基于FPGA的机载电力线载波通信调制解调模块设计

STGing

摘要：面向复杂机载环境下大量电子设备控制信号和数据信息的传输需求，研究基于机载电力线的载波通信方案和设计实现方法，进行原理开发验证和应用测试;论文研究基于 FPGA的机载电力线载波通信系统中调制解调模块设计方法，设计的 2FSK 调制解调模块包含调制通路、解调通路和控制电路3 个部分，给出了每个部分内部具体子模块的设计原理和实现方法，并针对子模块功能分别进行了仿真和实验验证，最终结合所开发的电力线载波通信系统进行通信性能测试，结果表明了文章设计的调制解调模块的正确性，在通信波特率115.2 kbps情况下，可实现通信误码率低于 10^-5。

机载电力线载波通信是一种以飞机机载电力线为媒介进行信息传输的通信方法，基于机载电力线的载波通信技术，可实现电缆上既供电又传输控制信号和数据信息，对于解决现有飞机环境下因分别采用独立配置供/配电网、控制信息网和数据通信网所导致的重量叠加、空间挤占、信道闲置和组网不灵活等问题有重要研究意义。
% I  w3 H" i& k; }9 q目前，国内电力线载波通信技术已在民用领域得到比较广泛的应用，但面向飞机机载环境的应用几乎是空白，主要原因是机载电力线信道的强噪声干扰、机载设备工作频率多样化等因素导致的信道复杂度高，加上机载通信要求更低的通信误码率，因此，目前机载载波通信技术仍处于研究探索和可行性实验验证阶段。本文研究以验证机载环境下电力线通信的可行性和有效性为目的，主要介绍基干 FPGA的调制解调模块设计方法，并基于整个通信模块设计结果进行验证和测试。
# S4 |7 Q* n# M; _; q# V本文设计的通信波特率为 115.2 kbps，采用频移键控（FSK）技术，采用的 2FSK方法具有转换速度快、抗干扰性和抗衰落性强的优点，且技术上易于实现的特点，适合用于验证机载电力线载波通信应用的可行性和有效性。基于Vivado2018.2平台和 Verilog 硬件编程语言，采用模块化设计方法，实现了整个调制解调系统，得到了基于FPGA的较高性能和较低误码率的调制解调器，并构建了整个电 力线载波通信系统对 FPGA调制解调器进行性能测试和分析。

' U4 \& j' s0 u- Y; `1、调制解调模块结构
设计的机载电力线载波通信总体结构如图1所示，基于28V直流电源线，采用主从控制方式的点对点验证方案，验证系统包含1个主节点和1个从节点，由主节点控制向从节点发送数据（写操作） 或接收从节点发出的数据（读操作），主、从节点硬件电路结构完全相同，主要由 FP-GA模块和模拟前端（Analog Front End，简称为 AFE）电路组成;与通信节点连接的上位机用于对发送/接收数据分析、显示和交互;通信节点与电力线采用耦合连接方式，耦合电路包含在通信节点内部的 AFE中;系统中接入干扰设备用于验证通信可靠性。

8 U5 w# M/ U" b& Q基于FPGA的调制解调模块结构如图 2所示，按通信功能可分为调制通路、解调通路和传输控制电路三大部分。调制通路包括数据发送、编码和调制3 个子模块，实现发送数据处理功能，其中数据发送电路负责接收并解析上位机通过串口发送来的数据和命令，编码电路负责将要发送的数据和命令按照电力线传输协议编码成数据帧格式，调制电路负责将数据帧中的二进制编码调制成对应载波频率的方波信号，输出到AFE模块;解调通路包括解调、解码和数据接收3个子模块，实现接收数据处理功能，解调电路对 AFE 模块接收的信道载波信号进行解调，还原为数据帧并校验其正确性，解码电路将数据帧解析出有效数据和命令，再通过数据接收电路将其转换成串行接口数据格式，发送到上位机;传输控制电路主要实现对整个传输过程的同步、转换、差错处理等进行控制。

/ ^) O. \5 E2 @+ U2、系统设计与实现
本文设计的调制解调模块属于图1 和图2中 FPGA 模块部分，通信系统设计时，FPGA 模块选用芯片 Xilinx ZYNQxc7z020clg400-2，基于Vivado2018.2平台和 Verilog 语言开发，该芯片系统时钟为 50 MHz。
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针对机载通信环境中干扰信号特点，从信号传输可靠角度，一方面保证信息传输质量，另一方面避免载波信号频率与环境干扰信号频率接近，最终载波信号频率分别选择4 MHz和 2.5MHz来表示 2FSK 中的高频和低频。下面分别就三大部分组成电路的设计和实现方法进行介绍。

& R0 T4 o! o; g- i5 E8 j, U2.1 调制通路的电路设计
( Z* y7 k# s8 X5 ^; m调制通路中，数据发送流程如下。
1）数据发送电路。
接收由上位机发出的传输数据及目标地址信息，数据发送电路主要是一个接口电路模块，需要将上位机发出的按照串口协议格式的数据解析出传输数据和目标地址信息，主要进行数据寄存和变换;
2）编码电路。
根据发送数据信息，编码生成按电力线传输协议格式的数据帧，包括添加数据帧相关信息和奇偶校验位。本论文方法中采用的数据帧格式有3种，分别为命令字、数据字和状态字，每种帧字由 25位组成。
命令字格式∶帧头（3 位，为 101）＋接收节点地址（5 位，00000～11111，支持32个通信节点）＋读写位（1位，0表示读，1表示写）＋数据长度（5位，表示传输数据的字节长度，00000～11111分别对应1～32字节）＋状态信息（4 位，1111表示广播，其他表示点对点传输）+起停位（1位，1代表开始发送，0代表停止发送）＋发送节点地址（5位，支持32个通信节点）＋校验位（1位，奇校验）;
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Ele_insect

不错啊受教了

名字好听吗

很好的东西，谢谢

VIC56

支持楼主 很好很实用