0 引言

    隨著智能電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展，電力線載波通信(Power Line Communication，PLC)技術(shù)備受關(guān)注^[1-2]，然而電力線信道環(huán)境惡劣，傳統(tǒng)單載波通信技術(shù)無(wú)法很好地抵御信道干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性低，從而影響了電力線載波通信的應(yīng)用和發(fā)展^[3]。G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)是一種電力線載波通信規(guī)范，已經(jīng)被IEEE、ITU和IEC/CENELEC等主要機(jī)構(gòu)所采納，可以有效地對(duì)輸電網(wǎng)絡(luò)、照明及智能電網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行管理、控制與監(jiān)測(cè)^[4]，因此G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)已成為面向智能電網(wǎng)通信技術(shù)的全球開(kāi)放性協(xié)議^[5-6]。

    然而，OFDM系統(tǒng)的高頻譜利用率和傳輸可靠性都是以其子載波之間的正交性為基礎(chǔ)的，因此準(zhǔn)確的符號(hào)定時(shí)同步技術(shù)是OFDM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。OFDM系統(tǒng)中的同步技術(shù)主要分兩類(lèi)：(1)利用循環(huán)前綴的方法；(2)利用訓(xùn)練序列的方法。當(dāng)信道為嚴(yán)重的多徑衰落信道時(shí)，第一類(lèi)方法會(huì)使部分循環(huán)前綴區(qū)間受到ISI破壞，使定時(shí)估計(jì)性能惡化，因此不適用于電力線載波通信系統(tǒng)中。第二類(lèi)方法主要用于如無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)的突發(fā)式傳輸系統(tǒng)，估計(jì)精度較高，在多徑衰落信道下魯棒性能較好，最具代表性的算法為Stanford大學(xué)的Schmidl和COX D C于1997年提出的Schmidl&Cox算法^[7]，但由于自相關(guān)平臺(tái)效應(yīng)，使S&C算法定時(shí)同步存在偏差。另一種經(jīng)典的算法是Minn算法^[8]，雖然克服了S&C算法中符號(hào)定時(shí)測(cè)度的平臺(tái)效應(yīng)，但是其訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)與G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)符號(hào)結(jié)構(gòu)不相同，因此需要額外添加訓(xùn)練序列，使系統(tǒng)有效速率降低。

    因此，本文針對(duì)G3-PLC特有的前導(dǎo)符號(hào)結(jié)構(gòu)，結(jié)合S&C算法的思想，提出了一種采用雙重相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ⑼ㄟ^(guò)仿真對(duì)算法性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 G3-PLC信號(hào)幀結(jié)構(gòu)

    一個(gè)完整G3-PLC的幀結(jié)構(gòu)具體包括前導(dǎo)序列(Preamble)、幀控制頭序列(Frame Control Header，F(xiàn)CH)以及數(shù)據(jù)位(DATA)。如圖1所示，前導(dǎo)符號(hào)由8個(gè)SYNCP符號(hào)和1.5個(gè)SYNCM符號(hào)組成，其中每個(gè)SYNCP符號(hào)和SYNCM符號(hào)都包含256個(gè)采樣點(diǎn)，同時(shí)，接收端為了方便進(jìn)行相位檢測(cè)，SYNCM符號(hào)相對(duì)于SYNCP符號(hào)有180°相位差。

    FCH幀控制頭在前導(dǎo)符號(hào)之后，其包含了保證發(fā)送數(shù)據(jù)幀正確解調(diào)的必要信息。每一組數(shù)據(jù)幀中包含13個(gè)FCH符號(hào)，F(xiàn)CH之后是DATA數(shù)據(jù)信息，F(xiàn)CH本質(zhì)上和數(shù)據(jù)位信息是一樣的，因此其中也包含了循環(huán)前綴，但由于其重要性，導(dǎo)致其調(diào)制方式不可調(diào)，只可采用最安全的DBPSK調(diào)制映射方式，各個(gè)FCH數(shù)據(jù)段和DATA數(shù)據(jù)段在加窗之后需要進(jìn)行相鄰符號(hào)首尾重疊處理，重疊長(zhǎng)度為8位。經(jīng)過(guò)疊加之后，就形成了最后的數(shù)據(jù)幀。

2 雙重相關(guān)檢測(cè)同步原理

    SYNCP符號(hào)中有用的采樣點(diǎn)碼元由36個(gè)子載波的相位調(diào)制產(chǎn)生，其對(duì)應(yīng)的36個(gè)相位信息如式(1)所示：

其中1≤i≤36表示有用載波序號(hào)。

    將式(1)中的各個(gè)相位值在頻域建立對(duì)應(yīng)的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)為：

    式(2)中的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)IFFT變換就可以產(chǎn)生前導(dǎo)序列中的一個(gè)SYNCP符號(hào)，為了使產(chǎn)生的SYNCP符號(hào)實(shí)數(shù)化，需對(duì)式(2)中的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的頻域編碼，首先將式(2)中的36個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)位插入到N/2(其中N=256)個(gè)子載波中的第23～58位，其余位數(shù)補(bǔ)零，如式(3)所示：

    再根據(jù)FFT原理，將式(3)形成的N/2個(gè)子載波P(j)按照式(4)映射到N個(gè)子載波的前N/2位，再將P(j)的第2～N/2位的共軛倒敘映射到N個(gè)子載波的后N/2-1位，第N/2+1位置零：

    再對(duì)該N個(gè)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行N點(diǎn)IFFT變換，得到的SYNCP符號(hào)如下式，即為實(shí)數(shù)序列：

其中，0≤n≤N-1。

    SYNCM碼元是由P碼元反相產(chǎn)生的，如式(6)所示：

    在接收端，根據(jù)信道環(huán)境，在本地倒序選取一定長(zhǎng)度的前導(dǎo)符號(hào)序列，假設(shè)接收端本地前導(dǎo)符號(hào)序列長(zhǎng)度為發(fā)送端前導(dǎo)符號(hào)序列長(zhǎng)度的1/2，即：

    定義接收端經(jīng)過(guò)信道干擾的產(chǎn)生失步的信息幀為Y(m)，截取接收到的信息幀的前2 432位。

    根據(jù)相關(guān)檢測(cè)原理，分別將Z(m)與X(n)和Y(m)與X(n)進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān)運(yùn)算，即：

    接收端通過(guò)對(duì)失步量進(jìn)行補(bǔ)償即可精確地確定出每一幀信息中FCH位及DATA位的起始時(shí)刻。

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證本文基于前導(dǎo)的G3-PLC同步算法性能，采用Monte Carlo方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果如圖2所示，其中仿真參數(shù)設(shè)置為：子載波數(shù)目N=256，保護(hù)間隔的長(zhǎng)度為CP=30，采樣頻域F_S=0.4 MHz，SNR=-2 dB，符號(hào)偏差為399個(gè)載波符號(hào)周期，F(xiàn)CH符號(hào)數(shù)為N_FCH=13，數(shù)據(jù)位采用DQPSK調(diào)制方式，F(xiàn)CH位采用DBPSK調(diào)制方式。圖2(a)為R_ZX(m)相關(guān)曲線，由圖可以得出J₁=3 456；圖2(b)為R_YX(m)相關(guān)曲線，其中J₂=3 058，得D=J₁-J₂=398，與符號(hào)偏差值399差一個(gè)載波符號(hào)周期，在接收端通過(guò)補(bǔ)償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置。

    其他參數(shù)SNR=-10 dB保持不變，惡化信道環(huán)境設(shè)置，符號(hào)偏差為200個(gè)載波符號(hào)周期。圖3(a)為R_ZX(m)相關(guān)曲線，由圖可以得出J₁=3 456；圖3(b)為R_YX(m)相關(guān)曲線，其中J₂=3 257，得D=J₁-J₂=199，與符號(hào)偏差值200同樣只差一個(gè)載波符號(hào)周期，在接收端通過(guò)補(bǔ)償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置。

    為了進(jìn)一步驗(yàn)證該算法對(duì)信道環(huán)境的適應(yīng)性，其他參數(shù)保持不變，符號(hào)偏差為200載波符號(hào)周期,采用電力線載波實(shí)測(cè)信道參數(shù)環(huán)境，如圖4(a)所示為實(shí)測(cè)信道時(shí)域圖，由于電力線載波實(shí)際信道自相關(guān)曲線具有周期對(duì)稱(chēng)性，如圖4(b)所示，因此其自相關(guān)程度近似為零，信號(hào)通過(guò)該信道后其相關(guān)性不會(huì)受到太大影響；圖4(c)為R_ZX(m)相關(guān)曲線，由圖可以得出J₁=3 456；圖4(d)為R_YX(m)相關(guān)曲線，其中J₂=3 257，得D=J₁-J₂=199，與符號(hào)偏差值200同樣只差一個(gè)載波符號(hào)周期，在接收端通過(guò)補(bǔ)償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置。

4 結(jié)論

    由于低壓電力線建設(shè)初期并沒(méi)有考慮通信的要求，因此在傳輸信號(hào)過(guò)程中會(huì)受到噪聲、多徑干擾和頻率選擇性衰落等影響，造成定時(shí)同步不準(zhǔn)確，在接收端產(chǎn)生漏檢和誤判。本文首先解析了G3-PLC電力線載波通信原理及G3-PLC信號(hào)幀結(jié)構(gòu)，并根據(jù)G3-PLC電力線通信協(xié)議特有的幀格式，利用前導(dǎo)序列之間的相關(guān)性，提出采用兩重相關(guān)的檢測(cè)方法對(duì)系統(tǒng)的失步進(jìn)行了有效的補(bǔ)償，并且最后通過(guò)Monte Carlo方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文提出的系統(tǒng)同步補(bǔ)償算法對(duì)不同信道環(huán)境適應(yīng)性好，可以準(zhǔn)確地檢測(cè)到FCH位及DATA位的起始位置，使接收端能夠正確地解調(diào)信息，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠性高。

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