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)
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。
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)。
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。
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
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。
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>
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
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。
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
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)。
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。