淺析電力線載波的信號(hào)處理技術(shù)

◆許國(guó)強(qiáng) 馮秀玲

淺析電力線載波的信號(hào)處理技術(shù)

◆許國(guó)強(qiáng) 馮秀玲

旨在通過信號(hào)處理技術(shù)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(luò)能夠安全接入辦公和家庭網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，MC-CDMA技術(shù)、MCU技術(shù)等技術(shù)都在數(shù)字用戶線路方面存在一定的技術(shù)局限性。這些技術(shù)手段不能解決電力線載波通信信道中出現(xiàn)的信號(hào)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(gè)全新的解決方案。

信號(hào)處理技術(shù)；電力線載波；網(wǎng)絡(luò)

1 引言

Internet的日益普及促使家庭用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)帶寬有更大的需求。目前，網(wǎng)絡(luò)連接都是從光纖網(wǎng)絡(luò)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(luò)需求，就必須提高寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的靈活性。

當(dāng)前，解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接袃煞N：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。電力線載波（Power-Line Carrier，后文簡(jiǎn)稱為PLC）傳輸是一種有線網(wǎng)絡(luò)，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(jìn)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(cuò)誤。另外，多地址干擾也是影響通信質(zhì)量的一個(gè)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(fù)雜性?？梢姡獙㈦娏€載波技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的通信中，必須要通過信號(hào)處理技術(shù)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(shù)仍然是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，一些標(biāo)準(zhǔn)正在逐步建立，特別是應(yīng)用在寬帶通信方面。歐洲國(guó)家在使用的EN50065標(biāo)準(zhǔn)，指定一個(gè)為頻段3～148.5 kHz的低電壓電源信號(hào)。對(duì)于高速的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸來(lái)說，這顯然是不夠的。由于電力線通信需要從低頻率的信號(hào)中分離出高頻率的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，因此，該技術(shù)與其他直接傳輸信號(hào)的技術(shù)相比需要更寬的帶寬。如果要達(dá)到高質(zhì)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(yīng)該達(dá)到10 M以上才能滿足通信的要求。通過調(diào)幅的方式進(jìn)行電力線載波，考慮到低壓電網(wǎng)的性質(zhì)和潛在的服務(wù)需求，電力線的帶寬范圍甚至要達(dá)到30 M。但是，隨著頻率的增加，電力線的衰減也會(huì)大大增加。

對(duì)電力線載波通信信道進(jìn)行數(shù)學(xué)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(quán)因子，di代表第i路的長(zhǎng)度，a0，a1，k為相對(duì)于頻率和長(zhǎng)度的一般參數(shù)，vp為與導(dǎo)線長(zhǎng)度相關(guān)的常量參數(shù)。

這個(gè)模型可以對(duì)電力線載波信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。在實(shí)際的電網(wǎng)中，往往存在眾多的分支機(jī)構(gòu)和電源網(wǎng)絡(luò)阻抗失配的情況。該模型對(duì)這樣的電網(wǎng)中的物理信號(hào)進(jìn)行了仿真。由于多路徑的信號(hào)傳輸，電力線的信號(hào)衰減與傳輸路徑的長(zhǎng)度和信號(hào)頻率是成正比的。對(duì)4個(gè)不同用戶進(jìn)行模擬信道頻率響應(yīng)，如圖1所示，可以很容易地看到信道中傳輸信號(hào)的頻率依賴性衰減和頻率選擇性衰落。

在擁有多個(gè)用戶的DS-CDMA（Direct-Sequence Code Division Multiple Access，直接序列擴(kuò)頻傳輸）傳輸系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都會(huì)等概率地獲得M個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制相移鍵控碼元的幀，而且這些來(lái)自不同用戶的符號(hào)序列被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。每個(gè)用戶的信號(hào)通過多途徑的方式進(jìn)行傳播，這就使得接收器處的信號(hào)是多個(gè)用戶的信號(hào)的疊加和環(huán)境噪聲。通常情況下，離散時(shí)間的充分統(tǒng)計(jì)量是容易處理的。該技術(shù)主要是通過一個(gè)芯片匹配濾波器進(jìn)行接收信號(hào)，然后對(duì)芯片速率采樣。

圖1 4個(gè)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(shù)是在頻域中進(jìn)行擴(kuò)頻的DS-CDMA技術(shù)。該技術(shù)具有更高的抗干擾能力和較大的容量。

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

3 迭代多用戶檢測(cè)應(yīng)用在PLC中

在信號(hào)處理的方法中，MUD（Multiuser Detection，多用戶檢測(cè)技術(shù)）是一種有效的處理多址信號(hào)干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過對(duì)定義好的多用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，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(cè)和解碼技術(shù)的框圖結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，包括兩部分：解調(diào)階段和解碼階段。解調(diào)是指軟指標(biāo)的計(jì)算；解碼是指SISO（Soft Input Soft Output，軟輸入輸出）的解碼器。這兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(diào)和解碼模型

用LLR（Log-Likelihood Ratio，對(duì)數(shù)似然函數(shù)）模擬信道中某個(gè)用戶的交織信號(hào)比特，如式2所示：

該式分成兩部分，前者為解調(diào)級(jí)獲得的信號(hào)，并進(jìn)行了去交織，作為信道解碼器的校驗(yàn)信號(hào)；后者為從解碼級(jí)傳遞過來(lái)的先驗(yàn)對(duì)數(shù)似然函數(shù)，在相同的編碼位情況下，該值可以設(shè)置為0。同樣的，SISO信道解碼會(huì)計(jì)算每個(gè)編碼位的后校驗(yàn)LLR，然后排除先校驗(yàn)函數(shù)的影響，在kb~位的解碼階段獲得相應(yīng)的信息，如式3所示：

該信息是解交織的，并可以反饋給解調(diào)級(jí)，作為下一次迭代的校驗(yàn)信息。位為bk對(duì)應(yīng)的解交織。在最后一次迭代中，SISO解碼器會(huì)計(jì)算后校驗(yàn)的LLR信息位。

在解調(diào)階段，使用迭代處理方法會(huì)使最大似然的多用戶檢測(cè)技術(shù)和最小均方誤差并行干擾消除技術(shù)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(wú)線通信中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以應(yīng)用在高速電力線載波通信中，并能起到很好的效果。具體來(lái)說，MC-CDMA可以用于電力線信號(hào)傳輸，多用戶檢測(cè)和迭代解碼可以用于對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)。這些技術(shù)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(cè)技術(shù)能夠有效減少多路徑的干擾。糾錯(cuò)解碼技術(shù)能夠解決脈沖噪聲的問題。迭代多用戶接收設(shè)備有時(shí)候顯得非常復(fù)雜。比如在電力線具有良好的通信條件下，傳統(tǒng)的接收設(shè)備能夠進(jìn)行通信，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

高校實(shí)訓(xùn)室作為集中用電的場(chǎng)所，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的使用管理成為一個(gè)共性的技術(shù)難題，特別是對(duì)于用電設(shè)備，不但要考慮到設(shè)備的利用率最大化，而且要保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用電安全是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理不可或缺的組成部分，利用電力線載波技術(shù)實(shí)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(shù)，分別采集實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室每臺(tái)設(shè)備的用電信息，可以根據(jù)不同設(shè)備的工作性質(zhì)靈活地進(jìn)行用電量設(shè)置，對(duì)各終端進(jìn)行及時(shí)精確的用電管理，來(lái)滿足控制復(fù)雜多變?nèi)蝿?wù)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(chǎng)干預(yù)，便可遠(yuǎn)程了解和管理整個(gè)辦公場(chǎng)所的用電情況，但是我國(guó)低壓配電網(wǎng)的電網(wǎng)環(huán)境惡劣等因素制約了該技術(shù)的發(fā)展。隨著迭代多用戶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，使得電力線載波技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)用電管理方面發(fā)揮重要的作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的目的是優(yōu)化電力線載波的信號(hào)處理技術(shù)，從而提高某些復(fù)雜信道的通信質(zhì)量。本文中認(rèn)為信號(hào)接收機(jī)可以識(shí)別通信信道的優(yōu)劣，但在實(shí)際中需要對(duì)信道進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，并能考慮到信道的估計(jì)誤差。不論是對(duì)于時(shí)域還是頻域，用于糾錯(cuò)解碼的尖峰脈沖的檢測(cè)問題仍然值得做進(jìn)一步的研究?！?/p>

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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(guó)強(qiáng)，運(yùn)城市運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)；馮秀玲，運(yùn)城職業(yè)技術(shù)學(xué)院（044000）。