基于Polar编码的电力线载波通信系统及方法与流程

本技术涉及电力线载波通信领域，具体涉及一种基于polar编码的电力线载波通信系统及方法。

背景技术：

1、随着能源互联网的快速发展和智能电网建设的深入推进，电力系统正在经历着深刻的数字化转型。传统的电力网已经不仅仅是能量传输的载体，更被赋予了双向信息交互、实时监控、需求侧响应、分布式能源接入等高级功能使命。电力线载波通信（power linecommunication，plc）是突破传统电力线载波通信技术瓶颈、赋能智能电网的关键技术。

2、电力线载波通信技术特性与电力线信道环境的复杂性，决定了电力线载波通信的固有缺陷。首先是信道环境的根本制约：电力线信道中的持续性背景噪声、剧烈脉冲噪声、窄带干扰等是影响通信可靠性和速率的最大挑战，现有技术仅能衰减而无法根除；负载变化导致的信道阻抗跳变、与距离和频率相关的显著衰减持续影响着信号质量和信号覆盖范围；多分支、多级串联的低压配电网拓扑增加了信号传输损耗。其次是容量与速率的瓶颈。在法规限制和干扰并存的实际频谱内，现有的正交频分复用（orthogonal frequencydivision multiplexing，ofdm）加高阶正交幅度调制（quadrature amplitudemodulation，qam）和turbo编码的技术组合，在物理层速率上已十分接近阶段性上限，难以满足未来如视频监控、海量分布式能源毫秒级数据交互的更高带宽需求。

3、现有电力线载波通信系统中polar编码的实现方案存在诸多不足。首先，纯软件实现方式受限于处理器主频，编解码速度与吞吐率难以满足电力线载波通信的高速实时传输需求，而纯硬件实现方案虽然速度较快，但系统功能固化，一旦fpga逻辑综合完成便难以修改通信参数。其次，现有方案中polar编码等关键通信参数在系统设计阶段即被固定，无法在系统运行时根据信道质量变化或业务需求进行动态调整，导致系统在不同应用场景下的适应能力不足。

技术实现思路

1、为了解决现有技术缺陷之一，本技术提供一种基于polar编码的电力线载波通信系统及方法，基于fpga与软核处理器协同实现polar编码的电力线载波通信，以实现高吞吐率、低功耗、可动态配置的通信结构，以适应不同信道条件和通信场景的问题。

2、本技术第一方面提供一种基于polar编码的电力线载波通信系统，包括：polar编解码模块、ofdm通信模块、电力线物理信道模块以及软核处理器，所述polar编解码模块、ofdm通信模块以及软核处理器集成于fpga芯片中；

3、所述polar编解码模块用于对业务数据流进行编码获得polar码数据，或对polar码数据进行解码；

4、所述ofdm通信模块用于对polar码数据进行调制，得到正交频分复用的模拟信号，或对正交频分复用的模拟信号进行解调；

5、所述电力线物理信道模块用于对来自所述ofdm通信模块的正交频分复用的模拟信号叠加噪声，并模拟电力线信道的失真，输出模拟失真的模拟信号；

6、所述软核处理器通过总线与polar编解码模块和ofdm通信模块相连，用于配置polar编解码模块和ofdm通信模块的通信参数；所述polar编解码模块的通信参数包括码长、码率和译码深度，所述ofdm通信模块的通信参数包括调制和解调参数。

7、本技术实施例中，所述polar编解码模块包括polar编码模块和polar解码模块；

8、所述ofdm通信模块包括ofdm发送模块和ofdm接收模块；

9、所述polar编码模块用于对业务数据流进行编码，得到polar码数据；

10、所述ofdm发送模块用于对所述polar码数据进行调制，得到正交频分复用的模拟信号；

11、所述ofdm接收模块用于对接收到的模拟信号进行解调，得到对数似然比（llr）形式的软比特数据；

12、所述polar解码模块用于对解调得到的软比特数据进行译码，得到解码数据。

13、本技术实施例中，所述polar编码模块包括：crc编码单元、比特交织单元以及并行编码单元；

14、所述crc编码单元用于对输入的业务数据流附加校验位；

15、所述比特交织单元用于对附加校验位的数据进行交织处理；

16、所述并行编码单元用于根据所述软核处理器配置的码长和码率，采用基于树形结构的并行运算单元对交织处理后的数据进行polar编码，生成polar码并存入块存储器，同时将编码完成标志位写入对应的状态寄存器。

17、本技术实施例中，所述polar解码模块包括：对数似然比存储单元、运算单元、信息队列存储单元以及crc校验单元；

18、所述对数似然比存储单元用于存储所述ofdm接收模块输出的软比特数据；

19、所述运算单元用于：基于所述对数似然比存储单元输出的软比特信息进行译码运算，输出译码结果数据；在译码过程中对当前译码路径的度量值进行并行更新与排序；根据所述软核处理器配置的译码深度，在每级译码后保留度量值最优的若干条路径，并在译码结束时输出度量值最优的译码路径；

20、所述crc校验单元用于对运算单元输出的译码结果数据进行校验，将通过校验的译码结果数据作为解码数据输出，并将解码完成标志位写入对应的状态寄存器。

21、本技术实施例中，所述软核处理器通过axi-stream总线与polar编解码模块和ofdm通信模块相连，用于数据交互；

22、所述软核处理器通过axi-lite总线与polar编解码模块和ofdm通信模块的配置寄存器相连，用于配置polar编解码模块的码长、码率和译码深度，以及ofdm通信模块的调制和解调参数。

23、本技术实施例中，在数据发送流程中，所述软核处理器通过axi-stream总线将待发送的业务数据流注入polar编码模块，待轮询到polar编码模块的编码完成标志位后，向ofdm发送模块的控制寄存器写入启动指令，触发ofdm发送模块从块存储器中读取polar码数据进行调制；

24、在数据接收流程中，所述软核处理器在轮询到ofdm接收模块的解调完成标志位后，向polar解码模块的控制寄存器写入启动指令，触发polar解码模块从块存储器中读取软比特数据进行译码，并在轮询到解码完成标志位后，通过axi-stream总线读取解码数据。

25、本技术实施例中，所述系统还包括与所述软核处理器相连的动态随机存取存储器（ddr3）；

26、所述动态随机存取存储器中为polar编码模块、polar解码模块、ofdm发送模块和ofdm接收模块分别分配有独立的存储空间；

27、所述软核处理器通过axi总线协议对polar编码模块、polar解码模块、ofdm发送模块和ofdm接收模块的存储空间进行读写访问，用于在上位机指令下，向任意指定模块对应的存储空间注入测试数据，或读取任意指定模块存储在数据存储空间的中间运算结果。

28、本技术实施例中，所述电力线物理信道模块包括噪声注入单元和阻抗仿真单元；

29、所述噪声注入单元用于对来自所述ofdm通信模块的正交频分复用的模拟信号叠加窄带干扰信号、脉冲噪声信号和/或高斯白噪声信号；

30、所述阻抗仿真单元用于模拟电力线的频率选择性衰落和多径传输的失真特性；

31、所述ofdm接收模块接收来自电力线的模拟信号；所述模拟信号是经过所述噪声注入单元叠加噪声，并经过所述阻抗仿真单元模拟失真后被耦合至电力线的。

32、本技术第二方面提供一种基于polar编码的电力线载波通信方法，包括：

33、通过polar编解码模块对业务数据流进行编码获得polar码数据，或对polar码数据进行解码；

34、通过ofdm通信模块对polar码数据进行调制，得到正交频分复用的模拟信号，或对正交频分复用的模拟信号进行解调，得到polar码数据；

35、通过电力线物理信道模块对来自ofdm通信模块的正交频分复用的模拟信号叠加噪声，并模拟电力线信道的失真，输出模拟失真的模拟信号；

36、通过与polar编解码模块和ofdm通信模块相连的软核处理器，配置polar编解码模块和ofdm通信模块的通信参数；polar编解码模块的通信参数包括码长、码率和译码深度，ofdm通信模块的通信参数包括调制和解调参数。

37、本技术实施例中，所述软核处理器通过axi-stream总线与polar编解码模块和ofdm通信模块相连，用于数据交互。

38、所述软核处理器通过axi-lite总线与polar编解码模块和ofdm通信模块的配置寄存器相连，用于配置polar编解码模块的码长、码率和译码深度，以及ofdm通信模块的调制和解调参数。

39、本技术实施例中，所述polar编解码模块包括polar编码模块和polar解码模块；

40、所述ofdm通信模块包括ofdm发送模块和ofdm接收模块；

41、所述polar编码模块用于对业务数据流进行编码，得到polar码数据；

42、所述ofdm发送模块用于对所述polar码数据进行调制，得到正交频分复用的模拟信号；

43、所述ofdm接收模块用于对接收到的模拟信号进行解调，得到对数似然比形式的软比特数据；

44、所述polar解码模块用于对解调得到的软比特数据进行译码，得到解码数据。

45、本技术实施例中，在数据发送流程中，所述软核处理器通过axi-stream总线将待发送的业务数据流注入polar编码模块，待轮询到polar编码模块的编码完成标志位后，向ofdm发送模块的控制寄存器写入启动指令，触发ofdm发送模块从块存储器中读取polar码数据进行调制；

46、在数据接收流程中，所述软核处理器在轮询到ofdm接收模块的解调完成标志位后，向polar解码模块的控制寄存器写入启动指令，触发polar解码模块从块存储器中读取软比特数据进行译码，并在轮询到解码完成标志位后，通过axi-stream总线读取解码数据。

47、本技术实施例中，所述电力线物理信道模块包括噪声注入单元和阻抗仿真单元；

48、所述噪声注入单元用于对来自所述ofdm通信模块的正交频分复用的模拟信号叠加窄带干扰信号、脉冲噪声信号和/或高斯白噪声信号；

49、所述阻抗仿真单元用于模拟电力线的频率选择性衰落和多径传输的失真特性；

50、经过所述噪声注入单元叠加噪声并经过所述阻抗仿真单元模拟失真的模拟信号被耦合至电力线，所述ofdm接收模块接收来自电力线的模拟信号。

51、上述技术方案，通过将polar编解码模块、ofdm通信模块及软核处理器集成于fpga芯片中，并由软核处理器通过总线配置polar编解码模块的码长、码率、译码深度等通信参数，以及ofdm通信模块的调制和解调参数，在系统运行时可以根据信道质量变化或业务需求动态调整polar编解码的通信参数，提升系统在不同应用场景下的适应能力。该方案在fpga中采用硬件逻辑实现polar编解码，大幅缩短数据处理延迟并显著提升系统吞吐率和编解码速率，可满足电力线载波通信的高速传输需求；同时，软核处理器通过总线实时配置通信参数，无需重新综合fpga逻辑即可在不同应用场景下灵活切换工作模式，极大提升了系统的适应性与灵活性；ofdm通信模块与电力线物理信道模块的协同设计能够对信号叠加噪声并模拟电力线信道的失真，有效应对多径衰落、窄带干扰与脉冲噪声，保障信号在复杂电力线环境下的稳定传输。

52、本技术技术方案的其它特征和优点将在下文的具体实施方式部分予以详细说明。