低压电力线OFDM载波通信系统符号定时同步方法.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/第第期月日电力系统自动化八,低压电力 线载波通信系统符号定时同步方法罗春风,程时杰,熊兰,文劲宇,张有兵,杨慧敏华中科技大学电气与电子工程学 院,湖北省武汉市浙江大学电气工程学 院,浙江省杭州市摘要正交频分复用技术用于低压电 力线 载波通信可以有 效克服电 力线弥散信 道的多径、频率选择性衰 落特性的影响。但系统对同步误差的影响相当敏感,准确 的符号定时和频偏估计是实现系统的 关健。文中采用改进的延迟相关符号定时同步方

2、法实现了低压电力线载波通信系统的准确符号同步。对比分析了双滑动窗功率比值法、延迟相关算法、改进的延迟相关算法应用于实际低压电 力线弥散通信环境 中的效果,结果表明采用改进的延 迟相关算法更稳定可靠,精度 更 高。实际低压电 力线信道实验网络测试表明,改进的延迟相关算法可以更准确有效地进行系统符号定时,且 符号定时同步不受频偏 影响,具有很强的鲁棒性。关键词低压电 力线 载波通信正交频分复用符号定时同步延迟相关算法双滑动窗口法中图分 类号引言低压电力线载波通信作 为一种新的实现宽带高速通信手段,引起了业界广泛关注,成为世界许多科研机构和 电气公司的研究热点。由于低压配电 网是一个复杂 的多分支

3、拓扑 结 构网络,在信号传输 过 程中,传输 阻抗不匹配会引起通信网络 中信号反射,反射信号和原信号具有 相 同 的频率,在 不 同时刻 到达信号接 收端产生 多径 效 应,造 成 低 压电力 线信道 的时间弥散性和频率选 择 性 衰 落川。同时,信号 的多路传输带来的时延扩展造成数据符号之间的相互交叠,产生符 号 间干 扰川。此 外,由于 低 压电 网噪声成分复杂,随负荷变化大,具有一定的非平稳特性比,低压电力 线 上 负 荷 的 多样性和时变 性 也将引起信号 的时变频率选择性衰落。为了保证通信质量,提高通信速率,适 当选择调制方式是关键。而正交频分复用技术在强 干扰条件下仍具有有效传送信

4、号 的能力,是目前 在具有 频率选 择 性 衰 减特性通信环境 中实现高速信号传输 的主流技术。采用技术可以有 效 克 服电力 线 通 道 多径传输和频率选择性衰落特性 的影 响,实 现 宽 带 数 据高速传输仁。多载波 调 制 技 术 应 用 于 低 压电力 线 载波通信进行宽带高速 数 据传输,为了保证整个系统的 通信性 能,快 速 可靠的 同 步 方 案 至关重 要。系统对 同步误差十分敏感,载波 频率偏 差将引起严重 的子信道 间 串扰定时偏 差将引 人少。虽然在符号 间插人适 当长度 的带循环前缀 的保护 间隔可以有 效 地 对抗多 径 时延扩展 引起的,对定时误差有一定的裕量。但在

5、低压电力线多径衰落传输 通信网络 中,符 号定时 同步的精确度关系到系统对信道 时延 扩展 的敏感度,因此,应尽量选择合适 的定时 同步方法以减少定时 同步的偏差,同时对频偏和信道 影 响应具有 一定的鲁棒性。本文采用改进 的延迟相关符号定时同步方法实现了低压电力线载波通信系统 的准确 符 号同 步。在 基 于的 低 压电力 线 载 波 通信系统 的实验环 境 中,对 真实 的接 收信号分别进行双滑动窗口功率比值法、延迟相关算法、改进 的延迟相关算法 的对比分析。实验 测试结 果表 明,改进 的延迟相关算法更稳定可靠,精度更高,具有一定的鲁棒性,是一种有效 的低压电力线载波通信系统符号定时同步

6、方法。低压电力线载波通信系统收稿日期一一修回日期一一。国家 自然科 学基金资助项目中华电力教育基金会许继 奖教金资助项目。基于的低压电力 线 载波 通信系统 能够有效对抗低压电力线 多径衰落 的影 响,具有很强 的抗干扰能力。系统通过 快速傅里 叶反变 换和快速傅里 叶变 换实 现传输信号 的调 制和解调。基于的低压电力线 载波 通信系统 结 构如 图所示。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电力系玩自动快,种噪声干扰后,会发生严重 的畸变。脚 拟器圃巨 脚

7、浦图基于的低压电力线载波通信系统韶图电力线通 信试验网络拓扑图系统 在 发 送 端将编 码 后 的高速 数 据 流通过 串并转 换 后 进 行一基 带 调 制,然 后 通过将基带调制信号 搬 移 到路子 载波,经过并串转 换 器并加 人循环 前 缀 后祸 合到电力 线 上。发送信号经过低压电力线信道后会叠加上各种信道噪声和干扰。接 收器完成 与发 送 器 相 反 的操 作,去除循环前缀 的接收信号经过后,把信号从时域转变回频域,再经过信号解 调、解 码和并串转换后,就得到接收信号。在 图所示 的系统 中,发送端 的祸 合电路将经过放大器放大后 的发送信号祸合到低压电力线上进行传输,相应地,在接

8、 收方也配置了一个祸合器来接收信号。由于低压电力线是一种非专用 的通信介质,其祸合放大器 需 要 经 过特殊设计。关于祸 合电路的设计可参考文献 巨。由于收发两端 载波频率的偏 差和 电力线 噪声干扰 的影 响,经过祸 合器并进 行 下 变 频 变 换 后 的接 收信号可以表示 为本文设计的基于的通信系统采用一调制、卷积编码和译码算法。设置系统 的保护 间隔宽度二。一,点 数为,子载波个数 为,采样频率为,子载波 间 隔 为,上 变 频 本 振 频率为,因此系统 的通信频 带 为一,带 宽 为,共使用个子信道。经过祸合器,在接收端图的接 收点接 收得到 的信号如 图所示。脉冲噪声背景噪声脉冲噪

9、声反射信号一朴趟气厂脉冲噪声信号八 日门,日日日门门门少华罄邺返铭名伦袄娜擎一图电力线上 的信号 和噪声,卜艺龙已弩夕,一式 中、为 经 过一后 的 调 制 码元为的码元周期。为子 载波个数夕,为 由于频偏 引起的相移约为 噪声 干扰镇,镇。基于的系统定时同步由于低 压 配电 网富含各 种 背景 噪声、窄带 干扰和脉冲噪声,噪 声 干 扰 对定时 同 步 影 响很大,因此需要 对电力线 噪声进行分析,有效滤 除带外噪声,尤其是脉冲噪声。门低压电力线信道噪声特性分析图给 出了本文使用 的室内低压电力网载波通信实验系统 的结构。该通信网络可以看成是 由多个节点、分支以及相互不匹配 的线路所组成,信

10、号在网络 中的多径传输会产 生 一定的衰 减川,由于低 压电力线信道 的影 响,发 送信号 经 过电力 线信道 叠 加 各从图可以看 出信号 内夹杂有 背景 噪声和脉冲噪声,同时,在信号之后 出现 一 段幅值基本不变 的信号。对 图所示 的接收信号分段进行 频谱分析,频谱特性 如 图所示。分析 表 明,信号分布在一,背景 噪声分布在左右,脉冲噪声持 续 时 间为衅,频率主 要分布 在左 右和左 右,信号之后 出现 的信号 频率分布在一,与信号本身频谱分布一致,很可能为信号经过多径传播后 的反射信号,反射信号 幅度衰减很大,相比之下,噪声影响更大。从图的比较分析可知,电力线脉冲噪声具有很大的峰值

11、和功率,背景 噪声幅度虽小,但其相关度比较高,这两种 噪声在 时域上 与信号 重 叠,但其所在 的主要 频率不 与信号频段重合,因此,可以设计带通滤波器来滤除噪声。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/研制与开发罗春风,等低压电力线载波通信系统符号定时 同步方法样窗口信号功率与上 一个窗口信号 功率进行比较,当两个窗口功率的比值大于预定阂值,则判定为信号到来,并确定信号开始位置。其原理如 图所示。信号曰伪恻瞥频率背景噪声频谱图双滑 动窗口法卜日恻瞥其判定准则为

12、艺、一窗口刀乙一五小之二一乙乙一窗口一一咒一一记艺 五艺一一一一气戈频率信号之后一段信号频谱划暨频率脉冲噪声频谱儿二二二延迟相关算法文献 巨 川针对符号定时 同步提出了延迟相关算法。要求设置 的训 练符号与信道 噪声相关性很小。在两个训 练符号 的设置上,我们选择训 练符号 的频带宽度与有用信息符号频 带相 同,在系统所选用 的个子 载波 中,偶 数 子 载 波 加 载相 同 的 功率,而在奇次子 载波 上 功率为。图为延 迟 相关算法示 意图。划暨频率入信号频谱图接收信号的频谱分析符号定时同步系统 中 的符 号定时 同步 就 是 要 检 测 接收到采样序列 的符 号起始 位 置,也 就 是

13、解 决传输 帧的定位 问题。符号定时 同步可以根据实际情况在频域或者 时域进行。频域 同步可 采 用 插 人 导 频 法,采样时钟 可以从导频信号取 得,但这样 降低了系统 的性 能。时域 同步通常是 利 用帧结 构特点 进 行 符 号 同步。其中 一种方 法是 直 接 利 用 帧结 构 中 的循环 前缀,但其保护 间隔易受码 间干扰,其定时估值是建立在理想信道基础上 的,对 低 压电力 线 多 径 衰 落信道不大适用 另一种 方法 是 在 帧结 构 的数 据 包 前设置两个相 同的训 练符 号,利 用其相关系数来实 现定时同步。门双 滑动窗口法当信号 功率较大时,利 用网络 上信号 到来时刻

14、功率突然增大作为信号到来的判据。接 收端连续采样,以五个采样值组 成 一个窗口,接 收 器以当前 采母一叽。串串口口口口图延迟相关算法信号流程延迟相关算法如下二一艺二、二一艺、二氛艺、泥一乙。、一业士力勇一二二改进 的延迟相关算法由于延迟相关算法 的估值方差较大,存在数据帧定时不确定性因素。我们采用计及两个相关窗口 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电力系玩自动快,中所有采样点 的功率来作 为判 决函数。这样,在 噪声功率相对比较小,即信噪比 比较大时,对

15、信号首端的二二影 响 不大。对 于 噪 声来说,二二应该基 本 不变,找到最大值点后,再取 两个最大值的的点,一点位 于最大值的左边,另一点位 于其右边,对点进行均值运算脚。为了更精 确 地 进行 符 号定时,通过对大于二二最大值的倍的时标作 为均值来确定符号起始点。改进 的延迟相关算法如下图为采用双滑动窗口算法对 图中的接收信号进行定时同步检测计算的结果。卜己协,采样点数,刀,带通滤波之后的信号。一艺五厂、亡香一艺二、二氛艺、厂钊二一气飞孚兀万,采样点数,刀,一二二双滑动窗功率比检测几丸同步实验结果门帧结构设置在传输有用信号前,设置两个同步训 练符号,其长度都为,信号发送电平为。在两个训 练

16、符号 的设置上,我们选择在系统所选用 的个子 载波 中的偶数子 载波 加 载 相 同 的功率,而 在 奇次子 载波上功率为。两个同步 符 号之间相 位 相 反,其目的是减小衰减和噪声 的影 响 同时,通过提高训 练符号幅值的设置,也可以进一 步减少 噪声 干扰,使得判决函数 峰值保持在一个比较高的稳定区域。同步符号后面 的训 练序列 是 用来进 行信道估计和均衡的,帧结构如 图所示。门气门气门门曰曰曰卜己祀一一一一一一采样点数同步信号段放大香采样点数双滑动窗功率比检测放大输息据传信数护隔保间输息据传信数护隔保间道计练列信估训序自动增益控制奥尝布丁厅同步保护符号 间隔图双滑 动窗口功率比值法同步

17、试验结 果图信号帧结构设置同步算法的试 验分析对 图所示 的通过祸合器得 到 的接 收信号分别进行双 滑动 窗口法、延迟相关算法、改进 的延迟相关算法 的符号定时同步。在两个连续窗口滑动过程 中,二二从训 练符号 开始之前 的位置一五到处 一 直 处 于 增大状 态,当第个窗口内训 练符号与第个窗口内的训 练符号完全相 同 时,二二达 到最大,然 后,二二由于相关性 逐渐减弱而开始下降。由于 噪声具有 随机 性,其前 后两个窗口的相关性很小,因此 在信号 到来 之前 阶段二二也比较小。由图,可见,由于 滤 除了脉冲噪声,二二在信号开始处有 明显 的尖 峰。图是 与 图对应 的经滤波后 的实际信

18、号 的一部分。从图,可以看 出二二的变 化 趋势 与信号前 端 的位 置 整齐对应。经过滤波后,噪声部分的二二值为左右,相对 于 峰值二二很小。多个 样本信号 测试试验 表明,在信号首端,二二值在以上,而信号未 到来时,二二值不超过,因此可以设定阂值为毯一。但由于二二峰值波 动 太大,而且 对信号 的功率水 平 有较大的依赖性,其变化范围为到大于,这会给确定阂值以及信号开始 的准确位置 的识别带来一定的困难。图为采用延迟相关算法对 图中的接收信号进行定时同步检测计算的结果。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

19、All rights reserved.http:/研制与开发罗春风,等低压电力线载波通信系统符号定时 同步方法卜。万采样点数带通滤波之后的信号膏。采样点数延迟相关检测不超过,因此可以设置二二阂值为二一。图为采 用改进 的延迟相关算法对 图中 的接收信号进行定时 同步检 测计算的结 果。二二最大值处在信号 的首端,避免了如 图所示 的延迟相关算法会在信号末端 出现二二最大峰值的情况。同时,改进 的延迟相关算法可以避免 噪声 突然减小 时,二二出现较高数值而 引起 信号 同步误判 的概率。因此,改进 的延迟相关算法比延 迟 相关算法更稳定可靠。对 多个 样本 测试后 发 现,在信号首 端二二值都

20、达到以上,但不会 超过。在 噪声处,二二数值不超过。可以设置二二阂值为二一。为了减小对通信效率的影 响,在 应 用 中可以直接 利 用信号前端增加 的用来进行信道估计和均衡作用 的训练序列来完成符号定时同步。门气门气门门门曰曰曰曰卜尽卜、窗祀一一一采样点数同步信号段放大,刀采样点数喜之带通滤波之后的信号三芝住万采样点数延迟相关检测圆圈内放大图延迟相关算法同步试验结 果,刀采样点数改进延迟相关检测门气门气门门卜己祀图是 对 图中圆圈 内部分放大显示 的结果。当接 收器检测 到信号 首 端二二接 近 于时判定信号 到来,停止 检 测,进 人 下 一 环 节。图是与图对应 的经滤波 后 的实际信号

21、的一 部分,经过滤波后 噪声部分的二二值很小,为左 右。二二的第个尖 峰 出现 在 两个同步训 练符 号 中 间位 置,数值在,范围内第个尖 峰是 由于采用了两个相 同的信道估计训 练符 号 引起的,由于信道估计用 的训 练 符 号 相 同,因而二二值也 达 到左 右。从图可以看 出,二二的最大峰值出现 在信号 的末端,这是 由于 延 迟 相关算法 是 用 两个相 继窗口相关度 除以后一 窗口的功率得 到 的。当后一 窗口从信号尾部 滑动 到 噪声 处 时,噪声 功率远 小 于信号功率,因此使得二二值很高,但这 不 影 响信号 的同步过程。经过 多个样本信号 测试试验 表 明,在信号首端,二二

22、值通 常在,范围内,噪声 的二二值一住一一采样点数同步信号段放大喜之采样点数改进的延迟相关检测在信号前端放大图改进 的延迟相关算法同步试验结 果种 同步算法定时估计特性比较信号参数估计的质量通常用其偏差和方差来度 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/电力系玩自动快,量口。在 图所示 的低压电力 线 实验 环 境 中,对 同一发送信号,通过改变发送信号 的幅度,即改变发送信号 的发送 功率来改 变信号 的比特信噪比,测试不同同步方法 下载 波 通信系统信号传输

23、 过 程中的定时估计偏 移。图给 出了分别 采 用 双 滑动窗口、延迟相关、改进 的延迟相关定时同步算法情况下 的定时估计偏移估计均值和方差 曲线。算法、改进 的延迟相关算法 的定时 同步性 能对比分析,实验测试结果表 明双 滑动 窗口功率比值法 受信号功率水平影 响较大,延迟相关算法 在 噪声 突然 减小时容易产生误判,而改进 的延 迟相关算法则 通 过采用计及双窗口功率均值和符号定时估计均值的措施,虽然计算量有所增大,但避免了判决函数值异常增大引起误判 的可 能性,而且 进 一 步减 少了符 号定时的波动。改进 的延迟相关算法稳定可靠、精度高、鲁棒性强,是一种有效 的低压电力线载波通信系统

24、符号定时同步方法。参考文献了一一一门门门门门勺乙,气划霸泌蜂卞华言侧比特信噪比偏移均值曰曰曰曰曰月咔气曰只伪气报恢泌蜂卞华言侧比特信噪比偏移方差改进的延迟相关算法延迟相关算法一 尸双滑动窗功率比法图同步方法的定时估 计偏移比较从图可以看 出,改进 的延迟相关算法 的定时偏移估计均值曲线比双滑动 窗口和延迟相关算法更接近零坐标轴从定时偏 移估计方差 曲线可以看 出,改进 的延迟相关算法 的定时偏移估计方差比另外两种算法 的方差小,正 确 符 号定时概率大于双 滑动 窗口和延迟相关算法。通 过比较 可以看 出,改 进 的延迟相关算法优 于其他 两 种 同步算法,有 效 地提 高了系统符号定时估计的

25、精 度,能在 一定程 度 上 改 善 基于的系统 的通信性 能。结语本文采用改进 的延迟相关符号定时 同步方法实现了低压电力 线载波 通信系统 的准确 符 号同步。在分析 真实接 收信号 中噪声频谱分布 的基础上,提出采用适 当设计的滤 波 器来减 轻 低 压电力 线上噪声 干扰 对符 号定时 同步 的影 响。在 基于的系统 的实 验 环 境 中,对 真实 的接收信号分别 进行双 滑动 窗口功率比值法、延 迟 相关,一,一毋,一习张有兵,程时杰 基于正交小波的低压电力 线 多 载波通信新 方法电力系统自动化,加。,盯一一,一毋,一,一,。一 何海波,姜霞,程时杰一种低压 配电 网载波通信信号分

26、析的新方法 中国 电机工程学报,一一,一,。,一,一,一工,熊兰,程时杰,等电力线 正交频分复用通信专用祸合电路的设计与实现电力系统自动化,盯一,一,。,一张有兵,程时杰,熊兰基于低压电力 线实测信道特性的分析和仿真电力系统自动化,一加一,一,一,一,一。阮象华,徐德军系统 中定时偏移的估计技术电视广播 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/研制与开发罗春风,等低压电力线载波通信系统符号定时 同步方法与传输,。,一一,一,。,一数字通信第版 张力 军,张宗橙,郑宝玉,译北 京电子工业出版社,。一,一,一,一,罗春风一,男,硕士研究生,主要研究 方向 为电力系统载 波通信。一程时 杰一,男,教授,博士 生导师,主要研究 方向为电力系统稳定控制、电力系统载 波通信和人工智能在电力系统中的应用。熊兰一,女,硕士研究生,主要研究 方向 为电力系统载 波通信。一五人,瓜、,五,几一,一从,乃。一二,乙,司,一一一,一上接第一。页一。的研究 工作。王勇一,男,博士研究生,主要从事电力市场方文福栓一,男,博士,主要从事电力市场及电力面的研究 工作钟志勇,一,博士,主要从事电力系统动 态与稳定方面系统 故障诊断方面的研究 工作。男乃,叭,比认丫,门尸司,