基于電力線通信背景噪聲的SOQPSK調(diào)制方案性能分析*

董曉明，王永建，劉濤，江虹

(1．西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽6210101；2．國家計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心，北京100029；

3.中國石油大學(xué)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

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基于電力線通信背景噪聲的SOQPSK調(diào)制方案性能分析*

董曉明1，王永建2，劉濤3，江虹1

(1．西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽6210101；2．國家計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急技術(shù)處理協(xié)調(diào)中心，北京100029；

3.中國石油大學(xué)地球物理與信息工程學(xué)院，北京102249)

摘要：針對惡劣的電力線通信信道環(huán)境，研究適合于該信道傳輸?shù)恼{(diào)制與解調(diào)方式是電力線通信的研究熱點之一。提出了一種基于整形偏移正交偏移鍵控(SOQPSK)的調(diào)制解調(diào)方案。在詳細(xì)介紹SOQPSK調(diào)制技術(shù)原理和特點的基礎(chǔ)上，分析了SOQPSK調(diào)制技術(shù)的頻譜特性及其在電力線通信中的優(yōu)勢，并利用MATLAB軟件和常用的FSK、QPSK、DPSK進(jìn)行對比仿真，仿真結(jié)果表明SOQPSK調(diào)制技術(shù)在相同誤碼率下，信噪比要比FSK、QPSK、DPSK提高3-5dB,且具有良好的頻譜效率、功率效率和抗非線性特性，在未來的電力線通信系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:電力線通信SOQPSK背景噪聲誤碼率功率譜密度

0引言

低壓電力線通信是采用低壓電力線作為通信介質(zhì)來傳送數(shù)據(jù)的一種通信方式。相比于其他的有線通信介質(zhì)而言，它具有接入方便、無需布線、建設(shè)速度快、分布范圍廣、建設(shè)成本低等優(yōu)點。目前因為其在智能電網(wǎng)、智能家居等方面的應(yīng)用前景而受到了專家學(xué)者們的廣泛關(guān)注，同時也是目前解決“最后一公里”的最佳選擇方案之一。

低壓電力線最初的設(shè)計是用來傳輸50 Hz電流信號而不是用于數(shù)據(jù)通信，因此該信道并不是十分理想的通信信道。在進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸時，電力線信道呈現(xiàn)出頻率選擇性衰落、輸入阻抗變化大、噪聲干擾嚴(yán)重及信號衰減等特性，嚴(yán)重影響了通信性能。調(diào)制解調(diào)技術(shù)對于提高通信可靠性起著關(guān)鍵性的作用，為了適用于電力線通信，調(diào)制解調(diào)技術(shù)需要具有頻譜利用率高、誤碼性能好、已調(diào)信號包絡(luò)穩(wěn)定、易于實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)、通信設(shè)備簡單等幾方面的優(yōu)點。因此通過綜合考慮和權(quán)衡，本文提出了基于SOQPSK的低壓電力線通信系統(tǒng)方案。

目前國內(nèi)主流窄帶載波通信芯片產(chǎn)品所采用的基帶調(diào)制方法如下：青島東軟為FSK、北京福星曉程為DPSK、青島鼎信為二進(jìn)制連續(xù)相位移頻鍵控、上海彌亞微為QPSK。每一種調(diào)制方案都有它們自己的優(yōu)缺點。本文主要研究基于電力線背景噪聲的情況下，SOQPSK調(diào)制技術(shù)的性能，并和FSK、DPSK、QPSK進(jìn)行有效性和可靠性方面的對比。

1噪聲特性分析與建模

1.1噪聲分類

低壓電力信道上的噪聲來源于接入到其中的各種用電設(shè)備產(chǎn)生的傳導(dǎo)噪聲、雷電等自然現(xiàn)象產(chǎn)生的浪涌電壓、無線電通信設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾以及由電力線自身特質(zhì)產(chǎn)生的熱噪聲等，它是眾多噪聲源的非線性疊加，因而將電力信道噪聲籠統(tǒng)地歸結(jié)為加性白噪聲(AWGN)并不準(zhǔn)確。

噪聲的分布與地點、時間和接入電網(wǎng)用電設(shè)備的阻抗特性等密切相關(guān)。根據(jù)電力線信道的噪聲源進(jìn)行具體的分析，文獻(xiàn)[3-4]認(rèn)為在低壓電力線信道內(nèi)共有五類噪聲存在，分別是：有色背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻異步的周期性脈沖噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲和隨機脈沖噪聲。通常將有色背景噪聲、窄帶噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲歸納為背景噪聲，背景噪聲時變性弱，始終存在于信道上。將與工頻同步的周期性脈沖噪聲和隨機脈沖噪聲歸納為脈沖噪聲兩類。本文的分析與研究主要基于背景噪聲。

1.2背景噪聲建模

假設(shè)信號模型可以用P階差分方程來描述：

y(n)+a1y(n-1)+…+apy(n-p)=x(n)+b1x(n-1)+…+bqx(n-q)

(1)

式中：x(n)是零均值、方差為σ2的白噪聲；y(n)是所要研究的隨機序列。

當(dāng)ai=0(i=1，2，…，p)時，該模型稱為滑動平均模型(MovingAveragemodel，MA)；當(dāng)bi=0(i=1，2，…，q)時，該模型稱為自回歸(Autoregressive model,AR)模型；否則即為混合自回歸-滑動平均(Mixed Autoregressive-Moving Average model, ARMA)模型。

由Wold分解定理可知[5]，任何具有有限方差的ARMA或MA過程都可以表示為AR過程。即3種信號模型可以相互轉(zhuǎn)化，具有普遍適用性，由于低壓電力線信道的背景噪聲幅值較小，是眾多噪聲源疊加后的宏觀結(jié)果，具有循環(huán)平穩(wěn)特性，可以看做是一個平穩(wěn)的隨機過程。

圖1背景噪聲建?？驁D

因此其模型可簡化為AR模型，背景噪聲建模如圖1所示。

用AR模型對低壓電力線背景噪聲建模的具體過程是：用具有一定方差的白噪聲信號序列經(jīng)過AR濾波器，通過整形濾波器然后輸出背景噪聲序列。AR濾波器的傳遞函數(shù)如下：

其中：AR模型的參數(shù)為白噪聲序列的方差σ2和AR濾波器系數(shù)ak。關(guān)于AR模型參數(shù)估計的方法有許多種，包括最小二乘法、奇異值分解法、Levinson-Durbin遞推算法、burg法等。

根據(jù)實際測得的噪聲數(shù)據(jù)，采用奇異值分解法得到的參數(shù)為σ2=1.010e-005，ak的值見表1。

表1

AR參數(shù)數(shù)值A(chǔ)R參數(shù)數(shù)值A(chǔ)R參數(shù)數(shù)值a1-0.2332a2-0.2224a3-0.439a40.1033a5-0.1226

2 SOQPSK調(diào)制技術(shù)

SOQPSK是一種高效率的連續(xù)相位恒包絡(luò)調(diào)制方式，因其具有良好的頻譜效率和恒包絡(luò)特性，而受到很多領(lǐng)域的關(guān)注。迄今為止，SOQPSK已被納入到軍事(SOQPSK-MIL)[8]和航空遙感(SOQPSK-TG)[9]標(biāo)準(zhǔn)中，并且也可以應(yīng)用到所有帶寬受限、恒定包絡(luò)的環(huán)境中。

SOQPSK是以O(shè)QPSK和CPM調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的一種連續(xù)相位的數(shù)字調(diào)制技術(shù)，因此它兼有CPM和OQPSK的優(yōu)點。其中CPM恒包絡(luò)特性使它受系統(tǒng)非線性功率放大器影響非常小，這使得它經(jīng)帶限后不會展寬頻譜，而且此特性使源能量轉(zhuǎn)化為發(fā)射能量的效率很高，即擁有很高的功率利用率。這樣，我們對于發(fā)射機的發(fā)射功率要求也可以降低，而且CPM的連續(xù)相位特性也使得頻帶利用率有極大的提高[10]。

SOQPSK是連續(xù)相位調(diào)制(CPM:Continuous Phase Modulation)中的一種特殊調(diào)制方式如圖2所示，其一般形式的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[11]：

其中：h調(diào)制指數(shù)，g(t)頻率脈沖，αi∈{-1，0，1}為三元序列。當(dāng)調(diào)制指數(shù)h為1/2，頻率脈沖g(t)為全響應(yīng)矩形脈沖時，該信號為SOQPSK-MIL信號。

圖2　SOQPSK的預(yù)編碼CPM發(fā)射機

其中g(shù)(t)的表達(dá)式為：

SOQPSK區(qū)別于傳統(tǒng)CPM的一個明顯特征是，實際傳輸?shù)娜柤瘂αi}為{-1,0,1}。如圖3所示，SOQPSK的調(diào)制方式采用預(yù)編碼與CPM調(diào)制級聯(lián)的方案，預(yù)編碼輸出符號集為三元符號集：

{-1,0,1}

圖3SOQPSK的調(diào)制方案

SOQPSK調(diào)制作為一種連續(xù)相位調(diào)制(CPM)，因此調(diào)制信號符號間相位連續(xù)且具有記憶性，最佳檢測可根據(jù)接收到的連續(xù)信號觀測序列來判決。Viterbi算法是針對籬笆網(wǎng)絡(luò)有向圖的最短路徑問題而提出的，可用來執(zhí)行最大似然(ML)序列檢測，本文用它來實現(xiàn)SOQPSK信號的解調(diào)。

3仿真性能分析

根據(jù)上面對電力線背景噪聲特性以及SOQPSK調(diào)制原理的分析，利用MATLAB仿真工具，對SOQPSK在電力線背景噪聲影響下的調(diào)制性能進(jìn)行仿真并和常用的FSK、DPSK、QPSK調(diào)制進(jìn)行對比分析。

圖4　SOQPSK調(diào)制信號相位圖

圖4和圖5分別表示的是SOQPSK和QPSK、DPSK調(diào)制后的信號相位圖，從圖中可知QPSK、DPSK信號是恒包絡(luò)信號但是存在相位突變(對于QPSK信號，最大有180°的相位突變；對于DPSK信號，最大有90°的相位突變)，當(dāng)它們通過濾波器成形時就破壞了其恒包絡(luò)特性，而SOQPSK信號則是恒定包絡(luò)且有連續(xù)相位，因此相比QPSK調(diào)制和DPSK調(diào)制，SOQPSK調(diào)制對功率放大器的非線性工作狀態(tài)不敏感，功率利用率高，降低了功率放大器的成本。

圖5　QPSK、DPSK調(diào)制信號相位圖

圖6表示的是在電力線通信信道背景噪聲影響下，對比了FSK、DPSK、QPSK和SOQPSK的抗背景噪聲性能，由圖6可以看出在相同的電力線噪聲條件下，以誤碼率10-3為目標(biāo)，本文提出的SOQPSK調(diào)制方案要比FSK、DPSK、QPSK方案分別提高4 dB、2.5 dB和5 dB?？梢娫诳贡尘霸肼暦矫?，SOQPSK方案要優(yōu)于于FSK、DPSK及QPSK方案。

圖6　4-FSK、DPSK、QPSK和SOQPSK的抗背景噪聲性能比較圖

圖7比較了SOQPSK調(diào)制技術(shù)和QPSK調(diào)制技術(shù)的功率譜密度，由圖可以看出SOQPSK信號的功率譜的主瓣所占的頻帶寬度比QPSK信號要窄，而且SOQPSK信號功率譜的衰減速率比QPSK信號快的多，這就說明SOQPSK信號的功率主要包含在主瓣內(nèi)。因此，SOQPSK調(diào)制技術(shù)有較高的頻譜利用率且對鄰道的干擾也較小。

圖7　SOQPSK和QPSK的歸一化功率譜密度比較圖

4結(jié)束語

電力線信道具有惡劣的信道屬性，嚴(yán)重影響了通信系統(tǒng)性能。本文提出了一種基于SOQPSK的電力線載波通信的調(diào)制和解調(diào)方案，研究分析了SOQPSK的相位圖、抗噪聲性能以及功率譜密度，并將該方式和傳統(tǒng)的應(yīng)用于電力線上的通信方式FSK、DPSK、QPSK進(jìn)行對比，理論分析和仿真結(jié)果表明，SOQPSK調(diào)制方案不僅具有良好的抗背景噪聲性能而且具有更高的頻譜利用率和功率利用率以及對功率放大器的非線性工作狀態(tài)不敏感，適合用于電力線信道。

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王永建(1977-)，男，研究員，主要研究方向：電力線通信、移動互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)安全。

Performance of SOQPSK over a PLC channel corrupted with background noise

DONG Xiaoming，WANG Yongjian，LIU Tao，JIANG Hong

Abstract:Aim to the bad channel environment of the power line communication, it is important to study the modulation and demodulation that suit for the PLC channel. This paper puts forward a kind of modulation scheme based on Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying (SOQPSK). In detail SOQPSK modulation technology on the basis of the principle and characteristics, analyzes the spectrum characteristics of SOQPSK modulation technology and it’s advantages in power line communication.By MATLAB simulation compares the performance with the commonly used FSK、QPSK、DPSK，the result show that the SNR of the SOQPSK improve 3-5dB than FSK、QPSK、DPSK under the same BER,and SOQPSK has a good spectrum efficiency 、power efficiency and resistance to nonlinear characteristic, in the future PLC system has a good application value.

Keywords:power line communication; SOQPSK; background noise; BER; PDF

收稿日期：2015-09-22

作者簡介：董曉明(1991-)，女，碩士研究生，主要研究方向：低壓電力線通信，物聯(lián)網(wǎng)。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(61271118)，國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2013AA011102)。

中圖分類號：TN913.6；TN911.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)01-0065-04