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］，它可以提供一個有限帶寬信道.該系統(tǒng)不僅通過使用現(xiàn)有電力線路的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)達到節(jié)省布線的目的，而且傳輸數(shù)據(jù)時不易被其他任何子網(wǎng)絡(luò)入侵，比無線和電話線路等常用信息傳輸線路更加安全.該項技術(shù)在智能樓宇通信自動化網(wǎng)絡(luò)改造中尤為重要.然而，電力線不是專用通信信道，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.噪聲干擾會使接收端信號誤碼率增加，從而影響整個通信質(zhì)量.因此，有必要對電力線中的噪聲干擾進行有效分析，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，數(shù)字通信系統(tǒng)的研究發(fā)展很迅速，它為有線和無線傳輸提供高質(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)是一個在有限帶寬環(huán)境下的一個數(shù)字數(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，對于電力線通信，OFDM 被認為是其中一個最有效的調(diào)制方案.本文研究的目的是為電力線通信實現(xiàn)一個OFDM 通信鏈路，利用Matlab 和嵌入數(shù)字信號處理(DSP)系統(tǒng)進行虛擬發(fā)射機和接收機的模擬操作，并通過加入噪聲來干擾信號以進行系統(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)雜的噪聲和干擾問題［3，4］.電力線噪聲類別可以分為5 種:

①一個相對低的功率譜密度的有色背景噪聲，大量低功率噪聲來源的總和;

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

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，以下是對電力線影響較大的兩個噪音的分析.

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，是一種隨時間緩慢變化的隨機干擾，其功率譜密度(PSD)隨頻率增加而減小.

圖2 m=1 和m=0.5 時的Nakagami 概率密度函數(shù)

文獻［5］中，通過來自實驗室和多弧離子鍍真空的測量值，一個廣泛研究的噪聲振幅頻譜顯示了時域噪聲頻譜的概率分布類似于Nakagami－m 分布，它的概率密度函數(shù)可表示為:

其中:r 是隨機變量，p 是相應(yīng)隨機變量的概率.Γ(m)是伽馬函數(shù)，m 是Nakagami 衰落和瑞利分布之間的相似度.此項研究的仿真表明，m=1 時，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，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，恰好相反.圖2表示m 取值不同時，Nakagami 概率密度的分布.

1.2 脈沖噪聲

通過統(tǒng)計分析方法，利用脈沖噪聲干擾信道［6］分析了OFDM 系統(tǒng)的性能.通過假設(shè)大量統(tǒng)計獨立的噪聲干擾來創(chuàng)建脈沖噪聲模型，根據(jù)每個干擾產(chǎn)生的噪聲帶寬，脈沖噪聲通常分為3 類(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，因此在模擬接收機瞬態(tài)效應(yīng)階段可以忽略不計.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，n 表示A 類分布的隨機變量，r 表示接收到的值.

此外，為了模擬一直存在的熱接收機噪聲，添加了高斯噪聲部分.A 類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，它是由單位時間脈沖的平均數(shù)和發(fā)送脈沖進入接收機的平均持續(xù)時間提供.當(dāng)A →∞時，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，這里首先分析實測噪聲信號的特點.

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)備會在工頻交流電基波的某個固定相位上釋放出噪聲.因此，噪聲在時域中呈現(xiàn)一定的周期性.

2)連續(xù)性:在實際情況中，由于有大量的用電設(shè)備同時釋放出噪聲，而這些噪聲的瞬時功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產(chǎn)生時不變的連續(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)隨機性:電力線上存在許多隨機發(fā)生的噪聲，這種隨機噪聲通常是由于高壓開關(guān)的操作、雷電、較大的負荷變化、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)時間較短，但能量很集中，頻譜也很寬.

4)多變性:測量表明，低壓電力線上的噪聲存在多變性.這種多變性表現(xiàn)在兩個方面.首先是因時而變，即在不同時刻，噪聲的頻率、強度都各不相同.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;而在同一個低壓電網(wǎng)之內(nèi)，不同地點的噪聲情況也不相同.

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

圖3 (a)隨機噪聲模型

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)制對應(yīng)的BER 曲線.圖5表示有/無卷積編碼的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，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(FEC)對系統(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/無卷積編碼的AWGN 信道誤碼率.

圖5 有/無卷積編碼的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，前向糾錯可大大提高系統(tǒng)的性能.當(dāng)誤碼率為10－4時(4QAM 調(diào)制)，卷積碼的編碼增益為大約4.5 dB，對于更低的誤碼率(10－8)，編碼增益可以達到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信道誤碼率的影響.顯然，在未采用前向糾錯的情況下，有色背景噪聲對信道的影響比較平緩.噪聲幅度較小時，隨機噪聲(加性高斯白噪聲)對信道影響較大，但是當(dāng)噪聲幅度提高時(SNR ≈12 dB)，隨機噪聲對信道的影響明顯下降，此時，對信道影響較大的則為有色背景噪聲.當(dāng)采用前向糾錯技術(shù)時，AWGN 信道傳輸?shù)腂ER 很小，此時的傳輸比較理想.

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)實測模型分別建立噪聲信號的仿真模型.在仿真階段，針對建立的噪聲模型，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，對于OFDM 系統(tǒng)，采用前向糾錯技術(shù)對信道誤碼率進行分析.結(jié)果表明，采用卷積編碼前向糾錯可有效降低加性高斯白噪聲信道接收端信號的誤碼率，大大提高系統(tǒng)的性能.

［1］ 張林山，楊晴，崔玉峰，等.面向三網(wǎng)融合的低壓配網(wǎng)通信技術(shù)綜述［J］.云南電力技術(shù)，2011(1) ：28 －30.

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