電力線載波通信的可靠性提升

張曙光

摘 要：電力線載波通信，使用我們平時(shí)所常見(jiàn)的電力線本身作為通信介質(zhì)，是智能電網(wǎng)采集中最具先天優(yōu)勢(shì)的通信方式。但在實(shí)際應(yīng)用中，電力線受電抗和負(fù)載干擾的影響，信號(hào)衰減較大，直接影響其通信的可靠性。為了使其信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提升，研究發(fā)現(xiàn)OFDM方式抵抗“多徑效應(yīng)”和干擾的效果明顯，頻譜的利用率也較高，也是目前如皋地區(qū)電力線載波使用最廣泛的調(diào)制方式；而FSK、PSK適用干擾程度較小或者干擾穩(wěn)定的情況，將兩者結(jié)合優(yōu)化，再加上有關(guān)電力線載波通信信道阻抗和衰減特征實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)支持，就可以形成一套完整的相關(guān)模擬方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)可靠性；電力線載波通信；抗干擾能力

電力線載波通信的基本原理

所謂電力線載波通信，就是將信息調(diào)制為高頻信號(hào)并耦合至電力線路，利用電力線路作為介質(zhì)進(jìn)行通信的技術(shù)。在電力線上將模擬或數(shù)字信號(hào)通過(guò)載波方式進(jìn)行傳輸。接收端接收到載有信號(hào)的載波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)帶有阻波器的耦合裝置提取出有用信號(hào)并通過(guò)接受機(jī)分離高頻信號(hào)，濾去干擾信號(hào)后還原成原有的模擬或數(shù)字信號(hào)[1]。這樣并不必像其他有線通信方式那樣去重新建設(shè)通信線路，也不必像無(wú)線通信那樣要用更為復(fù)雜的收發(fā)裝置還占用有限的無(wú)線頻譜資源，因此對(duì)綜合變單臺(tái)區(qū)下的用戶(hù)來(lái)使用是非常適合的。

電力線載波通信除了調(diào)制解調(diào)設(shè)備、耦合單元等構(gòu)成模塊[2]。載波通信調(diào)制技術(shù)也是電力線載波通信的重要組成部分。江蘇使用調(diào)制方式主要有 BFSK、BPSK、OFDM等，采用40-500kHz的頻段，約幾十比特每秒的傳輸速率，雖然通信速率較低，但設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單且擁有較為成熟的技術(shù)。

載波調(diào)制技術(shù)

1、FSK：（Frequency-Shift Keying ）頻移鍵控。是“利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的種數(shù)字調(diào)制技術(shù)”[5]。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)，用途廣泛，常用于中低速數(shù)據(jù)的傳輸。

2、PSK： （ Phase-Shift Keying ）相移鍵控。在PSK調(diào)制中，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。PSK在一般的通信傳輸中抗干擾性很強(qiáng)，在有衰落的信道中也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

3、OFDM：（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 正交頻分復(fù)用。實(shí)際上OFDM是MCM（ Multi-Carrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：“將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速戶(hù)數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸”[4]。

電力線信道中的有多種影響信號(hào)傳輸?shù)牟涣家蛩兀渲凶铒@著就是“多徑效應(yīng)、信道衰落和設(shè)備噪聲的干擾”。OFDM系統(tǒng)中通過(guò)使用循環(huán)前綴的方法加長(zhǎng)分支中符號(hào)周期來(lái)抑制電力線多徑效應(yīng)中由信號(hào)反射造成的干擾。

FSK和PSK經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后適用干擾程度較小或者干擾穩(wěn)定的情況；OFDM適用于各種不同環(huán)境下進(jìn)行通信，還可以在保證可靠通信的條件下進(jìn)行高速通信。

電力線載波通信信道建模

電力線信道可等效成二端口網(wǎng)絡(luò)。傳輸矩陣為 。Z0為負(fù)載阻抗。則輸入阻抗的表達(dá)式見(jiàn)式1：

式中，N（t） 為總加性噪聲。

電力線載波通信噪聲的分類(lèi)

電力線上的干擾噪聲可根據(jù)其形成因素、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、頻譜和干擾強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)研究。正常情況下，噪聲的干擾有背景噪聲和脈沖噪聲[6]。

擴(kuò)頻通信與OFDM結(jié)合的多載波CDMA技術(shù)

CDMA （碼分多址），它來(lái)源于擴(kuò)頻通信技術(shù)。其技術(shù)原理基于擴(kuò)頻技術(shù)：“即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去[3]。”

將OFDM與CDMA這兩者結(jié)合起來(lái)的多載波CDMA（MC-CDMA） 通信方式能同時(shí)具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，可有效解決電力線信道的干擾影響，提高電力線載波信號(hào)傳輸效率。

一、MC-CDMA原理

MC-CDMA系統(tǒng)允許在同一組子載波同時(shí)傳輸幾個(gè)這樣的用戶(hù)的信號(hào)。在下行鏈路復(fù)用，這可以通過(guò)使用逆FFT和碼矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MC-CDMA系統(tǒng)作為DS-CDMAMC-CDMA的特例。每個(gè)比特上發(fā)送N個(gè)不同的子載波。每個(gè)子載波有它自己的相位偏移量，由擴(kuò)頻碼確定的。

二、MC-CDMA抗噪聲性能

由前面的章節(jié)可以知道，之所以電力線載波通信的噪聲情況復(fù)雜，最重要的因素就是各個(gè)客戶(hù)端的用電設(shè)備的接入。由之前的用電設(shè)備噪聲試驗(yàn)可以得知，其噪聲有脈沖噪聲和背景噪聲兩類(lèi)。MC-CDMA調(diào)制中的擴(kuò)頻部分，讓它同時(shí)具有擴(kuò)頻通信的抗噪性。接下來(lái)研究MC-CDMA抗噪聲性能。

1、抗脈沖噪聲性能

對(duì)J（t） 進(jìn)行 傅里葉變換。GJ（f） 為干擾功率譜密度。Ba為帶寬。將濾波后的干擾信號(hào)放入相關(guān)器，相關(guān)器的主瓣帶寬Bc 遠(yuǎn)大于Ba。

相關(guān)器輸出的干擾功率用式4表示。

基帶濾波器的單位沖激響應(yīng)h （t ） 。基帶濾波器的輸出Vj （X ， t ） 。見(jiàn)式5

根據(jù)干擾Vj （X ， t ）的自相關(guān)值，取平均時(shí)間后進(jìn)行傅里葉變換。得式6

在式6中，SC （f ） 為本地?cái)U(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。H （f ）是系統(tǒng)函數(shù)h （t ） 的傅里葉變換。│H （f ）│2是功率傳輸函數(shù)。BC 遠(yuǎn)大于Ba，因此H（f ） 的通帶內(nèi)干擾的頻譜被拓寬很大。基帶濾波器輸出的單頻干擾功率譜密度得到有效減小，為提高信噪比起到了關(guān)鍵作用。

2、抗背景噪聲性能

背景噪聲在擴(kuò)頻、解擴(kuò)和基帶濾波后，得到輸出信號(hào)的平均功率譜密度。見(jiàn)式 。

式中H（f） 為系統(tǒng)函數(shù)h （t）的傅里葉變換。Sn（f）和Sc（f）分別表示本地干擾信號(hào)和擴(kuò)頻碼的功率譜密度。干擾信號(hào)的帶寬為fn。中心頻率為fon。本地?cái)U(kuò)頻碼的帶寬為fs。中心頻率為foc。卷積公式 。

三、MC-CDMA抗多徑干擾性能

在供電網(wǎng)絡(luò)中，電力線連接千家萬(wàn)戶(hù)，支線很多且極為復(fù)雜，多徑效應(yīng)明顯。從前述上看，信號(hào)在通信的時(shí)候會(huì)從各種路徑到達(dá)接收裝置，在相互影響下，導(dǎo)致誤碼甚至接收失敗。經(jīng)過(guò)改良后的OFDM系統(tǒng)以降低信號(hào)傳輸速率的方式來(lái)使得碼元周期變長(zhǎng)，也就一定程度上提高了系統(tǒng)的抗多徑干擾性。若在每個(gè)OFDM符號(hào)插入循環(huán)前綴CP，就能讓其符號(hào)的時(shí)間寬度變大，以此來(lái)消除系統(tǒng)符號(hào)和符號(hào)內(nèi)部之間的相互干擾。

如果插入的循環(huán)前綴過(guò)長(zhǎng)，損耗就會(huì)變多，為了維持平衡，就需在系統(tǒng)中添加均衡機(jī)制來(lái)控制其合理長(zhǎng)度。

四、MC-CDMA仿真

OFDM系統(tǒng)中，先要將輸入碼串并轉(zhuǎn)換成q列的并行傳輸序列，然后對(duì)每個(gè)序列擴(kuò)頻，進(jìn)行傅里葉逆變換后調(diào)制到子載波上。因此載波總數(shù)N = q？Np。假設(shè)擴(kuò)頻碼Np= 1，則系統(tǒng)就有q條子信道。

仿真的各項(xiàng)設(shè)定：q=32，Np=16，得到N=512，調(diào)制方式為 BPSK，并采用了卷積碼編碼。通過(guò)在仿真系統(tǒng)中添加白噪聲和脈沖噪聲以模擬出電力線載波通信中受到的噪聲干擾。圖3得到差錯(cuò)率與信噪比的關(guān)系，并與同樣條件下仿真的OFDM進(jìn)行比較。

從圖3中得知，MC-CDMA在信道干擾環(huán)境一致的情況下，其差錯(cuò)率明顯低于OFDM，擁有很高的抗噪能力。

通過(guò)一系列的仿真，從結(jié)果上看OFDM系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)改良之后其抗噪性提高明顯。MC-CDMA系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了每個(gè)子載波的誤碼率，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗衰性，雖然以犧牲一定的比特速率為代價(jià)，但是仍然可以滿(mǎn)足電力信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)：

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