電力線正交頻分復(fù)用通信的實時信道估計

盧鑫　張萌　馮燁　高波

摘要：對于電力線正交頻分復(fù)用通信來講，實時信道估計占據(jù)著重要的影響地位，與通信的效果有著密切的關(guān)聯(lián)。在本文中，主要通過分析電力線信道所具備的特性，對電力線正交頻分復(fù)用通信進行了基本的認(rèn)識，并對實時信道估計展開了研究，希望能夠為相關(guān)部門提供參考，促進電力線通信的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電力線信道;正交頻分復(fù)用;信道估計

中圖分類號：TM913 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0034-02

0 引言

我國在電力線通信行業(yè)的發(fā)展中，對正交頻分復(fù)用的通信技術(shù)已經(jīng)逐漸進行了廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)簡稱OFDM。OFDM技術(shù)的應(yīng)用，可以提高電力線數(shù)據(jù)通信的高速發(fā)展。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電力線信道的工作環(huán)境比較差，正是因為這樣，才給電力線通信造成了一定的阻礙，使得信道出現(xiàn)衰落的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象，往往會給后期的信號接收造成嚴(yán)重的影響。然而，OFDM通信在電力線信道中的使用，可以更好地處理所接收到的信號。對于OFDM通信來講，只有對電力信道進行實時準(zhǔn)確估計，才可以提高信號傳輸?shù)男屎唾|(zhì)量。

1 電力線信道所具備的特性分析

1.1 阻抗性

電力線信道在正常工作的過程中，傳輸?shù)男盘栴l率與輸入阻抗之間有著密切的聯(lián)系。這種輸入阻抗，不會根據(jù)信號頻率的變化而發(fā)生改變?？梢砸赃B接復(fù)雜負(fù)載的傳輸線來看待電力線，他們彼此之間共同組成了具備一定特征的電路，從而與共振頻率之間進行組合，形成了低阻抗區(qū)，使得電力線信道具備著一定的阻抗特性。電力線的輸入阻抗會在網(wǎng)絡(luò)連接的不斷變化下發(fā)生很大的改變，嚴(yán)重的情況下，甚至?xí)o電力線不同部位的輸入阻抗造成影響，使得他們之間存在著較大的差異。電力線通信網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗也會發(fā)生較大的變化，這樣一來，便會使得通信系統(tǒng)的設(shè)備無法進行匹配[1]。

1.2 干擾性

眾所周知，電力線通信在正常的運轉(zhuǎn)過程中，往往會受到外界各種因素的影響，最大的影響便是噪音所帶來的干擾。對于噪音的干擾來講，使用同一配電變壓器的所有用戶所產(chǎn)生的負(fù)荷噪聲，都會給電力線通信造成不同程度的干擾，從而就會給信號傳輸?shù)墓ぷ餍蕩碛绊?。?dāng)這些噪音越來越大的時候，電力線通信的信號功率只有在滿足一定的數(shù)值，才可以保證信號的正常傳輸。

1.3 衰耗性

根據(jù)對電力線信號傳輸?shù)奶卣鬟M行調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，一般來講，通信所需要的電力線壓力比較大，但是電力線的壓力一般是低壓，從而就使得這種電力線通信在頻率較高的情況下，使用低壓的電力線，會出現(xiàn)非常嚴(yán)重的衰耗現(xiàn)象。而這種電力線通信信道信號的衰耗，與網(wǎng)絡(luò)上連接的各項負(fù)載和通過的路徑都有密切的關(guān)聯(lián)。在高頻載波信號中，使用的各種電器如果具備一定的電容特性，便會使其出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，衰耗的性能比較大，會造成嚴(yán)重的損傷和影響。而且，網(wǎng)絡(luò)上所承受的負(fù)載超重的情況下，也會使載波信號出現(xiàn)較高程度的損耗現(xiàn)象。這些信號之間的傳播，往往會出現(xiàn)各種反射和散射等不良現(xiàn)象[2]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所承受的負(fù)載越來越頻繁的時候，電力線信道可能會對信號的衰耗變化更加強烈。

2 OFDM的基本認(rèn)識

2.1 OFDM的概述

電力線正交頻分復(fù)用通信，即OFDM通信，這是一種多載波的技術(shù)，在使用的過程中，可以對頻帶帶寬進行充分的利用，所產(chǎn)生的信號頻譜大體與矩形比較相似。OFDM的使用，可以通過一定的方式將數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)化，使得數(shù)據(jù)自身能夠丠較強的抗干擾能力，提高使用效率，減少外界各種因素的影響。而且，將循環(huán)冗余添加在OFDM幀前，并且要加強所持續(xù)的時間，使該時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信道沖擊響應(yīng)所消耗的持續(xù)時間。這樣一來，便能夠徹底消滅信道多途徑效應(yīng)所產(chǎn)生的各種干擾因素造成的影響。與此同時，OFDM通信技術(shù)的使用，使其信號能夠更加平衡，實現(xiàn)通信的高速發(fā)展。

2.2 OFDM的性能分析

在一般的傳輸方法中，可以將頻帶轉(zhuǎn)化為很多個子頻，這些子頻并不會存在相交的現(xiàn)象。通過這些子頻用來對一些并行的數(shù)據(jù)進行傳輸，接受的時候，可以使用濾波器將這些子頻進行過濾處理。這種傳統(tǒng)的傳輸方式比較簡單，但是，卻無法實現(xiàn)對頻譜的充分使用。然而，OFDM系統(tǒng)的使用，使得各個子信道之間的頻譜可以出現(xiàn)相交與重疊的現(xiàn)象，能夠?qū)@些頻譜進行最大化的資源利用。同時，OFDM技術(shù)的使用下，可以將高速的數(shù)據(jù)流進行轉(zhuǎn)化，使其符號周期的持續(xù)時間得到延長，從而能夠避免信道所帶來的干擾[2]。

電力線信道自身可以對頻率進行選擇，將OFDM技術(shù)應(yīng)用在電力線信道中，可以將其造成的一些干擾因素，分配在另外的子信道上。通過信道均衡技術(shù)的使用，從而來實現(xiàn)對系統(tǒng)的工作要求。在數(shù)字通信的正常業(yè)務(wù)運轉(zhuǎn)的過程中，對各種數(shù)據(jù)的傳輸量，往往會存在不對稱的現(xiàn)象，這種高速的數(shù)據(jù)傳輸現(xiàn)象，借助OFDM系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對這種不對稱數(shù)據(jù)傳輸量的支持[3]。

3 電力線正交頻分復(fù)用信道估計的研究

在Rm（K）=Sm（K）Hm（K）+Dm（K）的公式當(dāng)中，Hm（K）是信道傳輸函數(shù)的采樣序列，Dm（K）為噪聲序列經(jīng)過FFT所得到的頻域序列。他們分量的數(shù)學(xué)期望為0。

從以上的公式中可以看出，對于OFDM來講，信道主要可以使OFDM頻域加載的負(fù)數(shù)數(shù)據(jù)Sm（K），與信道在對應(yīng)頻率處所傳輸?shù)暮瘮?shù)值Hm（K）進行相乘，結(jié)合噪聲序列經(jīng)過FFT所得到的頻域序列Dm（K）。

對于信道估計來講，其任務(wù)主要是，實時地獲取信道在不同頻率處的Hm（K），那么，可以假設(shè)對Hm（K）所進行估計的數(shù)值為Hm（K）1，結(jié)合最小平方的原則，可以得到一定的目標(biāo)函數(shù)T，則T可以用以下的公式進行表達：

在上述的公式當(dāng)中，H所代表的，是共軛轉(zhuǎn)置算子。

當(dāng)T處于績效條件下的時候，可以得出：

再將公式Rm（K）=Sm（K）Hm（K）+Dm（K）帶入上述的公式當(dāng)中，可以得到如下的公式值：

在上述公式當(dāng)中，Hm（K）所帶包的是電力線信道傳輸函數(shù)的真實數(shù)值，Dm（K）的數(shù)學(xué)期望是零。同時，我們還可以得出，誤差的方差為e2（k）/丨Sm（K）丨2，其中e2（k）指的是信道噪聲在第K各子載波處計算出的實際功率。接受信號的一方，便可以通過以上的公式，從而計算出信道傳輸函數(shù)的估計值。盡管電力線先到處于變化的過程中，但是，對于OFDM來講，這種變化可以完全忽略不計。那么，對于實時的信道估計，便可以得到更加準(zhǔn)確的數(shù)值計算方式：

4 具體的實驗案例驗證探索

4.1 實驗案例分析

為了驗證OFDM對實時信道進行估計的方法，在本次的實驗研究中，設(shè)計出了如下圖1所示的電力線信道傳輸實驗。在本次實驗當(dāng)中，所使用的實驗設(shè)備，包括計算機一臺，以及功率放大器，電力線耦合器，正弦信號發(fā)生器，以及示波器，和某公司的D/A和A/D轉(zhuǎn)換卡PCI-MIO-16E-4等。

該實驗所采用的實驗原理如下：

首先，當(dāng)計算機得到OFDM信元的采樣序列，可以使用轉(zhuǎn)換卡D/A對其進行轉(zhuǎn)換，使其變成信號波形，再使用信號放大器對其進行放大處理之后，與耦合器進行連接。同時，耦合器還需要在電力信道的另外一面進行信號的接收工作。后期使用A/D進行采樣，收集的數(shù)據(jù)交給計算機處理。從而可以結(jié)合上述所提到的公式，得到本次實驗電力線信道的傳輸函數(shù)[4]。

信號發(fā)生器以及示波器，能夠測量出電力線信道在某個特定頻率下的傳輸特性的幅頻響應(yīng)。示波器對波形的幅值測量，主要是對通過信道后的波形進行測量。

在本次實驗當(dāng)中所使用的轉(zhuǎn)化卡，A/D和D/A的頻率都為250KHz。

4.2 實驗結(jié)果研究

實驗結(jié)果如圖2所示。

可以看出，實驗結(jié)果表明，通過計算出來的幅頻響應(yīng)曲線和真實幅頻響應(yīng)曲線之間，在100KHz以下的時候，彼此之間的差異不明顯。但是，在100KHz-130KHz的范圍內(nèi)容，彼此的結(jié)果存在著較大的差異。對于出現(xiàn)這種現(xiàn)象而言，主要的原因，是連續(xù)信道傳輸函數(shù)與離散信道傳輸函數(shù)的不同所造成的。

根據(jù)采樣定理，我們可以將信號發(fā)生器以及示波器通過測量之后得到的相關(guān)函數(shù)，經(jīng)過一定的平移和疊加處理，從而得到相應(yīng)的結(jié)果，如圖3所示。

由此可以得出，對于數(shù)字信號來說，電力線信道可以作為一種濾波器系統(tǒng)。電力線正交頻分復(fù)用，即OFM這種通信方式中，電力線信道的有效使用能夠，可以借助OFDM這種新型的實時信道估計算法，來準(zhǔn)確地計算出在特定的時間中，傳輸特性函數(shù)的數(shù)值。希望本次研究可以為相關(guān)領(lǐng)域的人員提供可靠的參考，便于促進電力線信道傳輸效率的不斷提升。

5 結(jié)語

綜上所述，在文本中中，對OFDM進行了詳細(xì)的介紹，并且研究和分析了OFDM對實時信道估計的計算方法。對于OFDM這種新型的通信技術(shù)來講，其中最為重要的環(huán)節(jié)便為實時信道估計算法，這種信道估計能夠為人們提供非常大的便利，提高計算的準(zhǔn)確性，為電力線信道的發(fā)展做好了充分的準(zhǔn)備。希望通過本次的實驗研究和案例分析，能夠為該行業(yè)在未來的可持續(xù)發(fā)展打好鑒定的基礎(chǔ)，促進信道估計準(zhǔn)確性的不斷提升。

參考文獻

[1] 呂海峰，王贊基，郭靜波.電力線正交頻分復(fù)用通信的實時信道估計[J].電力系統(tǒng)自動化，2015.

[2] 王致中.電力線通信中正交頻分復(fù)用技術(shù)研究與應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2017，1967：124+125.

[3] 張平.電力線正交頻分復(fù)用通信信道估計算法研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2018.

[4] 張軒.低壓電力線正交頻分復(fù)用系統(tǒng)信道估計技術(shù)研究[D].燕山大學(xué)，2015.

Real-time Channel Estimation for Power line Orthogonal

Frequency Division Multiplexing Communication

LU Xin，ZHANG Meng，F(xiàn)ENG Ye，GAO Bo

（Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen Guangdong? 518192）

Abstract：For power line orthogonal frequency division multiplexing communication， real-time channel estimation occupies an important influence position， which is closely related to the effect of communication. In this paper， the basic knowledge of power line orthogonal frequency division multiplexing communication is basically analyzed by analyzing the characteristics of power line channel， and the real-time channel estimation is researched. It is hoped that it can provide reference for relevant departments and promote power line communication. sustainable development.

Key words：power line channel; orthogonal frequency division multiplexing; channel estimation