基于窄帶隨機過程的通信監控網絡信道編碼

摘要：該文研究電力線通信監控網絡的窄帶信道編碼，通過增加冗余比特，降低誤碼率和丟包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道編碼差錯控制原理基礎上，給出了設計中低速通信網絡信道編碼的基本分析思路，闡明了為提高可靠性而遵循的設計原則；在研究窄帶隨機過程解調檢測器基本原理基礎上，提出在電力線窄帶通信接收機中，增加一級累加器，使信號比特能量積累換取高信噪比，并在累加器后級通過大數判決來實現檢錯和糾錯。

關鍵詞：通信監控網絡；信道編碼；窄帶隨機過程；累加器

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)26-1684-03

Channel Coding of Communication Investigation Network Based on Narrow-Band Random Process

ZHANG Jun

(Academy of Professional Technology， Chenzhou 423000，China)

Abstract: In this paper， a method of channel coding of communication investigation network based on narrow-band random process was presented. Through increasing redundancy and decreasing 1 code rate， this method could improve relaibility of communication. Based on basic coding theory， this paper presents principle of nomal and low communication network， and describes principle of design. Based on narrow-band random process， this paper proposes a new method which increases a new accumulator to use high energy to subsitute high signal noise rate， this method also use majority-logic criteria to improve stability and relaibility of communication investigation network

Key words: communication investigation network; channel coding;narrow-band random process;accumulator

1 前言

本文研究電力線通信監控網絡的窄帶信道編碼，通過增加冗余比特，降低誤碼率和丟包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道編碼差錯控制原理基礎上，給出了設計中低速通信網絡信道編碼的基本分析思路，闡明了為提高可靠性而遵循的設計原則；在研究窄帶隨機過程解調檢測器基本原理基礎上，提出在電力線窄帶通信接收機中，增加一級累加器，使信號比特能量積累換取高信噪比，并在累加器后級通過大數判決來實現檢錯和糾錯。

2 重復編碼累加器

在研究窄帶接收機基本結構和構造信道編碼之前，先假設電力線信道中收發雙方能夠通過某種方式同步，使雙方均能由同步信號產生的定時器判定是何種信道編碼。

設碼字由N個比特組成，第一個比特為原始信息比特，其余為與信息比特相同的冗余比特。調制后，電力線通信窄帶信號頻譜集中在以w0為中心的有限頻帶△w內，且有w0>>△w 。窄帶隨機過程可表示為： ，其中的A(t)和φ(t)分別為窄帶過程的包絡和相位，與W0相比，均為慢時變的隨機過程。

當 a≠0 ，即當接收機輸入為疊加有噪聲的信號時，若θ 是在(0.2π) 上均勻分布的隨機變量，則Nci+acosθ ，Nsi +asinθ 在θ 給定情況下都是互相獨立的高斯隨機變量，且有

性質：兩個互相獨立的具有x2 分布的隨機變量之和仍為 x2分布，若它們的自由度之和分別為n1 和n2 ，其和的自由度為n1+n2 。由此可以得到G的概率密度與累加次數的關系。對于二進制窄帶調制信號，這個固定值即為碼元 1和 0 的判決門限。從以上分析中，可得到以下的重要結論：通過增加相同碼元的累加次數，增大接收機正確判決的概率。在信道編碼中信息比特能量以1-Pe>0.5 的概率多次累加，積累的總效應使比特能量和噪聲能量之比增加。所以，使用累加器可以提高接收機檢波的信噪比，提高通信可靠性。注意到G 的非中心參量λ 與自由度2n 之比為

a2/O2 為檢波器輸入端的功率信噪比。由非中心x2 分布Y 的數學期望和方差公式，E[Y]=nYσY2+λY，和D[Y]=2nYσY2+4σY2λY(nY、σY2 和λY分別為自由度、方差和非中心分布參量)，可得到歸一化 G的數學期望和方差

可見，G 的數學期望（接收機輸出的信號統計平均值）和方差（信號功率統計平均值）與積累次數成正比，且隨著輸入端信噪比的加大而增加。

3 仿真與分析

實驗一：未使用信道編碼的工程實測

本文將研究和設計的電力線通信模塊應用與遠程照明監控系統的仿真試驗中。根據監控系統通過GSM方式與電力線網關通信，查看控制和查詢結果，并與實際結果相比較。在上行鏈路中，數據包丟失（或控制字出錯）表現為未收到查詢結果；下行鏈路中，數據包丟失或出現誤碼，表現為下傳控制命令時未執行操作或發生誤動作。無論上行鏈路還是下行鏈路出現1次錯誤，均表現為通信網絡不可靠，按照操作失敗1次處理。操作次數和出錯次數的統計見表1。

實驗二：基于累加器信道編碼的工程實測

重點考察使用累加器大數判決的信道編碼能否降低誤碼率。測試統計數據見表2。與實驗一中測試結果比較，使用累加器信道編碼的通信網絡下行鏈路（控制）出錯率降低近400倍，上行鏈路出錯率降低近1.5倍。下行鏈路的數據流方向是由電力線通信網關至通信節點，經信道編碼后可靠性提升明顯。

分析無應答的節點位置規律，均位于線路末端；在時間也有19:00~21:00無應答情況集中的規律，在21:00以后，控制和查詢恢復正常。線路位置和時間段對通信網絡影響較大的是線路電壓。由于電力線通信節點使用線性電源，默認狀態是接收模式，所以能夠接收并執行來自于網關的控制命令；返回給網關狀態數據時，發射功率的消耗導致通信節點本地電壓跌落，造成波形失真和比特能量與噪聲比的降低，從而引起了誤碼。

線路末端通信節點距離供電變壓器距離基本相等，電子鎮流器側節點供電電壓均低于電感鎮流器側對應位置的電壓，最大相差7V。克服通信節點本地電壓跌落的有效方法，是提升供電工頻變壓器二次測輸出電壓，如圖1所示，原有變壓器在220V輸入電壓條件下有3.33V的跌落，導致輸出功率未達到設定值；改進后的線性電源能夠在輸入電壓低至190V時，為通信節點穩定供電。

從圖1中也可以看到， 信道編碼后的數據包長度為原始數據包長度的6倍(600ms)，雖然通信接口的波特率維持在 ，但實際數據包的傳輸時間增大了，可靠性得以提高。

4 總結

本文研究電力線通信監控網絡的窄帶信道編碼，通過增加冗余比特，降低誤碼率和丟包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道編碼差錯控制原理基礎上，給出了設計中低速通信網絡信道編碼的基本分析思路，闡明了為提高可靠性而遵循的設計原則；在研究窄帶隨機過程解調檢測器基本原理基礎上，提出在電力線窄帶通信接收機中，增加一級累加器，使信號比特能量積累換取高信噪比，并在累加器后級通過大數判決來實現檢錯和糾錯。

參考文獻：

[1] Sklar B.數字通信—基礎與應用[M].2版.徐平平，譯.電子工業出版社，2002:234-235.

[2] Huaiyu D， Poor H. Advanced Signal Processing for Power Line Communications[J].IEEE Communications Magazine，2003，41(5):100-107.

[3] Tadahiro W. A Study on the Effect of Turbo Codes in Cyclostationary Gaussian Noise Processes[J].IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics，Communications and Computer Sciences，2003，E86A(9):2396-2404.

[4] Tadahiro. A Study on Performance of LDPC Codes on Power Line Communications[J]. 2004 IEEE International Conference on Communications， 2004，(1):109-113.