低压电力线宽带载波通信系统发射端物理层的实现金鑫，张乐平，罗鸿轩，胡珊珊（南方电网科学研究院，广州510080）摘要：文章分析了载波通信的现状，以及宽带载波测量的关键因素。
研究了低压电力线宽带载波通信系统物理层发射端的结构，该物理层发射端由信道编码、星座映射、IFFT、循环前缀与加窗、正交调制和加前导等模块构成，针对上述模块从算法实现的角度进行了分析研究。
文章对Turbo交织模块、编码模块、IFFT模块等关键模块的FPGA实现方案进行了详细介绍和分析。
该实现方案对宽带载波标准信号生成设备研发具有一定的指导意义。
关键词：低压电力线宽带载波通信；OFDM调制；Turbo编码；信道交织；分集拷贝中图分类号：文献标识码：文章编号：Implementation of physical layer of transmitter on low-voltage power line broadband carrier communication systemJin Xin, Zhang Leping, Luo Hongxuan, Hu Shanshan(Southern Power Grid Institute of Science, Guangzhou 510080, China)Abstract: This paper analyzes the current situation of carrier communication and key factors of broadband carrier measurement. The structure of physical layer of transmitter on low-voltage power line broadband carrier communication system is studied. The physical layer of transmitter includes channel coding module, OFDM modulator, constellation mapper, IFFT module, cyclic prefix and window module, orthogonal modulation module and inseting preamble module. These modules are analyzed and studied from the perspective of algorithm implementation. FPGA implementing scheme of Turbo interleaver, encoding module and IFFT module is introduced and analyzed in details, which has certain guiding significance for the generation equipment of broadband carrier standard signals.Keywords: low-voltage power line broadband carrier communication, OFDM modulation, Turbo coding, channel interleaving, diversity copy0 引言波通信因其无需布线，信道免维护等优势，成为用电信息采集领域首选的本地通信方案，在已经建设的用电信息采集项目中占据了主导地位。
随着多年的建设与运维，载波通信的缺陷也逐步突显出来。
主要表现为窄带载波通信整体技术落后，通信协议规范混乱封闭。
直接导致通信速率低，设备在线率低，难以支撑对通信速率和实时性要求高的实时费控、负荷管理等新兴业务需求。
另外由于通信协议的私有化，导致通信设备厂家利益固化，严重阻碍了新技术在载波通信领域的运用。
为了打破现有利益格局，提升用电信息采集领域的整体技术水准，近期国内相关机构加快了对低压电力线宽带载波通信技术的研究步伐和市场布局，发表了相关技术标准[1-2]。
标准规定了低压电力线宽带载波通信系统由物理层、MAC层和网络层构成，每一层都制定了严密详细的技术标准与通信规范。
在物理层，对来自MAC层的帧控制数据和载荷数据采用了不同的信道编码技术。
如图1所示，发射端物理层对帧控制数据完成Turbo编码、信道交织及分集拷贝等功能，对载荷数据完成扰码、Turbo编码、信道交织和ROBO交织功能。
经过信道编码后的码字流被送入星座映射器、IFFT模块、循环前缀和加窗模块、正交调制模块和前导插入模块等，并被耦合到低压电力线上。
图1系统模型Fig.1 System module随着宽带载波通信规范的建立发布，宽带芯片厂家、通信模块厂家以及宽带载波通信规范发布督导部门都要面临对标检测的问题。
窄带载波由于技术标准、通信协议缺乏统一的标准规范，传统的载波检测方案侧重于载波通信收发性能的检测，设计了发射频率、功率、频率偏移、接收灵敏度等技术指标。
忽略了载波通信模块交互协议、组网能力等指标的考核。
测试中使用被测载波通信模块作为测试用通信信号的发起方，既是被测对象又是测试设备，使得测试结论缺乏公正性，而且难以真实反映被测对象的技术水准。
为了开展独立、客观的宽带载波评测，需要进行宽带载波标准信号与协议生成设备的研发。
宽带载波标准信号由其物理层实现架构决定的，链路层、应用层报文的检测同样需要物理层电路最终实现，进行宽带载波物理层实现研究显得尤为重要。
文中对低压电力线宽带载波通信系统发射端物理层技术进行了深入研究，参考相关技术规范，详细制定了物理层各模块的实现方案，并在FPGA上进行了验证。
文中的其余部分，将对物理层各模块的结构、工作原理和主要模块的FPGA实现方案进行详细介绍。
1 发射端物理层结构在宽带载波通信模块的发射端，MAC层对帧控制数据、载荷数据分开处理，生成的协议数据单元被送往物理层。
帧控制数据完成Turbo编码、信道交织和分集拷贝，载荷数据完成白化、Turbo编码、信道交织和ROBO交织，之后都被输入星座映射模块，输出的复信号进行串并变换后，被送入IFFT模块，转换成时域信号，然后添加循环前缀，并进行加窗处理，最终生成物理层突发帧进入模拟前端，该突发帧被称为协议分组数据单元PPDU。
PPDU突发帧的格式如图2所示，它由前导符号、帧控制符号和载荷数据符号构成。
图2物理帧结构Fig.2 Physical frame structure来自MAC层的帧控制信息和载荷数据经过白化、Turbo编码、交织等处理后，被送入串并变换和星座映射，输出的复信号按规定的规则被映射到子载波上，形成1 024个频域数据，经过IFFT变换后，插入循环前缀并进行加窗处理后，形成OFDM符号，如图3所示。
循环前缀由滚降间隔、保护间隔组成。
图3 OFDM符号结构Fig.3 OFDM symbol structure针对发送端产生前导序列符号、控制符号和载荷数据符号所需要的各个处理模块，下文将作详细介绍。
2发射端物理层模块功能及算法实现2.1白化数字信号序列中出现长0或长1序列时，容易使信号的同步信息丢失、造成错码，白化是一种不增加数据冗余而扰乱信号、改变数字信号的统计特性、使其近似于白噪声统计特性的一种信号编码技术 [3]。
白化序列用如下公式（1）基于m 序列发生器的线性移位寄存器产生：103()1S x x x =++ （1） 移位寄存器的各初始值为1，每输入一个数据，移位寄存器左移一位，其运算过程可用图4来说明。
图4 数据白化实现过程Fig.4 Data whitening implementation process 2.2Turbo 编码器Turbo 编码器由分量编码器、交织器、删余器和 复用器构成，如图5所示。
图5 Turbo 编码器的组成Fig.5 Structure of Turbo encoder 本文中的Turbo 编码采用二次迭代结构，把第一次迭代结束对应的末状态作为第二次迭代的初始状态，输入数据进行第二次迭代编码。
经过两轮编码后的输出数据，与经典的一轮编码输出相比，具有更好的纠错性能。
同时，为了降低编码造成的冗余，将编码器输出的校验信息位经过打孔删除。
各个子模块的编码过程详细介绍如下。
2.2.1 分量编码器模块分量编码器BMQ1和BMQ2使用8状态编码器，其架构图如图6所示，输入数据流的前两个比特位分别映射到 u1、u2 ，类似2比特的串并编码，在一次编码中，每一对比特位对应输出一个校验位。
u 1u 2x 0图6 分量编码器架构Fig.6 component encoder architecture每个成员分量编码器具体编码过程如下： 第1步：初始化寄存器的初始状态R0=[R 01,R 02,R 03] =[0,0,0]；第2步：依次输入信息位（被送入编码器2的是交织后的数据），直到数据输入结束，编码末状态记为RN=[R N1,R N2,R N3];第3步：令R 0'=RN ×M ，其中，编码结束的末状态RN 是行向量，M 矩阵定义如下：物理块字节数为520和16时：⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=111101100M物理块字节数为136时： ⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=010001110M第4步： 将输入信息比特重新送入分量编码器，其初始状态R0’由第3步算出，再经过一次编码后，即可输出编码的校验位。
2.2.2 Turbo 交织模块将原始未打乱顺序的数据经过Turbo 交织器后输入编码器2。
每2比特为一组来进行Turbo 交织，不同的交织模式参数不同，具体交织参数由表1定义，包括三种情况。
表1 Turbo 交织的参数Turbo 交织的地址映射定义如下列公式（2）： A (x )=mod((S (mod(x,N )+1)-(fix((x )/N ))×N +L ),L ); （2）()S •是一个查找表，用FPGA 实现时可以存储在FPGA 的ROM 中，方便读取。
2.2.3 删余模块删余模块根据所需编码效率，对Turbo编码后的数据比特经过打孔模块，即做相应的打孔处理来提升编码效率。
只对校验位做打孔处理，信息位不做打孔处理，对分量编码器BMQ1、BMQ2输出的奇偶校验位进行打孔，去除多余数据，并且不改变其原始输出顺序存放到缓存中，从而提升编码效率。
打孔模式支持两种模式, 1/2码率模式，即校验位全部输出，高冗余，强纠错；16/18模式，即16位信息位+2位校验位，降低冗余度，适合在信道环境良好的条件，提高传输效率。