基于OFDM的电力线载波通信系统的研究

论文摘要

电力线通信（简称PLC：Power Line Communication）是一种以电力线作为传输媒质来进行数据信息和话音信号传输的通信方式。由于电力线分布广、成本低、速率高、即插即用等优势，在远程控制、自动抄表、智能家居以及宽带接入等方面具有广阔的应用前景，使PLC通信技术得到了长足发展。但电力线的主要用途是电力传输，信道环境恶劣，需要在对电力线信道特性研究的基础上，使用合适的信号编码与调制技术，采用合理的组网策略，来组建电力线通信系统。文章首先分析了室内电力线信道的噪声特性、信道衰减特性以及阻抗特性。在总结国内外电力线信道特性分析、建模的基础上，用MATLAB仿真了电力线上的噪声特性，并设计制作了无源分布式衰减模块，用实验观测了具有复杂时变性的电力线信道特性。然后阐述了OFDM技术原理以及优缺点。论述了基于OFDM的PLC载波通信收发模块的硬件设计。先介绍了主芯片基带MAX2990与模拟前端MAX2991的功能，然后主要说明了发射通道的设计，包括放大电路、耦合接口电路、保护电路、功率控制电路以及电源电路的设计，并根据实际需要将模块进行了小型化的改进。电力线载波通信测试结果表明模块硬件设计的合理性，也进一步验证了上一章信道特性的分析。搭建了基于FPGA的PLC通信系统。首先介绍了OFDM系统的物理层参数，描述了发射通道中的卷积编码、交织等和接收通道中同步、解调等模块的实现过程。然后设计了收发通道的外围电路，主要包括Sallen-key结构的6阶带通滤波器、步进精度为3dB且动态范围30dB的数字VGA与ADC电路，测试结果表明整个接收通道的无杂散动态范围达到48dB。分析了电力线组网的特性，采用树形路由进行了小规模的组网试验。在说明MAX2990介质访问控制和差错控制之后，分析了不同的网络结构树形路由的建立、路由以及维护过程，结合PLC通信测试软件进行了小规模组网测试，通过对主从节点的相关信息进行统计，结果表明树形路由的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电力线通信概述
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 PLC 通信面临的挑战以及发展趋势
• 1.3 课题研究背景
• 1.4 论文研究内容及安排
• 第2章 电力线信道特性分析与 OFDM 技术原理
• 2.1 电力线信道特性分析
• 2.1.1 电力线信道噪声特性
• 2.1.2 电力线信道传输与衰减特性
• 2.1.3 低压电力线的阻抗特性
• 2.2 OFDM 技术原理与优势
• 2.2.1 PLC 通信的调制方式
• 2.2.2 OFDM 基本原理与优缺点
• 第3章 OFDM 调制电力线载波通信收发模块设计
• 3.1 主芯片功能介绍及其连接
• 3.2 发射通道电路设计
• 3.2.1 发射通道的放大电路设计
• 3.2.2 电力线通信耦合接口电路设计
• 3.2.3 保护电路设计及功耗控制
• 3.2.4 电源电路设计
• 3.2.5 接口板与 MAX2990 的连接
• 3.2.6 发射通道的测试结果
• 3.3 接收通道的实现
• 3.4 收发模块的小型化实现
• 3.4.1 通信模块接口标准介绍
• 3.4.2 模块小型化策略
• 3.5 模块通信的试验结果分析
• 第4章 基于 FPGA 的 PLC 通信系统设计
• 4.1 PLC 通信系统原理
• 4.1.1 发射通道的原理与实现
• 4.1.2 接收通道的原理与实现
• 4.2 AFE 接收电路的设计
• 4.2.1 接收通道的硬件总体方案
• 4.2.2 带通滤波器的设计
• 4.2.3 VGA 电路的连接
• 4.2.4 ADC 连接设计
• 4.2.5 模块的电源设计
• 4.2.6 接收通道的测试结果
• 4.3 AFE 发射通道的设计
• 4.4 小结
• 第5章 低压电力线通信的组网实现
• 5.1 电力线网络拓扑结构与特性
• 5.2 PLC 可靠通信策略
• 5.2.1 介质访问控制
• 5.2.2 差错控制
• 5.3 树形路由的建立与维护
• 5.3.1 树形路由的建立
• 5.3.2 树形路由过程
• 5.3.3 树形路由的维护
• 5.4 常见网络结构树形路由的建立
• 5.5 PLC 通信测试
• 5.5.1 PLC 点对点通信测试
• 5.5.2 PLC 组网通信测试
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录