隨著我國智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，迫切需要實現(xiàn)中低壓電力線互聯(lián)通信，以便實現(xiàn)中低壓電力采集信息的共享。但是，唯一一類連接中低壓線路的電氣設(shè)備——配電變壓器卻對中、低壓電力線信道具有很強的阻隔作用，限制了其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，并且阻礙了電力線通信的廣泛應(yīng)用。人們曾試圖將中、低壓耦合器直接相連，構(gòu)成“無源橋接器”，完成信道的互聯(lián)。然而，由于中低壓電力線信道的頻率特性、噪聲特性等都存在很大差異，導(dǎo)致通信效果并不理想?；谶@一實際問題，在充分測量、分析實際中低壓電力線信道特性的基礎(chǔ)上，本文提出了一種適合中低壓電力線互聯(lián)通信的實時信道均衡算法。

1 電力線信道特性測試與分析

        電力線信道特性是影響其通信質(zhì)量的主要因素之一。為了可靠地實現(xiàn)中低壓電力線互聯(lián)通信，需要首先弄清楚同一臺配電變壓器10 kV側(cè)與220 V側(cè)的信道特性。為此選取了臨汾市縣底變電站599中壓電力線通信配網(wǎng)自動化示范線路進行了多天的連續(xù)觀測?？紤]到中壓電力線通信對傳輸距離的實用要求，信道特性測試頻率范圍為40 kHz~500 kHz。如圖1所示是信道傳輸特性測試方案圖。

        測試點1是10 kV母線出口處，測試點2是某配電變壓器，兩者相距約2 km。采用ZY5111A/B線路電平自動測試系統(tǒng)，對線路的傳輸特性進行了測試。在測試點1用ZY5111B信號發(fā)生器通過中壓耦合器向10 kV線路注入0 dB(約0.775 V) 頻率間隔為1 kHz的正弦掃頻信號。在測試點2用ZY5111A電平表同步測量線路的接收電平。測試時，若將斷路器斷開，則橋接器低壓側(cè)線路斷開，測量結(jié)果實際上是本段中壓線路的信道傳輸特性；而若將其閉合，則相當(dāng)于接入了220 V低壓線路，測量接入低壓線路后的信道特性。

        中壓電力線信道傳輸特性如圖2所示(同一點相隔3天時間)。可以看出，線路特性基本穩(wěn)定，這與參考文獻[1]的結(jié)論基本是一致的。而接入低壓線路后的信道特性如圖3所示(同一點相隔1 h)。可以看出，接入低壓線路后，信道衰減普遍增加5~6 dB，信道特性的時變性更加突出，選擇性頻率衰落點隨時間發(fā)生變化，且不同頻率的衰減變化呈現(xiàn)一定的隨機性。但相對于通信傳輸?shù)男盘栭g隔而言，接入低壓線路后的電力線信道仍然可以視為慢時變信道。

        因此，為了提高信道橋接后的通信可靠性，在低壓接收側(cè)通過引入實時信道估計和均衡技術(shù)是十分必要的。下面將結(jié)合電力線信道特性，重點分析一種適合于多載波通信方式的信道實時均衡算法。

2 實時信道均衡算法

        本文采用的信道實時均衡算法屬于改進的判決反饋均衡算法。該算法實時性高，且信道均衡可以跟蹤信道的變化，信道均衡性能良好。

2.1均衡器的組成

        圖4所示為判決反饋信道均衡器組成框圖。設(shè)y_l(n)(n=0,1,…，N-1)是接收端接收到的第l組數(shù)據(jù)塊；h_l(n)(n=0,1,…，N-1)是信道的離散沖激響應(yīng)，v_l(n)(n=0,1,…，N-1)是信道的離散噪聲，若此時對應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)塊為x_l(n)(n=0,1,…，N-1)，則：

        對于OFDM系統(tǒng)，為了在接收時消除碼間干擾，通常在發(fā)送數(shù)據(jù)時增加循環(huán)前綴，將線性卷積“*”轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積，以便于快速傅里葉變換^[2]。

2.2 信道均衡中的SIFT算法分析

        為了快速實現(xiàn)信道均衡，傅里葉變換的實時性至關(guān)重要。傳統(tǒng)FFT算法，在計算過程中數(shù)據(jù)延時大，占存儲空間多，尋址時還需要考慮數(shù)據(jù)位倒序等問題，降低了實時性^[3-4]。本文采用了一種改進的離散傅里葉變換算法SIFT，在采集到每個數(shù)據(jù)后，可立即計算并更新傅里葉系數(shù)，不需要額外的存儲器，能夠?qū)崿F(xiàn)計算“0”延時，數(shù)據(jù)采集完立即輸出全部傅里葉變換系數(shù)。算法的基本原理如下：

        由DFT的計算公式：

將其寫成矩陣形式為：

        由式(6)中，所有系數(shù)xi的第一部分分量都是由第一點采樣數(shù)據(jù)x(0)產(chǎn)生的貢獻。同樣，第二部分分量也都是 x(1)產(chǎn)生的貢獻；依次類推。顯然，只要采集了第1點數(shù)據(jù)，就可開始計算X_i的第一部分分量；只要在第2個采樣數(shù)據(jù)到來之前，計算完并存儲系數(shù)的中間結(jié)果，即可在第2點數(shù)據(jù)到來時，開始計算第二部分分量，且實時更新原來的存儲系數(shù)。依照上述過程，直到第N-1點數(shù)據(jù)到來時，所有的系數(shù)x_i就全部計算完成，并由此計算出信號的功率譜和相位譜。

        此外，SIFT的另一個突出優(yōu)點是：可動態(tài)設(shè)置任意采樣點個數(shù)，這樣該算法將特別適合于任意子載波數(shù)的多載波調(diào)制信號的譜估計。

2.3 信道均衡中的判決反饋算法分析

        盡管電力線信道具有時變性，但由于信道的時變速度遠遠低于信號兩相鄰符號之間的傳輸速率，因此在兩相鄰符號時間間隔里，信道可以認(rèn)為是平穩(wěn)的?；谶@一客觀存在，判決反饋均衡算法的思想是：使用前一時刻信道接收信號計算得到的信道估計值去均衡下一個接收信號，形成一個閉環(huán)反饋判決與均衡系統(tǒng)。由于該方法不需要額外增加導(dǎo)頻信號，且能夠進行連續(xù)信道估計和均衡，大大提高了算法的實時性。算法的流程如下：

        (1)信道估計與均衡初始化

        首先發(fā)送兩個符號的訓(xùn)練序列(即l=0,1)，由于訓(xùn)練序列的頻譜X_l(k)(l=0,1)是已知的，利用接收端接收到的輸出序列Y_l(k)(l=0,1)的信息即可得到信道的初始估計值。

        對于信道估計與均衡初始化需要說明如下兩點:信道噪聲對信道估計值是有一定影響的，為了準(zhǔn)確得到估計值，信道估計與噪聲抑制同步進行，噪聲抑制這里不再贅述;在實際應(yīng)用中，訓(xùn)練序列可以結(jié)合通信協(xié)議，利用電力數(shù)據(jù)傳輸時采用的主從應(yīng)答機制，由主機發(fā)起信道估計和均衡，此時，只需要主機將訓(xùn)練序列并行加載到各子載波上即可。

        (2)判決反饋更新信道估計值

        完成初始化后，就可更新信道估計值了。該算法利用已判決的反饋信號來跟蹤時變信道，再利用估計的信道來判決接收信號。該方法是在頻域里完成的，其優(yōu)點是不需要解調(diào)出發(fā)送信息的原始信息，通用性強。

        由于上述過程構(gòu)成了一個閉環(huán)系統(tǒng)，因此稱為反饋判決信道估計與均衡。需要說明的是,當(dāng)信道遇到快速衰落時，估計和均衡性能會下降。這時可采用對相鄰子載波或連續(xù)多個信號的信道估計值加權(quán)平均，以降低估計方差，緩解均衡性能的下降^[6-7]。

3 仿真實驗及分析

3.1 實驗方案

        為了證明算法的有效性，通過Matlab建立了仿真實驗平臺，如圖5所示。

3.1.1仿真信道模型和噪聲模型說明

        基于第2節(jié)信道實時測量數(shù)據(jù)，建立模擬信道的FIR信道模型。由于第2節(jié)數(shù)據(jù)實際上是信道傳輸特性的幅頻響應(yīng)，即|H(k)|，數(shù)據(jù)失去了相位信息，在建模時，為不失一般性，假設(shè)信道具有線性相位。這樣很容易基于FIR系統(tǒng)的頻率抽樣法建立電力線仿真信道的模型[8]，這里重點建立了中壓電力線信道模型和帶有低壓線路的中低壓互聯(lián)電力線信道模型。關(guān)于噪聲模型，本文直接采用了參考文獻[1]提供的噪聲數(shù)據(jù)，限于篇幅，不再贅述。

3.1.2 信道調(diào)制方式及參數(shù)

        為了分析方便，選用了OFDM調(diào)制方式。設(shè)信號直接以基帶形式在電力線信道上傳輸，電力線信道可用頻帶為40 kHz~500 kHz，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，IFFT輸出的采樣頻率f_s=1 024 kHz。取子載波數(shù)N=128，則碼元間隔T=N/fs=125 μs，頻率分辨率為Δf=1 024/128=8 kHz，取保護間隔T_g=5 μs，則總的OFDM碼元周期T_u+T_g=130 μs。由FFT性質(zhì)可知，由于數(shù)據(jù)具有共軛對稱性質(zhì)，因此實際上只有一半的子載波加載了數(shù)據(jù),去除低于40 kHz的5個子載波，實際使用的子信道數(shù)N_u=59，總的符號率為R=N_u/T_u≈454 kb/s。

3.2 仿真結(jié)果分析

        為了驗證算法的有效性，本文首先對中低壓電力線信道直接通過無源耦合器連接后的OFDM解調(diào)進行了仿真，測量了不同信噪比情況下的誤碼特性，如圖6帶“□”標(biāo)記所示曲線，從該曲線可以看出，在信噪比低于10 dB時，接收誤碼率較高。然后，對增加了均衡算法后的OFDM解調(diào)效果進行了仿真，如圖6帶“o”標(biāo)記所示曲線。由圖6可以看出，增加判決反饋均衡器后OFDM解調(diào)誤碼率比未接入判決反饋均衡器而直接解調(diào)時有明顯的下降，大約改善信噪比5 dB~6 dB。特別是在低信噪比情況下，接入判決反饋均衡器后，接收性能改善效果更加突出。

        通過對實際中低壓電力線信道互聯(lián)特性的測量表明，電力線信道都存在較為嚴(yán)重的頻率選擇性衰落點。受低壓負荷變化較快等因素的影響，通過橋接器連接低壓線路后，信道衰減普遍增加5 dB~6 dB，同時線路的信道特性伴隨較強的時變性。為了提高橋接后的通信可靠性，在低壓接收側(cè)引入實時信道均衡是十分必要的。

        針對中低壓信道互聯(lián)時信道慢時變特點，本文提出了一種判決反饋均衡算法。其思想是基于SIFT快速傅里葉變換算法快速估計出信道接收頻譜，然后根據(jù)信道的慢時變特性，利用當(dāng)前的接收信道頻譜特性結(jié)合前一時刻的信道特性，估計出當(dāng)前的信道均衡值，構(gòu)成了一個閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)。由于該算法實時性高，且信道均衡可以跟蹤信道的變化，信道均衡性能良好。仿真實驗證明了算法的有效性。

參考文獻

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