電力線載波通信的信道估計和均衡定點化仿真分析

郝 巖，周春良

(1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網公司重點實驗室電力芯片設計分析實驗室，北京 100192；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心，北京 100192)

0 引言

PLC技術是指利用電力線作為通信信道進行傳輸信息數據的一種通信技術。其最大的應用場景是電網用戶用電信息采集。但是由于電力線起初設計并不是用于傳輸信息數據，電力線網絡中的負載多種多樣，因此電力線信道環境非常復雜，噪聲多種多樣，也經常受到多徑衰落的影響。基于正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)載波通信技術能有效對抗多徑和頻率選擇性衰落特性，因此國家電網定制了一套基于正交頻分復用(OFDM)載波通信系統的用電信息采集規范[1]。為了對抗電力線信道的多徑和頻率選擇衰落特性，降低噪聲對接收信號的影響，通常需要進行信道估計和均衡來對信道響應進行分析。基于OFDM通信系統的信道估計均衡算法多采用LS算法和最小均方誤差(Minimum Mean Square Error，MMSE)算法。

而對于信道估計和均衡算法在芯片上實現，通常需要經過定點化。在芯片定點化實現時必然要考慮有限字長效應，因為需要面臨性能和面積的trade off(權衡)問題。所以在滿足系統性能要求下分析參數的定點化范圍，對于專用集成電路(ASIC)芯片設計有很大指導意義。

本文基于國家電網用電信息采集規范，通過對電力線通信原理和信道估計和均衡算法分析，研究了LS信道估計定點化實現時參數不同定點字長對系統性能的影響。綜合考慮系統性能和面積的trade off,選取芯片實現的最優定點化字長。

1 電力線通信原理

國家電網用電信息采集規范基于OFDM載波通信，采用先進的信道編碼交織方案，能夠有效對抗多徑和頻率選擇性衰落，突發窄帶干擾噪聲，提高信道的魯棒性[2]。

圖1是物理層發送和接收的整體結構框圖。電力線物理層數據分為幀控制和載荷數據。物理層數據經過物理層編碼、調制和IFFT(逆傅里葉變換)生成時域的OFDM載波信號。OFDM載波信號通過電力線信道傳輸到接收端，接收端再經過FFT(傅里葉變換)、解調和譯碼將幀控制信號和載荷數據還原。為保證用電采集信息的可靠還原，如圖1中虛線框圖所示，在國家電網用電信息采集規范的接收鏈路增加了信道估計和均衡算法。對有多徑、頻率選擇性干擾和脈沖噪聲的電力線信道進行信道響應分析[2]。

圖1 物理層結構原理框圖

相對于LTE時變性較快的無線信道，電力線信道屬于慢時變性信道，因此在控制幀和數據幀中并沒有導頻存在，而是在控制幀之前有一組前導符號。信道估計主要通過前導符號來獲得電力線的信道響應。前導符號由SYNCP和SYNCM組成，SYNCP和SYNCM是兩個相關性能很好的周期性序列。前導符號的幀格式如圖2所示，其中SYNCP為10.5個OFDM符號，用來做自動增益控制(AGC)、同步、頻偏估計等；SYNCM為2.5個OFDM符號，用來做信道估計。SYNCP由公式(1)描述：

(1)

其中N=1 024；X(k)取復信號，

SYNCM=-SYNCP，前導的幀格式如圖2所示。

圖2 前導符號的幀格式

2 信道估計和均衡算法

基于OFDM的電力線通信系統信道模型如下圖3所示。

圖3 電力線通信信道模型

圖3中，X為電力線上輸入的頻域OFDM載波信號，W為信道的加性噪聲，Y為接收端接收到的頻域OFDM載波信號。文獻[3]對電力線信道和噪聲做了詳細的分析和建模，這些噪聲被歸納為兩種主要類型，分別是背景噪聲和脈沖噪聲，這里統一加到W內。

2.1 LS信道估計算法

假設OFDM系統模型用公式(2)表示：

YP=XPH+WP

(2)

其中H為信道響應，XP為已知的導頻信號，YP為接收到的導頻信號，WP為信道疊加的噪聲。LS信道估計就是對H進行信道估計，使最小平方函數J最小[4]。函數J如下所示：

(3)

(4)

令公式(4)等于零可求得估計的信道響應為：

(5)

2.2 MMSE信道估計

MMSE信道估計是使均方誤差最小[4]的方法，由公式(2)得前導符號的均方誤差公式為：

(6)

可以推導出MMSE信道估計的公式[2-3]為：

(7)

(8)

(9)

其中：

可以看出MMSE信道估計需要信道和噪聲統計特性，然后才能計算，并且需要進行多次矩陣求逆計算。隨著FFT點數的增加，計算復雜度急劇增加。這對于專用集成電路(ASIC)芯片接收端實現復雜度和功耗要求都很高[5]。在PLC通信芯片中實現比較困難并且成本和功耗都很高，不適用。因此選擇了計算量小、結構簡單的LS信道估計。

2.3 信道均衡

由于電力線信道屬于慢時變性信道，因此可以認為控制幀和數據幀信道響應與前導的一致。通過導頻的信道估計就可以計算出均衡后的控制幀和數據幀信號。

(10)

3 定點化中的位寬優化問題

在信道估計和均衡算法中需要多次乘加和除法運算，對數據的動態范圍和精度要求非常高，所以MATLAB算法模型大多都以浮點數為基礎。但是浮點數的表示復雜，大量的浮點乘法在ASIC芯片上的實現難度比較大，不僅占用的資源面積大，而且運行速度慢，不能滿足實時計算的要求。因此在硬件ASIC芯片實現中通常采用定點數據來表示，將浮點算法轉換為定點算法被稱為浮點算法的定點化[7]技術。

定點數在硬件芯片上實現占用的面積少、性能高、功耗低,故定點運算是工程開發上硬件實現最常用的一種方式[8]。但是,由于定點數小數點的位置固定，表示的動態范圍遠遠小于浮點數,導致運算精度變低，不能保證性能。而且在信道估計和均衡算法中遇到多次的乘加運算會導致結果溢出，使估計結果出錯。因此有必要對于信道估計算法的定點化進行位寬優化分析[9]，包括范圍分析和精度分析：范圍分析主要用于確定數據的整數位寬范圍，防止定點數據發生向上溢出；精度分析主要用于尋找最合理的小數位寬，以滿足系統性能的前提下確定數據最小字長，從而實現芯片資源面積利用率的最大化。

4 仿真性能分析和比較結果

根據2中的分析，本文采用LS信道估計算法。信道模型采用典型的加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道，基于國家電網用電信息采集規范，分集拷貝模式選擇推薦的TM0：物理塊字節數520；分集次數4；QPSK調制；碼率1/2；傳輸100幀；每幀1個物理數據塊。然后分別對浮點算法以及定點字長為8、10、12、14 bit進行了仿真對比統計。對比分析了在4種定點化字長和浮點算法下的信噪比和誤比特率，得到了性能曲線，如圖4所示。

圖4 信道估計性能分析曲線

可以看到，定點字長在12和14 bit信道估計模塊的信噪比和誤比特率曲線已經非常接近浮點模型。基于硬件芯片實現資源考慮12 bit完全能夠保證計算的正確和精度，因此在定點化實現的硬件信道估計和均衡模塊的定點字長定位12 bit。

5 結論

通過對信道估計和均衡算法進行定點化分析，使ASIC芯片能夠達到硬件性能和面積的trade off，既能保證正確和精度，同時又使硬件的資源消耗小，提高運行速度，降低功耗。通過對系統數據的處理精度做計算分析與驗證，掌握正常運行時各個計算節點所要求的最大精度和動態范圍，就能夠使整個系統達到最佳設計效果，這對于PLC芯片設計驗證提供了算法理論支持，為芯片設計方法提供了很大幫助。目前基于國家電網用電信息采集規范的PLC通信芯片已經基本通過了原型驗證并投入了試點應用，結果表明，較窄帶載波芯片在抄表成功率和并發抄表能力等方面有明顯優勢，這對于國家電網公司在智能電網用電信息采集系統建設方面有著重要的參考意義。