這篇電力技術(shù)論文發(fā)表了電力線載波的信號(hào)處理技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)寬帶的更大需求，電力線載波技術(shù)被應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，論文介紹了電力線通信模型和迭代多用戶檢測(cè)應(yīng)用在PLC中，不需要人員干預(yù)就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程了解和管理整個(gè)辦公場(chǎng)所的用電情況。

　　關(guān)鍵詞：電力技術(shù)論文發(fā)表, 信號(hào)處理,電力線通信

　　1 引言

　　Internet的日益普及促使家庭用戶對(duì)互聯(lián)網(wǎng)帶寬有更大的需求。目前，網(wǎng)絡(luò)連接都是從光纖網(wǎng)絡(luò)單元通過窄帶雙絞線的方式接入用戶，即所謂的“最后1公里”。而這也正是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸。為滿足家庭/辦公室不斷增加的網(wǎng)絡(luò)需求，就必須提高寬帶網(wǎng)絡(luò)接入的靈活性。

　　當(dāng)前，解決高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接袃煞N：無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)。電力線載波(Power-Line Carrier，后文簡(jiǎn)稱為PLC)傳輸是一種有線網(wǎng)絡(luò)，在電力線的通信信道中存在各種各樣的噪聲，其中，由于電網(wǎng)中的暫態(tài)過壓造成的異步脈沖噪聲尤其明顯。這類噪聲的PSD(Power Spectral Density，功率譜密度)將超過背景噪聲50 dB。這就使得電網(wǎng)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中很容易產(chǎn)生突發(fā)性的錯(cuò)誤。另外，多地址干擾也是影響通信質(zhì)量的一個(gè)重要因素。低壓電網(wǎng)中從變壓器到多用戶住宅的特性決定了該通信信道的復(fù)雜性。可見，要將電力線載波技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的通信中，必須要通過信號(hào)處理技術(shù)解決該通信信道中的噪聲問題。

　　2 電力線通信模型

　　目前，電力線通信技術(shù)仍然是一個(gè)比較新的領(lǐng)域，一些標(biāo)準(zhǔn)正在逐步建立，特別是應(yīng)用在寬帶通信方面。歐洲國(guó)家在使用的EN50065標(biāo)準(zhǔn)，指定一個(gè)為頻段3～148.5 kHz

　　的低電壓電源信號(hào)。對(duì)于高速的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸來說，這顯然是不夠的。由于電力線通信需要從低頻率的信號(hào)中分離出高頻率的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，因此，該技術(shù)與其他直接傳輸信號(hào)的技術(shù)相比需要更寬的帶寬。如果要達(dá)到高質(zhì)量的通信要求，并與傳輸速率為1～10 M/s的網(wǎng)線連接，那么，電力線通信的帶寬應(yīng)該達(dá)到10 M以上才能滿足通信的要求。通過調(diào)幅的方式進(jìn)行電力線載波，考慮到低壓電網(wǎng)的性質(zhì)和潛在的服務(wù)需求，電力線的帶寬范圍甚至要達(dá)到30 M。但是，隨著頻率的增加，電力線的衰減也會(huì)大大增加。

　　對(duì)電力線載波通信信道進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，如式1所示：

　　其中，Np代表傳輸路徑的數(shù)量，gi代表第i路的加權(quán)因子，di代表第i路的長(zhǎng)度，a0，a1，k為相對(duì)于頻率和長(zhǎng)度的一般參數(shù)，vp為與導(dǎo)線長(zhǎng)度相關(guān)的常量參數(shù)。

　　這個(gè)模型可以對(duì)電力線載波信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的仿真。在實(shí)際的電網(wǎng)中，往往存在眾多的分支機(jī)構(gòu)和電源網(wǎng)絡(luò)阻抗失配的情況。該模型對(duì)這樣的電網(wǎng)中的物理信號(hào)進(jìn)行了仿真。由于多路徑的信號(hào)傳輸，電力線的信號(hào)衰減與傳輸路徑的長(zhǎng)度和信號(hào)頻率是成正比的。對(duì)4個(gè)不同用戶進(jìn)行模擬信道頻率響應(yīng)，如圖1所示，可以很容易地看到信道中傳輸信號(hào)的頻率依賴性衰減和頻率選擇性衰落。

　　在擁有多個(gè)用戶的DS-CDMA(Direct-Sequence Code Division Multiple Access，直接序列擴(kuò)頻傳輸)傳輸系統(tǒng)中，每個(gè)用戶都會(huì)等概率地獲得M個(gè)獨(dú)立的二進(jìn)制相移鍵控碼元的幀，而且這些來自不同用戶的符號(hào)序列被認(rèn)為是相互獨(dú)立的。每個(gè)用戶的信號(hào)通過多途徑的方式進(jìn)行傳播，這就使得接收器處的信號(hào)是多個(gè)用戶的信號(hào)的疊加和環(huán)境噪聲。通常情況下，離散時(shí)間的充分統(tǒng)計(jì)量是容易處理的。該技術(shù)主要是通過一個(gè)芯片匹配濾波器進(jìn)行接收信號(hào)，然后對(duì)芯片速率采樣。

　　MC-CDMA(多載波碼分多址，MultiCarrier-Code Divi-

　　sion Multiple Access)通信技術(shù)是在頻域中進(jìn)行擴(kuò)頻的DS-CDMA技術(shù)。該技術(shù)具有更高的抗干擾能力和較大的容量。 　　這是一個(gè)卷積編碼多用戶的MC-CDMA的示意圖，如圖2所示。每一個(gè)用戶的傳輸信號(hào)都首先通過標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制編碼器進(jìn)行編碼。編碼后的信號(hào)經(jīng)濾波器過濾掉信道中的噪聲。濾波之后，這些信號(hào)被分配到不同的子信道中，并對(duì)其進(jìn)行正交振幅調(diào)制。調(diào)制之后的信號(hào)通過傅里葉逆變換轉(zhuǎn)換成真正的時(shí)域矢量。經(jīng)過從并行到串行、從數(shù)字到模擬的轉(zhuǎn)換，每個(gè)用戶的信號(hào)都傳輸在具有多地址信號(hào)和背景噪聲的信道中。在接收端，這些信號(hào)通過傅里葉變換重新轉(zhuǎn)換成頻域信號(hào)。

　　3 迭代多用戶檢測(cè)應(yīng)用在PLC中

　　在信號(hào)處理的方法中，MUD(Multiuser Detection，多用戶檢測(cè)技術(shù))是一種有效的處理多址信號(hào)干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過對(duì)定義好的多用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，區(qū)分不同的環(huán)境噪聲，從而改善通信信道環(huán)境。基于Turbo多用戶檢測(cè)和解碼技術(shù)的框圖結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，包括兩部分：解調(diào)階段和解碼階段。解調(diào)是指軟指標(biāo)的計(jì)算;解碼是指SISO(Soft Input Soft Output，軟輸入輸出)的解碼器。這兩個(gè)部分實(shí)現(xiàn)信號(hào)的交織和去交織作用。

　　用LLR(Log-Likelihood Ratio，對(duì)數(shù)似然函數(shù))模擬信道中某個(gè)用戶的交織信號(hào)比特，如式2所示：

　　該式分成兩部分，前者為解調(diào)級(jí)獲得的信號(hào)，并進(jìn)行了去交織，作為信道解碼器的校驗(yàn)信號(hào);后者為從解碼級(jí)傳遞過來的先驗(yàn)對(duì)數(shù)似然函數(shù)，在相同的編碼位情況下，該值可以設(shè)置為0。同樣的，SISO信道解碼會(huì)計(jì)算每個(gè)編碼位的后校驗(yàn)LLR，然后排除先校驗(yàn)函數(shù)的影響，在位的解碼階段獲得相應(yīng)的信息，如式3所示：

　　該信息是解交織的，并可以反饋給解調(diào)級(jí)，作為下一次迭代的校驗(yàn)信息。位為bk對(duì)應(yīng)的解交織。在最后一次迭代中，SISO解碼器會(huì)計(jì)算后校驗(yàn)的LLR信息位。

　　在解調(diào)階段，使用迭代處理方法會(huì)使最大似然的多用戶檢測(cè)技術(shù)和最小均方誤差并行干擾消除技術(shù)都獲得相同的性能。

　　通過分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)字用戶線路和無線通信中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)可以應(yīng)用在高速電力線載波通信中，并能起到很好的效果。具體來說，MC-CDMA可以用于電力線信號(hào)傳輸，多用戶檢測(cè)和迭代解碼可以用于對(duì)數(shù)據(jù)的檢測(cè)。這些技術(shù)在單載波的通信系統(tǒng)中能夠解決變信道衰減、多路徑頻率衰減、脈沖噪聲等問題。迭代的多用戶檢測(cè)技術(shù)能夠有效減少多路徑的干擾。糾錯(cuò)解碼技術(shù)能夠解決脈沖噪聲的問題。迭代多用戶接收設(shè)備有時(shí)候顯得非常復(fù)雜。比如在電力線具有良好的通信條件下，傳統(tǒng)的接收設(shè)備能夠進(jìn)行通信，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

　　高校實(shí)訓(xùn)室作為集中用電的場(chǎng)所，對(duì)于實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的使用管理成為一個(gè)共性的技術(shù)難題，特別是對(duì)于用電設(shè)備，不但要考慮到設(shè)備的利用率最大化，而且要保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備用電安全是高校實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理不可或缺的組成部分，利用電力線載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的用電管理控制系統(tǒng)，不失為一種全新的解決方案。利用電力線載波通信技術(shù)，分別采集實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室每臺(tái)設(shè)備的用電信息，可以根據(jù)不同設(shè)備的工作性質(zhì)靈活地進(jìn)行用電量設(shè)置，對(duì)各終端進(jìn)行及時(shí)精確的用電管理，來滿足控制復(fù)雜多變?nèi)蝿?wù)的用電管理安全系統(tǒng)。

　　在此管理系統(tǒng)中，不需要人員現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)，便可遠(yuǎn)程了解和管理整個(gè)辦公場(chǎng)所的用電情況，但是我國(guó)低壓配電網(wǎng)的電網(wǎng)環(huán)境惡劣等因素制約了該技術(shù)的發(fā)展。隨著迭代多用戶檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，使得電力線載波技術(shù)在實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)用電管理方面發(fā)揮重要的作用。

　　4 結(jié)束語

　　本文的目的是優(yōu)化電力線載波的信號(hào)處理技術(shù)，從而提高某些復(fù)雜信道的通信質(zhì)量。本文中認(rèn)為信號(hào)接收機(jī)可以識(shí)別通信信道的優(yōu)劣，但在實(shí)際中需要對(duì)信道進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)識(shí)，并能考慮到信道的估計(jì)誤差。不論是對(duì)于時(shí)域還是頻域，用于糾錯(cuò)解碼的尖峰脈沖的檢測(cè)問題仍然值得做進(jìn)一步的研究。

　　推薦期刊：《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》(月刊)曾用名《哈爾濱電工學(xué)院學(xué)報(bào)》，1962年創(chuàng)刊，1997年更名為《電機(jī)與控制學(xué)報(bào)》，成為全國(guó)性的專業(yè)學(xué)術(shù)期刊。