（通信与信息系统专业论文）低压电力线用于高速数据通信的研究.pdf

摘要 本文主要致力于采用低压电力线进行高速数据通信的研究，提出了采用低 压电力线高速接入网络的解决方案。首先详细分析了低压电力线信道的统计特 性，对由于多径传输产生的时延扩展、频率选择性衰落和由此产生的码间e l 干扰 进行了详细的讨论，在此基础上提出了电力线信道的计算枧仿真模型。然后讨 论了o f d m 的基本原理和具体实现方法，分析了选择o f d m 技术进行高速通信时 的抗干扰性能，提出了一个适用于电力线通信的o f d m 系统。针对于电力线复 杂通信环境造成的严重符号间干扰i s i ，我们提出采用加入保护间隔、加入循环 翦缀、循环前缀和自适应均衡相结合的三种解决方案，并对这些方案进行了具 体分析论证和仿真。为了解决系统同步的问题，我们提出了利用循环前缀的相 关性的最大似然估计算法，综合解决了系统的符号同步和载波同步问题，并进 行了同步仿真分析。为了进一步提高系统性能，我们在所设计的系统中引入了 信道编码、交织和数字调制等技术，分析和仿真这些技术对系统性能的影响， 从而确定了适于硬件实现的基带系统的具体参数，并对整个系统综合性能进行 了仿真，文章的最后对系统的硬件可开发性讨论。 关键宇：正交频分复用：频率选择性衰落；快速傅里叶变换：循环前缀：自适 应均衡；最大似然估计； a b s tr a c t t h is p a p e rm a i n l yr e s e a r c h e s t h e a p p l i c a t i o no fo f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd iv is i o nm u t i p le x i n g ) i nt h e h ig h s p e e dl o wv o l r a g ep o w e r l i n ed a t ac o m m u n i c a t i o n 。a n dg i v e s as c h e m eo fa c c e s s i n gi n t e r n e t f ir s t iyt h isp a p e z d e t a i l e dd is c u s s e st h es t a t i s tic a lf e a t u r eo f t h e l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l ，a n a l y z e sf r e q u e n c ys e l e c t f a d i n g a n di n t e rs y m b 0 1i n t e r f e r e n c ec a u s e db yt h em u l t i p a t ht r a n s m is s i o na n d g iv e sac h a r m e ls i m u l a t io nm o d e o f1o wv o l t a g e p o w e r l i n e t h e n i n t r o d u c e st h ep r i l l c i p l eo fo f d ma n dd is c h s s e st h et e a l iz i n gs c h e m e ， a n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo fo v e r c o m i n gi n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c eo fo f d m a n d g i v e s a no f d m s y s t e m f o r h i g h s p e e d l o wv o l t a g e p o w e r l i n e c o m m u n i c a t io n l a t e rt ot h eh e a v yi s io fl o wv o l t a g ep o w e rl i n e ，t h e p a p e r i n t r o d u e e s g u a r di n t e y v a l ，c y e l e p r e f ix ( c p ) ， c o m b i n a t i o n a l g o r i t h m o fc pa n d s e l f - a d a p t i v ee q u a l i z a t i o nu n d e rt h eb a s iso f s i m u l a t i o n t or e s 0 1 v et h ep r o b l e mo fs y s t e ms y n c h r o n iz a t i o n ，t h ep a p e r g i v e s am a x i m u m1 i k e l i h o o de s t i m a t i o na l g o r i t h mw h i c hc a nr e s 0 1v e s s y n c h r o n i z a t i o no fs y m b 0 1 f r a m ea n dc a r r i e ro f f s e ti no f d ms y s t a m t o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o ft h eo f d ms y s t e m t h is p a p e r d is c u ss e s c h a n n e l e n c o d i n g ，i n t e r l e a v i n g a n d d i g i t a lm o d u l a t i n g s j m u l a t e d a n a l y z e so f d ms y s t e mp e r f o r m a n c eu s i n gm a t l a bu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e l e o d e ，i n t e r le a r i n g ，d i g i t a lm o d u l a t i n ga n d1e n g t ho fd is c r e t ef o u r i e r r r a n s f o r m l a s tt h is p a p e rd i s c u s s e st h ep a r a m e t e ro f0 f d mb a s eb a n d s y s t e mf o rh a r d w a r ed e v e l o p m e n t a n a l y z e st h eh a r d w a r ef e a s i b i l i t yo f o f d mb a s eb a n ds v s t e m k e yw o r d s ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd iv js io nm u l t i p le x in g f r e q u e n c ys e i e c t i v ef a d in g ： f a s t f o uriertr a n s f or m ： c y c i epr e f ix ： s e i f a d a p t iv ee q u a iiz a t i o n ： m a x i m u ml ik e iih o o de s t i m a t io n ： 低压电力线用于高速数据通信的研究 0 前言 0 1 概述 随着社会信息化程度的提高，人们对信息的需求己从单纯的数据信息向交 互式多媒体信息发展，迫切希望获得大容量和高速率的数据、视频、图像等宽 带业务。目前，随着i n t e r n e t 带宽的持续增加，在大多数的城市，宽带的骨 干光缆网都已经接到了小区或楼内，但是目前用户接入网仍然采用传统的窄带 接入方式，从而造成了宽带骨干网和窄带用户接入网的网络传输瓶颈，也称为 “最后一公里”问题。由于关纤到户短时间内还不可能实现，所以，研究新的 宽带接入技术和构建新的接入网是当前通信领域面临的一个新课题。现在提出 的宽带解决方案有使用电话线接入的x d s l ( a d s l 实用性较广) 、基于有线电视 网络的c a b l eg o d e m ( 但其必须改变现有的单向传输模式和获得入网许可证) 、 局域网( 需重新布线) ，此外，电力公司也开始研究将其公共电力线路作为交 互数据通信载体，向用户提供宽带数据接入服务。 与其它宽带接入技术相比，利用电力线接入，有以下突出优点： 1 ) 成本低。电力线是最基础的网络，直接利用现有的配电网通信，不需 要另外铺设新线，大大地减少了在基础网络上的投资，运营商可以轻松地把这 种网络接入服务渗透到每一个家庭。 2 ) 接入方便。只需用特制的电力m o d e m 插入房间内的电源插座就可实现 接入。 3 ) 宽带接入。利用电力线上网能够提供1 m b p s 以上高速的传输速率，能 够满足人们对高速接入的需求。 4 ) 可对家用电器实现远程控制。通过电力线将整个家庭的电器与网络联 为体，在室内的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过 网络来控制自己家里的电器设备。今后，随着数字家电的普及，利用家庭和办 公室中已有的万能插接板，通过电力线高速接入互联网就能解决这个问题。 利用电力线进行数据传输p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n l 的研究由来己 久，如利用高压线载波通信进行电力控制、载波电话、抄表等。但其利用的频 段有限，般为5 0 0 k h z 以下( 欧洲为9 0k h z 1 4 8 5 k h z ，美国为1 0 0 k h z 4 5 0 k h z ) ，传输速率只有几k b p s 几十k b p s 。 1 9 9 7 年以来国际上开始兴起了1 m b p s 以上的高速电力线通信的研究，虽 然受到电力线传输特性和频带管制( 欧洲的e n 5 0 0 6 5 1 ，p a r t 6 3 2 ，美国的f c c c f r l5 1 l3 ) 的限制，但目前国际上的研究普遍认为1 m h z 3 0 m h z 的频带可以 用来进行高速数据传输。在这个频带上，如何根据电力线介质高频段的特性， 采用合适的调制技术及相应的编码、均衡、同步及自适应技术就显得非常重要。 低压电力线用于高速数据通信的研究 目前，国际上p l c 采用的调制技术主要有3 类：单载波类、扩频类和o f d m ( 正 交频分复用) 调制技术，高速p l c 的研究主要集中在扩频和o f d m 两方面a 在 2 0 0 1 年之前主流技术多采用扩频调制，但扩频技术在电力线通信要达到1 m b p s 以上的传输速率，由于码速快要实现r a k e 接收难度很大，从而使进一步提高 速率的空间较小。为了能够进一步提高系统的传输速率，目前国际上研究的热 点是o f d m 调制技术，但基于o f d m 调制技术的系统解决方案目前还很不成熟与 完善。o f d m 在数字音频广播d a v 、高清晰度电视l i d t v 、第四代移动通信等领域 也有着广泛的应用前景。 0 2 国内外电力线通信应用进展 早在2 0 世纪9 0 年代初，一些国家已经开始在这方面进行研究，由于技术 不成熟，发展速度缓慢。进入2 1 世纪以来，p l c 技术有所突破，发展速度明显 加快，目前f 朝着实用化方向发展。 0 2 1 国外p l o 技术的发展与现状 英国n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始研究此项技术，19 9 6 年9 月在c i g r e 大会期间向各国代表提供了在曼切斯特进行2 0 户小范围试验的录像资料，传 输速率达到1 m b p s ，但仅进行了小规模现场试验，未能得到推广；1 9 9 8 年， 美国i n t e l o g is 公司推出了p a s s p o r t 商业化p l c 产品，用于户内联网，最高 速率为3 5 0 k b p s 。由于技术不成熟，亦未能大规模商用。 德国r w e 电力线通信公司于2 0 0 0 年5 月开始进行2 0 0 户的现场试验，2 0 0 1 春季推出了r w ep o w e r n e t ( p l c 上网) 、r w ep o w e r s c h 0 0 1 ( p l c 学校联网) 和 r w e e h o m e ( 智能家庭自动化) 三项业务及相应产品。自2 0 0 1 年7 月1 日起正 式开始商用化。在德国的e s s e n ( 埃森) 安装了i5 0 0 户，从而使r w e 公司成为世 界上首家宣布实现p l c 接入系统商业化运营的企业。r w e 公司的p l c 最大传输 速率为2 m b p s ，采用扩频调制技术，2 0 0 2 年开始在德国全面普及。 2 0 叭年初，p l c 研制技术的进展明显加速，美国i n t e l l o n 公司提出了用 于户内电力线联网的1 4 m b p sp o w e r p o c k e t 解决方案，采用o f d m 技术；美国的 i n a r i ( i n t e l o g is ) 、i t r a n 等公司，韩国的x e l i n e 公司，欧洲的a s c o m 、 p o l y t r a x 、d s 2 等公司也都提出了自己的解决方案。p l c 的传输速率从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 等。 0 2 2 我国p l o 技术的发展与现状 我国研究p l c 技术较晚，目莳的研究还处在起步阶段。中国电力科学研究 低压电力线用于高速数据通信的研究 院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要用于低压抄表系统，传输速率较低。1 9 9 9 年5 月开始进行高速p l c 系统的研究开发工作，主要对我国低压配电网络的传 输特性进行了测试，并对测试结果进行了数据处理和分析，基本取得了我国低 压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统开发提供依据。 2 0 0 1 年9 月，国电通信中心采用国外电力线通信组网设备，在北京某生活 小区成功地进行了in t e r n e t 接入试验。这是p l c 产品首次在我国电网环境下 进行的安装运行试验，并获得了理想效果，证明了中国低压配电网完全可以实 现高速电力线通信。而早在2 0 0 1 年5 月1 8 日，中国信息产业部就已经正式批 准了国电通信中心的i s p 业务申请，电力线接入已经具备了开展上网业务的通 行证。 f d d t p m o d e m 电力调制解调器是由福建省电力试验研究院自行研制开发的 电力线通讯产品，采用扩频调制技术，在低压变压器范围内通过电力线实现数 据通讯。曾在北京善果胡同开辟的宽带小区网试验小区里为2 4 户居民安装了 高速电力调制解调器，能够为用户提供高速的传输速率( m b p s ) 。 目前国内还没有采用o f d m 技术自行研制的电力线通信产品，只是深圳国 电科技有限公司、福建省电力公司等公司引入美国i n t e l l or l 公司的o f d m 解决 方案在小范围内进行测试试验。为了不受国外的技术垄断，我们也必须研制出 自己的解决方案，开发出自己的产品，制订相应的标准。本文的主要工作就是 研究如何采用o f d m 调制方案通过低压电力线实现以数十m b p s 速率高速接入网 络的方案。 0 2 3 高速p l o 技术的标准及组织 随着p l c 技术的发展，相继成立了相关的国际性p l c 组织开始研究p l c 技 术的标准，例如：2 0 0 1 年4 月，3 c o m 、a m d 、c is c os y s t e m s 、c o m p a q 、i n t e l 、 m o t o r o l a 、t e x a s i n s t r u m e n t s 等1 3 家公司组成了h o m e p l u g 家庭插电联盟 ( h o m e p l u gp o w e r l i n ea 1 1 i a n e e ) ，主要致力于开发共同的家用电线网络通信 技术标准。目前，h o m e p l u g 电力线联盟已有9 0 家公司参与该组织标准的制定 工作，并已制定了第一个标准草案( h o m e p l u g1 0s p e c i f i c a t i o n ) ，选用 i n t e l l o n 公司的o f d m 方案，作为统一技术标准的基础。2 0 0 1 年6 月2 6 日，“家 庭插电联盟”发布了该标准的第1 个版本h o m e p l u g1 0 。此外还有电力线通 信技术论坛( p l cf o r u m ) 和电力线作为可供选择的本地接入系统协会 p a l a s ( p o w e r l i n ea sa na l t e r n a t i v el o c a l a c e e s s ) 等组织也在研究p l c 技 术标准、市场推进和政府管制政策等问题。 0 3 本文所做工作和组织结构 本文主要针对目前我国高速低压电力线通信领域的空白，研究如何采用 o f d m 调制方案通过低压电力线实现以数十m b p s 速率高速接入网络的方案。针 低压电力线用于高速数据通信的研究 对电力线信道特性，对基带系统进行了设计，利用m a t l a b 软件进行了计算机 仿真，并对硬件实现进行了分析，提出了适合硬件开发的基带系统。 第二章主要讨论了低压电力线信道的统计特性，对由于多径传输产生的时 延扩展、频率选择性衰落和由此产生的码间干扰进行了详细的讨论，在此基础 上提出了电力线信道的计算机仿真模型。 第三章主要讨论了o f d m 的基本原理和实现方法，分析了选择o f d m 技术进 行高速通信时的抗干扰性能，提出了适用予电力线通信的一个完整o f d m 系统。 第四章重点针对电力线信道存在的严重的i s i 和同步等问题提出了相应的 解决方案，并对其进行了仿真分析。对于严重的i s i ，我们提出加入保护间隔 的方案，并进一步改进提出了加入循环前缀、循环前缀和自适应均衡相结合的 方案来消除i s i ，针对这些方案进行了具体理论分析论证和计算机仿真验证。 针对于o f b b t 存在的同步问题我们提出了利用循环前缀的相关性采用最大似然 估计算法同时解决符号同步和频率同步的问题。为了进一步提高系统性能，特 别是解决系统抗突发误码的问题，我们在基带系统中引入了信道编码、交织、 数字调制等技术，并仿真分析这些方案对系统性能的改善作用。在综合考虑系 统性能、可实时实现性、复杂性等基础上，提出了适合硬件实现的基带系统参 数。 第五章仿真分析了整个基带系统的性能。 第六章讨论了系统的硬件可行性。 低压电力线用于高速数据通信的研究 1 低压电力线信道分析 1 1 引言 1 9 9 7 年以来，国际上兴起的高速电力线通信p l c 的研究。与传统电力线载 波通信相比，p l c 要求提供l m b p s 1 0 m b p s 以上的通信速率，而传统的p l c 只 有几k b p s 几十k b p s 。因此，对带宽提出了更高的要求( 传统的p l c 的带宽： 欧洲为9 o k h z 1 4 8 5 k h z ，美国为1o o k h z 4 5 0 k h z ) 。虽然有电力线传输特性 和频带管制( 欧洲的e n 5 0 0 6 5 1 ，p a r t 6 3 2 ：美国的f c c c f r l5 1 1 3 ) 的限制，但 目前国际上的研究普遍认为1 m h z 3 0 m h z 的频带可以用来进行高速数据传输 。与中、高压电力线的载波通信不同，低压配电网由于直接面向用户，这一 固有的特点使其通信环境极其恶劣。在0 3 0 m h z 的频带中：5 0 k h z 以下充斥着 人为噪声和干扰不适于电力线通信；5 2 5 k 1 6 m h z 属于全球射频广播a m 频段； 剩下两个频段，5 0 k h z 5 2 5 k h z 用于低频p l c ；1 6 m h z 3 0 m h z 用于高频p l c ”1 ， 本文主要讨论高频p l c ”1 。在这个频带上，如何根据电力线介质高频段的特性， 采用合适的调制技术及相应的编码、均衡、同步及自适应技术就显得非常重要。 1 2 电力线接入方式分析 国内外p l c 技术的应用，主要分为两种模式，一种是以美国为代表的户内 联网模式，利用室内电源线，实现家庭内部多台计算机联网及智能家用电器联 网，户外访问使用其它宽带的接入方式，这是因为美国a d s l 、c a b l em o d e m 等技术和产品已经比较成熟和普及。目前室内产品的较高速率是i n t e 】lo n 公 司的p o w e r p a c k e t 达到1 4 m b p s ，i t r a n 公司的i t m l 0 达2 4 m b p s ，这些产品在国 外均处于初级商用阶段。第二种是欧洲，用作户外接入模式，具体是( 光缆或 其他高速通信手段已经连接到楼内总配电室) 利用2 2 0 3 8 0 v 线路解决从楼内 总配电室至每个住户的通信接入，实现从低压配电变压器到住户的高速数据接 入。 低压电力线是指从中低压变压器到私人用户这一段，这段距离大约有 2 0 0 3 0 0 米。考虑到我国的低压配电网的具体情况，我们提出在每个低压变压 器侧把多个用户的数据经过基站合路后接入骨干网的接入模式，这主要是因 为： 1 ) 变压器对高频信号的衰耗非常大，通过变压器传输数据技术上难于实 现。 2 ) 我国的一个低压变压器侧接上百个用户( 2 0 0 3 0 0 个) 。而且低压电力 线的可用频带有限，电力线采用总线制传输，如果通过多个低压变压器之后再 进行多路数据汇接共享带宽，会降低单个用户的接入速率，无法满足高速接入 堡堡皇查塑里堕堡墼塑望堕塑型塞 一一 一占鲈咎一国 甏一止一心掣：二一兰 1 3 信道特性分析 低压电力线本身是设计用于传输5 0 h z 或6 0 h z 电力，而不是用于数据通信 的，要想采用适当的技术在低压电力线上可靠传输高速数字信号，首要的前提 就是分析电力线信道特性，然后有针对性的提出解决方案。在过去，研究人员 们对数百k h z 以下的频带进行了许多的理论分析和现场测试，并得出了许多有 用的结论，然而对于高频带的特性还需要进一步的分析，而且由于电力线环境 的复杂性，在低压电力线信道参数的测量中普遍会遇到以下问题： 1 ) 每个小区配电网络都有自己的拓手卜分布( 线路长度及布局) ，不易找出 代表性的线路进行测量。 2 ) 用户的周边环境不同，造成不同地区、同一地区的不同用户的衰减特 性均不相同，无法为通信终端提供大致相同的发射接收条件。 3 ) 每个网络节点的电气特性随着时问而变化，同一地点不同时间测量的 大多数参数都有明显的变化。 4 ) 不同负载的随机开关操作，产生不同噪声脉冲，从而对通信信号产生 严重干扰，很难找到一个通用的统计特性。 因此，对电力线通信系统很难提出一个通用的信道模型，只能针对主要的 干扰予以分析。 由于电网上负载的不断按入、切出，表现出来的信道特性有如下特点：( 1 ) 信号衰减大且有很强的时变性；( 2 ) 整个网络的阻抗处于动态变化之中，使许 多用电设备工作在阻抗不匹配的状态，信号到达该处时会产生反射、谐振等现 低压电力线用于高速数据通信的研究 象，造成多径效应和频率选择性衰减。如果多径延迟较长，就会对有用信号产 生严重的符号间干扰i s i ( i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) ；( 3 ) 干扰噪声；( 4 ) 相移。 1 。3 1 时变特性 对于一般的居民用户，我国采用的是2 2 0v 交流两线供电。由于电网上负 载的不断接入、切出，马达的停止、启动，电器有开有关等各种随机事件，使 表现出来的信道特性具有很强的时变性。低压电力线在1s 内可对某一频率信 号的衰减变化达到2 0 d b 6 0 d b ，同时，在1s 内信噪比的变化也可达到l o d b 左右“1 ，具体对通信系统表现为突发脉冲干扰。 1 3 2 衰减特性 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线通信必须解决的问题。 低压电力线一般由铜等电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小( 视导线 的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其自身阻抗略有变化且 相对稳定。因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因，电力线的阻 抗主要由电力线上接入负载的阻抗特性所决定。 由于低压配电网分支很多，各种性质负载在任意位置随机地连接或断开， 它连通信系统所要求的最基本的阻抗匹配都不能作到，所以信号会遇到反射、 谐振等种种复杂现象，使信号的衰减特性非常复杂，且具有很强的时变性，尤 其是那些用于调整电网功率因数的大电容，对通信信号来说，相当于短路。实 验表明，信号的衰减与距离的有关：般为4 0 l o o d b k m ，在农村的衰减最 大，5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ；在郊区，25 0 m 亦能达 到2 5 d b ；但在工业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b ”3 。同时信号的衰减 与频率、工频电源的相位也有关，一般来说，随着频率的增加，信号的衰减也 将增加，在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会 出现突然剧增。 低压电力网的衰减特性是极其复杂的。对不同建筑物或相同建筑物电力网 中不同的节点间，甚至同一对节点在不同的时间，其衰减值都相差很大。这主 要是由于电力网负载的变化所致。国内外的分析研究都是针对具体的线路进 行，很多结论不具有普遍性，我们根据对多篇文献提供的测量结果进行分析 “”，可总结出低压电力网衰减的一般规律如下： 1 ) 除了短距离传输外，即使收发信机同相，信号衰减仍可高达2 0 d b 或以 上。 2 ) 同相衰减一般小于跨相衰减，但在一些频率点上有所例外。 3 ) 当频率上升时，信号衰减随之增大，但这种变化并不是单调的。 4 ) 在某些特定的频率点上，有可能发生窄带衰减。 低压电力线用于高速数据通信的研究 5 ) 电力网上的电力负载将极大地影响信号的衰减。由于负载情况随着时 间发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减都会随着时间而变化，其变化 范围可达2 0 d b 或更高，本文下面还将对此进行。 因此低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型，也不能用 简单的数学公式表述，它更适合用统计的方法计算分析。 1 3 3 干扰噪声特性 电力线噪声分为非人为噪声和人为噪声。非人为噪声是如雷电等自然现象 在电力线上引起的嗓声；人为噪声则只由连接在电力线上的用电设备产生的， 人为噪声对低压电力线通信有着严重的影响，下面的讨论主要针对人为噪声。 低压电力网的噪声水平取决于居民家中用的电器设备，以及在同1 台配电变压 器下其它居民使用的设备。居民家中的主要噪声源有电视机、冰箱、空调、电 风扇、洗衣机等。为便于分析，可近似地将其分为4 类【3 j 【驯： 1 ) 背景噪声 该噪声时时存在，因其频谱占据了整个通信带宽，因此采用扩频通信技术 对其几乎没有改善。测量表明，背景噪声主要来源是交直流两用电动机，这种 电动机可以在许多家庭用具如电钻、搅拌器、电吹风里找到，问题十分严重。 所幸的是：背景噪声很少能够达到最高功率水平，而且它们将与传输信号样 被用户配电网络所衰减。背景噪声是典型离散高斯型，在1 0 k h z1 0 0 m h z 的 频率内，背景噪声的平均功率谱1 9 l 为： n f n ：1 0 肚一3 9 5 。1 0 。o f i 1 1 式中参数k 随时间缓慢地变化，大致具有高斯分布n ( 一8 6 4 ，0 5 ) 。 2 ) 随机脉冲噪声 随机脉冲噪声主要来源于4 个方面： a 可控硅( s c r ) 器件和一些电源电路产尘的5 0 ( 6 0 ) h z 的倍频谐波( 美国 电力线频率为6 0 h z ) ； b 由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电动机 产生的干扰： c 开关电子设备产生的脉冲噪声； d 。非同步周期的噪声，如电视机的1 5 。7 3 k h z 的行扫描频率”，脉冲干扰 对数据通信影响很大，具体表现为突发脉冲。 闪电和负载( 电容器组、自动调温器、电冰箱、空气调节器等) 的开关操作 会产生随机脉冲噪声，每个脉冲噪声都将影响很宽的频带。脉冲噪声的主要参 数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。 宽度给出了在给定速率下影响的传输数据位个数，丽到达阔歇时阔则给出了脉 冲噪声发生的频率。突发性的脉冲干扰会引起短时间的突发误码，造成瞬间的 高误码率，在恶劣的信道中常需使用信道编码技术降低误码率。在低压电力线 低压电力线用于高速数据通信的研究 路中，不超过0 1 m s 就会有1 次非常强的噪声产生，它大致具有泊松分布，参 数 取值范围为0 5 1 0 一。脉冲噪声的特点如下： a 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1 0 d b ，有时甚至高达4 0 d b 。其强度 依赖于噪声源及它距离接收机的远近。 b 脉冲噪声的主要频率一般为电力系统频率的2 倍，即1 0 0 ( 1 2 0 ) h z ， 且和5 0 ( 6 0 ) h z 电源电压的正或负半周期同步，脉冲宽度约有百分之几的变 化。 c 由于噪声和信号都要衰减，所以靠近接收机的噪声源对信号的接收影响 最大，特别当网络衰减很大的时候。 d 脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时脉宽减少。 3 ) 电力系统频率同步的谐波噪声 主要指由可控硅( s c r ) 器件和一些电源电路产生的5 0 ( 6 0 ) h z 的倍频谐波 ( 美国电力线频率为6 0 h z ) ，因其开关频率与电源频率同步，故产生了一系列 不同幅度的谐波噪声。一般情况下，谐波噪声能量要比基频小得多，由于线路 的衰减特性，通信信号的能量将远低于它。它的功率一般不超过一4 5 d b 。 4 ) 非同步周期的噪声又称周期异步噪声 主要指与电力系统无关的谐波噪声，一般由电视接收机和计算机显示器产 生。重复频率依赖于电视机和显示器的扫描频率，如电视15 7 3 k h z 的行扫描 频率。随着通信技术的发展，对高分辨率和图像偏移质量的要求也越来越高， 这使这些频率越来越高。它的功率不超过4 5 d b 。 1 3 4 相移特性 文献 3 中就电力线传输信号对相位的影响也作了测量，结果表明，通过 2 5 0 m 的电力线，f 弦波的相移小于1 0 。 1 3 5 多径传输特性 多径效应是数字通信中特有的一种干扰，是指信号经过不同路径到达目的 地时由于信号的延迟而相互干扰的现象。低压电力网所连接的设备数量巨大、 种类众多，整个网络的阻抗处于动态变化之中，这必然会造成许多用电设备工 作在阻抗不匹配的状态。如果某些设备阻抗不匹配，信号到达该处时必然会产 生反射，这样来，有用信号就可能经过若干条不同的路径到达接收点。由于 这些反射信号到达接收点的时间、相位不同，在接收端叠加后有可能对有用信 号形成干扰。当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略；如果延迟较长，就 会对有用信号产生严重的码间干扰，多径传播表现为平坦衰落和频率选择性衰 落。 低压电力线用于高速数据通信的研究 1 3 5 1 平坦衰落特性 平坦衰落是指接收信号的幅度和相位在传播中被改变，可以简单证明：设 发刳波为c o su 。t ，则经过n 条路径后的得到的接收信号为： 一1一1 e ( t ) = z a i ( t ) c o s c o o ( t 一7 y i ( r ) ) = z a j ( t ) c o s c o o t + 纷( f ) = 0| l r = 0 一1_ v l r ( t ) = d m ) c o s 国o f c o s 竹( f ) 一口f ( t ) s i n c o o t s i n o f ( f )( 1 2 ) = 0k = 0 其中a ( t ) 为第i 条多径信号的幅度； t 。( t ) 为第i 条多径信号的传输延时； q 。( t ) = 一ot 。( t ) ； a ，( t ) ，( p 。( t ) 虽然都随时间变化，但相对于系统载频慢的多，设 一1 x f ( f ) = z a f ( t ) c o s ( p i ( f ) i = 0 _ v l x 。( f ) = z a f ( t ) s i n o i ( t ) k = o 则式1 2 为： r ( t ) = 。( t ) c o s c o o ( t ) 一x , ( t ) s i n c o o ( t ) = r ( t ) = v ( t ) c o s c o o f + 妒( r ) 】 矿( f ) = 正霹i 而合成波形的包络 ( 1 3 ) ，、z j 妒【 = a r c t a n 蔫合成波形的相位 “j t , t j 由于a i ( t ) 、中- ( t ) 缓慢变化，从而v ( t ) 和( p ( t ) 也缓慢变化，从而接收信号r f t l 被可看作一个窄带过程：从波形上看，r ( t ) 的包络和相位缓慢变化；从频谱上 看，r ( t ) 由单个频率变为一个窄带信号，引起了频率弥散，因此r ( t ) 可看作是 包络和相位受到调制的窄带信号，但由于电力线通信环境的复杂性，很难找到 符合的b - i ( t ) ，币i ( t ) 的统计特性，而且由于其相对于载频缓慢变化，是一个平坦 衰落，采用正交频分复用技术能够予以克服。 低压电力线用于高速数据通信的研究 1 3 5 2 频率选择性衰落特性 频率选择性衰落( f r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n g 简称f s f ) ，即是指在某些 频率点，信道的频晌曲线会突然出现很深的凹陷。设发射信号为x ( t ) ，多径数 为n ，因为电力线的时变性，接收端的多径信号表现为： 一i r ( t ) = a ，( t ) x ( t f ，( f ) ) ，= 0 ( 1 4 ) 下面进行证明，设多径传输的路径为2 ，且有相同的强度和相对的时延差 t ，设发射信号为x ( t ) ，a 为幅度，t o 为信道固有传输延时，则接收信号可以表 示为： r ( t ) = a x ( t t o ) + a x ( t t o f )( 1 5 ) 一：卜一延帆卜一 求和 十、卜 图1 2 多径模型图 f i 9 1 2 m u l t i p a t hm o d e l 对r ( t ) 进行傅里叶变换为： r ( c o ) = a x ( c o ) e - j 0 3 0 ( 1 + e j ”) 从而传输函数为： h ( c o ) = 口p - j c o t o ( 1 + g j 。7 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 当f 0 变化，h ( c o ) 也随之变化，从而出现了在不同频率点上有不同的衰减，当 c o = 2 n 丌t 时，出现传播极点；当( c o = 2 n + 1 ) 兀t 时，出现传播零点；因为电力线 信道的多径延时随环境、时间变化，是个随机变量，因此传输的零极点位置也 是时变的。电力线信道的多径延时各不相同，设其均值为t ，则信道的相干带 宽f ：1 t ，当传输信号的带宽大于相干带宽，该信号就会出现明显的频率选择 性衰落。相干带宽的实际是指一个频率范围，在这个频率范围内，信号的衰落 是相关的 1 1 】。 频率选择性衰落会导致符号间干扰。这是因为当电力线信道用于高速数据 传输时，速率越高符号宽度越窄，由于多径信号与直接传输的符号之间有时延， 如果多径时延与符号周期在同一数量级上或者更大，在接收端前面符号的多径 信号与后面符号同时到达，从而影响了后面符号的正确判决，这样就会引起符 号间串扰，这也就是频率选择性衰落引起误码的原因。 低压电力线用于高速数据通信的研究 1 4 建立信道仿真模型 总的来说，低压电力线载波信道的传输特性的特点是：负载情况复杂，噪 声干扰强且具有时变性，信号衰减大等。因此对电力线通信系统很难提出一个 通用的信道模型，只能针对主要的于扰予以分析，得出其统计特性。当用于高 速数据通信时，多径传输造成的频率选择性衰落和脉冲干扰将会严重影响系统 的性能。由于本文主要研究采取适当的技术减少这两方面对系统的误码率造成 的影响，因此在本文的仿真中，通过加入多径、脉冲干扰和高斯白噪声来仿真 信道特性，其中脉冲干扰采用服从泊松分布的频率为1 0 0 h z 的窄脉冲，下面将 具体讨论多径信道模型。 对于低压电力网的干扰特性，人们分别对不同的地域作了大量试验，结论 是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模 型1 ，我们提出采用下面模型仿真电力线多径的脉冲响应模型： 一1 ( f ，f ) = q o ) 万p t i ) + n ( t ，r )f 】g ) t = o 、 h 。( t ，t ) 代表基带信号的脉冲响应，随参数t 变化，可见其是时变系统。这个 模型按照时间将各个多径信号统一表示出来：设多径延时的最大值为- ，指 经最长路径的信号与直接传输的信号到达的时间差：在时间轴上将t 划分为 等问隔n 等分，t = ( n t ) ，每个时间间隔为t ，n 为间隔数，划分的 准则是保证任一个多径信号都能落在间隔点t 。= i t 上，则第i 多径信号延 时可以表示为：t 。= i t ，a t ( t ) 表示第i 个多径信号的幅度；如果实际信道 在某个时间点j t 上不存在多径信号，则a ，( ，t ) = o ，从面使这个模型具有 通用性，适合任意长度多径延时。 我们以多径数选择为2 进行分析，如图1 3 ，路径1 延时为t ，路径2 延 时为tz ，。ft ：一t 。，其脉冲响应为： 矗p ，r ) = 口1 ( f ) 艿( 1 ) + a 2 ( t ) 5 ( r 一7 2 ) ( 19 ) 图1 3 两径仿真模型 f i 9 1 3t w op a t hs i m u l a t i o nm o d e l 因为电力线具有不确定时变性，多径信号的幅度由采用经过低通滤波器的自高 斯噪声生成高斯随机过程来代表a l ( t ) 、a 2 ( t ) ，在离散的时i m 上使用相对简单 的白高斯噪声序列激励的i i r 滤波器的输出作为a l ( t ) 、a 2 ( t ) ，用两个极点相j 司 低压电力线用于高速数据通信的研究 的简单低通数字滤波器的传输函数在z 域表示为： 脚，= 篙鲁= 五黠 ( 1 1 0 ) 也可表示为：口。= 2 p a 。一1 一p2 d 。一2 + ( 1 一p ) 2 。 式中 。) 是输入的高斯白噪声序列； a 。 为输出序列；o p l 为极点位置。极 点位置的选取决定滤波器的带宽和输出序列 a 。 变化的速率，当p 趋近1 时( 趋 近单位圆) ，滤波器带宽较窄，而当当p 趋近0 时，滤波器带宽较宽。 信道的离散时域脉冲响应为： h h = 口1 ，月+ 口2 ，n d ( 1 1 1 ) d 为延时抽样。 图1 4 为仿真产生的通过p = o 1 的统计独立白高斯噪声序列滤波器产生的 输出序列 aj 。】和 a 2 。) 后的的信道离散时域脉冲响应h n ，延时抽样d 。5 。 图1 4m a t l a b 仿真两径信道模型 f i 9 1 4s in i t l a t i o no ft w op a t hm o d e lu s i n gm a t l a b 在后续的信道仿真中，多径个数、延时抽样都根据具体的分析而变化。 1 5 仿真说明 m a t l a b 是套功能强大的数值计算工具软件，它以矩阵为基本数据单位， 具有完善的数值计算功能、丰富的指令系统、可直接调用的函数和功能强大的 专业工具箱，如通信工具箱、信号处理工具箱等，并且能实时绘制出结果曲线， 从而减少了在具体数值算法实现上的繁杂编码劳动，本文给出的仿真结果都是 在m a t l a b 5 3 环境下使用、修改工具函数，编写符合需要的m 文件完成。分析 的重点在于研究、验证o f d m 技术在频率选择性衰落信道下抗i s i 、i c i 的能力。 并提出了适合电力线通信的o f d m 基带系统，对基带系统采用的调制、编码、 低地电力线用于高速数据通信的研究 交织进行了仿真分析：针对电力线信道严重的i s i ，提出采用加入保护间隔的 方法，并进一步改进采用加入循环前缀、循环前缀和自适应均衡相结合的方案， 对这些方案进行了具体分析论证和仿真；同时也利用循环前缀的相关性进行系 统同步分析。在综合考虑系统复杂性、实现可能性的条件下，确定了基带系统 所使用的系统参数，从而为实际实现提供了坚实的理论基础。 1 4 低压电力线用于高速数据通信的研究 20 f d m 的基本原理和实现方法 21 单载波、扩频类和0 f d m 比较 由于低压电力线信道固有的多径效应和频率选择性衰减，如果延迟较长， 就会对有用信号产生严重的符号间干扰i s i ，因此，如果把电力线用于高速通 信面临的首要问题就是要寻找出能有效克服i s i 的方法，在电力线通信中讨论 主要集中在单载波类、扩展频谱类和正交频分复用调制技术，这几种技术各有 优缺点和不同的应用范围，下面简单予以讨论。 1 ) 单载波 传统的电力载波通信多采用单载波调制方式，在数据传输速率不太高的情 况下，多径效应对信号码元之间造成的干扰不是特别严重，可以通过使用合适 的均衡算法对信号进行恢复。但是当数据传输的速率提高到一定程度时，i s i 会严重影响通信质量。以单载波f s k 调制方式为例