OFDM電力線通信系統(tǒng)抗噪性能分析

鄭雪嬌，焦 鍵

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，重慶 永川 402160)

電力線通信是一種采用現(xiàn)有的電力分布式網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施作為傳輸介質(zhì)的通信技術(shù)［1］，它可以提供一個(gè)有限帶寬信道.該系統(tǒng)不僅通過(guò)使用現(xiàn)有電力線路的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)達(dá)到節(jié)省布線的目的，而且傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不易被其他任何子網(wǎng)絡(luò)入侵，比無(wú)線和電話線路等常用信息傳輸線路更加安全.該項(xiàng)技術(shù)在智能樓宇通信自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)改造中尤為重要.然而，電力線不是專(zhuān)用通信信道，它所承受的既有外界干擾，又有內(nèi)部噪聲.因此，該通信信道更加復(fù)雜.噪聲干擾會(huì)使接收端信號(hào)誤碼率增加，從而影響整個(gè)通信質(zhì)量.因此，有必要對(duì)電力線中的噪聲干擾進(jìn)行有效分析，以提高電力線通信系統(tǒng)的抗干擾能力及數(shù)據(jù)傳輸速率.

近年來(lái)，數(shù)字通信系統(tǒng)的研究發(fā)展很迅速，它為有線和無(wú)線傳輸提供高質(zhì)量的通信環(huán)境.多載波調(diào)制一直被認(rèn)為是有限帶寬信道的高效調(diào)制方案.正交頻分復(fù)用(OFDM)是一個(gè)在有限帶寬環(huán)境下的一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方法，是數(shù)字多載波通信中技術(shù)成熟且性能優(yōu)良的技術(shù)［2］.因此，對(duì)于電力線通信，OFDM 被認(rèn)為是其中一個(gè)最有效的調(diào)制方案.本文研究的目的是為電力線通信實(shí)現(xiàn)一個(gè)OFDM 通信鏈路，利用Matlab 和嵌入數(shù)字信號(hào)處理(DSP)系統(tǒng)進(jìn)行虛擬發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的模擬操作，并通過(guò)加入噪聲來(lái)干擾信號(hào)以進(jìn)行系統(tǒng)性能的分析.圖1是電力線通信傳輸示意圖.

圖1 電力線通信系統(tǒng)框圖

1 電力線噪聲

眾所周知，電力線傳輸數(shù)據(jù)是解決通信“最后1 公里”問(wèn)題的有效手段.然而，電力線通信系統(tǒng)卻存在著比普通通信系統(tǒng)更為復(fù)雜的噪聲和干擾問(wèn)題［3，4］.電力線噪聲類(lèi)別可以分為5 種:

①一個(gè)相對(duì)低的功率譜密度的有色背景噪聲，大量低功率噪聲來(lái)源的總和;

②窄帶噪聲，主要是由振幅無(wú)線電廣播電臺(tái)入口的振幅調(diào)制正弦信號(hào)引起;

③異步的電源頻率的周期脈沖噪聲，主要是供電電源的切換引起;

④同步的電源頻率的周期脈沖噪聲，主要是日用電器中整流二極管的作用引起;

⑤非周期脈沖噪聲，電力網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)狀態(tài)變化引起.

除了加性高斯白噪聲，以下是對(duì)電力線影響較大的兩個(gè)噪音的分析.

1.1 有色背景噪音

有色背景噪聲是由電力線上各種噪聲源產(chǎn)生的組合干擾，是一種隨時(shí)間緩慢變化的隨機(jī)干擾，其功率譜密度(PSD)隨頻率增加而減小.

圖2 m=1 和m=0.5 時(shí)的Nakagami 概率密度函數(shù)

文獻(xiàn)［5］中，通過(guò)來(lái)自實(shí)驗(yàn)室和多弧離子鍍真空的測(cè)量值，一個(gè)廣泛研究的噪聲振幅頻譜顯示了時(shí)域噪聲頻譜的概率分布類(lèi)似于Nakagami－m 分布，它的概率密度函數(shù)可表示為:

其中:r 是隨機(jī)變量，p 是相應(yīng)隨機(jī)變量的概率.Γ(m)是伽馬函數(shù)，m 是Nakagami 衰落和瑞利分布之間的相似度.此項(xiàng)研究的仿真表明，m=1 時(shí)，Nakagami 的概率密度函數(shù)與瑞利分布的概率密度函數(shù)一樣;當(dāng)m ＞1 時(shí)，Nakagami 比瑞利分布的概率密度函數(shù)擁有較小的方差和較大的平均值，當(dāng)m ＜1 時(shí)，恰好相反.圖2表示m 取值不同時(shí)，Nakagami 概率密度的分布.

1.2 脈沖噪聲

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法，利用脈沖噪聲干擾信道［6］分析了OFDM 系統(tǒng)的性能.通過(guò)假設(shè)大量統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的噪聲干擾來(lái)創(chuàng)建脈沖噪聲模型，根據(jù)每個(gè)干擾產(chǎn)生的噪聲帶寬，脈沖噪聲通常分為3 類(lèi)(上述的③④⑤).本文主要關(guān)注周期脈沖噪聲模型.值得一提的是，噪聲帶寬認(rèn)為是相當(dāng)或低于干擾通信系統(tǒng)的帶寬，因此在模擬接收機(jī)瞬態(tài)效應(yīng)階段可以忽略不計(jì).加入脈沖噪聲的信道模型可表示為:

其中:s 表示傳播的符號(hào)，n 表示A 類(lèi)分布的隨機(jī)變量，r 表示接收到的值.

此外，為了模擬一直存在的熱接收機(jī)噪聲，添加了高斯噪聲部分.A 類(lèi)噪聲的概率密度函數(shù)可表示為:

其中:η*表示η 的共軛，

參數(shù)A 表示脈沖指標(biāo)，它是由單位時(shí)間脈沖的平均數(shù)和發(fā)送脈沖進(jìn)入接收機(jī)的平均持續(xù)時(shí)間提供.當(dāng)A →∞時(shí)，噪音呈現(xiàn)高斯分布且產(chǎn)生更多的結(jié)構(gòu)化噪聲.T 是高斯平均功率和脈沖噪聲分量平均功率的比值.

2 噪聲模型及仿真分析

在仿真前，這里首先分析實(shí)測(cè)噪聲信號(hào)的特點(diǎn).

1)周期性:電力線諧波噪聲以交流電頻率(FAC)的整數(shù)倍出現(xiàn)，存在周期性的傾向.產(chǎn)生這種周期性噪聲的原因是由于許多用電設(shè)備會(huì)在工頻交流電基波的某個(gè)固定相位上釋放出噪聲.因此，噪聲在時(shí)域中呈現(xiàn)一定的周期性.

2)連續(xù)性:在實(shí)際情況中，由于有大量的用電設(shè)備同時(shí)釋放出噪聲，而這些噪聲的瞬時(shí)功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會(huì)在電力線上產(chǎn)生時(shí)不變的連續(xù)噪聲.幅值較低的干擾就屬于這種噪聲，表現(xiàn)為平均功率較小，但頻譜很寬且持續(xù)存在.

3)隨機(jī)性:電力線上存在許多隨機(jī)發(fā)生的噪聲，這種隨機(jī)噪聲通常是由于高壓開(kāi)關(guān)的操作、雷電、較大的負(fù)荷變化、電力線路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脈沖噪聲或脈沖噪聲群，持續(xù)時(shí)間較短，但能量很集中，頻譜也很寬.

4)多變性:測(cè)量表明，低壓電力線上的噪聲存在多變性.這種多變性表現(xiàn)在兩個(gè)方面.首先是因時(shí)而變，即在不同時(shí)刻，噪聲的頻率、強(qiáng)度都各不相同.其次是因地而變，即在不同的低壓電網(wǎng)之間，噪聲情況各不相同;而在同一個(gè)低壓電網(wǎng)之內(nèi)，不同地點(diǎn)的噪聲情況也不相同.

在此分析基礎(chǔ)上，通過(guò)Matlab 軟件仿真出隨機(jī)噪聲與有色背景噪聲模型，如圖3所示.然后將該噪聲信號(hào)模型分別混入到OFDM 系統(tǒng)中.

圖3 (a)隨機(jī)噪聲模型

圖3 (b)有色背景噪聲模型

圖4顯示了在AWGN 信道中，不同的調(diào)制對(duì)應(yīng)的BER 曲線.圖5表示有/無(wú)卷積編碼的AWGN 信道BER 比較.

圖4 不同調(diào)制條件下BER 的比較

從圖4中可看出，不同階的QAM 調(diào)制性能差異比較明顯.16QAM 調(diào)制可有效地利用帶寬，并在帶寬利用率上比16PSK 更有效，它在抗誤碼性能方面優(yōu)于16PSK 調(diào)制.同時(shí)，低階的4QAM 調(diào)制性能優(yōu)于8QAM 與16QAM.這是由于在AWGN信道噪聲環(huán)境下，調(diào)制的階數(shù)越高，抗干擾性能越差，因此低階QAM 調(diào)制可使性能得到改善.

為了分析前向糾錯(cuò)(FEC)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，在仿真系統(tǒng)中采用卷積碼.卷積碼為(7，2，1)碼，其譯碼采用維特比譯碼，各子信道上的調(diào)制方式為分別采用不同階的QAM 調(diào)制.圖5顯示了有/無(wú)卷積編碼的AWGN 信道誤碼率.

圖5 有/無(wú)卷積編碼的AWGN 信道BER 比較

從圖5可看出，高斯白噪聲信道中使用卷積碼的情況下，前向糾錯(cuò)可大大提高系統(tǒng)的性能.當(dāng)誤碼率為10－4時(shí)(4QAM 調(diào)制)，卷積碼的編碼增益為大約4.5 dB，對(duì)于更低的誤碼率(10－8)，編碼增益可以達(dá)到6 dB 左右.16QAM 調(diào)制雖然采用了卷積碼，但是由于該高階調(diào)制提供的數(shù)據(jù)率較低，所以未能達(dá)到理想性能.

圖6 信道混入不同噪聲的BER 比較

圖6表示未編碼高斯白噪聲、卷積編碼高斯白噪聲和有色背景噪聲對(duì)信道誤碼率的影響.顯然，在未采用前向糾錯(cuò)的情況下，有色背景噪聲對(duì)信道的影響比較平緩.噪聲幅度較小時(shí)，隨機(jī)噪聲(加性高斯白噪聲)對(duì)信道影響較大，但是當(dāng)噪聲幅度提高時(shí)(SNR ≈12 dB)，隨機(jī)噪聲對(duì)信道的影響明顯下降，此時(shí)，對(duì)信道影響較大的則為有色背景噪聲.當(dāng)采用前向糾錯(cuò)技術(shù)時(shí)，AWGN 信道傳輸?shù)腂ER 很小，此時(shí)的傳輸比較理想.

3 結(jié)論

本文首先分析OFDM 電力線通信系統(tǒng)中的主要噪聲干擾，并根據(jù)實(shí)測(cè)模型分別建立噪聲信號(hào)的仿真模型.在仿真階段，針對(duì)建立的噪聲模型，分別混入到通信信道中，并采用不同階的調(diào)制方式.結(jié)果表明，低階QAM 調(diào)制可使性能得到改善.最后，對(duì)于OFDM 系統(tǒng)，采用前向糾錯(cuò)技術(shù)對(duì)信道誤碼率進(jìn)行分析.結(jié)果表明，采用卷積編碼前向糾錯(cuò)可有效降低加性高斯白噪聲信道接收端信號(hào)的誤碼率，大大提高系統(tǒng)的性能.

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