基于正交頻分復(fù)用技術(shù)的低壓電力線通信系統(tǒng)模型

曹 婷，陳華敏

(南陽理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，河南 南陽 473000)

1 引 言

OFDM技術(shù)是目前國際上最具吸引力的寬帶快速PLT技術(shù)，其使用FFT和IFFT進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，能夠更便捷地實(shí)現(xiàn)DSP(數(shù)字信號(hào)處理)設(shè)備的保護(hù)間隔以及碼間干擾，可有效降低信道的噪聲，后期有望成為PLT的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

自1997年以來，國際高速電力線(PLT)通信被視為能解決“最后”的高速公路信息問題[2]。與電力線載波傳統(tǒng)(PLC)相比，PLT在傳輸速度方面更具有優(yōu)勢，能達(dá)到兆比特/秒，而PLC傳統(tǒng)上只有千比特/秒的速度。由于電力傳輸線和頻帶規(guī)定的特性限制[3]，目前應(yīng)用于PLT的調(diào)制技術(shù)主要有3類，分別是單載波類、部署頻譜類和OFDM調(diào)制技術(shù)(復(fù)用頻率正交劃分)[4]。

電源線上的噪聲來自各種電器，且并非加性高斯白噪聲，其特點(diǎn)是可以在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化產(chǎn)生噪聲，包括：50 Hz(或60 Hz)相關(guān)的諧波噪聲[5]。另外，未連接到主電源的設(shè)備產(chǎn)生的部分噪聲也來自于電力線中的射頻耦合。目前的PLT信道主要由5個(gè)部分構(gòu)成，第一部分是以不同顏色為背景的噪聲，第二部分是帶寬較窄的窄帶噪聲，第三部分為常用的脈沖噪聲，第四部分為具有周期性的周期脈沖噪聲，最后一個(gè)部分為異步的脈沖噪聲[6]。

電力線中電源噪音具有時(shí)域和頻率混合的特性[7], 在具體的試驗(yàn)測試中，平均噪聲水平比最大噪聲水平低約20～30 dB，具備通信的基本要求[8]。本文將基于OFDM調(diào)制技術(shù)的低功耗通信系統(tǒng)模型引入500 kHz～20 MHz頻段，建立低壓電力線信道，利用Milton噪聲模型模擬噪聲信道噪聲，在MATLAB軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)低帶寬仿真的全仿真，研究系統(tǒng)的抗噪聲效果。

2 低壓電力線通信模型

與其他電纜通道相比，電力線通道阻抗不能傳遞到收發(fā)器，可調(diào)節(jié)的幅度控制信號(hào)很難發(fā)送。并且，諸如無線信道之類的流線具有多徑反射，會(huì)導(dǎo)致選擇性衰落，且ISI效應(yīng)隨接入接觸的時(shí)間和位置而變化，通信模型如圖1所示，模擬參數(shù)如表1所示。

圖1 低壓電力線通信模型Fig.1 Model of low power line communication system

載波頻率/MHz 發(fā)送信號(hào)/dB 接收信號(hào)/dB 衰減信號(hào)/dB 35-2.34.355-3.26.565-3.47.675-2.68.585-4.36.595-3.66.3105-3.25.6

高壓信道的傳輸環(huán)境非?？量?，其中大多數(shù)所需的頻帶衰減是可接受的，但是零電平是接近80 dB的低值[9]，難以應(yīng)用在全頻率通信模型中。尤其是在電力線傳輸模型中，如果阻抗水平極低，原始信號(hào)將不能恢復(fù)，處于短路狀態(tài)。

3 低壓電力線信號(hào)傳輸模型

低壓線路通信的中間通信系統(tǒng)與其他傳統(tǒng)通信介質(zhì)不同，低壓線路通信受多徑效應(yīng)影響，頻率會(huì)出現(xiàn)選擇性衰減，并受到噪聲和其他因素的影響。

3.1 低壓線路信號(hào)傳輸函數(shù)模型

基于ABCD矩陣建模方法分析低壓線路信道傳輸功能模型，該方法能分析離線條件下各幀的原始基本傳輸特性，然后根據(jù)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，可以通過高精度的數(shù)學(xué)運(yùn)算獲得傳遞函數(shù)模型參數(shù)，不需要復(fù)雜的線性識(shí)別，如黑盒模型參數(shù)。

圖2 傳輸網(wǎng)絡(luò)通訊模型Fig.2 Model of transport network communication

在大多的實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)電動(dòng)工具為單相或多相，因此，電力線模型的建立通?；诙鄬?dǎo)體傳輸線(MTL)理論[10]。而根據(jù)TL理論，任何統(tǒng)一TL都可以成為雙端口網(wǎng)絡(luò)(2PN)，由傳輸矩陣T表示，又稱為ABCD矩陣。雙端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

當(dāng)長度為0或長度為1的序列出現(xiàn)在數(shù)字信號(hào)序列中時(shí)，很容易丟失信號(hào)并導(dǎo)致錯(cuò)誤的代碼出現(xiàn)。為了減少數(shù)據(jù)的冗余性、增加信號(hào)的抗噪聲及干擾性能[11]?；诠?1)，將線性移位寄存器生成白化系列，實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

S(x)=x10+x3+1.

(1)

圖3 數(shù)據(jù)白化實(shí)現(xiàn)過程Fig.3 Data whitening implementation process

3.2 Turbo編碼器

Turbo編碼器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 Turbo編碼器的組成Fig.4 Composition of Turbo encoder

本文的Turbo編碼采用二次反復(fù)結(jié)構(gòu)，將第一次反復(fù)結(jié)束相對應(yīng)的結(jié)束狀態(tài)作為第二次反復(fù)的初始狀態(tài)，再輸入第二次反復(fù)編碼的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是第2次重復(fù)編碼輸入數(shù)據(jù)，在第二次重復(fù)結(jié)束之前，輸入第2次重復(fù)編碼數(shù)據(jù)?？梢灾苯舆M(jìn)行第2次重復(fù)，然后再輸入第2次重復(fù)編碼數(shù)據(jù)。

3.2.1 分量編碼器模塊

BMQ1和BMQ2號(hào)編碼結(jié)構(gòu)如圖5，數(shù)據(jù)流量的前兩部分在U1和U2，并編成兩個(gè)字母。在一種編碼中，每對比特對應(yīng)于輸出奇偶校驗(yàn)比特。

圖5 分量編碼器架構(gòu)Fig.5 Component encoder architecture

具體的處理步驟為：

第1步：啟動(dòng)狀態(tài)的調(diào)節(jié)，具有特定的啟動(dòng)狀態(tài)參數(shù)R0=[R01，R02，R03]=[0，0，0]；

第2步：按順序分列的數(shù)據(jù)地點(diǎn)數(shù)據(jù)，RN=[RN1，RN2，RN3];

第3步：令R0=RN×M，M矩陣定義如下：

物理塊字節(jié)數(shù)為520和16時(shí)：

(2)

物理塊字節(jié)數(shù)為136時(shí)：

(3)

第4步：輸入信息比特被重新發(fā)送到分量編碼器，通過第三步驟計(jì)算初始狀態(tài)R0'，在一次編碼之后，可以輸出編碼的奇偶校驗(yàn)比特。

3.3 Turbo交織模塊

原始數(shù)據(jù)在通過Turbo編碼器之后傳遞給編碼器2。每兩個(gè)比特都是一組用于截取的數(shù)據(jù)，不同的截面模式參數(shù)也不相同。表2列出了具體中斷的參數(shù)，包括3種情況。

Turbo交織的數(shù)學(xué)模型公式：

A(x)=mod((S(mod(x，N)+1)-
(fix((x)/N))×N+L)，L)，

(4)

式中：S(·)是一個(gè)搜索表，該表可以存儲(chǔ)在FCPGA中的ROM中：與FCPGA一起執(zhí)行讀取操作。

多樣性復(fù)制技術(shù)用于幀控制字符，對頻率選擇性衰落信道具有良好的效果。由于幀控制信息包括如調(diào)制信息、復(fù)制時(shí)間和有效載荷數(shù)據(jù)編碼等的重要信息，所以多樣性復(fù)制技術(shù)可以提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.4 ROBO交織

本文的ROBO交織模式由循環(huán)移位參數(shù)、反轉(zhuǎn)變量值、所需的拷貝數(shù)和數(shù)據(jù)調(diào)制模式?jīng)Q定。為避免在同一子頻道上發(fā)送相同的數(shù)據(jù)信息，以前的ROBO交織模式選擇循環(huán)移位，為了規(guī)避參數(shù)不變，性能差的缺點(diǎn)，采取有效載荷數(shù)據(jù)的反向通道，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖6所示為ROBO交織原理圖。

圖6 ROBO交織原理Fig.6 Principle diagram of ROBO interleaving

基于ROBO交織方式，選擇數(shù)據(jù)信道的類型，根據(jù)復(fù)合信號(hào)類型進(jìn)行OFDM調(diào)制。如果子載波未滿，則需要填充最后一個(gè)OFDM符號(hào)，具體流程如圖7所示。

圖7 ROBO交織流程圖Fig. Flow chart of ROBO interleaving

4 仿真分析

MATLAB是一種科學(xué)的計(jì)算機(jī)語言，具有數(shù)值計(jì)算，符號(hào)處理和圖形處理功能，可以直接處理矩陣或數(shù)組，編程效率較高。Simulink是MATLAB提供的工具包，可用于建模、仿真和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析，并且能提供用于顯示輸出信號(hào)的模塊，因此可以在模擬過程中隨時(shí)觀察模擬結(jié)果。

4.1 噪聲特性分析

奈奎斯特濾波器使用單載波系統(tǒng)的帶寬，很少超過80%，而OFDM可以實(shí)現(xiàn)幾乎100%的頻譜效率。并且該性質(zhì)也可以從時(shí)域得到證明。OFDM子載波是獨(dú)立且非相關(guān)的，它們是指數(shù)增加，而時(shí)域中的復(fù)合信號(hào)非常接近白噪聲。

表3 信道長度及載頻Tab.3 Channel length and carrier frequency

4.1.1 信號(hào)誤比特率

Bernoulli二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器：隨機(jī)產(chǎn)生0.1個(gè)信號(hào)，發(fā)生概率為50%，并指定二進(jìn)制信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幀格式的輸出序列。FFT和IFFT均為64點(diǎn)，由Unbuffer模塊實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換信號(hào)的實(shí)數(shù)和虛數(shù)存儲(chǔ)在Goto模塊中，示波器用于繪制圖形。

圖8 傳輸信號(hào)的誤比特率Fig.8 Bit error rate of transmission signal

如圖8所示，估計(jì)模塊首先估計(jì)比較先驅(qū)傳輸之前和之后的幅度和相位變化，接收信道響應(yīng)，并獲取信道反應(yīng)響應(yīng)，再將接收到的信號(hào)相乘以進(jìn)行估計(jì)。

4.1.2 信號(hào)誤碼率

從圖9中可以看到，OFDM通過打開或關(guān)閉子載波來重新分配子信道，因此數(shù)據(jù)只被發(fā)送到對應(yīng)的頻率譜，維持適當(dāng)?shù)奈徽`碼率。

圖9 傳輸信號(hào)的誤碼率Fig.9 Error rate of transmitted signal

4.2 信道傳輸特性分析

使用Simulink仿真模擬作為構(gòu)建OFDM系統(tǒng)仿真模型的平臺(tái)，同時(shí)轉(zhuǎn)換并行模塊到串聯(lián)，進(jìn)行信道估計(jì)及信道衰減補(bǔ)償，其中信道衰減如圖10所示。

圖10 低壓電力線的信道衰減Fig.10 Attenuation curves of low power line channel

圖10可以看出由電容和電感等因素引起的清晰的頻率衰減。當(dāng)支路負(fù)載恒定時(shí)，通道的弱點(diǎn)是電源線。當(dāng)饋線長度增加到10 m時(shí)，30 Ω支路負(fù)載的信道衰減大于50 Ω支路負(fù)載的信道衰減。當(dāng)負(fù)載差異較大時(shí)，通道的下降增加，支路增加。另外根據(jù)計(jì)算，分支特征的阻抗約為73 Ω。

將已上參數(shù)代入通信系統(tǒng)模型中，并對比無OFDM技術(shù)以及帶OFDM的信息載波通過率，見圖11和圖12，其中噪聲分類器參數(shù)為τ= 0.01和A= 1。

圖11 無OFDM技術(shù)的系統(tǒng)誤比特率分析Fig.11 System bit error rate analysis without OFDM technology

圖12 帶OFDM技術(shù)的系統(tǒng)誤比特率分析Fig.12 Ystem bit error rate analysis with OFDM technology

從圖11和圖12中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相比無OFDM技術(shù)的信息載波通過率，帶OFDM技術(shù)的信息載波通過率隨信噪比的提升而提升。在穿過瑞利多徑信道和附加的高斯白信道時(shí)，信號(hào)具有特定的衰減，這與實(shí)際情況較為一致，系統(tǒng)的信號(hào)傳輸特性能夠較為真實(shí)地反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié) 論

OFDM系統(tǒng)的顯著優(yōu)勢之一是其強(qiáng)大的抗干擾性，因此它們主要用于無線移動(dòng)通信領(lǐng)域、成熟的第三代移動(dòng)通信技術(shù)和市場營銷以及第四代移動(dòng)通信的研究和實(shí)驗(yàn)階段。本文基于OFDM系統(tǒng)的基本模型，給出了基于MATLAB仿真平臺(tái)的OFDM仿真系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了一部分主要的模塊功能、模塊參數(shù)設(shè)置和誤碼性能。研究結(jié)果表明，OFDM技術(shù)能夠有效提升低壓電力線通信系統(tǒng)的傳輸性能，并顯著降低通信系統(tǒng)的噪聲影響，該技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景和競爭力。