淺析電力線載波的信號處理技術

◆許國強 馮秀玲

淺析電力線載波的信號處理技術

◆許國強 馮秀玲

旨在通過信號處理技術減少電力線載波通信信道的噪聲，改善其通信環(huán)境。這將使得用于高速數(shù) 據(jù)傳輸?shù)牡蛪号潆娋W(wǎng)絡能夠安全接入辦公和家庭網(wǎng)絡。現(xiàn)在，MC-CDMA技術、MCU技術等技術都在數(shù)字用戶線路方面存在一定的技術局限性。這些技術手段不能解決電力線載波通信信道中出現(xiàn)的信號衰減和信道噪聲。解決了這些噪聲和衰減問題，將為高速數(shù)據(jù)的傳輸提供一個全新的解決方案。

信號處理技術；電力線載波；網(wǎng)絡

1 引言

Internet的日益普及促使家庭用戶對互聯(lián)網(wǎng)帶寬有更大的需求。目前，網(wǎng)絡連接都是從光纖網(wǎng)絡單元通過窄帶雙絞線的方式接入用戶，即所謂的“最后1公里”。而這也正是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。為滿足家庭/辦公室不斷增加的網(wǎng)絡需求，就必須提高寬帶網(wǎng)絡接入的靈活性。

當前，解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接袃煞N：無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡。電力線載波（Power-Line Carrier，后文簡稱為PLC）傳輸是一種有線網(wǎng)絡，在電力線的通信信道中存在各種各樣的噪聲，其中，由于電網(wǎng)中的暫態(tài)過壓造成的異步脈沖噪聲尤其明顯。這類噪聲的PSD（Power Spectral Density，功率譜密度）將超過背景噪聲50 dB。這就使得電網(wǎng)進行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中很容易產(chǎn)生突發(fā)性的錯誤。另外，多地址干擾也是影響通信質量的一個重要因素。低壓電網(wǎng)中從變壓器到多用戶住宅的特性決定了該通信信道的復雜性。可見，要將電力線載波技術應用到實際的通信中，必須要通過信號處理技術解決該通信信道中的噪聲問題。

2 電力線通信模型

目前，電力線通信技術仍然是一個比較新的領域，一些標準正在逐步建立，特別是應用在寬帶通信方面。歐洲國家在使用的EN50065標準，指定一個為頻段3～148.5 kHz的低電壓電源信號。對于高速的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸來說，這顯然是不夠的。由于電力線通信需要從低頻率的信號中分離出高頻率的網(wǎng)絡信號，因此，該技術與其他直接傳輸信號的技術相比需要更寬的帶寬。如果要達到高質量的通信要求，并與傳輸速率為1～10 M/s的網(wǎng)線連接，那么，電力線通信的帶寬應該達到10 M以上才能滿足通信的要求。通過調幅的方式進行電力線載波，考慮到低壓電網(wǎng)的性質和潛在的服務需求，電力線的帶寬范圍甚至要達到30 M。但是，隨著頻率的增加，電力線的衰減也會大大增加。

對電力線載波通信信道進行數(shù)學建模，如式1所示：

其中，Np代表傳輸路徑的數(shù)量，gi代表第i路的加權因子，di代表第i路的長度，a0，a1，k為相對于頻率和長度的一般參數(shù)，vp為與導線長度相關的常量參數(shù)。

這個模型可以對電力線載波信號進行準確的仿真。在實際的電網(wǎng)中，往往存在眾多的分支機構和電源網(wǎng)絡阻抗失配的情況。該模型對這樣的電網(wǎng)中的物理信號進行了仿真。由于多路徑的信號傳輸，電力線的信號衰減與傳輸路徑的長度和信號頻率是成正比的。對4個不同用戶進行模擬信道頻率響應，如圖1所示，可以很容易地看到信道中傳輸信號的頻率依賴性衰減和頻率選擇性衰落。

在擁有多個用戶的DS-CDMA（Direct-Sequence Code Division Multiple Access，直接序列擴頻傳輸）傳輸系統(tǒng)中，每個用戶都會等概率地獲得M個獨立的二進制相移鍵控碼元的幀，而且這些來自不同用戶的符號序列被認為是相互獨立的。每個用戶的信號通過多途徑的方式進行傳播，這就使得接收器處的信號是多個用戶的信號的疊加和環(huán)境噪聲。通常情況下，離散時間的充分統(tǒng)計量是容易處理的。該技術主要是通過一個芯片匹配濾波器進行接收信號，然后對芯片速率采樣。

圖1 4個不同用戶的模擬信道的仿真

MC-CDMA（多載波碼分多址，MultiCarrier-Code Division Multiple Access）通信技術是在頻域中進行擴頻的DS-CDMA技術。該技術具有更高的抗干擾能力和較大的容量。

這是一個卷積編碼多用戶的MC-CDMA的示意圖，如圖2所示。每一個用戶的傳輸信號都首先通過標準的二進制編碼器進行編碼。編碼后的信號經(jīng)濾波器過濾掉信道中的噪聲。濾波之后，這些信號被分配到不同的子信道中，并對其進行正交振幅調制。調制之后的信號通過傅里葉逆變換轉換成真正的時域矢量。經(jīng)過從并行到串行、從數(shù)字到模擬的轉換，每個用戶的信號都傳輸在具有多地址信號和背景噪聲的信道中。在接收端，這些信號通過傅里葉變換重新轉換成頻域信號。

3 迭代多用戶檢測應用在PLC中

在信號處理的方法中，MUD（Multiuser Detection，多用戶檢測技術）是一種有效的處理多址信號干擾的技術。該技術通過對定義好的多用戶進行實時監(jiān)測，區(qū)分不同的環(huán)境噪聲，從而改善通信信道環(huán)境。基于Turbo多用戶檢測和解碼技術的框圖結構，如圖3所示。在這個結構中，包括兩部分：解調階段和解碼階段。解調是指軟指標的計算；解碼是指SISO（Soft Input Soft Output，軟輸入輸出）的解碼器。這兩個部分實現(xiàn)信號的交織和去交織作用。

圖2 多用戶MC-CDMA系統(tǒng)

圖3 迭代多用戶解調和解碼模型

用LLR（Log-Likelihood Ratio，對數(shù)似然函數(shù)）模擬信道中某個用戶的交織信號比特，如式2所示：

該式分成兩部分，前者為解調級獲得的信號，并進行了去交織，作為信道解碼器的校驗信號；后者為從解碼級傳遞過來的先驗對數(shù)似然函數(shù)，在相同的編碼位情況下，該值可以設置為0。同樣的，SISO信道解碼會計算每個編碼位的后校驗LLR，然后排除先校驗函數(shù)的影響，在kb~位的解碼階段獲得相應的信息，如式3所示：

該信息是解交織的，并可以反饋給解調級，作為下一次迭代的校驗信息。位為bk對應的解交織。在最后一次迭代中，SISO解碼器會計算后校驗的LLR信息位。

在解調階段，使用迭代處理方法會使最大似然的多用戶檢測技術和最小均方誤差并行干擾消除技術都獲得相同的性能。

通過分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)字用戶線路和無線通信中的數(shù)字信號處理技術可以應用在高速電力線載波通信中，并能起到很好的效果。具體來說，MC-CDMA可以用于電力線信號傳輸，多用戶檢測和迭代解碼可以用于對數(shù)據(jù)的檢測。這些技術在單載波的通信系統(tǒng)中能夠解決變信道衰減、多路徑頻率衰減、脈沖噪聲等問題。迭代的多用戶檢測技術能夠有效減少多路徑的干擾。糾錯解碼技術能夠解決脈沖噪聲的問題。迭代多用戶接收設備有時候顯得非常復雜。比如在電力線具有良好的通信條件下，傳統(tǒng)的接收設備能夠進行通信，而且結構簡單，成本低廉。

高校實訓室作為集中用電的場所，對于實驗室儀器設備的使用管理成為一個共性的技術難題，特別是對于用電設備，不但要考慮到設備的利用率最大化，而且要保證設備的安全穩(wěn)定運行。實驗室設備用電安全是高校實驗室建設與管理不可或缺的組成部分，利用電力線載波技術實現(xiàn)的用電管理控制系統(tǒng)，不失為一種全新的解決方案。利用電力線載波通信技術，分別采集實驗實訓室每臺設備的用電信息，可以根據(jù)不同設備的工作性質靈活地進行用電量設置，對各終端進行及時精確的用電管理，來滿足控制復雜多變任務的用電管理安全系統(tǒng)。

在此管理系統(tǒng)中，不需要人員現(xiàn)場干預，便可遠程了解和管理整個辦公場所的用電情況，但是我國低壓配電網(wǎng)的電網(wǎng)環(huán)境惡劣等因素制約了該技術的發(fā)展。隨著迭代多用戶檢測技術的應用，使得電力線載波技術在實驗實訓用電管理方面發(fā)揮重要的作用。

4 結束語

本文的目的是優(yōu)化電力線載波的信號處理技術，從而提高某些復雜信道的通信質量。本文中認為信號接收機可以識別通信信道的優(yōu)劣，但在實際中需要對信道進行相應的標識，并能考慮到信道的估計誤差。不論是對于時域還是頻域，用于糾錯解碼的尖峰脈沖的檢測問題仍然值得做進一步的研究。■

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Signal Processing for Powerline Carrier

XU Guoqiang， FENG Xiuling

In this paper， signal processing techniques to combat the adverse communications environment on power lines are addressed，so as to enable reliable high speed data communications over lowvoltage power distribution networks for Internet access and inhome/offi ce networking. It is seen that multi-carrier code division multiple access （MC-CDMA）， multi-user detection （MUD）， and turbo decoding， having demonstrated their limit-approaching capacity in digital subscriber line and wireless communication systems， are readily applied to power-line carrier. Strategies to deal with the most unfavorable noise source， the impulse noise， are alsodiscussed.

signal processing technology； power-line carrier；net work

G712

B

1671-489X（2016）10-0123-03

10.3969/j.issn.1671-489X.2016.10.123

作者：許國強，運城市運城職業(yè)技術學院講師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設計；馮秀玲，運城職業(yè)技術學院（044000）。