電力線(xiàn)載波通信的可靠性提升

張曙光

摘 要：電力線(xiàn)載波通信，使用我們平時(shí)所常見(jiàn)的電力線(xiàn)本身作為通信介質(zhì)，是智能電網(wǎng)采集中最具先天優(yōu)勢(shì)的通信方式。但在實(shí)際應(yīng)用中，電力線(xiàn)受電抗和負(fù)載干擾的影響，信號(hào)衰減較大，直接影響其通信的可靠性。為了使其信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性提升，研究發(fā)現(xiàn)OFDM方式抵抗“多徑效應(yīng)”和干擾的效果明顯，頻譜的利用率也較高，也是目前如皋地區(qū)電力線(xiàn)載波使用最廣泛的調(diào)制方式；而FSK、PSK適用干擾程度較小或者干擾穩(wěn)定的情況，將兩者結(jié)合優(yōu)化，再加上有關(guān)電力線(xiàn)載波通信信道阻抗和衰減特征實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)支持，就可以形成一套完整的相關(guān)模擬方案。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)可靠性；電力線(xiàn)載波通信；抗干擾能力

電力線(xiàn)載波通信的基本原理

所謂電力線(xiàn)載波通信，就是將信息調(diào)制為高頻信號(hào)并耦合至電力線(xiàn)路，利用電力線(xiàn)路作為介質(zhì)進(jìn)行通信的技術(shù)。在電力線(xiàn)上將模擬或數(shù)字信號(hào)通過(guò)載波方式進(jìn)行傳輸。接收端接收到載有信號(hào)的載波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)帶有阻波器的耦合裝置提取出有用信號(hào)并通過(guò)接受機(jī)分離高頻信號(hào)，濾去干擾信號(hào)后還原成原有的模擬或數(shù)字信號(hào)[1]。這樣并不必像其他有線(xiàn)通信方式那樣去重新建設(shè)通信線(xiàn)路，也不必像無(wú)線(xiàn)通信那樣要用更為復(fù)雜的收發(fā)裝置還占用有限的無(wú)線(xiàn)頻譜資源，因此對(duì)綜合變單臺(tái)區(qū)下的用戶(hù)來(lái)使用是非常適合的。

電力線(xiàn)載波通信除了調(diào)制解調(diào)設(shè)備、耦合單元等構(gòu)成模塊[2]。載波通信調(diào)制技術(shù)也是電力線(xiàn)載波通信的重要組成部分。江蘇使用調(diào)制方式主要有 BFSK、BPSK、OFDM等，采用40-500kHz的頻段，約幾十比特每秒的傳輸速率，雖然通信速率較低，但設(shè)備構(gòu)造簡(jiǎn)單且擁有較為成熟的技術(shù)。

載波調(diào)制技術(shù)

1、FSK：（Frequency-Shift Keying ）頻移鍵控。是“利用基帶數(shù)字信號(hào)離散取值特點(diǎn)去鍵控載波頻率以傳遞信息的種數(shù)字調(diào)制技術(shù)”[5]。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：容易實(shí)現(xiàn)，用途廣泛，常用于中低速數(shù)據(jù)的傳輸。

2、PSK： （ Phase-Shift Keying ）相移鍵控。在PSK調(diào)制中，載波的相位隨調(diào)制信號(hào)狀態(tài)的變化而發(fā)生變化。PSK在一般的通信傳輸中抗干擾性很強(qiáng)，在有衰落的信道中也有不錯(cuò)的表現(xiàn)。

3、OFDM：（Orthogonal Frequency Division Multiplexing ） 正交頻分復(fù)用。實(shí)際上OFDM是MCM（ Multi-Carrier Modulation）多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：“將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速戶(hù)數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸”[4]。

電力線(xiàn)信道中的有多種影響信號(hào)傳輸?shù)牟涣家蛩兀渲凶铒@著就是“多徑效應(yīng)、信道衰落和設(shè)備噪聲的干擾”。OFDM系統(tǒng)中通過(guò)使用循環(huán)前綴的方法加長(zhǎng)分支中符號(hào)周期來(lái)抑制電力線(xiàn)多徑效應(yīng)中由信號(hào)反射造成的干擾。

FSK和PSK經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后適用干擾程度較小或者干擾穩(wěn)定的情況；OFDM適用于各種不同環(huán)境下進(jìn)行通信，還可以在保證可靠通信的條件下進(jìn)行高速通信。

電力線(xiàn)載波通信信道建模

電力線(xiàn)信道可等效成二端口網(wǎng)絡(luò)。傳輸矩陣為 。Z0為負(fù)載阻抗。則輸入阻抗的表達(dá)式見(jiàn)式1：

式中，N（t） 為總加性噪聲。

電力線(xiàn)載波通信噪聲的分類(lèi)

電力線(xiàn)上的干擾噪聲可根據(jù)其形成因素、持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、頻譜和干擾強(qiáng)度進(jìn)行分類(lèi)研究。正常情況下，噪聲的干擾有背景噪聲和脈沖噪聲[6]。

擴(kuò)頻通信與OFDM結(jié)合的多載波CDMA技術(shù)

CDMA （碼分多址），它來(lái)源于擴(kuò)頻通信技術(shù)。其技術(shù)原理基于擴(kuò)頻技術(shù)：“即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去[3]?！?/p>

將OFDM與CDMA這兩者結(jié)合起來(lái)的多載波CDMA（MC-CDMA） 通信方式能同時(shí)具有兩者的優(yōu)點(diǎn)，可有效解決電力線(xiàn)信道的干擾影響，提高電力線(xiàn)載波信號(hào)傳輸效率。

一、MC-CDMA原理

MC-CDMA系統(tǒng)允許在同一組子載波同時(shí)傳輸幾個(gè)這樣的用戶(hù)的信號(hào)。在下行鏈路復(fù)用，這可以通過(guò)使用逆FFT和碼矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)。

MC-CDMA系統(tǒng)作為DS-CDMAMC-CDMA的特例。每個(gè)比特上發(fā)送N個(gè)不同的子載波。每個(gè)子載波有它自己的相位偏移量，由擴(kuò)頻碼確定的。

二、MC-CDMA抗噪聲性能

由前面的章節(jié)可以知道，之所以電力線(xiàn)載波通信的噪聲情況復(fù)雜，最重要的因素就是各個(gè)客戶(hù)端的用電設(shè)備的接入。由之前的用電設(shè)備噪聲試驗(yàn)可以得知，其噪聲有脈沖噪聲和背景噪聲兩類(lèi)。MC-CDMA調(diào)制中的擴(kuò)頻部分，讓它同時(shí)具有擴(kuò)頻通信的抗噪性。接下來(lái)研究MC-CDMA抗噪聲性能。

1、抗脈沖噪聲性能

對(duì)J（t） 進(jìn)行 傅里葉變換。GJ（f） 為干擾功率譜密度。Ba為帶寬。將濾波后的干擾信號(hào)放入相關(guān)器，相關(guān)器的主瓣帶寬Bc 遠(yuǎn)大于Ba。

相關(guān)器輸出的干擾功率用式4表示。

基帶濾波器的單位沖激響應(yīng)h （t ） ?；鶐V波器的輸出Vj （X ， t ） 。見(jiàn)式5

根據(jù)干擾Vj （X ， t ）的自相關(guān)值，取平均時(shí)間后進(jìn)行傅里葉變換。得式6

在式6中，SC （f ） 為本地?cái)U(kuò)頻碼自相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換。H （f ）是系統(tǒng)函數(shù)h （t ） 的傅里葉變換。│H （f ）│2是功率傳輸函數(shù)。BC 遠(yuǎn)大于Ba，因此H（f ） 的通帶內(nèi)干擾的頻譜被拓寬很大?；鶐V波器輸出的單頻干擾功率譜密度得到有效減小，為提高信噪比起到了關(guān)鍵作用。

2、抗背景噪聲性能

背景噪聲在擴(kuò)頻、解擴(kuò)和基帶濾波后，得到輸出信號(hào)的平均功率譜密度。見(jiàn)式 。

式中H（f） 為系統(tǒng)函數(shù)h （t）的傅里葉變換。Sn（f）和Sc（f）分別表示本地干擾信號(hào)和擴(kuò)頻碼的功率譜密度。干擾信號(hào)的帶寬為fn。中心頻率為fon。本地?cái)U(kuò)頻碼的帶寬為fs。中心頻率為foc。卷積公式 。

三、MC-CDMA抗多徑干擾性能

在供電網(wǎng)絡(luò)中，電力線(xiàn)連接千家萬(wàn)戶(hù)，支線(xiàn)很多且極為復(fù)雜，多徑效應(yīng)明顯。從前述上看，信號(hào)在通信的時(shí)候會(huì)從各種路徑到達(dá)接收裝置，在相互影響下，導(dǎo)致誤碼甚至接收失敗。經(jīng)過(guò)改良后的OFDM系統(tǒng)以降低信號(hào)傳輸速率的方式來(lái)使得碼元周期變長(zhǎng)，也就一定程度上提高了系統(tǒng)的抗多徑干擾性。若在每個(gè)OFDM符號(hào)插入循環(huán)前綴CP，就能讓其符號(hào)的時(shí)間寬度變大，以此來(lái)消除系統(tǒng)符號(hào)和符號(hào)內(nèi)部之間的相互干擾。

如果插入的循環(huán)前綴過(guò)長(zhǎng)，損耗就會(huì)變多，為了維持平衡，就需在系統(tǒng)中添加均衡機(jī)制來(lái)控制其合理長(zhǎng)度。

四、MC-CDMA仿真

OFDM系統(tǒng)中，先要將輸入碼串并轉(zhuǎn)換成q列的并行傳輸序列，然后對(duì)每個(gè)序列擴(kuò)頻，進(jìn)行傅里葉逆變換后調(diào)制到子載波上。因此載波總數(shù)N = q？Np。假設(shè)擴(kuò)頻碼Np= 1，則系統(tǒng)就有q條子信道。

仿真的各項(xiàng)設(shè)定：q=32，Np=16，得到N=512，調(diào)制方式為 BPSK，并采用了卷積碼編碼。通過(guò)在仿真系統(tǒng)中添加白噪聲和脈沖噪聲以模擬出電力線(xiàn)載波通信中受到的噪聲干擾。圖3得到差錯(cuò)率與信噪比的關(guān)系，并與同樣條件下仿真的OFDM進(jìn)行比較。

從圖3中得知，MC-CDMA在信道干擾環(huán)境一致的情況下，其差錯(cuò)率明顯低于OFDM，擁有很高的抗噪能力。

通過(guò)一系列的仿真，從結(jié)果上看OFDM系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)改良之后其抗噪性提高明顯。MC-CDMA系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是降低了每個(gè)子載波的誤碼率，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗衰性，雖然以犧牲一定的比特速率為代價(jià)，但是仍然可以滿(mǎn)足電力信息采集系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

參考文獻(xiàn)：

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