電力線仿真系統(tǒng)的FPGA設計與實現(xiàn)

3．2 電力線噪聲的仿真
根據(jù)文中研究結果，電力線噪聲主要可分為5大類，其中有色背景噪聲、窄帶噪聲和異步周期脈沖噪聲由于其功率譜密度較小，統(tǒng)計特性相對恒定，而統(tǒng)一歸為背景噪聲。大量的背景噪聲的和可以使用高斯白噪聲進行模擬。
同步周期脈沖噪聲的周期為10 ms或20 ms，與G3-PLC系統(tǒng)一個數(shù)據(jù)幀的持續(xù)時間相當，因此在一幀數(shù)據(jù)內只會出現(xiàn)極少的同步周期脈沖，為簡化處理，可以將它并入突發(fā)脈沖噪聲。Manfred Zimmermann提出采用馬爾科夫過程對突發(fā)脈沖噪聲的出現(xiàn)進行模擬，根據(jù)研究結果，該模型能較精確的模擬脈沖噪聲的出現(xiàn)時間，但該模型由于運算量大而帶來實現(xiàn)上的困難。一種較簡單且不失精確性的方法是根據(jù)突發(fā)脈沖出現(xiàn)的時間、時間寬度等參數(shù)的統(tǒng)計特性，由式(10)進行模擬。
文中脈沖噪聲出現(xiàn)時間的比率約為0．001 35％，平均出現(xiàn)頻率為0．122次／s。假設系統(tǒng)采用fs的采樣頻率，則每個采樣點出現(xiàn)脈沖噪聲的概率為Pimp=0．122／fs；脈沖噪聲平均寬度為wimp=1．35×10-5×fs／0．122個采樣點。不妨定義在脈沖噪聲包絡幅度下降到最大值的5％以內時為脈沖噪聲的結束時刻。將上述參數(shù)代入式(10)可得

根據(jù)上述參數(shù)的推導結果，可以在Matlab中通過如下方法模擬電力線噪聲：
用隨機數(shù)產生函數(shù)Randsrc產生一個N維[0，1]分布的隨機向量作為脈沖噪聲標示向量，其中P(x=1)=Pimp；然后循環(huán)搜索標示向量，當該點的值為1時，自該點起調用脈沖發(fā)生函數(shù)；再用脈沖發(fā)生函數(shù)首先產生兩個正態(tài)分布的獨立的隨機數(shù)A0、b0，并產生一個正態(tài)分布的隨機變量d，其均值由式(11)求得。最后按式(10)產生一個輸出向量，并將其加到結果向量中。
通過上述方法產生的電力線脈沖噪聲如圖6所示。

由于噪聲出現(xiàn)的概率較低，因此在仿真時需要延長仿真時間，而這樣會導致過大的數(shù)據(jù)量，因此在此次仿真中，調低了采樣頻率，但這并不影響仿真效果。從圖中可以直觀地看出，該結果與電力線實際的噪聲環(huán)境比較吻合。
3．3 仿真算法的實現(xiàn)
信道的特性在單次仿真中應該保持不變，可以借助PC機對信道進行設計。按文中討論的算法求出信道的單位沖擊響應向量，并通過RS2 32口或者網口等方法發(fā)送給仿真系統(tǒng)，在FPGA中采用FIR濾波器實現(xiàn)該單位沖擊響應。同時為實現(xiàn)帶反饋回路的信道的仿真，可以在FPGA中實現(xiàn)另一路并行的IIR濾波器，通過PC機的參數(shù)對兩路濾波器的輸出進行切換。噪聲的仿真方法在PC機上產生相應的參數(shù)傳入。FPGA，為保證更好地實時性，也可以在FPGA中采用偽隨機序列產生電路實現(xiàn)。

4 結束語
針對電力線信道和噪聲的標準實時仿真平臺，對于電力線通信設備的開發(fā)和測試是必要的，它能幫助開發(fā)人員在設備研發(fā)的每一步對可靠性進行快速測試，并且針對不同電力線通信產品提供統(tǒng)一的測試定標平臺。文中在對電力線信道特性和噪聲進行深入分析的基礎上，提出了一種電力線信道實時仿真平臺的設計方法，該算法使用Matlab仿真驗證了可行性。該平臺可使用基于FPGA的硬件實現(xiàn)，具有較高的實用
價值。