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

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

　　1 引言

　　Internet的日益普及促使家庭用戶對互聯(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)性的錯誤。另外，多地址干擾也是影響通信質(zhì)量的一個重要因素。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?？梢姡獙㈦娏€載波技術(shù)應(yīng)用到實際的通信中，必須要通過信號處理技術(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。歐洲國家在使用的EN50065標(biāo)準(zhǔn)，指定一個為頻段3～148.5 kHz

　　的低電壓電源信號。對于高速的互聯(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中分離出高頻率的網(wǎng)絡(luò)信號，因此，該技術(shù)與其他直接傳輸信號的技術(shù)相比需要更寬的帶寬。如果要達到高質(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)該達到10 M以上才能滿足通信的要求。通過調(diào)幅的方式進行電力線載波，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到30 M。但是，隨著頻率的增加，電力線的衰減也會大大增加。

　　對電力線載波通信信道進行數(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路的長度，a0，a1，k為相對于頻率和長度的一般參數(shù)，vp為與導(dǎo)線長度相關(guān)的常量參數(shù)。

　　這個模型可以對電力線載波信號進行準(zhǔn)確的仿真。在實際的電網(wǎng)中，往往存在眾多的分支機構(gòu)和電源網(wǎng)絡(luò)阻抗失配的情況。該模型對這樣的電網(wǎng)中的物理信號進行了仿真。由于多路徑的信號傳輸，電力線的信號衰減與傳輸路徑的長度和信號頻率是成正比的。對4個不同用戶進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的頻率依賴性衰減和頻率選擇性衰落。

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

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

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

　　3 迭代多用戶檢測應(yīng)用在PLC中

　　在信號處理的方法中，MUD(Multiuser Detection，多用戶檢測技術(shù))是一種有效的處理多址信號干擾的技術(shù)。該技術(shù)通過對定義好的多用戶進行實時監(jiān)測，區(qū)分不同的環(huán)境噪聲，從而改善通信信道環(huán)境?；赥urbo多用戶檢測和解碼技術(shù)的框圖結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在這個結(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)的計算;解碼是指SISO(Soft Input Soft Output，軟輸入輸出)的解碼器。這兩個部分實現(xiàn)信號的交織和去交織作用。

　　用LLR(Log-Likelihood Ratio，對數(shù)似然函數(shù))模擬信道中某個用戶的交織信號比特，如式2所示：

　　該式分成兩部分，前者為解調(diào)級獲得的信號，并進行了去交織，作為信道解碼器的校驗信號;后者為從解碼級傳遞過來的先驗對數(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信道解碼會計算每個編碼位的后校驗LLR，然后排除先校驗函數(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，作為下一次迭代的校驗信息。位為bk對應(yīng)的解交織。在最后一次迭代中，SISO解碼器會計算后校驗的LLR信息位。

　　在解調(diào)階段，使用迭代處理方法會使最大似然的多用戶檢測技術(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傳輸，多用戶檢測和迭代解碼可以用于對數(shù)據(jù)的檢測。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。迭代的多用戶檢測技術(shù)能夠有效減少多路徑的干擾。糾錯解碼技術(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)備能夠進行通信，而且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

　　高校實訓(xùn)室作為集中用電的場所，對于實驗室儀器設(shè)備的使用管理成為一個共性的技術(shù)難題，特別是對于用電設(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)定運行。實驗室設(shè)備用電安全是高校實驗室建設(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)，分別采集實驗實訓(xùn)室每臺設(shè)備的用電信息，可以根據(jù)不同設(shè)備的工作性質(zhì)靈活地進行用電量設(shè)置，對各終端進行及時精確的用電管理，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)場干預(yù)，便可遠程了解和管理整個辦公場所的用電情況，但是我國低壓配電網(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技術(shù)的應(yīng)用，使得電力線載波技術(shù)在實驗實訓(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。本文中認為信號接收機可以識別通信信道的優(yōu)劣，但在實際中需要對信道進行相應(yīng)的標(biāo)識，并能考慮到信道的估計誤差。不論是對于時域還是頻域，用于糾錯解碼的尖峰脈沖的檢測問題仍然值得做進一步的研究。

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