中壓配電網(wǎng)載波通信調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究*

謝志遠(yuǎn)，楊 星，貢振崗，吳曉燕，郭以賀

（華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003）

中壓配電網(wǎng)載波通信是指利用10 kV配電網(wǎng)現(xiàn)有的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和信息傳遞的技術(shù)。配電網(wǎng)在我國(guó)的建設(shè)已經(jīng)相當(dāng)完善，利用配電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，不需要重新布線，成本低廉，因此受到人們的廣泛關(guān)注。同時(shí)，電力線信道噪聲干擾強(qiáng)、頻率選擇性衰落復(fù)雜的傳輸特性，嚴(yán)重制約著電力線通信的發(fā)展。而調(diào)制方式的加入是有效解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)之一。早期的窄帶調(diào)制方式技術(shù)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，但隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提高，傳統(tǒng)的窄帶通信已經(jīng)不能滿足要求，新的調(diào)制技術(shù)——正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)在抗干擾、抗多徑特性以及抗衰減方面具有很強(qiáng)的能力，尤其適用于電力線高速數(shù)字通信,因此成為目前配電網(wǎng)載波通信調(diào)制方式中的研究熱點(diǎn)。

本文首先介紹了OFDM的調(diào)制原理，針對(duì)中壓電力線信道的特點(diǎn),基于傳輸線理論建立了其衰減特性模型,仿真了此信道情況下OFDM的誤碼率性能，以及信道特性逐漸惡劣的情況下[1],OFDM的抗頻率選擇性衰落能力，為更好地發(fā)揮OFDM在中壓配電網(wǎng)載波通信中的優(yōu)勢(shì)提供一定的參考。

1 正交頻分復(fù)用原理

正交頻分復(fù)用是一種特殊的多載波調(diào)制技術(shù)[2-3],通過(guò)將發(fā)送的數(shù)據(jù)流分解為多個(gè)子比特流，使每個(gè)子數(shù)據(jù)流的速率迅速降低，從而大大提高了其抗信道衰落、抗多徑的能力。將原信號(hào)序列分割成N個(gè)子信號(hào)后，子信號(hào)的碼元速率降為原來(lái)的1/N倍，即Rb/N，周期為T(mén)s=NT。然后用這N個(gè)子信號(hào)分別去調(diào)制N個(gè)相互正交的子載波，各個(gè)子信道的已調(diào)制信號(hào)相加就形成了OFDM發(fā)射信號(hào)。實(shí)際輸出的信號(hào)可以表示為：

式中dn(t)為第n個(gè)子載波上的復(fù)數(shù)信號(hào)。dn(t)在一個(gè)符號(hào)期間Ts上為常數(shù)，即dn(t)=dn。OFDM信號(hào)又可以用復(fù)數(shù)形式表示為:

其中，ωn=ωc+n△ω為第n個(gè)子載波角頻率，基帶處理時(shí)可令ωc=0，因?yàn)镺FDM信號(hào)首先經(jīng)過(guò)基帶調(diào)制，然后經(jīng)過(guò)上變頻送入信道。對(duì)式(2)進(jìn)行簡(jiǎn)化后以采樣間隔T采樣，則有:

而離散傅里葉變換（IDFT）形式為：

由圖1可見(jiàn)，OFDM在信號(hào)發(fā)送時(shí)，先對(duì)伯努利二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的44 bit(一幀)源數(shù)據(jù)進(jìn)行RS(15,11)編碼，再進(jìn)行QPSK信道映射得到30 bit有效數(shù)據(jù)，根據(jù)快速傅里葉逆變換(IFFT)定義，要把數(shù)據(jù)插在低頻處，需要將所得30 bit數(shù)據(jù)搬移到IFFT的兩邊，中間補(bǔ)零，第一位0為DC子載波，接收時(shí)容易受到干擾所以也插零。因此有效數(shù)據(jù)所在位置為[2:16,50:64]，其余位為0。再經(jīng)過(guò)快速傅里葉逆變換(IFFT)將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闀r(shí)域信號(hào)，IFFT長(zhǎng)度為 64，Selector模塊參數(shù)設(shè)置為[39:64,1:64]將后26個(gè)數(shù)據(jù)搬移到數(shù)據(jù)前端作循環(huán)前綴，并進(jìn)行并/串變換后送入信道。該信道為電力線信道模型，噪聲假設(shè)為高斯白噪聲。接收端除了加入信道估計(jì)和信道補(bǔ)償部分外，與發(fā)送端過(guò)程相反。

2 中壓電力線信道模型

對(duì)中壓電力線信道進(jìn)行建模，主要考慮強(qiáng)烈的噪聲干擾和復(fù)雜的衰減特性對(duì)信號(hào)的影響。本文假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，重點(diǎn)對(duì)信道的衰減特性進(jìn)行分析，利用傳輸線理論建立其模型。

2.1 均勻雙導(dǎo)體傳輸線理論[4]

2.1.1 均勻架空線

隨著配電網(wǎng)載波通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳輸線的研究越來(lái)越深入。一段架空電纜若各處有相同的尺寸、相同的材質(zhì)，即為典型的均勻傳輸線，可以用二端口網(wǎng)絡(luò)模型表示，如圖2所示。設(shè)：

圖2 二端口網(wǎng)絡(luò)模型

其中網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移參數(shù)矩陣為:

la表示線纜長(zhǎng)度,γa表示線纜的傳播常數(shù)，Zz則為線纜的特性阻抗。

2.1.2 分支線路

網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常存在分支線路，其影響可以歸結(jié)為等效輸入阻抗并聯(lián)在主干線上，輸入阻抗的傳輸參數(shù)矩陣為：

輸入阻抗為：

其中l(wèi)a為分支線的長(zhǎng)度，Zb為特性阻抗，γa為傳播常數(shù)，Zlb為終端所接變壓器的等效阻抗。

2.1.3 總體模型

電力線信道由不同架空線的串聯(lián)單元和不同分支線的并聯(lián)單元組成。由以上分析可知，要建立電力線信道的模型，只需要把參數(shù)相同的一段主干線路或分支線的輸入阻抗等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，再將其級(jí)聯(lián)即可。

若每一個(gè)二端網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣為Ai,則級(jí)聯(lián)后總的矩陣為:

2.2 均勻多導(dǎo)體傳輸線理論

配電網(wǎng)絡(luò)并不能直接用平行雙線系統(tǒng)描述，而是需要用多導(dǎo)體傳輸線理論，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中的輸電線路多為交流三相或者直流雙極模式，各導(dǎo)線間存在著相互耦合效應(yīng)，利用模式變換可以消除其影響，且解耦后的各模分量仍然遵循傳輸線方程。多導(dǎo)體傳輸線電壓、電流滿足的是矩陣方程，對(duì)n+1根導(dǎo)線系統(tǒng)，它們用n階列矩陣表示。 線路的原參數(shù) R0、L0、C0也變成了矩 陣 R0n×n、L0n×n、C0n×n。線路阻抗矩陣和導(dǎo)納矩陣為 Z0=R0+jωL0,Y0=G0+jωC0。

將雙導(dǎo)體傳輸線方程中的電流、電壓、單位長(zhǎng)度的電容、電感均用矩陣表示，即得：

傳輸線方程的解為:

式(10)中的四個(gè)鏈參數(shù)用雙曲線正弦及雙曲線余弦函數(shù)表示為:

其中Zc為特性阻抗，它是一個(gè)復(fù)數(shù)矩陣。

圖3 配電網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化模型

基于以上傳輸線參數(shù)計(jì)算理論，根據(jù)實(shí)際的配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，建立一個(gè)簡(jiǎn)單的仿真網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，其中 AB段長(zhǎng)度 150 m，BC段長(zhǎng)度 100 m，BD段 30 m，A、D兩側(cè)為端接的配電變壓器,A點(diǎn)為信號(hào)源所在位置。根據(jù)此仿真網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以利用Simulink中三相輸電線路模型進(jìn)行建模，參數(shù)則可以由Power_lineparam工具計(jì)算得到,變壓器采用參考文獻(xiàn)[4]中的變壓器簡(jiǎn)化模型。仿真得到了該信道衰減特性的計(jì)算結(jié)果，圖4為仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量的線路輸入阻抗對(duì)比。從圖中可以看出,隨著頻率的增加，信道呈現(xiàn)頻率選擇性衰減，這是因?yàn)殡娏€網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分支線路的存在以及元件參數(shù)的不同造成了阻抗不匹配以及信號(hào)的多徑傳播。嚴(yán)重時(shí)在某些頻點(diǎn)上甚至出現(xiàn)深度衰落。

圖4 10 kV線路衰減特性仿真與測(cè)量結(jié)果對(duì)比

3 仿真結(jié)果及分析

通過(guò)一系列的仿真測(cè)試，繪出了在所測(cè)量的信道特性下OFDM系統(tǒng)信噪比與誤碼率的關(guān)系曲線，如圖5所示?？梢钥闯?OFDM技術(shù)可以在電力線信道下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸，信噪比高于6 dB時(shí)，誤碼率明顯下降；信噪比為13 dB時(shí)，誤碼率達(dá)到10-3以下；經(jīng) RS編碼后信噪比在11.5 dB以上誤碼率即為零?？梢?jiàn)編碼方法的加入有效地提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴Ｍ瑫r(shí)，由圖4還可以看出，信噪比逐漸提高時(shí)，誤碼率下降卻是比較緩慢的。這是因?yàn)橄到y(tǒng)中所有子載波的位置、調(diào)制方式等都是固定的，并沒(méi)有因?yàn)樾诺捞匦缘淖兓M(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，這樣系統(tǒng)的誤碼率就取決于衰落最嚴(yán)重的子載波。

圖5 電力線信道下系統(tǒng)誤碼率

隨著電力線信道特性逐漸惡劣，深度衰減頻段逐漸增加，信號(hào)傳輸?shù)目煽啃源笫苡绊?。圖6畫(huà)出了子載波通過(guò)率越來(lái)越大的情況下，信號(hào)的傳輸效果。未經(jīng)RS編碼時(shí)，當(dāng)深度衰落高于12%，即子載波通過(guò)率低于88%時(shí)，誤碼率均在10-2以上，通信可視為中斷；隨著子載波不斷增加誤碼率迅速下降，90%以后，誤碼率下降到10-4以下。經(jīng)過(guò)RS編碼，78%的子載波通過(guò)后誤碼率即為零，抗衰落性能得到明顯改善。除了對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼以外，由于OFDM是把信道劃分為若干子信道，可以根據(jù)信道實(shí)際傳輸情況靈活地分配發(fā)送功率和信息比特，更加有效地利用信道資源。

圖6 惡劣信道下系統(tǒng)誤碼率

OFDM技術(shù)是現(xiàn)代電力線通信的關(guān)鍵技術(shù),為研究其克服電力線信道頻率選擇性衰落的能力，本文在Matlab/Simulink平臺(tái)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OFDM的中壓電力線載波通信系統(tǒng)仿真，其中電力線信道是根據(jù)山西某中壓配電網(wǎng)的衰減特性建模，仿真結(jié)果驗(yàn)證了OFDM技術(shù)在中壓電力線多徑衰落信道的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信。當(dāng)信道特性逐漸惡劣時(shí)，深度衰落在12%以內(nèi)的范圍，OFDM仍能可靠通信，經(jīng)過(guò)RS編碼，78%的子載波通過(guò)后誤碼率即為零，明顯地提高了系統(tǒng)抗多徑衰落的能力。

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