基于電力線信道分析的調(diào)制解調(diào)方式選擇

陳王豐

摘 要

本文借鑒通信系統(tǒng)相關(guān)理論研究成果，并結(jié)合實(shí)踐信道分析，認(rèn)為在電力線通信技術(shù)研究中，電力線信道分析是核心關(guān)鍵部分，為其他各種研究提供基礎(chǔ)支撐，在對電力線信道進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，才能進(jìn)行其他電力線通信研究。本文電力線信道分析的目的是找到最佳的調(diào)制解調(diào)方式，適應(yīng)電力線的各種需要。

【關(guān)鍵詞】通信系統(tǒng) 電力線 信道噪聲

1 電力線信道噪聲分析

電網(wǎng)系統(tǒng)中正在工作的各種用電設(shè)備產(chǎn)生電力線信道的噪聲。大量資料表明，電力線信道的噪聲不僅隨時間、地點(diǎn)的不同而變化，還與人類的各種活動有關(guān)。幅度滿足高斯分布，功率譜密度分布均勻的噪聲稱為高斯白噪聲。低壓電力線的傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接的負(fù)載很多并且變化多端，因而將其簡單歸結(jié)為加性高斯白噪聲是不準(zhǔn)確的，它的噪聲非常復(fù)雜。

電力線信道噪聲包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、隨機(jī)脈沖噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲等五大類。有一種的功率譜密度對比較低，且隨頻率發(fā)生變化，這是有色背景噪聲。窄帶噪聲是一種幅度調(diào)制的正弦信號，它由無線電廣播發(fā)射而引起。到達(dá)時間具有隨機(jī)性的一種噪聲，持續(xù)時間從幾μs到幾ms不等的為隨機(jī)脈沖噪聲，偶爾背景噪聲的功率譜密度低于它的50dB。與工頻同步的周期性脈沖噪聲的產(chǎn)生首要是由于二極管整流器件，脈沖重復(fù)頻率是工頻或工頻整數(shù)倍。與工頻異步的周期性脈沖噪聲基本是由電腦顯示屏或電視干擾產(chǎn)生，重復(fù)頻率與掃描頻率同步。其中，有色背景噪聲和窄帶噪聲可歸為背景噪聲，因?yàn)槠浞染礁惦S時間變化很慢；隨機(jī)脈沖噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲的幅度均方根值隨時間變化很快，因此可歸為脈沖噪聲。背景噪聲和脈沖噪聲構(gòu)成電力線噪聲。

2 電力線信道衰減分析

耦合衰減和線路衰減是在低壓電力線傳輸?shù)臅r候，由不同原因產(chǎn)生的兩種衰減。其中發(fā)射端和接收端同電力載波線路電阻電抗不匹配導(dǎo)致了耦合衰減，而接入節(jié)點(diǎn)過多、電力線網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜等都能造成線路衰減。電力線信道的衰減分析應(yīng)從各個不同的方面進(jìn)行分析。因?yàn)橐坏╇娏€具有了多徑信道特征，信號必將會多徑傳播，從而產(chǎn)生衰減，此外中高壓電力線中，造成信號衰減的原因還有其本身的輻射、電磁干擾和熱損失等；以及信號在傳播中具有延時衰減；電力系統(tǒng)中的一些用電設(shè)備也有可能會造成信號衰減。連接點(diǎn)處兩種介質(zhì)具有不同的特征阻抗時，信號傳輸?shù)酱颂幈貙l(fā)生反射。而電力線網(wǎng)絡(luò)存在很多阻抗不連續(xù)點(diǎn)，這是因?yàn)榇嬖诤芏喾种Вl(fā)射端發(fā)射出的信號，在電力線上傳播時不能直接被送到接收端，而在不連續(xù)點(diǎn)處發(fā)生反射，發(fā)射信號受到反射波的影響，從而頻率發(fā)生選擇性衰減。阻抗不連續(xù)是由多徑傳輸導(dǎo)致的。

3 電力系統(tǒng)方案的論證研究

3.1 電力線信道結(jié)果探討

通過前面對電力線信道的噪聲分析和衰減分析，以及對信號的主要影響因數(shù)分析，我們不難得出，通信條件較為惡劣的是室內(nèi)電力線信道。電力線信道中的噪聲是電力線信道的一個重要特性，隨著負(fù)載變化而變化，情況復(fù)雜，噪聲對信號能產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，因?yàn)樗哂蟹秶鷱V能量大等特點(diǎn)。因此濾波器在接收端是必不可少的，用來對接收的信號進(jìn)行濾波，另外為了提高信噪比、增強(qiáng)其抗干擾能力，還有對發(fā)射端的信號進(jìn)行編碼處理。電力線信道還有另外一個重要特性，就是信道衰減。電力線通信不應(yīng)該作為遠(yuǎn)距離傳輸方式，因?yàn)樗乃p隨傳輸距離增大而增大，但是電力線通信在近距離和窄帶通信方面具有明顯的優(yōu)勢。因此在調(diào)制方式的挑選上，一定要達(dá)到抗干擾和抗衰落的性能要求。

3.2 確定最優(yōu)的調(diào)制方式

本文分析幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK是數(shù)字調(diào)制中最根本的調(diào)制方式。為了進(jìn)行調(diào)制方式的挑選，我們需要將2ASK、2FSK、2DPSK調(diào)制系統(tǒng)進(jìn)行對比，基本涉及誤碼率、頻帶寬度、信道敏感性、設(shè)備復(fù)雜度等方面。

誤碼率是判定數(shù)據(jù)在規(guī)定時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確性的指標(biāo)。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸?shù)目偞a數(shù)×100%。在2ASK、2FSK、2DPSK調(diào)制系統(tǒng)中，誤碼率和輸入信噪比存在某種關(guān)系，設(shè)誤碼率為Pe，信噪比為r。表1即為二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式表。

從表中數(shù)據(jù)我們不難得出，在抗加性高斯白噪聲方面，相干2ASK性能最差，相干2PSK性能最好，相干2FSK性能居中。頻帶寬度是傳播模擬信號時的信號最高頻率與最低頻率之差，保證某種發(fā)射信息的速度和品質(zhì)所需占用的頻帶寬度的允許值。在頻帶寬度角度講，2FSK是不合適的，因?yàn)樵诖a元寬度為Ts時，它的頻帶寬度近似為，而2ASK系統(tǒng)和2PSK系統(tǒng)的為2/Ts。

4 討論

綜上所述，在上述兩個方面的考慮以外，還應(yīng)該值得我們更加注意信道的敏感性問題。在2FSK系統(tǒng)中，不需要人為地設(shè)置判決門限，它是直接比較兩路解調(diào)輸出的大小來作出判斷的。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限電平為零，與接收機(jī)輸出信號的幅度有關(guān)。因此，它不隨信道特性的變化而變化。這時，接收機(jī)容易保持在最佳判決門限狀態(tài)。對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為A/2，它與接收機(jī)輸入信號的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時，接收機(jī)輸入信號的幅度A將隨著發(fā)生變化；相應(yīng)地，判決器的最佳判決門限電平也將隨之改變。這時，接收機(jī)不容易保持在最佳判決門限狀態(tài)，從而導(dǎo)致誤碼率增大。因此，就對信道特性變化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。從設(shè)備復(fù)雜性角度來說，三種系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)備相差無幾，接收端復(fù)雜度同調(diào)制解調(diào)方式密切相關(guān)，在同一種調(diào)制方式中，在進(jìn)行相干解調(diào)時，2PSK系統(tǒng)的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK較復(fù)雜，2ASK最簡單。綜合總結(jié)以上四個方面來考慮，F(xiàn)SK調(diào)制方式最為合適，本文建議采用FSK的調(diào)制方式進(jìn)行設(shè)計。

通過以上分析，本文認(rèn)為對于任一種通信方式，都具有發(fā)射端和接收端，其作用各不相同。電力線通信也不例外，在其發(fā)射端，基帶通過某種調(diào)制方式調(diào)制，轉(zhuǎn)換成一種適宜在信道中傳輸?shù)男盘?，該信號再?jīng)過放大，通過電力線耦合接口，最終被發(fā)射到電網(wǎng)系統(tǒng)中。而在其接收端，來自電網(wǎng)的調(diào)制信號被耦合接口接收，經(jīng)過濾波、放大等處理，最終被送入到解調(diào)器輸出。根據(jù)電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計原理，雖然電力線通信模塊一端發(fā)射信號，另一端接收信號，但是在實(shí)際設(shè)計中，兩端的硬件實(shí)現(xiàn)方式是相同的，這是因?yàn)槲覀儗l(fā)射端和接收端集成，通過硬件來轉(zhuǎn)換工作模式。本文的重點(diǎn)是調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計。調(diào)制解調(diào)器在電力線通信中起到至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗鼪Q定了傳輸速率和通信模式，濾波和耦合接口的設(shè)計將影響到通信成功與否及其通信質(zhì)量。電力線載波通信的調(diào)制方式為頻移鍵控（FSK），調(diào)制解調(diào)器核心器件選擇AM7910芯片。

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作者單位

廣東省工業(yè)貿(mào)易職業(yè)技術(shù)學(xué)校 廣東省佛山市 528200