谷聚輝，張學毅，鄧杰，周美琴，周志偉

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

低壓電力線載波通信信道特性仿真研究

谷聚輝，張學毅，鄧杰，周美琴，周志偉

（湖南工業(yè)大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

針對低壓配電網(wǎng)電力線載波通信信道存在頻率選擇性衰減，建立了電力線信道模型，并對頻率為50Hz～20MHz的信道頻率響應進行了分析。由于電力線信道存在多徑效應，考慮到信道路徑對信號衰減的影響，建立了多徑信道衰減模型，并對多徑信道下的信號頻率特性進行仿真，得出的試驗結果與預期一致。對電力線載波通信信道進行了改進，在OFDM子載波信道中插入導頻符號，改進后系統(tǒng)的仿真誤碼率較改進前降低了10%。

電力線載波通信；頻率選擇性衰減；多徑衰落；誤碼率

0 引言

由于低壓配電網(wǎng)具拓撲復雜易變和負荷多樣性，信號在電力線傳輸過程中容易出現(xiàn)折反射，導致信號在到達接收器時出現(xiàn)傳輸延時，致使信號頻率出現(xiàn)選擇性衰落。建立精確的電力線信道模型，對信道頻率響應的研究來說是很關鍵的。采用正交頻分復用技術（orthogonal frequency division multiplexing，OFDM）可以有效地克服電力線載波通信（power linecarrier communication，PLC）信道存在的多徑效應及頻率選擇性衰落。

文獻[1]建立了基于背景噪聲的自回歸模型和脈沖噪聲的改進馬爾科夫模型，但模型復雜度高，不能很好地反映信道時變性。文獻[2]依據(jù)信道頻域和時域特性，采用自頂向下的建模方法建立低壓電力線信道模型，雖然仿真結果具有一定的精確性，但對于信道特性的研究過于單一。文獻[3]采用3 dB相干帶寬和RMS（root mean square）時延擴展的統(tǒng)計規(guī)律，建立了低壓電網(wǎng)信道頻率響應的三階統(tǒng)計自回歸模型，但沒有考慮不同階數(shù)對信號頻率的影響。文獻[4]分析了信號的平均增益和延遲擴展，沒有考慮信道特性。文獻[5-7]主要從信道容量和服務質(zhì)量的角度分析了信道頻率特性，未考慮信道多徑衰減帶來的影響。上述研究雖然對電力線通信進行分析，但由于模型不精確，均未考慮到不同信道模型下多徑效應對信號衰減的影響，具有一定的局限性。

本文在對已有信道模型進行研究的基礎上，建立了低壓電力線載波通信多徑信道衰減模型，并分析了信道頻率衰減特性。最后，將發(fā)送的OFDM子載波信道進行改進，插入一種導頻符號，對系統(tǒng)誤碼率進行仿真。試驗結果表明，改進模型對通信質(zhì)量有一定的提升。

1 低壓電力線信道特性分析

由于低壓配電網(wǎng)絡結構復雜、電力線通信環(huán)境惡劣，信道存在噪聲干擾和衰減等問題。當電力線上連接不同類型的負載時，由于負載的電氣特性未知，容易造成阻抗特性難以匹配。同時，連接在低壓電力線上用電設備的開通或關斷，也會對電力線載波信號造成干擾，使信道呈現(xiàn)出時變特性。在380V/220V側(cè)，變壓器兩邊的信號會呈現(xiàn)20～100dB的衰減。這些問題都會嚴重影響系統(tǒng)通信質(zhì)量，所以對低壓電力線載波信道特性的研究顯得尤為重要。

低壓電力線信道噪聲模型如圖1所示。

圖1PLC信道噪聲模型Fig.1The noise model of PLC channel

圖1 中背景噪聲多指配電變壓器一次側(cè)進入配電網(wǎng)的噪聲，還有網(wǎng)絡中各種電氣設備產(chǎn)生的噪聲等；單次沖擊型噪聲主要由配電網(wǎng)絡中用電負荷的突然投切產(chǎn)生；與工頻50Hz同步的周期性噪聲，多來自電網(wǎng)中的變頻設備、開關電源等；異于工頻同步的噪聲多指一些非工頻工作的用電設備等。這些噪聲混合在一起對電力線上信號的傳輸產(chǎn)生很大的干擾，造成系統(tǒng)發(fā)生突發(fā)性錯誤。

電力線載波信號容易在信道中發(fā)生折反射現(xiàn)象，使信號在信道中形成多條傳輸路徑，從而導致信號存在一定的延時。電力線載波信道多徑傳輸模型如圖2所示。

圖2 電力線載波信道多徑傳輸模型Fig.2The multipath transmission model of PLC channel

假設信號從發(fā)射機S發(fā)送到接收機D，從圖2中可以看出，由于信號的折反射現(xiàn)象，使S和D之間形成了多條傳輸路徑Pl(l=1, 2, …, 10)。隨著傳輸路徑的增多，會使信號到達接收端存在一定的延時，并出現(xiàn)信號疊加等現(xiàn)象。

2 電力線載波通信信道模型

2.1 多徑衰減信道

根據(jù)Manfred Zimmermann和Klaus Dostert理論“由上而下”的建模思路，結合電力線載波通信信道的多徑效應，建立了信道多徑衰減函數(shù)表達式：

式中：f為發(fā)送信號頻率；N為信道路徑數(shù)；gi為第i（i=0, 1, …, N）條路徑反射和傳輸組合的加權系數(shù)；是由路徑長度和頻率所決定的衰減部分；0,1是衰減參數(shù)；k是衰減因子指數(shù)，通常取0.2～1.0。是由路徑和速度所決定的衰減部分為第i條路徑上的傳輸時延，di為路徑長度，vp為傳播速度。多徑模型部分仿真參數(shù)設置見表1。

表1 多徑模型部分仿真參數(shù)設置Table1The parameters setting of multipath model

本文中0=0，1=0.512+j0.176，2=0.383+j0.139，3=0.169+j0.103，4=-0.097+j0.089，5=-0.075+j0.07，6=-0.023+j0.035，…；gi和di由路徑長度決定。依據(jù)表1仿真參數(shù)設置，對頻率在50Hz～20MHz范圍內(nèi)的信號進行Matlab仿真，得出多徑信道衰減特性曲線如圖3所示。

圖3 不同路徑衰減特性曲線Fig.3The attenuation characteristic curves for different paths

由圖3可得出，電力線信道衰減隨頻率的增大而增大，信號在某些頻段內(nèi)衰落較為嚴重，不同路徑下的信號衰減呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。對電力線載波通信信道的研究，文中取4徑信道。

2.2 FIR模型

低壓電力線載波信號在傳輸過程中，由于存在噪聲干擾，將FIR濾波器（finite impulse response, FIR）視為結合多徑衰減和延時的組合，其表達式為

式中：x(n)(n=1, 2, …)表示濾波器信號輸入；y(n)表示濾波器輸出；h(k)為FIR的系統(tǒng)函數(shù)。FIR模型結構如圖4所示。

圖4 FIR濾波器結構Fig.4The structure of FIR filter

對于不同路徑的信道，F(xiàn)IR的沖擊響應函數(shù)h(t)可表示為

式中：A為衰減系數(shù)，常取0～1；i為路徑i的系數(shù)，取值0～1；為路徑i的沖擊響應。根據(jù)信號延時和碼元時長來選取合適的FIR濾波器階數(shù)，作為電力線信道仿真模型。系數(shù)模型幅頻特性曲線如圖5所示。

圖5 FIR模型幅頻特性Fig.5Amplitude-frequency characteristic of FIR model

由圖5可以看出，F(xiàn)IR模型能夠反映信號幅值隨著頻率增大而衰減，當頻率為1.45MHz時衰減最大，但不同頻率段衰減程度差異比較大，模型呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.3 自回歸模型

PLC信道頻率變化是一個隨機過程，用一個白噪聲和一個濾波器模型來研究這個隨機過程。自回歸滑動平均（autoregressive moving average，ARMA）就是一個很好的用于研究平穩(wěn)隨機過程的參數(shù)模型，該模型背景噪聲屬于典型離散高斯型，自回歸模型傳輸函數(shù)表示為

對式（4）在離散條件下進行變換，可得

表2 自回歸模型部分仿真參數(shù)設置Table2Part of the parameters setting of ARMA model

根據(jù)表2設置的仿真參數(shù)，對信道模型進行仿真，得出信號幅頻特性如圖6所示。

圖6 自回歸模型幅頻特性Fig.6Amplitude-frequency characteristic of ARMA model

從圖6可以看出，自回歸模型在一定程度上反映了頻率選擇性衰減，但不能很好地體現(xiàn)信號隨頻率的增大而衰減的特征。

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 多徑信道對信號衰減的影響

對文中提出的多徑信道衰減模型進行仿真對比分析，結果如圖7所示。

圖7 PLC信道衰減特性Fig.7The attenuation characteristic of PLC channel

從圖7可以看出，自回歸模型在2個不同時刻的衰減曲線不同，雖然在一定程度上反映了信道衰減特性，但不能很好地體現(xiàn)衰減隨頻率增加而增大的特點，F(xiàn)IR模型信號衰減隨頻率變化不穩(wěn)定。文中提出的多徑衰減信道模型能很好地體現(xiàn)頻率選擇性衰減，有較好的信道時變性。

3.2 改進信道的誤碼率

對電力線載波通信信道進行改進，在OFDM子載波中插入導頻符號，然后對其進行Matlab仿真分析。在頻域內(nèi)插入導頻符號的間隔表示形式為

設OFDM系統(tǒng)產(chǎn)生的子載波數(shù)為128個，每次仿真產(chǎn)生50個OFDM符號的比特數(shù)，則一共會產(chǎn)生128*50個星座映射符號，子載波符號長度為128s，循環(huán)前綴長度為16s，部分實驗仿真參數(shù)設置如表3所示。

表3 系統(tǒng)部分仿真參數(shù)設置Table3Part of the simulation parameters setting of system

OFDM系統(tǒng)采用16QAM調(diào)制，4徑信道的延時分別設置為：循環(huán)前綴延時可設置為模型改進前后誤碼率如圖8所示。

圖8系統(tǒng)誤碼率Fig.8The BER of system

圖8 中橫坐標SNR為系統(tǒng)信噪比，縱坐標BER為系統(tǒng)誤碼率。通過實驗仿真結果可以看出，SNR在0～6dB的范圍內(nèi)，信道改進前后誤碼率基本不變。當信噪比超過6dB后，改進信道較原信道誤碼率減小，主要由于子載波信道中導頻符號的加入，使載波信號在傳輸過程中能夠更好地調(diào)整并適應符號的改變，減小了符號間的干擾。通過計算可以得出，改進后的模型較改進前的系統(tǒng)誤碼率降低了10%。

4 結語

由于低壓電力線載波通信的特殊性，對頻率范圍為50Hz～20MHz內(nèi)的信道模型進行研究，針對電力線載波通信信道存在頻率選擇性衰減和多徑效應等特性，建立了電力線載波多徑信道衰減模型，并與FIR模型和自回歸模型進行仿真對比分析，得出多徑衰減模型能夠很好地體現(xiàn)電力線信道所存在的多徑衰減和時變特性，為工程應用提供一定的參考。對發(fā)送的OFDM子載波信道進行改進，通過試驗仿真得出系統(tǒng)誤碼率，驗證了改進模型有利于降低系統(tǒng)誤碼率。

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（責任編輯：申劍）

The Simulation Stualy of Low-Voltage Power Line Carrier Communication Channel Characteristics

Gu Juhui，Zhang Xueyi，Deng Jie，Zhou Meiqin，Zhou Zhiwei
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of the frequency selective attenuation existing in power line carrier communication channel of lowvoltage distribution network, established PLC channel models and analyzed the channel frequency response at 50Hz～20MHz. As the power line channel existed multipath effects, considering the impact of channel paths to signal attenuation, established a multi-path channel attenuation model and simulated the signal frequency characteristics in multi-path channels. Obtained the experimental results consistent with the expected. Improved the PLC communication channel and inserted a pilot symbol in OFDM subcarriers channel of the system. The simulated bit error rate of the improved system reduced by 10% than before.

power line carrier communication；frequency selective attenuation；multipath fading；bit error rate

TM73

A

1673-9833(2014)06-0038-04

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.06.008

2014-08-17

湖南省科技廳科技計劃基金資助項目（2013FJ3099），湖南工業(yè)大學研究生創(chuàng)新基金資助項目（CX1303）

谷聚輝（1988-），男，河南洛陽人，湖南工業(yè)大學碩士生，主要研究方向為電工理論與新技術，E-mail：gujuhui.cool@163.com

張學毅（1966-），男，湖南益陽人，湖南工業(yè)大學教授，主要從事電工理論與新技術方面的研究，E-mail：774970930@qq.com