Keywordssignalprocessingtechnology;power-linecarrier;net-work

1引言

Internet的日益普及促使家庭用户对互联网带宽有更大的需求。目前,网络连接都是从光纤网络单元通过窄带双绞线的方式接入用户,即所谓的最后1公里“。而这也正是互联网发展的瓶颈。为满足家庭/办公室不断增加的网络需求,就必须提高宽带网络接入的灵活性。

当前,解决高速数据传输的方式有两种:无线网络和有线网络。电力线载波(Power-LineCarrier,后文简称为PLC)传输是一种有线网络,在电力线的通信信道中存在各种各样的噪声,其中,由于电网中的暂态过压造成的异步脉冲噪声尤其明显。这类噪声的PSD(PowerSpectralDensity,功率谱密度)将超过背景噪声50dB。这就使得电网进行高速数据传输的过程中很容易产生突发性的错误。另外,多地址干扰也是影响通信质量的一个重要因素。低压电网中从变压器到多用户住宅的特性决定了该通信信道的复杂性。可见,要将电力线载波技术应用到实际的通信中,必须要通过信号处理技术解决该通信信道中的噪声问题。

2电力线通信模型

目前,电力线通信技术仍然是一个比较新的领域,一些标准正在逐步建立,特别是应用在宽带通信方面。欧洲国家在使用的EN50065标准,指定一个为频段3～148。5kHz

的低电压电源信号。对于高速的互联网数据传输来说,这显然是不够的。由于电力线通信需要从低频率的信号中分离出高频率的网络信号,因此,该技术与其他直接传输信号的技术相比需要更宽的带宽。如果要达到高质量的通信要求,并与传输速率为1～10M/s的网线连接,那么,电力线通信的带宽应该达到10M以上才能满足通信的要求。通过调幅的方式进行电力线载波,考虑到低压电网的性质和潜在的服务需求,电力线的带宽范围甚至要达到30M。但是,随着频率的增加,电力线的衰减也会大大增加。

对电力线载波通信信道进行数学建模,如式1所示:

其中,Np代表传输路径的数量,gi代表第i路的加权因子,di代表第i路的长度,a0,a1,k为相对于频率和长度的一般参数,vp为与导线长度相关的常量参数。

这个模型可以对电力线载波信号进行准确的仿真。在实际的电网中,往往存在众多的分支机构和电源网络阻抗失配的情况。该模型对这样的电网中的物理信号进行了仿真。由于多路径的信号传输,电力线的信号衰减与传输路径的长度和信号频率是成正比的。对4个不同用户进行模拟信道频率响应,如图1所示,可以很容易地看到信道中传输信号的频率依赖性衰减和频率选择性衰落。

在拥有多个用户的DS-CDMA(Direct-SequenceCodeDivisionMultipleAccess,直接序列扩频传输)传输系统中,每个用户都会等概率地获得M个独立的二进制相移键控码元的帧,而且这些来自不同用户的符号序列被认为是相互独立的。每个用户的信号通过多途径的方式进行传播,这就使得接收器处的信号是多个用户的信号的叠加和环境噪声。通常情况下,离散时间的充分统计量是容易处理的。该技术主要是通过一个芯片匹配滤波器进行接收信号,然后对芯片速率采样。

MC-CDMA(多载波码分多址,MultiCarrier-CodeDivi-

sionMultipleAccess)通信技术是在频域中进行扩频的DS-CDMA技术。该技术具有更高的抗干扰能力和较大的容量。这是一个卷积编码多用户的MC-CDMA的示意图,如图2所示。每一个用户的传输信号都首先通过标准的二进制编码器进行编码。编码后的信号经滤波器过滤掉信道中的噪声。滤波之后,这些信号被分配到不同的子信道中,并对其进行正交振幅调制。调制之后的信号通过傅里叶逆变换转换成真正的时域矢量。经过从并行到串行。从数字到模拟的转换,每个用户的信号都传输在具有多地址信号和背景噪声的信道中。在接收端,这些信号通过傅里叶变换重新转换成频域信号。

3迭代多用户检测应用在PLC中

在信号处理的方法中,MUD(MultiuserDetection,多用户检测技术)是一种有效的处理多址信号干扰的技术。该技术通过对定义好的多用户进行实时监测,区分不同的环境噪声,从而改善通信信道环境。Turbo多用户检测和解码技术的框图结构,如图3所示。在这个结构中,包括两部分:解调阶段和解码阶段。解调是指软指标的计算;解码是指SISO(SoftInputSoftOutput,软输入输出)的解码器。这两个部分实现信号的交织和去交织作用。

用LLR(Log-LikelihoodRatio,对数似然函数)模拟信道中某个用户的交织信号比特,如式2所示:

该式分成两部分,前者为解调级获得的信号,并进行了去交织,作为信道解码器的校验信号;后者为从解码级传递过来的先验对数似然函数,在相同的编码位情况下,该值可以设置为0。同样的,SISO信道解码会计算每个编码位的后校验LLR,然后排除先校验函数的影响,在位的解码阶段获得相应的信息,如式3所示:

该信息是解交织的,并可以反馈给解调级,作为下一次迭代的校验信息。位为bk对应的解交织。在最后一次迭代中,SISO解码器会计算后校验的LLR信息位。

在解调阶段,使用迭代处理方法会使最大似然的多用户检测技术和最小均方误差并行干扰消除技术都获得相同的性能。

通过分析,发现数字用户线路和无线通信中的数字信号处理技术可以应用在高速电力线载波通信中,并能起到很好的效果。具体来说,MC-CDMA可以用于电力线信号传输,多用户检测和迭代解码可以用于对数据的检测。这些技术在单载波的通信系统中能够解决变信道衰减。多路径频率衰减。脉冲噪声等问题。迭代的多用户检测技术能够有效减少多路径的干扰。纠错解码技术能够解决脉冲噪声的问题。迭代多用户接收设备有时候显得非常复杂。比如在电力线具有良好的通信条件下,传统的接收设备能够进行通信,而且结构简单,成本低廉。

高校实训室作为集中用电的场所,对于实验室仪器设备的使用管理成为一个共性的技术难题,特别是对于用电设备,不但要考虑到设备的利用率最大化,而且要保证设备的安全稳定运行。实验室设备用电安全是高校实验室建设与管理不可或缺的组成部分,利用电力线载波技术实现的用电管理控制系统,不失为一种全新的解决方案。利用电力线载波通信技术,分别采集实验实训室每台设备的用电信息,可以根据不同设备的工作性质灵活地进行用电量设置,对各终端进行及时精确的用电管理,来满足控制复杂多变任务的用电管理安全系统。

在此管理系统中,不需要人员现场干预,便可远程了解和管理整个办公场所的用电情况,但是低压配电网的电网环境恶劣等因素制约了该技术的发展。随着迭代多用户检测技术的应用,使得电力线载波技术在实验实训用电管理方面发挥重要的作用。

4结束语

本文的目的是优化电力线载波的信号处理技术,从而提高某些复杂信道的通信质量。本文中认为信号接收机可以识别通信信道的优劣,但在实际中需要对信道进行相应的标识,并能考虑到信道的估计误差。不论是对于时域还是频域,用于纠错解码的尖峰脉冲的检测问题仍然值得做进一步的研究。

浅析电力线载波的信号处理技术