摘 要：通過實際測量給出低壓電力線的信道模型，在此基礎(chǔ)之上提出了利用循環(huán)前綴對信道進行估計的方法，即在梳狀導頻模式時，使用導頻獲得導頻子信道頻率響應后，對其在頻域方向進行插值得到數(shù)據(jù)子信道響應，在其后沒有導頻的序列的數(shù)據(jù)周期內(nèi)，使用循環(huán)前綴對信道進行估計，從而起到改善系統(tǒng)誤比特性能的目的。

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關(guān)鍵詞：正交頻分復用；循環(huán)前綴；信道估計;電力線通信

中圖分類號：TN911.23文獻標識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)07-050-03

A Scheme of Channel Estimation of OFDM Power Line Communication System

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LUO Qinglong，SONG Peng，LI Xiangyun

(College of Information Engineering，North China University of Technology，Beijing，100041，China)

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Abstract：A scheme of channel estimation using cyclic prefix based on the measurement of the low-voltage power line channel model is presented.After obtaining the frequency response of pilot sub-channel under the state of comb-type pilot，the data sub-channel response is obtained by interpolating the frequency response in frequency direction.In the pilot-free data period，the estimation of the channel is carried out by using cyclic prefix in order to improve the performance of system error rate.

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Keywords：OFDM;cyclic prefix;channel estimation;power line communication system

1 引 言

近幾年來，隨著用戶對各種通信需求的不斷提高和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，低壓電力線載波通信日益成為國內(nèi)外科技工作者研究的熱點。由于低壓電力網(wǎng)與千家萬戶相連，各種各樣電器設(shè)備所產(chǎn)生的特性復雜的噪聲在電力線中的傳播會不同程度地干擾載波信號在信道上的傳輸。因此，如何進一步提高在電力線的通信性能，實現(xiàn)高速、可靠的長距離通信，依賴于對通信信道特性的準確把握。

正交頻分復用(OFDM)因其較好的抗多徑衰落和頻譜利用率的優(yōu)良性能，以其簡單的頻域均衡方式，在低壓電力線通信中受到愈來愈廣泛的關(guān)注。但在采用相干檢測的OFDM系統(tǒng)中信道的精確估計是提高系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。結(jié)合低壓電力線信道特性，將基于導頻的信道估計方法應用于低壓電力線通信系統(tǒng)，并對其性能進行分析。給出一種適合低壓電力線通信且算法收斂速度較快的信道估計方法。

2 低壓電力線信道模型的建立

2.1 低壓電力線信道特性的測試

利用Tektronix TDS1002B示波器對實驗室電力線噪聲測試如下：

圖1 低壓電力線噪聲時頻域測試圖

可見電力線信道的噪聲主要是由電網(wǎng)中工作的各種用電設(shè)備產(chǎn)生，主要可分為5類^[1]：有色背景噪聲、窄帶噪聲、周期脈沖噪聲(與電網(wǎng)頻率不同步)、周期脈沖噪聲(與電網(wǎng)頻率同步)、異步脈沖噪聲。 

通過在不同工作頻率下低壓電力線阻抗的測試如圖2所示。在測試的頻率范圍內(nèi)，低壓電力線網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗的變化范圍為2~40 Ω，而且輸入阻抗隨頻率的升高呈增大的趨勢。從這個意義上講，采用較高的頻率進行載波通信是有利的。

圖3可見在100~400 kHz載波頻率范圍內(nèi)，通道衰減隨頻率的增加近似呈線性迅速增長，傳輸信道對載波信號的衰減隨頻率的變化率約為-10 dB/100 kHz。在500 kHz~3 MHz頻段傳輸信道對載波信號衰減的變化范圍相對比較穩(wěn)定，為-18~-40 dB。



圖2 低壓電力線阻抗測試圖

圖3 低壓電力線衰減特性測試圖

2.2 低壓電力線信道模型

低壓電力線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點眾多以及分支和節(jié)點不匹配的特點，因此，決定了信號的多徑傳播特性。他具有頻率選擇性衰減特性，多徑信號傳播的信道傳輸函數(shù)可以用N條傳輸路徑的疊加和頻率f、距離d、延時τ等因子表示為：



H(f)=∑Ni=1gi#8226;e －α(f)#8226;di#8226;e－j2πf#8226;τi

(1)



3 OFDM系統(tǒng)模型

3.1 信道模型

假設(shè)信道在一個OFDM符號持續(xù)周期信道是不變的，則信道沖擊響應為hn(u)=∑L－1i=0al(n)δ(u－τi)，其中L為信道的多徑數(shù)；al(n)是第l徑時刻n的復衰落，服從零均值的復高斯分布，并且各徑衰落系數(shù)相互獨立；τl是第l徑的延遲時間。若信道的最大時延擴展為L0個符號周期，則此信道的沖激響應可以用L0階的FIR濾波器來近似：hn=[hn，0，hn，1，…，hn，L0－1]T。

3.2 加循環(huán)前綴的OFDM系統(tǒng)

基帶OFDM系統(tǒng)的原理框圖如圖4所示^[2]。在系統(tǒng)發(fā)射端信源產(chǎn)生的二進制碼流，進行QPSK，BPSK或QAM調(diào)制后，再串并轉(zhuǎn)換為N個并行的數(shù)據(jù)向量[WTHX]X[WTBX]n=[Xn，0，Xn，1，…，Xn，N－1]T，對其作N點的IFFT變換后，記作xn=[xn，0，xn，1，…，xn，N－1]T。將其最后G個數(shù)據(jù)作為循環(huán)前綴插入xn前并進行并串轉(zhuǎn)換xΦn=[xn，N－G，…，xn，N－1，xn，0，xn，1，…，xn，N－1]，形成時域連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)序列xΦ=[…，xn－1，N－G，…，xn－1，N－1，xn－1，0，xn－1，1，…，xn－1，N－1，xn，N－G，…，xn，N－1，xn，0，xn，1，…，xn，N－1，…]經(jīng)信道后，假設(shè)系統(tǒng)發(fā)射端和接收端已準確同步，則有接收端得到采樣數(shù)據(jù)序列為yΦ=[…，yn－1，N－G，…，yn－1，N－1，yn－1，0，yn－1，1，…，yn－1，N－1，yn，N－G，…，yn，N－1，yn，0，yn，1，…，yn，N－1，…]，即:



yΦ(m)=hn(m)xΦ(m)+ω(m)

(2)



定義第n個接收的時域OFDM符號為yΦn，并且假設(shè)信道在一個OFDM符號持續(xù)期間是不變的，則對接收端第n個接收時域OFDM去循環(huán)前綴，對后面N個采樣數(shù)據(jù)進行FFT相干解調(diào)得到頻域接收數(shù)據(jù)為：



Yn，k=Hn，kXn，k+Wn，k

(3)



式中：Hn，k=∑L0－1l=1hn(l)e－j2πMN是信道在第n個接收時刻第k個子載波的復衰落；Wn，k為時域高斯白噪聲的傅里葉變換，也是相互獨立，均值為0，方差為σ2n的高斯白噪聲^[3]。

圖4 基帶OFDM系統(tǒng)的原理框圖

4 基于導頻的信道估計方法

4.1 插入塊狀導頻符號時的信道估計

塊狀導頻的插入方式如圖5(a)所示，發(fā)送接收端的數(shù)據(jù)關(guān)系如式(2)所示，將式(2)寫成矩陣形式有：

使用塊狀導頻時，在一個OFDM符號周期的所有子載波上發(fā)送導頻序列，所以由式(3)可得到信道的最小二乘估計:由式(5)可以看到，[AKH^]n，k是Hn，k的無偏估計，兩個導頻塊之間的信道狀態(tài)信息，由相鄰兩個導頻塊中估計出來的信道頻率響應插值得到，或者采用面向決策的方法，通過如下步驟完成^[4]：

(1) 通過式(5)到當前數(shù)據(jù)塊的信道狀態(tài)信息[AKH^]n，k，k=0，…，N－1；

(2) 對接收數(shù)據(jù)均衡并判決，得到輸入端輸入數(shù)據(jù)的估計[AKX^]n，k，k=0，…，N－1；

(3) 通過求[AKH^]n，k=Yn，k[AKX^]n，k，k=0，…，N－1，將此處[AKH^]n，k作為下一個OFDM符號的信道狀態(tài)估計值。

這種方法適用于慢時變信道的估計，并且如果出現(xiàn)判決錯誤會出現(xiàn)錯誤累積，影響系統(tǒng)的性能^[5]。

4.2 插入梳狀導頻時的信道估計

對于每個OFDM符號中等間隔插入P個導頻符號，記發(fā)送導頻符號子載波索引集合為{k0，k1，…，kP－1}，發(fā)送數(shù)據(jù)符號的子載波集為[WTHX]X[WTBX]Pn=[Xn，k0，Xn，k1，…，Xn，kP－1]T，導頻子載波上的接收數(shù)據(jù)符號為

同樣[AKH^]n，kP也是Hn，kP的無偏估計，kP∈{k0，k1，…kP－1}是導頻所在位置的子載波索引。通過對{[AKH^]n，kP}P－1P=0進行插值可以得當前OFDM符號的信道的估計值^[6]。若在每個OFDM幀中均插入導頻會降低系統(tǒng)的傳輸效率，因此經(jīng)常采用周期插入導頻序列的方式，如圖5(b)所示^[7]。可以采用在兩個OFDM數(shù)據(jù)塊的信道估計值之間插值得到?jīng)]有導頻序列的信道的估計值，也可以直接對導頻信道的估計值進行二維插值，但復雜度較高，并且對于廣義平穩(wěn)不相關(guān)散射信道，其時頻域自相關(guān)函數(shù)相互分離，所以常采用分別在頻域和時域插值的兩個一維的插值方式得到信道的估計值。

圖5 導頻插入模式

5 仿真分析

采用低壓電力線信道模型，如式(1)。對于4徑網(wǎng)絡(luò)gi，di/m由實驗測得: i=1 時gi= 0.64，di/m=200；i=2 時gi= 0.38，di/m=222.4；i=3 時gi= -0.15，di/m=244.8；i=4 時gi= 0.05，di/m=2675。并且各徑幅度服從瑞利分布，系統(tǒng)中采用128點FFT，循環(huán)前綴長度12個采樣間隔，對二進制數(shù)據(jù)流采用QPSK調(diào)制方式。在仿真中采用梳狀導頻模式，在時間方向上分別采用線性，樣條等插值方式進行插值信道估計和使用循環(huán)前綴進行信道估計，并對系統(tǒng)的誤比特性能進行比較。仿真結(jié)果

如圖6所示。使用循環(huán)前綴并進行信道估計，提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測的實時性，并且取得了較好的誤比特性能。

圖6 誤比特率曲線

6 結(jié) 語

在對低壓電力線特性進行實測的基礎(chǔ)之上，給出其信道模型表達式。針對OFDM系統(tǒng)LS信道估計方法進行了論述，并將其應用于低壓電力線通信系統(tǒng)，可見在不降低系統(tǒng)性能的情況下，利用信道估計改善了系統(tǒng)的實時性能，并且該方法可以用于系統(tǒng)中估計信道參數(shù)，進行數(shù)據(jù)檢測，降低信道均衡的復雜度。

參 考 文 獻

［1］Moon J K，Choi S I.Performance of Channel Estimation Methods for OFDM Systems in a Multipath Fading Channels[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2000，46(1):161-170.

［2］陳旭，苗強，黃凱.正交頻分復用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J].信息技術(shù)，2005，29(3):26-28.

［3］Hooijen O G.A Channel Model for the Residential Power Circuit Used as a Digital Communications Medium[J].IEEE Transactions on Eletromag.Compat.，1998，40:331-336.

［4］Tanaka M.High Frequency Noise Power Spectrum，Impedance and Transmission Loss of Power Line in Japan on Intrabuilding Power Line Communications[J].IEEE Trans.on Consumer Electronics，1988，34(2)： 321-326.

［5］Michail K Tsatsanis，Georgios B Giannakis.Subspace Methods for Blind Estimation of Time-Varying FIR Channels[J].IEEE Trans.on Signal Processing，1997，45(12):3 084-3 093.

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作者簡介 羅清龍 男，1979年出生，山東聊城人，碩士研究生。主要研究方向為基于OFDM的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、低壓電力線載波通信。

宋 鵬 男，1957年出生，山西人，主任，教授，中國電子學會遙感遙測遙控專業(yè)委員會委員，中國自動化學會遙測遙控遙感專業(yè)委員會委員，《測控技術(shù)》雜志編委，中國電子學會高級會員，中國通信學會高級會員。主要研究方向為短程無線通信技術(shù)，移動數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，無線測控系統(tǒng)，軟件無線電，載波通信技術(shù)。

李祥云 女，1984年出生，山東臨沂人，碩士研究生。主要研究方向為載波通信、DSP技術(shù)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。