電力線通訊通道量測與發射機實現

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蕭嵎之(Yu-jhih Hsiao) 查詢紙本館藏

畢業系所

通訊工程學系

論文名稱

電力線通訊通道量測與發射機實現
(Channel Measurement and Transmitter Implementation of Power Line Communications)

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摘要(中)

電力線通訊近來蓬勃發展，可藉由既有之電力線路傳遞訊號，不需重
新佈線，可解決通訊傳輸中最後一哩的問題。在本篇論文中，對電力線通
道進行了以軟體方式的測量環境，並且針對電力線通道的特有現象進行探
討，包括了特殊雜訊以及通道變化等。
此外設計並且實現了在電力線上通訊的即時軟體定義OFDM 發射機與
接收機。在平台使用了FPGA 實驗板、數位轉類比與類比轉數位開發板以
及自製電力線類比前級。在發射機之訊號處理模組中設計了串列轉並列處
理器、高速回旋碼編碼器、訊號交錯器、星座圖映射器、反快速傅立葉轉
換器、循環字首置入器和前導符碼置入器等，而在接收機設計了訊號同步
器、快速傅立葉轉換器、通道估測器、通道等化器、硬式決策器、訊號解
交錯器及通道解碼器等。傳送頻帶為2.3MHz~20MHz，在64-QAM的模式
之下最高傳輸率為42.52Mbps 。

摘要(英)

Power Line Communication (PLC) system is a flourishing communication technology, which can transmit signal over the existing AC electrical wiring without building whole new network and deal with the last mile issue. In this thesis, we formed a software method to measuring PLC channel’s feature and investigated a particular phenomenon of powerline channel-special noise and channel changing.
In other way, we design and implement a real-time software defined OFDM transceiver over powerline. In this platform, we use FPGA, DAC/ADC EVM board and design PLC Analogy-Front-End (AFE). The transmitter includes parallel-to-serial module, high-rate convolutional encoder, signal interleaver, constellation mapper, Invers FFT, cyclic prefix inserter and preamble inserter. The receiver includes signal synchronizer, FFT, channel estimator, channel equalizer, hard decider, signal de-interleaver and channel decoder etc. Transmission bandwidth between 2.3MHz$ and 20MHz$. In 64-QAM mode, the maximum throughput is around 42.52Mbps.

關鍵字(中)

★ 電力線通訊
★ 正交分頻多工
★ 現場可程式化閘陣列

關鍵字(英)

★ PLC
★ OFDM
★ FPGA

論文目次

中文摘要.............................................................................................................. i
ABSTRACT ......................................................................................................... ii
謝誌...................................................................................................................... iii
目錄...................................................................................................................... v
圖目錄..................................................................................................................viii
表目錄.................................................................................................................. xii
一、緒論.............................................................................................................. 1
1.1 研究動機與背景. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 章節簡介. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
二、電力線通訊簡介.......................................................................................... 3
2.1 電力線通訊標準. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 電力線通道特性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.1 電力線通道雜訊. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.2.2 電力線通道負載變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.3 電力線長度衰減. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 電力線通道實測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 實測介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 實測結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 取樣率偏移. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
三、電力線通訊系統.......................................................................................... 18
3.1 自訂規格電力線系統. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.2 迴旋碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.3 訊號交錯. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.4 星座圖映射. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.5 正交分頻多工. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.6 快速傅立葉轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.7 循環字首. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8 前導符碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
四、電力線通訊發射機硬體實現...................................................................... 36
4.1 開發流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.2 FPGA 開發環境. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.3 電力線發射機系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.4 FIFO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.5 並列轉串列. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.6 高速迴旋碼. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.7 訊號交錯器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.8 星座圖映射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.9 子載波映射器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.10 快速傅立葉轉換器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.10.1 FFT/IFFT 切換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.10.2 蝶型運算器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.10.3 座標軸數位旋轉計算器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.10.4 旋轉因子產生單元. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.10.5 FFT 時序控制. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.10.6 位元反轉排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.11 循環字首置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.12 前導符碼置入器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.13 軟體定義發射機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.14 發射機電路合成報告. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
五、電力線通訊接收機硬體實現...................................................................... 66
5.1 電力線接收機系統架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
5.2 時序同步器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.1 延遲相關器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.2.2 峰值檢測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2.3 訊號偵測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
5.2.4 符碼同步器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.3 通道估測與等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.1 通道估測器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3.2 通道等化器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.4 硬式決策器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.5 訊號解交錯器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.6 腓特比解碼器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
5.7 軟體定義接收機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
5.8 接收機電路合成報告. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.9 平台架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
六、結論.............................................................................................................. 88
參考文獻.............................................................................................................. 89

參考文獻

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指導教授

陳逸民(Yih-min Chen)

審核日期

2013-7-23

推文