基于正交頻分復用技術的低壓電力線通信系統模型

曹 婷，陳華敏

(南陽理工學院 電子與電氣工程學院，河南 南陽 473000)

1 引 言

OFDM技術是目前國際上最具吸引力的寬帶快速PLT技術，其使用FFT和IFFT進行調制和解調，能夠更便捷地實現DSP(數字信號處理)設備的保護間隔以及碼間干擾，可有效降低信道的噪聲，后期有望成為PLT的標準[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(PLC)相比，PLT在傳輸速度方面更具有優勢，能達到兆比特/秒，而PLC傳統上只有千比特/秒的速度。由于電力傳輸線和頻帶規定的特性限制[3]，目前應用于PLT的調制技術主要有3類，分別是單載波類、部署頻譜類和OFDM調制技術(復用頻率正交劃分)[4]。

電源線上的噪聲來自各種電器，且并非加性高斯白噪聲，其特點是可以在很短的時間內發生變化產生噪聲，包括：50 Hz(或60 Hz)相關的諧波噪聲[5]。另外，未連接到主電源的設備產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個部分構成，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，最后一個部分為異步的脈沖噪聲[6]。

電力線中電源噪音具有時域和頻率混合的特性[7], 在具體的試驗測試中，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調制技術的低功耗通信系統模型引入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軟件環境中實現低帶寬仿真的全仿真，研究系統的抗噪聲效果。

2 低壓電力線通信模型

與其他電纜通道相比，電力線通道阻抗不能傳遞到收發器，可調節的幅度控制信號很難發送。并且，諸如無線信道之類的流線具有多徑反射，會導致選擇性衰落，且ISI效應隨接入接觸的時間和位置而變化，通信模型如圖1所示，模擬參數如表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 發送信號/dB 接收信號/dB 衰減信號/dB 35-2.34.355-3.26.565-3.47.675-2.68.585-4.36.595-3.66.3105-3.25.6

高壓信道的傳輸環境非常苛刻，其中大多數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，原始信號將不能恢復，處于短路狀態。

3 低壓電力線信號傳輸模型

低壓線路通信的中間通信系統與其他傳統通信介質不同，低壓線路通信受多徑效應影響，頻率會出現選擇性衰減，并受到噪聲和其他因素的影響。

3.1 低壓線路信號傳輸函數模型

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，然后根據具體拓撲結構進行組合，可以通過高精度的數學運算獲得傳遞函數模型參數，不需要復雜的線性識別，如黑盒模型參數。

圖2 傳輸網絡通訊模型Fig.2 Model of transport network communication

在大多的實際應用中，多數電動工具為單相或多相，因此，電力線模型的建立通常基于多導體傳輸線(MTL)理論[10]。而根據TL理論，任何統一TL都可以成為雙端口網絡(2PN)，由傳輸矩陣T表示，又稱為ABCD矩陣。雙端口網絡結構如圖2所示。

當長度為0或長度為1的序列出現在數字信號序列中時，很容易丟失信號并導致錯誤的代碼出現。為了減少數據的冗余性、增加信號的抗噪聲及干擾性能[11]。基于公式(1)，將線性移位寄存器生成白化系列，實現過程如圖3所示。

S(x)=x10+x3+1.

(1)

圖3 數據白化實現過程Fig.3 Data whitening implementation process

3.2 Turbo編碼器

Turbo編碼器結構如圖4所示。

圖4 Turbo編碼器的組成Fig.4 Composition of Turbo encoder

本文的Turbo編碼采用二次反復結構，將第一次反復結束相對應的結束狀態作為第二次反復的初始狀態，再輸入第二次反復編碼的數據。這些數據是第2次重復編碼輸入數據，在第二次重復結束之前，輸入第2次重復編碼數據。可以直接進行第2次重復，然后再輸入第2次重復編碼數據。

3.2.1 分量編碼器模塊

BMQ1和BMQ2號編碼結構如圖5，數據流量的前兩部分在U1和U2，并編成兩個字母。在一種編碼中，每對比特對應于輸出奇偶校驗比特。

圖5 分量編碼器架構Fig.5 Component encoder architecture

具體的處理步驟為：

第1步：啟動狀態的調節，具有特定的啟動狀態參數R0=[R01，R02，R03]=[0，0，0]；

第2步：按順序分列的數據地點數據，RN=[RN1，RN2，RN3];

第3步：令R0=RN×M，M矩陣定義如下：

物理塊字節數為520和16時：

(2)

物理塊字節數為136時：

(3)

第4步：輸入信息比特被重新發送到分量編碼器，通過第三步驟計算初始狀態R0'，在一次編碼之后，可以輸出編碼的奇偶校驗比特。

3.3 Turbo交織模塊

原始數據在通過Turbo編碼器之后傳遞給編碼器2。每兩個比特都是一組用于截取的數據，不同的截面模式參數也不相同。表2列出了具體中斷的參數，包括3種情況。

Turbo交織的數學模型公式：

A(x)=mod((S(mod(x，N)+1)-
(fix((x)/N))×N+L)，L)，

(4)

式中：S(·)是一個搜索表，該表可以存儲在FCPGA中的ROM中：與FCPGA一起執行讀取操作。

多樣性復制技術用于幀控制字符，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制信息、復制時間和有效載荷數據編碼等的重要信息，所以多樣性復制技術可以提高傳輸的可靠性。

3.4 ROBO交織

本文的ROBO交織模式由循環移位參數、反轉變量值、所需的拷貝數和數據調制模式決定。為避免在同一子頻道上發送相同的數據信息，以前的ROBO交織模式選擇循環移位，為了規避參數不變，性能差的缺點，采取有效載荷數據的反向通道，提高系統的穩定性。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，選擇數據信道的類型，根據復合信號類型進行OFDM調制。如果子載波未滿，則需要填充最后一個OFDM符號，具體流程如圖7所示。

圖7 ROBO交織流程圖Fig. Flow chart of ROBO interleaving

4 仿真分析

MATLAB是一種科學的計算機語言，具有數值計算，符號處理和圖形處理功能，可以直接處理矩陣或數組，編程效率較高。Simulink是MATLAB提供的工具包，可用于建模、仿真和動態系統分析，并且能提供用于顯示輸出信號的模塊，因此可以在模擬過程中隨時觀察模擬結果。

4.1 噪聲特性分析

奈奎斯特濾波器使用單載波系統的帶寬，很少超過80%，而OFDM可以實現幾乎100%的頻譜效率。并且該性質也可以從時域得到證明。OFDM子載波是獨立且非相關的，它們是指數增加，而時域中的復合信號非常接近白噪聲。

表3 信道長度及載頻Tab.3 Channel length and carrier frequency

4.1.1 信號誤比特率

Bernoulli二進制信號發生器：隨機產生0.1個信號，發生概率為50%，并指定二進制信號發生器產生幀格式的輸出序列。FFT和IFFT均為64點，由Unbuffer模塊實現，轉換信號的實數和虛數存儲在Goto模塊中，示波器用于繪制圖形。

圖8 傳輸信號的誤比特率Fig.8 Bit error rate of transmission signal

如圖8所示，估計模塊首先估計比較先驅傳輸之前和之后的幅度和相位變化，接收信道響應，并獲取信道反應響應，再將接收到的信號相乘以進行估計。

4.1.2 信號誤碼率

從圖9中可以看到，OFDM通過打開或關閉子載波來重新分配子信道，因此數據只被發送到對應的頻率譜，維持適當的位誤碼率。

圖9 傳輸信號的誤碼率Fig.9 Error rate of transmitted signal

4.2 信道傳輸特性分析

使用Simulink仿真模擬作為構建OFDM系統仿真模型的平臺，同時轉換并行模塊到串聯，進行信道估計及信道衰減補償，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。當支路負載恒定時，通道的弱點是電源線。當饋線長度增加到10 m時，30 Ω支路負載的信道衰減大于50 Ω支路負載的信道衰減。當負載差異較大時，通道的下降增加，支路增加。另外根據計算，分支特征的阻抗約為73 Ω。

將已上參數代入通信系統模型中，并對比無OFDM技術以及帶OFDM的信息載波通過率，見圖11和圖12，其中噪聲分類器參數為τ= 0.01和A= 1。

圖11 無OFDM技術的系統誤比特率分析Fig.11 System bit error rate analysis without OFDM technology

圖12 帶OFDM技術的系統誤比特率分析Fig.12 Ystem bit error rate analysis with OFDM technology

從圖11和圖12中的結果可以發現，相比無OFDM技術的信息載波通過率，帶OFDM技術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，信號具有特定的衰減，這與實際情況較為一致，系統的信號傳輸特性能夠較為真實地反映系統的結構。

5 結 論

OFDM系統的顯著優勢之一是其強大的抗干擾性，因此它們主要用于無線移動通信領域、成熟的第三代移動通信技術和市場營銷以及第四代移動通信的研究和實驗階段。本文基于OFDM系統的基本模型，給出了基于MATLAB仿真平臺的OFDM仿真系統，詳細介紹了一部分主要的模塊功能、模塊參數設置和誤碼性能。研究結果表明，OFDM技術能夠有效提升低壓電力線通信系統的傳輸性能，并顯著降低通信系統的噪聲影響，該技術具有較好的應用前景和競爭力。