CN102752026A - 一种低压电力线高速传输方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及低压电力线宽带通信技术领域，具体地说是一种应用于电力线载波通信系统中的基于THP预编码的单载波4QAM的低压电力线高速传输方法及系统，其特征在于发送端的信号先经4QAM调制，再经THP预编码，然后进行载波调制后进入低压电力线信道，接收端接收到数据后先进行载波解调，再经抽样器抽样后又经自适应均衡器进行二次均衡后，经4QAM解调器解调获得数据，本发明与现有技术相比，采用两种均衡方式相结合，在取得相似性能的情况下降低了系统的复杂度，从而降低了系统的成本。

Description

一种低压电力线高速传输方法及系统

技术领域

 本发明主要涉及低压电力线宽带通信技术领域，具体地说是一种应用于电力线载波通信系统中的基于THP预编码的单载波4QAM的低压电力线高速传输方法及系统。

背景技术

随着全球信息技术的飞速发展，人们已经不满足于单纯的少量低速率数据的获取，而是现在对语音、图像以及视频信息的高速获取。目前，随着互联网技术的快速发展，上网人数也在飞速上涨，宽带主干网络的部署工作已经基本完成，但是从用户接入到主干网络仍面临一定的困难。目前常用接入方式是采用电话线接入的XDSL方式，需要重新布线、费用以及成本偏高，因此采用何种接入技术将用户端接入最近的主干网络，是网络运营商不断关注的问题，该问题即业内人士称为解决宽带接入的“最后一公里”问题。

与其他接入方式相比，电力线接入技术具有更大的优势。电力线通信具有以下优点：（1）投资少，降低了网络普及成本。如果电力公司和网络运行商合作，直接采用电力线作为传输媒介，则无需在购买其他通信媒介。同时电力线是我们现在每个家庭都有的配电网络，因此也省去了布线所需的花费。（2）接入更加方便。在家里的任何地方，只要有接入配电网络的插口，只需要一个电力调制解调器即可实现上网，而不需要其他特殊的网络接口。（3）构建小型局域网更加方便。在智能化家居不断普及的今天，我们可以采用电力线网络，将家用电器通过电力线和控制设备连接，通过电力线传递控制信息，从而实现了家用电器的远程控制，并且相比于其他连接技术而言无需布线和其他设备，简化了安装过程。（4）建设速度快。只需完成中心宽带接入点接入到主干网络即可，而不需要重新对整个楼层、小区等重新布线，省去布线设计的麻烦。完成一个小区的工作量仅仅相当于其他接入方式的小部分工作量，节省了大量时间成本。

从上面的低压电力线通信的优点可以看出：低压电力线作为传输媒介而言，具有其他传输介质不可比拟的优势。但由于低压电力线是一种非均匀分布的传输线，并且最初的设计是用来传输电能，不同于传统的通信传输介质如双绞线、同轴电缆和光纤。我国的低压电力线传输网络的信道复杂，通信环境也相当恶劣，具有时变、多径效应、选择性衰落的特点。因此，需找一种适合我国电力线信道的通信方式，必将大大拓展我国电力线通信行业的应用空间，且对宽带接入的技术发展和智能家居的实现有一定的理论意义和实力的应用价值。

为了克服低压电力线上传送数据的困难，人们将先进的数字信号处理技术引入PLC中，针对低压电力线信道上的各种干扰和噪声，国内外专家学者进行了大量的研究，提出了很多抗低压电力线信道不稳定特性的方法。目前在低压电力线通信信道上常使用的调制解调技术有以下四种：单载波技术、扩频技术、正交频分复用（OFDM）技术、多载波码分复用（MC-CDMA）技术。

其中，单载波传输体制是一种十分成熟的传输体制，已经应用于速度要求不高的中压电力线通信中，它具有设备简单、成本低、技术成熟等优点，但是也存在码间干扰严重、抗干扰性能差等缺点。因此必须采用合适的抗干扰技术（比如均衡和编码技术）来提高整体的抗干扰性能。

扩频通信即扩展频谱的通信方式，扩频通信系统也就是指传输信息信号的频谱利用某个待定的扩频函数（与传输的信息信号无关）扩展频谱后成为宽频带信号，然后送到信道中传输；在接收端再利用相应的技术或者手段在将扩展了的频谱进行压缩，恢复出原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息目的通信系统。扩频的基本原理就是将传输的信息数据由伪随机码序列（PN码）进行扩展频谱送入信道中进行传输；接收端再利用相同的伪随机码进行解扩，恢复出原来的信息数据。扩频通信系统按照通信系统扩频方式的不同可分为：直接序列扩频系统、频率跳变扩频系统、时间跳变系统和线性调频系统以及由上面集中混合组成的混合扩频通信系统。在低压电力线通信系统中采用的方式时直接序列扩频方式（DS-SS）。扩频通信是采用伪随机码进行调制，并且利用伪随机码的相关性进行解调，基于上述特点，使扩频通信具有抗干扰能力强、在很大程度上克服电力线信道造成的衰减，从而提高通信系统的传输性能。

 OFDM技术即正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术一种多载波调制技术（Multi-Carrier Modulation，MCM）技术的一种。多载波传输就是把串行数据流转化为并行传输的若干个比特流，这样每个子数据流具有很低的速率，然后再用每个子载波去调制每个传出速率很低的数据流，从而构成了多个低速率信号发射的传输系统。OFDM是一种特殊的MCM技术，他的基本原理就是讲一个带宽为W的频率性选择衰落信道划分为大量的带宽相同的子信道，由于每个子信道带宽很窄，因此子信道上的频率响应特性可近似为理想情况，然后给每个子信道分配相互正交的子载波，用于并行的数据传输。子信道上分别调制数据，所有子信道的调制信号相加后形成OFDM信号发送到信道中。由于它是将数据并行传输，所以每个符号的周期增大，如果该周期远大于多径信道的时延，并且OFDM在发送中插入循环前缀（CP），则OFDM技术可以有效抑制码间干扰的影响。并且OFDM系统中，各个子载波相互正交，频谱相互重叠，从而提高了频谱利用率。唯一的不足是OFDM接收机比较复杂，成本比较高。事实上，目前已在低压电力线调制解调芯片中实际应用的方案是OFDM方案，它具有频带利用率高、抗干扰能力强等特点，但是其发射和接收需要IFFT/FFT变换，因此设备相对复杂，给应用带来限制。

多载波码分复用（MC-CDMA）技术，由前面的两种技术的介绍可知，OFDM技术可以很好的抵抗多径干脉冲干扰，并且具有很高的频带利用率，而CDMA技术有着显著的抗窄带干扰的能力，并且在保证一定通信质量的前提之下，对信号的发生功率要求降低。从中可以看出OFDM和CDMA技术的优缺点正好互补，如果我们能找到一种方法将两种方式OFDM和CDMA相结合，利用他们共同的优势，就可以得到更好的性能。多载波码分复用（MC-CDMA）技术就是把两种方法相结合的技术。该技术虽然有比较好的性能，但是要经过二次解调，依然存在复杂度高、成本高等问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种能够很好的抑制由多径效应带来的码间干扰，并且相对于OFDM调制方式，在能够保障较低误码率的情况下，有效降低系统复杂度的低压电力线高速传输方法及系统。

本发明可以通过以下措施达到：

一种低压电力线高速传输方法，其特征在于发送端的信号先经4QAM调制，再经THP预编码，然后进行载波调制后进入低压电力线信道，接收端接收到数据后先进行载波解调，再经抽样器抽样后又经自适应均衡器进行二次均衡后，经4QAM解调器解调获得数据。

本发明中所述低压电力线高速传输方法具体地说是指二进制信息依次经过信道编码、交织编码后，向接收端发送参考序列，同时对另一路编码后的序列进行串并转换，完成进制映射、合成复数后，再所得的数据进行THP预编码，经THP预编码后的序列经载波调制进入低压电力线信道。

一种低压电力线高速传输系统，由发射机和接收机组成，其特征在于发射机由4QAM调制器、预编码滤波器、载波调制器组成，接收机由载波解调器、自适应均衡器、4QAM解调器组成。

本发明中发射机中的预编码滤波器为一个信道的逆滤波器，采用反馈滤波器结构，通过延时抽头系数的形式来实现，所述的THP预编码滤波器采用自适应信道估计原理获得，具体为将训练序列x(n)同时输入到未知信道和自适应滤波器的输入端，并且假设输入是没有噪声的，同时，系统必须是线性时不变系统，即该信道的脉冲响应为常数，且为有限的长度（FIR），设长度为L，接收端肯定会受到附加噪声N(n)的影响，假设噪声和输入信号是不相关的，因此系统的输出也就是期望的响应值为：

                        (7)

可以设定自适应滤波器的阶数是L，和未知系统的有限脉冲响应的长度是相等的，则自适应滤波器的输出为：

                               (8)

为了让自适应滤波器能够更好的辨识该未知信道，即两者相似或者相等，这样就必须使通过未知信道的输出也就是期望响应d(n)和通过自适应滤波器的输出y(n)的估计值的差值e(n)最小，从而使的自适应滤波器的系数和未知信道的脉冲响应近似相等。因此，我们要采用合适的自适应算法来不断的调制自适应滤波器的权值从而使误差e(n)趋于0，最终完成对未知信道的辨识w _i≈h _i。

本发明可以采用自适应算法来完成对未知系统脉冲响应的信道估计，从而在信号处理中，为后面作进一步的处理提供信道的参数。

   本发明中自适应均衡器均衡器就是在接收端对信道进行补偿、从而减少码间干扰的滤波器，由于信道具有时变性，所以通常采用自适应均衡器来跟踪信道的变化，消除码间干扰，提高系统性能。下文只讨论横向线性自适应均衡器。

自适应均衡分为两种模式，一种是训练模式，一种是跟踪模式，目前常用的是采用帧传输方式，就是帧头部分是训练序列，自适应滤波器工作在训练模式，训练完成后，自适应均衡器系数基本确定，后面是数据传输部分，直接根据抽样判决的结果进行均衡即可，因为我们实际应用中信道是时变的，所以采用帧传输模式。

（1）训练模式，发送端发送一系列训练序列，接收端对这些训练序列已知，接收机根据接收到的序列和训练序列采用自适应算法来确定滤波器参数，是均衡器能够完成对信道的补偿作用，从而尽最大减少码间干扰；（2）跟踪模式，在这种模式下，发送端向接收端发送用户数据，接收端的自适应滤波器已经基本完成了对信道的补偿，不再需要训练序列，只需根据判决后的序列来进行自适应即可。

本发明与现有技术相比，采用两种均衡方式相结合，在取得相似性能的情况下降低了系统的复杂度，从而降低了系统的成本，如果实际应用的话必将大大扩展我国低压电力线通信行业的应用空间，相信在不久的将来，低压电力线的应用将会十分普及。

附图说明：

附图1是本发明的结构框图。

附图2是普通脉冲幅度调制框图。

采用OFDM技术的现有低压电力线传输系统的结构框图。

附图3是THP预编码简化图。

附图4是本发明中TH预编码实现框图。

附图5是THP预编码系统的框图。

附图6是自适应系统辨识原理框图。

附图7是自适应横向均衡器原理框图。

附图8是两系统在噪声情况下性能对比图。

附图9是两系统在背景噪声无脉冲噪声的情况下性能对比图。

具体实施方式：

下面结合具体实施对本发明作进一步的说明。

    本发明提出了一种低压电力线高速传输方法及系统，其中发射端设有采用反馈滤波器结构的THP预编码滤波器，在接收端设有相对应的自适应均衡器，其中，预编码滤波器的系数确定采用自适应系统辨识来实现，在发送端加入预编码，相当于在发送端进行预均衡，由于系统辨识与原系统的脉冲响应存在一定误差，所以在接收端在采用自适应均衡器对系统进行二次均衡，从而进一步再次抑制码间干扰，从而二次增加系统的误码性能。

其中预编码的基本原理就是在前端加入信道均衡技术，它的实现方法不同于以前的均衡技术，如附图2所示，以前的均衡器基本上都是采用FIR前馈横向均衡器，而THP预编码则采用反馈滤波器结构，下面是通过简单的例子说明THP预编码的原理。

附图2给出的是一个典型的普通脉冲幅度调制系统，并且在信道中存在码间干扰和高斯白噪声，信息符号{a_i}代表数字传输系统中的多值离散信号或者模拟传输中的连续信号，符号b_i是指抽样间隔为T的情况下要传送的脉冲幅度调制信号的幅度。并且设信道的冲激响应为r（t），其频域相应为R（f）。

假设接收机和发射机已经同步的情况下，并且每个信号都可以由他的抽样值唯一确定，则信道脉冲响应

的抽样值分别为：r₀，r₁，……，r_K-1……

r_K（K≠0）代表干扰，r₀代表第一个抽样点的值。

假设现在干扰仅仅限制为前K-1抽样值，不是一般性，我们将信道的脉冲相应的抽样值进行归一化，即r₀=1，则信道的输出为：

                  (1)

为加性噪声的抽样值，并且和要发送的信息序列

相互统计独立。

                                (2)

则为码间干扰部分。

如果发送的信号为： b_i=a_i-h_i                           (3)

则接收的信号为：   c_i=b_i+h_i+n_i=a_i+n_i     (4)

上面的等式表明接收的信号可以对原始信号进行无码间干扰的估计。

下面是从频域解释THP预编码的基本原理：

根据上面的反馈规则可以得出反馈滤波器的传输函数为：

               H(f)=R(f)-1               (5)

其原理框图如附图3所示；

该滤波器采用延时抽头系数的形式来实现，并且系数为：{0,r₁ ,……r_K-1}，并且前面等价于R^-1(f)，即：

                   (6)

其实THP预编码的原理就是在发射端加入一个信道的逆滤波器R^-1(f)。

假设发射和接收端都是离散信号，则其实现原理框图如附图4所示。

然而，在这个方案中却存在一些问题。如果发送脉冲序列

通过反馈滤波器是增长的话，则整个系统是不稳定的系统，图5是采用THP预编码的系统框图，在图5中，S为锯齿函数，后面为锯齿函数的逆。其中，TH预编码滤波器采用信道估计算法来估计FIR预编码滤波器的系数。

(2)自适应信道估计原理

系统辨识也就是系统建模，它的原理和维纳滤波信道估计的原理类似，但是采用自适应算法来进行参数调整，直到参考代价函数最小，从而得到自适应滤波器的系数接近于系统的脉冲响应，系统辨识原理如图6所示。

在图6中，训练序列x(n)同时输入到未知信道和自适应滤波器的输入端，并且假设输入是没有噪声的。同时，系统必须是线性时不变系统，即该信道的脉冲响应为常数，并且为有限的长度（FIR），设长度为L，接收端肯定会受到附加噪声N(n)的影响，假设噪声和输入信号是不相关的，因此系统的输出也就是期望的响应值为：

                        (7)

我们可以设定自适应滤波器的阶数是L，和未知系统的有限脉冲响应的长度是相等的，则自适应滤波器的输出为：

                               (8)

为了让自适应滤波器能够更好的辨识该未知信道，即两者相似或者相等，这样就必须使通过未知信道的输出也就是期望响应d(n)和通过自适应滤波器的输出y(n)的估计值的差值e(n)最小，从而使的自适应滤波器的系数和未知信道的脉冲响应近似相等。因此，我们要采用合适的自适应算法来不断的调制自适应滤波器的权值从而使误差e(n)趋于0，最终完成对未知信道的辨识w _i≈h _i。

本发明可以采用自适应算法来完成对未知系统脉冲响应的信道估计，从而在信号处理中，为后面作进一步的处理提供信道的参数。

本发明中在接收端加入自适应均衡器，在通信系统中，由于多径和干扰的影响，并且大多数通信系统具有时变性^[8]，产生了信道衰落。从而造成了接收端严重的码间干扰（ISI），影响了整个系统的性能。克服码间干扰是通信系统中研究的一个热点，目前常用的方法有加入信道编码、进行信道估计在接收端进行信道均衡、或者在发送端进行预均衡等技术。在接收端加入均衡技术就是在接收端对信道进行补偿、从而减少码间干扰的滤波器，由于信道具有时变性，所以通常采用自适应均衡器来跟踪信道的变化，消除码间干扰，提高系统性能，自适应均衡器的原理框图如图7所示，自适应均衡分为两种模式，一种是训练模式，一种是跟踪模式，目前常用的是采用帧传输方式，就是帧头部分是训练序列，自适应滤波器工作在训练模式，训练完成后，自适应均衡器系数基本确定，后面是数据传输部分，直接根据抽样判决的结果进行均衡即可，因为我们实际应用中信道是时变的，所以采用帧传输模式。

（1）训练模式。发送端发送一系列训练序列，接收端对这些训练序列已知，接收机根据接收到的序列和训练序列采用自适应算法来确定滤波器参数，是均衡器能够完成对信道的补偿作用，从而尽最大减少码间干扰

（2）跟踪模式。在这种模式下，发送端向接收端发送用户数据，接收端的自适应滤波器已经基本完成了对信道的补偿，不再需要训练序列，只需根据判决后的序列来进行自适应即可。

根据上面三部分内容，最终将该技术应用到低压电力线通信中，利用该专利即基于TH预编码的4QAM调制方式，和现有的低压电力线通信方式OFDM相比较。在相同的低压电力线信道条件下，采用两种传输方式取得的误码性能近似，但相对于目前的OFDM技术，它具有实现简单、复杂度低的特点，对目前低压电力线通信方式的发展有一定的指导意义。

下面是通过matlab2010来建立整个系统，进行在低压电力线信道中单载波4QAM技术和OFDM技术的对比，其仿真参数如下：

仿真结果为：低压电力线信道背景噪声（无脉冲噪声）情况下性能对比如图8所示，低压电力线信道和噪声情况下性能对比如图9所示，从图8和图9可以看出，OFDM和基于TH预编码的4QAM调制方式性能近似，其中OFDM采用LS信道估计算法，导频插入方式为块状导频，即每帧中数据位768位，导频128位。基于TH预编码的4QAM调制方式，其中发送前用于TH预编码滤波器的系数估计的训练序列为500位，TH预编码滤波器的阶数是2阶，采用RLS算法进行估计。其中接收端用于自适应均衡的训练过程的序列为200位，阶数为2阶，采用RLS自适应算法进行信号均衡。可以看出相比较于OFDM，基于TH预编码的4QAM传输方式只需在发送端和接收端加入两种自适应滤波器即可，并且在阶数非常少的情况下可以达到和OFDM相近似的误码性能。在模拟低压电力线噪声情况下，两者性能也是十分相似的，因此，由此仿真结果我们可以得出结论：基于TH预编码的4QAM调制方式适用于低压电力线信道的传输，并且在达到和OFDM调制方式相似误码性能的基础上可以简化系统的复杂度。

由于低压电力线分布十分广泛，并且用于通信无需布线、接入方便等特点，因此，其在智能家居、互联网接入等方面的应用有很大的潜力，该技术和传统的单载波和OFDM相比较，采用两种均衡方式相结合，在取得相似性能的情况下降低了系统的复杂度，从而降低了系统的成本，如果实际应用的话必将大大扩展我国低压电力线通信行业的应用空间。相信在不久的将来，低压电力线的应用将会十分普及。

Claims (6)

1.一种低压电力线高速传输方法，其特征在于发送端的信号先经4QAM调制，再经THP预编码，然后进行载波调制后进入低压电力线信道，接收端接收到数据后先进行载波解调，再经抽样器抽样后又经自适应均衡器进行二次均衡后，经4QAM解调器解调获得数据。

2.根据权利要求1所述的一种低压电力线高速传输方法，其特征在于二进制信息依次经过信道编码、交织编码后，向接收端发送参考序列，同时对另一路编码后的序列进行串并转换，完成进制映射、合成复数后，再所得的数据进行THP预编码，经THP预编码后的序列经载波调制进入低压电力线信道。

3. 一种低压电力线高速传输系统，由发射机和接收机组成，其特征在于发射机由4QAM调制器、预编码滤波器、载波调制器组成，源信号依次经过4QAM调制器、预编码滤波器的处理后，再经过载波调制器被送入低压电力线信道，接收机由载波解调器、自适应均衡器、4QAM解调器组成，自低压电力线信道接收的数据依次经过载波解调器、自适应均衡器、4QAM解调器后获得数据。

4.根据权利要求3所述的一种低压电力线高速传输系统，其特征在于发射机中的预编码滤波器为一个信道的逆滤波器，采用反馈滤波器结构，通过延时抽头系数的形式来实现。

5.根据权利要求3所述的一种低压电力线高速传输系统，其特征在于接收端中的自适应均衡器均衡器就是在接收端对信道进行补偿、从而减少码间干扰的滤波器。

6.根据权利要求5所述的一种低压电力线高速传输系统，其特征在于所述自适应应均衡器为横向线性自适应均衡器。

Images