電力線載波通信中的自動增益控制技術(shù)

朱曉文 李中建 周勇軍

【摘 要】電平的穩(wěn)定性對載波通信系統(tǒng)的信號傳輸質(zhì)量起到了重要的影響。因此，在電力線載波通信系統(tǒng)中，應(yīng)用自動增益控制技術(shù)，能夠?qū)﹄娖降姆€(wěn)定性起到有效的控制，顯著提升載波通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。本文主要對電力線載波通信中自動增益控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討，分析各種自動增益控制算法的分類與具體應(yīng)用范圍，通過實(shí)驗(yàn)證明電力線載波通信中自動增益控制技術(shù)應(yīng)用的可行性。

【關(guān)鍵詞】電力線；載波通信；自動增益控制；門限比較法

前言

電纜線載波通信主要是依靠電力線作為媒介進(jìn)行信號的傳輸，是電力部門特有的通信方式，主要用于電力系統(tǒng)中發(fā)變電站、開關(guān)站等基站。能夠幫助電力系統(tǒng)對電力線路輸送、保護(hù)起到宏觀控制作用，也能幫助電力系統(tǒng)對電話進(jìn)行有效的調(diào)度。實(shí)際上，在電力線上進(jìn)行載波通信難度較高，電力線不適合作為載波信號傳輸?shù)拿浇?。由于在電力線上進(jìn)行載波通信環(huán)境較為惡劣，因此必須采用更為先進(jìn)的信號質(zhì)量提升技術(shù)，才能保證電力線載波通信電平穩(wěn)定性，提升電力線載波通信系統(tǒng)信號傳輸?shù)男盘栙|(zhì)量。

一、電力線載波通信系統(tǒng)工作原理

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，逐步帶動了通信技術(shù)的發(fā)展，為電力線載波通信系統(tǒng)優(yōu)化奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。充分應(yīng)用計算機(jī)信息技術(shù)與數(shù)字信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電力線載波網(wǎng)絡(luò)，提升傳輸信號質(zhì)量?，F(xiàn)階段廣泛使用的電力線載波通信主要使用的是全數(shù)字接收機(jī)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)通過將A/D模塊前移迅速將帶通信信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字帶通信號輸送至DDS模塊，然后由DDS模塊將數(shù)字帶通信號解調(diào)，解調(diào)之后形成數(shù)字基帶信號，實(shí)現(xiàn)信號的全面數(shù)字信號處理。

圖1 電力線載波通信數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)

電力線載波通信數(shù)字接收機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用模擬自動增益控制與數(shù)字自動增益控制兩種二級控制手段，模擬自動增益控制是為了確保A/D模塊中的信號能夠?qū)崿F(xiàn)較為全面覆蓋，不會產(chǎn)生溢出。如果信號超過了A/D模塊的覆蓋范圍，就會導(dǎo)致信號溢出丟失，如果信號覆蓋A/D模塊的范圍較小，就會使得信號轉(zhuǎn)化的質(zhì)量降低，也會導(dǎo)致信號丟失。因此，模擬自動增益控制的使用能夠動態(tài)的調(diào)整電力線載波通信數(shù)字接收機(jī)前段結(jié)構(gòu)的增益情況，提升信號的傳輸質(zhì)量。如果A/D模塊處理的信號中存在外帶信號的干擾，就會導(dǎo)致有用信號功率分配的降低，通過信號消除后，會造成信號星座圖的動態(tài)變化，形成誤碼。依靠數(shù)字自動增益控制處理之后，將通過均衡器的信號進(jìn)行調(diào)整，保證信號星座圖的大小符合要求。

模擬自動增益控制與數(shù)字自動增益控制的區(qū)別主要是施加增益的方式存在一定的差異。模擬自動增益控制主要是依靠模擬放大電路對接收信號進(jìn)行放大或者縮小處理；數(shù)字自動增益控制是通過數(shù)字乘法器對數(shù)字信號進(jìn)行放大或者縮小處理。模擬自動增益控制的增益方式與數(shù)字自動增益控制的增益方式都是利用自動增益算法進(jìn)行計算后得到的，模擬自動增益控制主要是使用單路的實(shí)帶通數(shù)字信號，數(shù)字自動增益控制使用的是雙路復(fù)基帶數(shù)字信號，基本自動增益算法沒有本質(zhì)的差異。

二、自動增益算法

自動增益的算法基本結(jié)構(gòu)如圖2進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖2 自動增益算法的基本結(jié)構(gòu)圖

第一次增益g是對每L（L>1）個y（n）信號進(jìn)行，從L個輸出信號y（Lm），y（Lm-1），……，y（Lm -L+1）估算出參量a（m），然后將a（m）與門限d進(jìn)行對比分析，計算出差量e（m），通過分析差量e（m）采用代算法計算增益g（m）的參數(shù)值。

（一）參量a（m）的估算方法與門限d的參數(shù)

自動增益算法可以將當(dāng)前所有的輸出信號y（n）的平均幅度、最高幅度、平均功率等參量進(jìn)行綜合分析并將其作為評判標(biāo)準(zhǔn)對信號的增益情況進(jìn)行調(diào)整。參量a（m）的平均幅度、最高幅度、平均功率，對應(yīng)的門限d就是相應(yīng)的參考參數(shù)值。

a（m）幅度峰值的計算公式：

a（m）=max{丨y（Lm）丨，丨y（Lm-1）丨，……，

丨y（Lm -L+1）丨} （1）

a（m）的平均幅度計算公式：

a（m）= {丨y（Lm）丨，丨y（Lm-1）丨，……，

丨y（Lm -L+1）丨} （2）

a（m）的平均功率計算公式為：

a（m）= {丨y（Lm）丨2，丨y（Lm-1）丨2，……，

丨y（Lm -L+1）丨2} （3）

上述公式中L為窗口的大小，根據(jù)實(shí)際信號的情況可以進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；門限d的數(shù)值也可以根據(jù)實(shí)際信號的情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

（二）增益迭代算法

增益的迭代算法主要有兩種，第一種是門限比較法，第二種是LMS迭代法。

1、門限比較法計算增益

當(dāng)a（m）>dH；e（m）<0的時候，計算公式為：

g（m+1）=kH×g（m），（0

當(dāng)a（m）0的時候，計算公式為：

g（m+1）=kL×g（m），（01） （5）

上述公式中，kH kL 均為固定值，不會隨著e（m）的動態(tài)變化而變化，當(dāng)dH與dL相等時，作為單門限進(jìn)行比較；當(dāng)dH與dL不相等時，作為雙門限比較。

2、LMS迭代算法

LMS迭代算法的計算公式為：

y（n）=g（m）×x（n）， （n= Lm ，Lm-1，……，Lm -L+1） （6）

a（m）= f[y（Lm）， y（Lm-1），……，y（Lm -L+1）] （7）

e（m）=d-a（m） （8）

g（m+1）=g（m）+b×e（m） （9）

上述公式中，0

（三）自動增益算法的應(yīng)用

模擬自動增益控制主要使用最高幅度參量與門限比較法進(jìn)行計算增益參數(shù)，因?yàn)槟M自動增益控制主要是避免信號從A/D模塊溢出造成信號的丟失，而且由于模擬自動增益控制的增益方案采用的是模擬方式，無法實(shí)現(xiàn)較為靈活的增益變化，采用門限法能夠較為準(zhǔn)確的選擇增益幅度。數(shù)字自動增益算法一般使用平均幅度參量、平均功率參量依靠LMS迭代算法進(jìn)行增益參數(shù)的計算。

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