基于ARM的安全性电力线载波通信系统设计

牛永光， 卜玮琛， 高玲玲

(山东中实易通集团有限公司， 山东,济南 250000)

0 引言

近年来，基于物联网技术的智能家居行业得到了广泛的推广。各种新型的家电设备开始具有上网需求，这大大促进了家庭低压电力线通信(Power Line Communication，PLC)网络的快速发展[1-3]。相比于传统技术，低压电力线通信无需铺设新的线缆设备，因此，它的实施成本低、其通信带宽较高。

但是低压配电网络是在原有电力线缆上进行的，因此其传输信道并不十分适合数据的高速传输，存在噪声干扰大、信号衰减、多径传播等特性[4]。目前，正交频分复用技术(OFDM)[5]已经成为低压电力线通信的主流方案。例如，周春良等[6]提出了一种OFDM电力线通信采样频偏的估计与补偿方法，对帧结构的信标时间戳进行了研究，验证了OFDM技术在PLC系统中的可行性。由于OFDM调制与解调的复杂性，目前基OFDM的电力线载波通信系统大多采用DSP或者FPGA平台，如秦天凯等[7]对基于OFDM的电力线通信信道进行了研究，电力线通信的速率较为稳定。但是，FPGA平台存在功耗大、成本高等问题。

因此，在综合考虑性能和成本等因素后，提出将高效且成本低廉的ARM应用于电力线载波通信系统。首先，根据国内低压配电网的特性，对G3-PLC协议[8-9]的前导和窗函数进行了设计；其次，给出了基于ARM的OFDM通信系统整体设计。核心硬件模块采用STM32F4 ARM处理器，信号接口电路模块采用了信号的耦合，以便提高施工时的安全性。系统测试验证了其可靠性和稳定性。

1 基于OFDM的PLC系统设计

1.1 前导设计

目前，基于OFDM的低压电力线通信的主流方案中，认可度较高的为G3-PLC标准协议。为了提高传输带宽，G3-PLC帧结构在多数区段都进行了信号的传输[10]，这样会导致信号的传输也会在信道环境最恶劣的区段中进行。因此，本文尝试在G3-PLC协议的基础上，对物理层所用的前导和窗函数进行了设计，只在过零点区段进行信号的传输，从而达到改善通信质量的目的。

根据国内低压配电网的特性，家用交流电的频率为50 Hz。本文尝试在整个交流电周期内仅使用1/3的区段，即过零点区段附近进行信号的传输。因为该区段的背景噪声和干扰均最低，是最理想的通信时隙。因此，采用了恒包络零自相关序列作为前导码，以便缩短帧长度。具体为Zadoff-Chu序列，其表达式如下：

(1)

其中，k=0,1,…,N-1，N表示序列的长度，M为一个与N互质的数，q表示随机整数。

本系统设计的中心频率为421 kHz，为了满足帧长度参数的要求，选择了长度N等于30，M等于29，q等于15的Zadoff-Chu序列。生成的前导符号如图1所示。

(a) 波形图

(b) 自相关特性图图1 前导符号

1.2 加窗函数设计

对OFDM信号加窗的目的是为了尽量降低频谱能量的泄露，一般采用的是升余弦窗，其定义如下：

w(t)=

(2)

其中，β表示加窗的滚降系数，Ts表示符号的周期长度。

不同β时加窗后的OFDM符号功率谱如图2所示。

图2 加窗后OFDM符号功率谱

本系统中Ts=1 174采用的是离散时间计算升余弦窗，则式(2)变为

w(n)=

(3)

因此，本系统所用窗函数的时域波形图如图3所示。

图3 窗函数的时域波形图

采用DBPSK调制实现子载波的调制，系统的帧长度为

=[1 024×3+(1 024+120-32)×5]÷(2.0×106)

=3.253(ms)

(4)

其中，NDATA表示DATA域信息长度，NCP表示有用子载波个数，Nwindow表示加窗覆盖点数，NFCH表示帧控制头符号数，NFFT表示快速傅立叶变换点数，Npre表示前导符号数，fs表示采样频率。

从式(4)的结果可看出，系统的帧长度略小于G3-PLC交流电周的1/3，结合加窗后OFDM符号功率谱图，完成了设计中计划的过零点区段信号传输，有效改善数据通信的质量。系统产生的某一帧的时域波形如图4所示。

图4 某一帧的时域波形

2 基于ARM的OFDM系统硬件实现

2.1 硬件总体结构框图

为了实现上述章节中所需系统功能和指标，需要高性能的处理器进行正反傅里叶变换运算。在综合考虑性能和成本等因素后，选择了ARM的STM32F4处理器，其具有更低的功耗和丰富的外设接口，较为适合OFDM系统硬件实现。系统硬件总体框图如图5所示。

图5 系统硬件总体框图

2.2 晶振电路设计

系统直接使用交流220 V供电。此外，为了稳定的输出8M频率的方波，核心的STM32F4处理器外接一个8M的晶体振荡作为时钟信号，如图6所示。

图6 8M晶体振荡器电路

2.3 无源低通RC滤波电路模块

为了对系统的输出信号进行必要的噪声滤波，在DA/AD接口外接了一个无源低通RC滤波器，则调制后的OFDM信号频率f为

f=1/(2πRC)

(5)

其中，C表示该电路中电容，本系统中设置0.1 μF。R表示该电路中电阻，本系统中使用一个电位器，以便按需调节。该低通RC滤波电路如图7所示。

图7 低通RC滤波电路

2.4 接口及耦合电路模块

在实际的PLC安装工程中，如果直接将设备与电力线网络连接起来，施工一般较为困难且存在较大的安全隐患。因此，为了提高系统实施的安全性，本系统采用扣式磁环将OFDM输出信号和电力线进行耦合，磁环耦合方式如图8所示。

图8 磁环耦合方式

采用上述磁环耦合方式，可以避免施工人员直接接触电力线网，大大增加了安全性。

3 系统性能测试

3.1 测试环境

测试过程中，采用两台PC机作为OFDM系统的通信端，电力线布网的环境为4层实验楼，有效子载波为120，快速傅里叶变换点数为1 024,中心频率为420.898 kHz，采样频率为2 MHz。测试硬件为网络测试仪，测试软件为PLC专用的Power Packet Utility。在测试过程中,通过示波器对系统发射端的模拟帧信号进行采集，如图9所示。

图9 帧信号的时域波形

3.2 吞吐量测试

利用网络测试仪对本系统在2～250 m距离上的吞吐量进行了测试，结果如表1所示。

表1 系统吞吐量测试结果

3.3 延时测试

在数据包大小为128字节，吞吐量负载为80%的情况下，利用网络测试仪对不同距离时系统的延时性能进行测试，结果如表2所示。

表2 系统延时测试结果

3.4 丢包率测试

在数据包大小为128字节，吞吐量负载为80%的情况下，利用网络测试仪对不同距离时系统的丢包情况进行测试，结果如表3所示。

表3 系统丢包率测试结果

3.5 通信可靠性测试

作为通信系统的关键指标，可靠性验证是测试验证的必需内容。采用蒙特卡洛方法，对基于ARM的OFDM电力线通信系统进行了20次测试，每次数据传输大小为500帧。系统的平均误码率结果如图10所示。

图10 系统的平均误码率

总体来说，从表1、表2和表3可以看出，在200 m的距离上，系统的丢包率为0%，最大平均延时为36 ms，最低吞吐量95 Mbps，上述性能指标均满足实际宽带接入需求。此外，从图10看出，在-5 dB之后，随着信噪比的增加，系统平均误码率出现明显下降，可达10-3水平，可有效保证通信的可靠性。

4 总结

本文提出了一种基于ARM的安全性电力线载波通信系统。主要对G3-PLC协议的前导和窗函数进行了设计。核心硬件模块采用ARM处理器。信号接口电路模块采用了信号的耦合，以便提高了施工时的安全性。实验结果表明，系统的吞吐量等性能指标均满足实际宽带接入需求。但是正反傅里叶变换运算效率不高，后续将针对定点傅里叶变换的优化进行研究。