gòu)，clk為低頻時鐘，clk1為高頻時鐘。在低頻時鐘內(nèi)用法一個地址指針控制提取兩路載波的

10、地址，在高頻時鐘內(nèi)按照地址依次提取正弦和余弦抽樣值。低頻時鐘控制地址指針的變換，在時鐘升高延到來時變更指針。clk經(jīng)過一個周期的時光內(nèi)，clk1經(jīng)過6個周期：前三個周期空等待，等待地址指針m的刷新；而后的三個周期依次按照地址取出正弦余弦的抽樣值，并作同步輸出。性能測試與分析采納本文中計劃所設(shè)計的語音信號調(diào)制單元，通過一次變頻的方式完成單邊帶調(diào)制，除了在體積和牢靠性具有無可比擬的優(yōu)勢外，其他性能指標(biāo)也有了很大的改進。通過實測，其主要性能指標(biāo)如表1所示。結(jié)論滿足設(shè)計的芯片有多種，例如，atlera公司的cyclone芯片ep1c12q240c8、ep2c5q208c8、ep1c12q240c8等。從成本和有用角度考慮，在調(diào)制系統(tǒng)地設(shè)計中采納芯片ep1c6q240c8，實現(xiàn)了