基于BPSK的低壓電力線載波通信系統(tǒng)研究

劉科滿 鄧煒昱 李利品 高國旺

摘 要： 電力線通信技術(shù)是利用電力線傳輸數(shù)據(jù)或信號(hào)的一種通信方式。針對低壓電力線通信易于受到用電設(shè)備的啟停、切換和負(fù)載變化產(chǎn)生噪聲的問題，詳細(xì)分析了低壓電力線的噪聲源的種類、噪聲的頻譜特征和噪聲模型，構(gòu)建了一種以240 kHz正弦信號(hào)為載波低壓電力線通信系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于Kasier窗函數(shù)的帶通濾波器，分析了BPSK解調(diào)算法，并對BPSK接收性能進(jìn)行了分析。仿真和實(shí)測結(jié)果表明，在信噪比為-15 dB時(shí)，設(shè)計(jì)的BPSK調(diào)制解調(diào)器的誤碼率約為0.3%。

關(guān)鍵詞： 二進(jìn)制相移鍵控； 噪聲源分析； 載波通信； 噪聲模型； 調(diào)制解調(diào)器； 帶通濾波器

中圖分類號(hào)： TN915.853?34； TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）07?0016?05

Research on BPSK?based carrier communication system of low?voltage power line

LIU Keman， DENG Weiyu， LI Lipin， GAO Guowang

（MOE Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： The power line communication （PLC） technology is a communication mode to transmit the data or signal by means of power line. Since the low?voltage power line communication may suffer from the influence of the noise generated in the process of start/stop， switching and load variation of electric equipment， the noise source variety， noise spectrum characteristic and noise model of the low?voltage power line communication are analyzed in detail. A low?voltage power line communication system taking 240 kHz sinusoidal signal as the carrier wave is constructed. The band?pass filter based on Kasier window function is designed. The binary phase shift keying （BPSK） demodulation algorithm and its receiving performance are analyzed. The simulation and actual measured results show that the bit error rate of the designed BPSK modem is about 0.3% when the signal?to?noise ratio is -15 dB.

Keywords： binary phase shift keying； noise source analysis； carrier communication； noise model； modulator?demodulator； band?pass filter

0 引 言

電力線通信（Power Line Communication，PLC）是指傳輸電能的電力線傳輸數(shù)據(jù)、話音信號(hào)、視頻、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的一種通信方式，已廣泛應(yīng)用于樓宇自動(dòng)化、智能家居、遠(yuǎn)程抄表等領(lǐng)域。然而低壓電力線的主要功能是傳輸50～60 Hz電能，不同于雙絞線、光纖、同軸電纜等通信介質(zhì)，并未專門考慮高頻數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，因此作為通信信道有其自身的局限性，特別是工作在電力線上的各種用電設(shè)備的啟停、切換、變化等會(huì)引起電力線信道的噪聲劇烈變化，易導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸變得極不可靠。因此，選擇合適的低壓電力線載波通信方式、合理地設(shè)計(jì)濾波器以及最大化地降低電力線噪聲干擾對通信的影響已成為電力線載波通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

國內(nèi)外對于電力線通信的調(diào)制方式領(lǐng)域的研究重點(diǎn)主要集中在窄帶電力線通信和寬帶電力線通信技術(shù)。一般認(rèn)為，窄帶電力線的通信速率小于1 Mb/s、帶寬限定在3～500 kHz；而寬帶電力線的通信速率為2～20 Mb/s。目前，國內(nèi)外對低壓電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行的研究主要集中在BPSK，BFSK，DSSS技術(shù)、線性調(diào)頻Chirp技術(shù)、擴(kuò)頻通信技術(shù)和OFDM技術(shù)等。國外已有多家公司推出了電力線載波Modem芯片，如SGSTHOMSON公司的ST75xx芯片，HELON公司的PL3120芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)也有部分公司推出了電力載波芯片，如東軟的ES16U系列芯片、福星曉程的PL3105芯片等。這些芯片大都選擇了BFSK和BPSK調(diào)制方式，在很多應(yīng)用場合BFSK已經(jīng)被2DPSK或4DPSK所代替。文獻(xiàn)[1?2]研究了極端噪聲環(huán)境下電力線上的FSK和PSK調(diào)制方法，認(rèn)為這種調(diào)制方式較為適合低速率下的電力線通信；文獻(xiàn)[3]指出即使在同一棟住宅公寓大樓，其平均噪聲水平在24 h 內(nèi)的變化也可高達(dá)6 dB。BPSK是一種常用的數(shù)字調(diào)制方式，在給定誤碼率的情況下，信噪比要比2ASK和BFSK低3 dB左右，由于其實(shí)現(xiàn)相對容易，抗干擾能力和抗衰落性能也比較強(qiáng)，因此在電力線載波通信中被廣泛采用。

綜上所述，國內(nèi)各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專有技術(shù)選擇出各自的電力線載波調(diào)制方式，然而這些方式都存在傳輸速率相對較低的問題。針對低壓電力線的噪聲影響數(shù)據(jù)通信的問題，本文在詳細(xì)分析低壓電力線噪聲特性和頻譜特征的基礎(chǔ)上，提出采用240 kHz為載波中心頻率，傳輸速率為9 600 b/s的BPSK調(diào)制方式，設(shè)計(jì)了基于Kasier窗的帶通濾波器和解調(diào)算法，并分析了BPSK的接收性能。

1 低壓電力線噪聲源種類及特性

低壓電力線的傳輸環(huán)境不同于其他通信信道，它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接的負(fù)載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化，因此作用于它的噪聲不能簡單歸結(jié)為加性高斯白噪聲（AWGN），而應(yīng)根據(jù)不同的噪聲源進(jìn)行具體分析。Vines等人分析了電力線的主要噪聲源，并大致分為以下幾類[4?8]：

1） 50 Hz工頻噪聲及與其同步的周期性噪聲

主要由硅控整流器及一些電源產(chǎn)生，重復(fù)頻率一般為50 Hz，150 Hz，250 Hz等；其噪聲峰峰值可達(dá)4 V，功率譜最大值達(dá)11.3 dBm。

噪聲源有計(jì)算機(jī)、空調(diào)等用電設(shè)備。

2） 電力線背景噪聲[7]

主要由各種低功率的小型家用電器產(chǎn)生的噪聲源，一般可認(rèn)為其服從高斯分布。這種噪聲在頻譜上表現(xiàn)為連續(xù)譜，相對平坦。

式中：分子[B（z）]表示移動(dòng)平均部分；分母[Az]表示自回歸（Auto?Regressive，AR）部分。

3） 隨機(jī)脈沖噪聲

各種電網(wǎng)上負(fù)載（如變頻器、機(jī)床等中大型設(shè)備）的接入、斷開、啟停等操作會(huì)產(chǎn)生脈沖噪聲，這些噪聲的主要特點(diǎn)是隨機(jī)性出現(xiàn)，低頻段的功率譜密度較高頻段噪聲嚴(yán)重。

4） 非同步周期的窄帶噪聲

一般由中、短波廣播所引起，隨時(shí)間發(fā)生變化，可用[N]個(gè)獨(dú)立的正弦函數(shù)疊加來描述。如電視機(jī)、顯示器等視頻信號(hào)的掃描頻率對電網(wǎng)的干擾等。

[N窄帶噪聲（t）=i=1NAitcos（2πfit+?i）] （3）

由于電力線負(fù)載種類繁多，開關(guān)、啟停等多種情況隨機(jī)且復(fù)雜，導(dǎo)致電力線上的信道噪聲干擾種類較多、特性相當(dāng)復(fù)雜，信道環(huán)境相當(dāng)惡劣。因此很難建立一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來模擬低壓電力線信道特征，通過對采集到的大量的電力線噪聲分析，認(rèn)為在150 kHz以上電力線的噪聲水平相對較低，因此在選擇載波頻率時(shí)必須大于150 kHz。

2 電力線BPSK調(diào)制與信號(hào)提取算法

2.1 低壓電力線BPSK調(diào)制解調(diào)的原理

低壓電力線BPSK調(diào)制的原理是保持載波信號(hào)的頻率和幅度不變，利用載波相位的變化來傳遞信息。其中，相位0和相位[π]分別代表“0”和“1”，則電力線載波信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

[eBPSKt=Acos2πfct+0，發(fā)送′0′Acos2πfct+π，發(fā)送′1′] （4）

BPSK信號(hào)的產(chǎn)生方法有兩種：一種可以采用雙極性基帶信號(hào)的模擬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)；另一種可以采用鍵控法來實(shí)現(xiàn)，即在二進(jìn)制基帶矩形脈沖序列的控制下通過開關(guān)電路對載波信號(hào)和載波信號(hào)相移相位[π]后兩個(gè)不同的信號(hào)進(jìn)行選通，使其在一個(gè)碼元周期[Ts]期間輸出相位0或相位[π]兩個(gè)載波之一。

圖1給出了低壓電力線載波原理框圖。傳感器采集用電數(shù)據(jù)，底層的微控制器STM32采集到的數(shù)據(jù)以BPSK方式進(jìn)行調(diào)制，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換和功率放大后加載到低壓電力線上，實(shí)現(xiàn)對BPSK的發(fā)送；在接收端，通過耦合變壓器將電力線上含有240 kHz的載波信息進(jìn)行提取，經(jīng)過自動(dòng)增益控制放大器、A/D轉(zhuǎn)換、帶通濾波器、相干解調(diào)、低通濾波器和判決器后輸出，將數(shù)據(jù)透傳至上位機(jī)。

選擇鍵控法產(chǎn)生DBPSK信號(hào)。需要說明的是，由于BPSK信號(hào)在載波恢復(fù)過程中存在著[180°]的相位模糊，即可能存在載波與所需的相干載波同相，也可能反相，造成判決器輸出時(shí)的數(shù)字信號(hào)全部出錯(cuò)，即出現(xiàn)“倒[π]”現(xiàn)象。因此在實(shí)際使用過程中，采用DBPSK調(diào)制方式，克服“倒[π]”現(xiàn)象。該方法利用前后相鄰碼元的載波相位變化傳遞信息。

選擇相干解調(diào)法來實(shí)現(xiàn)低壓電力線載波信號(hào)的解調(diào)。其中，同步載波信號(hào)一般采用Costas環(huán)法跟蹤信號(hào)的頻率和相位，而在電力線載波系統(tǒng)中，由于已知發(fā)射的載波頻率，且在電力線傳輸過程中，載波的頻偏很小，因此本文采用軟件產(chǎn)生同步載波信號(hào)進(jìn)行同步。

2.2 低壓電力線載波方式及載波頻率的選擇

目前常用的電力載波芯片工作方式一般有FSK模式和PSK兩種模式。根據(jù)前面的分析，由于電力線噪聲分布較為復(fù)雜，帶寬較寬，合適地選擇載波頻率就變得極為重要。國外專家學(xué)者根據(jù)電力線噪聲源的種類及其譜特性，制訂了不同的載波頻率標(biāo)準(zhǔn)。歐洲地區(qū)電網(wǎng) （400 V/230 Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍為9～150 kHz；而北美地區(qū)電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍為100～450 kHz。國內(nèi)東軟公司的ES16W芯片的載波頻率為270 kHz，傳輸速率為1 200 b/s。因此，本文構(gòu)建了一個(gè)電力線噪聲采集裝置，收集了不同時(shí)段辦公樓內(nèi)的電力線噪聲數(shù)據(jù)，在大量分析了電力線噪聲特性的基礎(chǔ)上，本文選擇的采樣頻率為9.6 MHz，載波中心頻率為240 kHz，傳輸速率為9 600 b/s。之所以選擇BPSK方式是由于其在抗噪聲性能方面優(yōu)于BFSK調(diào)制方式。

2.3 帶通濾波的階數(shù)估計(jì)與設(shè)計(jì)

在實(shí)際的低壓電力線作為載波通信信道時(shí)，由于各種負(fù)載、用電設(shè)備及外界都將引起大量的噪聲，嚴(yán)重影響載波通信性能，因此濾波器的設(shè)計(jì)就變得極為重要[9]。在窄帶通信中，基本上可以歸結(jié)為諧振電路的設(shè)計(jì)；在寬帶通信中，濾波電路便是一個(gè)帶通濾波器。根據(jù)對電力線上的噪聲分析，可以看出，低壓電力線信道特性復(fù)雜，噪聲干擾強(qiáng)，信道衰減大，噪聲覆蓋頻率范圍廣。考慮到設(shè)計(jì)資源的限制，應(yīng)盡可能地降低濾波器的階數(shù)。根據(jù)分析，確定濾波器的中心頻率為240 kHz，濾波器帶寬為20 kHz，則根據(jù)文獻(xiàn)[1]，濾波器的階數(shù)可以用式（5）進(jìn)行估計(jì)：

式中：[δ1]為通帶紋波；[δ2]為阻帶紋波；[Δf]為歸一化的濾波器帶寬。

假設(shè)濾波帶寬為230.4～249.6 kHz，帶寬為19.6 kHz，阻帶紋波為6 dB，根據(jù)式（5）估計(jì)出濾波器的階數(shù)[M]為42階；而阻帶紋波為20 dB時(shí)，估計(jì)得到的濾波器階數(shù)為89階；考慮到濾波器設(shè)計(jì)采用FPGA資源來設(shè)計(jì)，為了使得硬件資源消耗最小，降低制作ASIC硬件的成本，本文選擇32階FIR濾波器。

2.4 電力線BPSK性能分析

假設(shè)在一個(gè)碼元周期內(nèi)，觀測到的合成信號(hào)為：

式中：[n（t）]為電力線噪聲，此處假設(shè)電力線噪聲是均值為零的加性高斯白噪聲。由于[nt]經(jīng)過帶通濾波器，則可視為輸出窄帶高斯噪聲，即：

則式（8）可表示為：

經(jīng)過相干解調(diào)和低通濾波器后，抽樣判決器輸入波形為：

若假設(shè)[nct]是均值為0、方差為[σ2]的高斯噪聲，則其一維概率密度函數(shù)為：

發(fā)送“0”時(shí)：

當(dāng)噪聲為高斯噪聲時(shí)，最佳檢測門限th為0，則采用相干檢測法時(shí)，BPSK的誤碼率為：

式中信噪比[SNR=A22σ2]。

當(dāng)發(fā)射信號(hào)較強(qiáng)或者信噪比較大，即[SNR?1]時(shí)，式（14）可近似為：

以上分析是基于電力線噪聲為高斯噪聲的假設(shè)進(jìn)行分析的，而實(shí)際的電力線噪聲異常復(fù)雜，很難用單一的高斯分布來進(jìn)行假設(shè)，但是采用高斯假設(shè)可以近似地判斷低壓電力線的性能。文獻(xiàn)[10]等采用不同的分析方法分析了不同噪聲類型下的誤碼率情況，此處不再贅述。

3 電力線載波BPSK仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于BPSK調(diào)制方式的電力線載波的性能，分別進(jìn)行了Matlab仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際的硬件平臺(tái)測試。選擇采樣頻率[fs=9.6 ]MHz，載波頻率[fc=]240 kHz，碼元速率[fb=]9 600 b/s；為了便于觀測，選擇碼元長度[N=8]。帶通濾波器中心頻率為240 kHz的32階FIR濾波器，窗函數(shù)選擇Kasier窗；低通濾波器為24階的FIR濾波器。

3.1 電力線載波BPSK仿真實(shí)驗(yàn)

假設(shè)基帶信號(hào)為：0 1 1 0 1 0 1 0，碼元信號(hào)“0”用240 kHz正弦信號(hào)的“0”相位表示，碼元“1”用240 kHz的“[π]”表示，則BPSK碼元信號(hào)“0”、碼元信號(hào)“1”以及該序列的調(diào)制信號(hào)如圖2所示。

為了驗(yàn)證BPSK信號(hào)在電力線信道中的傳輸性能，分別仿真了不同噪聲情況下的BPSK信號(hào)性能，此處假設(shè)噪聲為高斯白噪聲，信噪比SNR=5 dB。本文選用相干解調(diào)法進(jìn)行解調(diào)，其中本地載波同步信號(hào)利用軟件產(chǎn)生。相干解調(diào)與經(jīng)過低通濾波器的波形如圖2所示。其中圖2a）為電力線噪聲加信號(hào)波形；圖2b）為32階帶通濾波后波形；圖2c）和圖2d）分別給出了相干后波形和低通濾波后的效果。可以看出，通過設(shè)計(jì)合理的判決門限，就可以獲得基帶信號(hào)。

需要說明的是，帶通濾波器是BPSK系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其參數(shù)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到后續(xù)處理的復(fù)雜度。濾波器階數(shù)越高，性能越好，但在后續(xù)的ASIC電路設(shè)計(jì)所需的資源就越多；如果濾波器階數(shù)較低，所需的資源較少，那么性能就會(huì)下降。本設(shè)計(jì)在權(quán)衡濾波器階數(shù)、通帶增益、阻帶衰減以及3 dB帶寬的基礎(chǔ)上，選擇32階FIR帶通濾波器，窗函數(shù)選擇Kasier窗。

3.2 電力線噪聲數(shù)據(jù)采集及對通信系統(tǒng)的影響分析

電力線噪聲是影響電力線載波通信的重要因素。為了便于分析電力線的噪聲特性，構(gòu)建了一個(gè)基于NI 5529采集卡和LabVIEW軟件的電力線噪聲采集裝置，用于分析電力線噪聲數(shù)據(jù)。圖3給出了實(shí)際采集電力線噪聲的實(shí)物圖。先后在辦公樓、實(shí)驗(yàn)室等不同環(huán)境下采集大量的電力線噪聲數(shù)據(jù)，并初步對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖4所示，載波頻率為240 kHz的信號(hào)較強(qiáng)，但在噪聲譜中疊加了一個(gè)20 kHz的高頻譜及其諧波譜，發(fā)現(xiàn)這是一種電氣設(shè)備產(chǎn)生的諧波頻率。

為了更進(jìn)一步分析電力線載波通信的效果，對大量的電力線噪聲進(jìn)行分析，并采用蒙特卡洛方法進(jìn)行大量的仿真。仿真結(jié)果表明，在信噪比為-15 dB時(shí)，BPSK的誤碼率約為0.3%。通過構(gòu)建FPGA測試平臺(tái)，在實(shí)際的電力線上測試，誤碼率略有提高，不同時(shí)段的誤碼率有所不同，約在1%～3%，出現(xiàn)這種情況的原因主要是由于電力線的噪聲導(dǎo)致誤碼率有所上升。

4 結(jié) 論

低壓電力線作為數(shù)據(jù)通信的信道時(shí)，受各種電氣設(shè)備的影響，其信道特性并不理想。在詳細(xì)分析低壓電力線的噪聲特性和頻譜特征的基礎(chǔ)上，本文提出采用240 kHz為載波中心頻率、傳輸速率為9 600 b/s的BPSK調(diào)制方式，在沒有綜合編碼技術(shù)的條件下，仿真和實(shí)測結(jié)果表明，采用BPSK調(diào)制方式可簡化接收機(jī)的設(shè)計(jì)，能較好地抵抗電力線隨機(jī)噪聲等引起的信號(hào)波動(dòng)。在信噪比為-15 dB時(shí)，設(shè)計(jì)的BPSK調(diào)制解調(diào)器的誤碼率約為0.3%，可實(shí)現(xiàn)低壓電力線的有效傳輸。

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