低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置的製作方法
2023-09-15 03:18:35 1
本實用新型涉及一種仿真分析領域，尤其涉及一種低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置。
背景技術：
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電力線載波通信，簡稱PLC(Power Line Communication)，是指利用電力線傳輸數據和話音信號的一種通信方式；低壓電力線遍布城鄉各地、連接千家萬戶，利用其作為通信信道的最大好處是無需鋪設新的線路，節約建設成本，且不易受到破壞，低壓電力線載波通信技術除了廣泛應用於負荷管理、遠程抄表、家庭自動化、智能大廈領域以外，在寬帶網絡接入用戶終端的「最後一公裡」問題中，也頗有競爭力，用來實現高質量可視電話、視頻點播以及遠程教學、遠程醫療等寬帶業務，它不但可以給電力企業帶來了新的市場和商機，也可以給用戶帶來低成本、高性能的服務，電力線信道作為開放信道，所呈現的是一種高噪聲、強衰減、負荷變化劇烈、阻抗變化大、頻率響應不平坦等惡劣性能，要實現可靠的電力線高速數據傳輸，必需採用適合的調製技術，正交頻分復用(OFDM，OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術具有抗多徑時延、抗信道衰落、頻譜利用率高、硬體實現簡單等優點，近年來受到廣泛關注，將自適應技術與 OFDM 技術相結合，將更有效的應對複雜惡劣的電力線通信環境，實現可靠高速的數據通信，為了滿足日益發展的用戶服務種類和服務質量的要求，在自適應數據通信理論研究方面，國內外學者進行了大量研究，根據信道變化自適應改變調製模式，發送功率和編碼方式，有效地提高頻譜利用率和傳輸效率。
由於低壓電力線載波通信環境千變萬化，載波通信設計者提出的設計方案能否在實際的信道上可靠運行是值得關注的，對於電力線載波通信的使用者來說，如何對不同設計方案或成品的性能進行比較也是一件十分困難的事情，因此，在當前各種通信方式殘酷競爭的時代，低壓電力線載波通信要取得更進一步的發展，獲得更大的應用空間，就必須建立相應的模擬仿真測試分析系統，以便客觀地評價其性能，也為實際產品的開發提供必要的實驗設計依據。
技術實現要素：
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本實用新型的目的是提供一種低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置。
上述的目的通過以下的技術方案實現：
一種低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，其組成包括：殼體，所述的殼體表面具有切換測試單元的測試引出點，所述的殼體內具有切換測試單元，所述的切換測試單元電連接低壓電力模擬信道，所述的低壓電力模擬信道分別電連接傳輸線變換單元、負載變換單元、噪聲發生器和淨化電源，所述的傳輸線變換單元電連接拓撲結構變換單元，所述的負載變換單元同時電連接拓撲結構變換單元，所述的拓撲結構變換單元電連接模擬信道控制器，所述的噪聲發生器同時電連接模擬信道控制器。
所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所述的切換測試單元連接殼體外部的存儲示波器和任意波形發生器，所述的存儲示波器和所述的任意波形發生器連接計算機。
本實用新型的有益效果：
1.本實用新型低壓的仿真分析裝置，對載波通信系統的研發具有重要意義，以阻容器件為基本單元的模擬實驗設備用計算機控制的方式，可以靈活改變信道的拓撲結構和噪聲特性，並結合可程控通用儀器，通過組建自動測試系統的方式為載波通信產品提供了一個有效的測試設備。
本實用新型的仿真分析裝置，可以根據信道變化自適應改變調製模式，發送功率和編碼方式，將自適應OFDM算法用MATLAB仿真軟體生成波形數據文件，通過任意波形發生器轉換成實際輸入信號，耦合到該系統構建的低壓電力線模擬信道，有效地模擬載波通信數據的傳輸，用戶可以直接觀測通信波形的畸變情況，也可以觀測整個通信過程中數據傳輸的可靠性，從而為電力線載波通信設備的研發人員提供很好的設計依據。
本實用新型的仿真分析裝置，採用OFDM技術，是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調製，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調製後的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互幹擾。
本實用新型的仿真分析裝置，集軟、硬體於一體的模塊化，可以將MATLAB仿真開發的自適應OFDM算法生成相應的波形數據文件，通過任意波形發生器轉換成實際輸入信號，耦合到該系統構建的低壓電力線模擬信道，在實驗室即可進行載波通信的傳輸實驗，觀察波形的畸變，也可用來對比在不同調製方式下的數據傳輸情況等，使得裝置調試不必依賴實際的用電環境，縮短研發周期。
本實用新型的仿真分析裝置，，對於低壓電力線載波通信產品的使用者或測試者來說，該裝置提供了一個穩定的模擬仿真信道平臺，避免了實際電力線信道的多變性（因時而變、因地而變）帶來的測試誤差，保證了產品性能測試的公平性。
附圖說明：
附圖1是本實用新型的結構示意圖。
附圖2是本實用新型的傳輸線變換單元原理圖。
附圖3是本實用新型的負載變換單元的等效負載（空調）圖。
附圖4是本實用新型的負載變換單元的等效負載（白熾燈）圖。
附圖5是本實用新型的負載變換單元的等效負載（加熱器）圖。
附圖6是本實用新型的負載變換單元的等效負載（電視機）圖。
附圖7是本實用新型的結構變換單元的拓撲結構（總線型）圖。
附圖8是本實用新型的結構變換單元的拓撲結構（樹型）圖。
附圖9是本實用新型的結構變換單元的拓撲結構（環型）圖。
附圖10是本實用新型的結構變換單元的拓撲結構（星型）圖。
附圖11是本實用新型的噪聲發生器原理圖。
附圖12是本實用新型的淨化電源原理圖。
附圖13是本實用新型的模擬信道控制器原理圖。
圖中：1 —計算機；2 —存儲示波器；3 —殼體；4 —切換測試單元電路板；5 —低壓電力模擬信道電路板；6 —傳輸線變換單元電路板；7 —負載變換單元電路板；8 —拓撲結構變換單元電路板；9 —模擬信道控制器；10 —噪聲發生器；11 —淨化電源電路板；12 —任意波形發生器。
具體實施方式：
實施例1：
一種低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，其組成包括：殼體，其特徵是：所述的殼體3表面具有切換測試單元電路板的測試引出點，所述的殼體內安裝有切換測試單元電路板4，所述的切換測試單元電路板電連接低壓電力模擬信道電路板5，所述的低壓電力模擬信道電路板分別電連接傳輸線變換單元電路板6、負載變換單元電路板7、噪聲發生器10和淨化電源電路板11，所述的傳輸線變換單元電路板電連接拓撲結構變換單元電路板8，所述的負載變換單元電路板同時電連接拓撲結構變換單元電路板，所述的拓撲結構變換單元電路板電連接模擬信道控制器9，所述的噪聲發生器同時電連接模擬信道控制器。
實施例2：
根據實施例1所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所述的切換測試單元電路板連接殼體外部的存儲示波器2和任意波形發生器12，所述的存儲示波器和所述的任意波形發生器連接計算機1。
實施例3：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所採用的傳輸線變換單元，由電阻、電容、電感等無源元件搭建，根據需要，進行相應的參數和單元位置調整，由信道拓撲結構變換單元將多個傳輸線變換單元和負載變換單元連接起來組成多種信道拓撲結構，從而實現期望的頻率響應，獲得與實際電力線信道相近的各種頻率特性，由於低壓電力線載波信號是高頻信號，因此電力傳輸線的等效電阻、電感、電容都會對其信道頻率特性產生影響，負載參數的因素更是其特性形成的主要原因，因此傳輸線變換單元由兩部分組建，包括一定長度低壓電力線的集中參數等效電路和由基本電路元件構成的負載模擬部分，如附圖2所示，R、L、C是一定長度低壓電力線的等效參數，隨配電線路長度不同和傳輸電纜類型不同，R、L、C可以設置，Z是負載模擬部分；負載電路的設計參考實際用電設備的電路形式，更依據具體的期望特性，通過合理調整搭配其參數來得到要求的阻抗特性和衰減特性。
實施例4：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所採用的負載變換單元方式有阻性負載（附圖4）、感性負載（附圖5）、容性負載（附圖6）、非線性負載（附圖3）等。電力線上的實際負載也可以轉化為集中參數的無源元件進行等效模擬，負載的設計可以參考這些等效電路的形式，具體參數可根據所要實現的傳輸特性來選擇。
實施例5：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所採用的拓撲結構變換單元方式有總線型（附圖7）、樹型（附圖8）、星型（附圖10）、環型（附圖9）四種基本的結構類型，實際的低壓電力線載波通信網絡十分複雜，負載接入量難以計算，接入方式任意性強，很難區分其真正的拓撲結構類型如何，但是不論多麼複雜的網絡，我們大多都可以將其分解為幾種基本拓撲結構的組合。
實施例6：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，所採用的噪聲發生器，對於通信信道，噪聲特性是決定其性能的重要參數之一，由於低壓配電網直接面向用戶，同一配電變壓器下的所有用戶負荷噪聲以及變壓器原邊噪聲都會對信道產生噪聲幹擾，影響通信數據的可靠傳輸，因此低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置設計了獨立的噪聲信號發生模塊，噪聲信號發生器採用虛擬儀器的設計思想，可以利用噪聲發生器產生包括有色噪聲、周期性脈衝噪聲在內的各種電力線噪聲，觀察低壓電力線載波通信調製信號在噪聲條件下的傳輸情況，也可進行噪聲條件下低壓電力線載波通信產品的性能測試；噪聲發生器設計思路是由低壓電力線模擬信道控制器產生一組噪聲波形數據，通過USB總線將噪聲波形數據發送到RAM存儲器中，並將控制命令發送到FPGA晶片，FPGA晶片在收到命令後從RAM存儲器中讀取數據後通過I/O埠將數據發送出去，經過D/A轉換以及功率放大之後將噪聲信號耦合到低壓電力線模擬信道中。附圖11是噪聲發生器原理圖。
實施例7：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，採用淨化電源，由於本裝置由交流電網供電，低壓配電網中，負載的連接情況十分複雜，用電設備隨時開關，導致電網的輸出阻抗因時間和地點的不同而隨機變化，再加上電網中各種噪聲和其他信號，這些對信號傳輸與電磁兼容都存在很大的影響；因此，在建立低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置時，必須使電網能提供一個穩定的輸出阻抗；並且將來自電網的無用信號與低壓電力線載波通信模擬信道隔離開來；附圖12是系統淨化電源的原理圖；淨化電源網絡中，C1、R3、R4、RL規定了淨化電源網絡的等效阻抗；而由電阻R1、R2，電容C2、C3和電感L1、L2構成的低通濾波器可以將電力線上的無用信號和噪聲過濾掉，起到了隔離的作用。
實施例8：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，採用模擬信道控制器，模擬信道控制器由單片機和繼電器陣列構成；控制單元採用弱電控制強電的思想，由計算機向PIC16F877單片機發出控制指令，PIC16F877單片機的I/O埠驅動一組繼電器開關動作，從而實現對信道模擬單元及淨化電源間連接方式的切換，模擬信道控制器具有乙太網控制器、GPRS模塊、RS232模塊和USB接口模塊多種通信轉換接口，系統也可以連接遠程控制模塊，可將參數設置模塊的數據和顯示模塊的數據傳送給遠程控制模塊，遠程的用戶通過遠程控制模塊調用顯示模塊，在遠程用戶端將輸入波形、輸出波形顯示出來，當然也可以利用遠程控制模塊來修改參數設置，實現電力線載波通信仿真系統的遠程控制。
實施例9：
根據實施例2所述的低壓電力線自適應OFDM模擬仿真分析裝置，採用測試切換單元，在完成信道特性測試、載波通信信號傳輸試驗等功能時，需要將信號發生器產生的信號加載到信道模擬拓撲網絡中去，並由示波器將測試點的信號通過示波器採集到計算機當中，測試單元主要包括兩項功能，一是實現測試信號的耦合加載，二是實現測試點的自動切換，只需在實驗開始時將信號發生器與示波器的探頭連接到測試單元對應的接入點後，示波器探頭實際連接位置就可由上層軟體進行控制，不再需要根據所作測試或試驗的不同手動進行探頭的插拔，實現系統的完全自動化測試。