滤波多音调制系统在低压电力线通信中的应用仿真分析.pdf

沈阳农业大学学报 ， 2 0 1 3 0 6 ， 4 4 3 3 1 0 3 1 4 J o u r n a l o f S h e n y a n g Ag r i c u h u r a l Un i v e r s i t y， 2 0 1 3 0 6， 4 4 3 3 1 0 3 1 4 滤波多音调制系统在低压电力线 通信 中的应用仿真分析 丁文彦 ， 王祥龙 ， 王 春 ， 赵丽丽 ， 苏 日娜 1沈阳农业 大学 信 息与电气_T - 程学院， 沈阳 1 1 0 1 6 1 ；2 ．沈阳鼓风机集 团股份有限公 司， 沈阳 1 1 0 8 6 9 ；3 ． 沈阳工程 学院 信 息5 - 程 系， 沈阳 1 1 0 1 3 6 ；4 ． 锦州义县供 电分公 司， 辽宁锦 州 1 2 1 1 O 0 ；5 ． 赤峰 市克什 克腾农 电局 ， 内蒙古 赤峰 0 2 5 3 5 0 摘要 采用 电力线作 为信息传输 的媒介时 ， 其信道环境存在复杂性和多变性 ， 使之具有 诸多技术难点 ， 特别是在低压线路 上 ， 需要 采用多载波调制和解调技术实现。应 用 M A T L A B ／ S I MU uN K软件搭建滤波 多音 调制系统的仿真模型 ， 实现该 系统的调制与解调 过程 在仿真过程中对 3种原型滤波器 以及 3种均衡器进行了性能 比较 。 仿 真结果 表明 滤波 多音调制技术在低压 电力线载波通 信 巾应用是 可行的 ， 并可 以提 高其通信质量 。 关键词 电力线通信 P I C ； 滤波多音调制 ； 滤波器 ； 均衡器 ； 仿 真 D OI 1 O ． 3 9 6 9 ／j ． i s s n ． 1 0 0 0 - 1 7 0 0 ． 2 0 1 3 ． 0 3 ．O 1 l 中图分类号 2 4 文献标识码 A 文章编 号1 0 0 0 1 7 0 0 2 0 l 3 o 3 0 3 l O 一 0 5 S i mu l a t i o n An a l y s i s o f Ap p l i c a t i o n o f FM T S y s t e m i n Lo w- - v o l t a g e Po we r Li n e Co mmu n i c a t i o n D I N G We n - y a n ， WA N G X i a n g - l o n g 2 ， WA N G C h u n 3 Z HA O L i - l i ， S U R i - n a 1 lCo l l e g e o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c E n g i n e e r i n g ，S h e n y a n g Ag ric u l t u r a l Un i v e r s i t y ，S h e n y a n g 1 1 0 1 6 1 ，C h i n a ；2 ． S h e n y a n g Bl o we r W o r k s Gr o u p Co r p o r a t i o n ，S h e n y a n g ， 1 1 0 8 6 9； 3 ．De p a r t me n t o f I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g ，S h e n y a n g I n s t i t u t e o f En g i n e e r i n g ，S h e n y a n g 1 1 01 3 6 ，Ch i n a； 4．J i nz ho u Yi x i a n P o we r S u p p l y B r a n c h Co mp a n y J i n z h o u L i a o n i n g 1 2 1 1 0 0，C h i n a ；5 ． Ch i f e n g Ke s h i k e t e n g Ru r a l El e c t r i c Bu r e a u ，Ch i f e n g I n n e r Mo n g o l i a 0 2 5 3 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t As a me d i u m o f i n f o r ma t i o n t r a n s mi s s i o n ，t h e r e a r e c o mp l e x i t y a n d v a r i a b i l i t y i n t h e c h a n n e l e n v i r o n me n t o f p o w e r l i n e ． Ma n y t e c h n i c a I d i m e u h i e s a r e t o o v e r c o me e s p e c i a l l y i n t h e l O W v o l t a g e p o we r l i n e ．T h e mu h i c a r r i e r mo d u l a t i o n a n d d e mo d u l a t i o n t e c h n i q u e s s h o u l d b e u s e ．I n t h i s p a p e r MAT L AB ／S I MUL I NK s o f t w a r e we r e u s e d t o b u i l d a s i mu ] a t i o n mo d e 1 f o r F MT s v s t e rn a n d c o mp l e t e d t h e mo d u l a t i o n a n d d e mo d u l a t i o n o f t h i s s y s t e m．An d d u r i n g t h e s i mu l a t i o n ，i t wa s fi n i s h e d t h a t t h e p e r f o r ma t me c o mp a r i s o n o f t h r e e p r o t o t y p e f i h e r s a n d t h r e e e q u a l i z e r s ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d t h e u s e o f t h e a c h i e v a b l e b i t r a t e s h o we d t h a t t h e f e a s i b i l i t y o f a p p l i c a t i o n o f t h e fi l t e r e d mu h i t o n e i n t h e l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c a r r i e r c o mmu n i c a t i o n a n d i t s qu a l i t y e o u h t b e i mp r o v e d． Ke y wo r d s p o we r L i n e mmu n i c a t i 0 n P L C ； fi l t e r e d mu h i t o n e ； il l t e r ； e q u a l i z e r ； s i mu l a t i o n 电力线载波通信一直是 国内外相关部 门研究重点。 发达国家在低压电力线载波通信方面已取得重大突破， 通过电力线实现了宽带高速接入 、 智能小区建设和家庭联 网等 ， 国内相对起步较晚。噪声干扰是电力线通信 中 亟待解决的主要问题之一。低压电力网的通信环境存在许多干扰 ， 较为突出的是多径干扰l 1 l 。利用先进的信号 调制技术可 以消除信道的噪声干扰。近些年 ， 国内在探讨低压电力线通信信道中的不同调制方式。 滤波多音调 制 fi h e r e d m u h i t o n e m o d u l a t i o n ， F MT 子信道的频带互不重叠 ， 能有效地抑制此类干扰。F MT系统采用均匀滤 波器组 u n i f o r m fi l t e r b a n k ， 一般每个滤波器均通过一个低通滤波器 即原型滤波器 p r o t o t y p e fi l t e r ， 再经过等 间隔的频率搬移来实现[2 1 ， 避免通信系统 中传输数据的各子信道间的干扰 I o 。本研究对相关滤波器组的进行 优化设计 ， 探讨 3种原型滤波器 以及 3 种均衡方法在系统应用中的可行性 ， 以期为解决滤波多音系统 中的码间 串扰问题提供参考。 收稿 日期 2 0 1 2 - 0 8 0 6 作者简介 丁 文彦 1 9 6 3 一 ， 女 ， 沈阳农业 大学副教授 ， 硕士， 从事农业电气化 与 自动化研 究。 第 3期 丁文彦等 滤波多音调制 系统在低压 电力线通信中的应用仿真分析 - 3 1 1 - 1 滤 波多音调制 系统 滤波多音调制系统的模型如图 1 。 口 一 -j2；omT／K j2,tr s mT／K 图 1 F MT调制系统框图 Fi g u r e 1 Th e mo d e l o f F M T s y s t e m 回 在 F MT系统发送端的 A i n T i O ， 1 ， 2 ， ． ． ． 肛 1 为 M 组赋值数据 ， 以 1 ／ T的速率输人到系统 中， 首先经过采样 因子为 K的上采样后 图 1 示为 进人到滤波的过程。 图 1中H6 0 为一组原型滤波器的频率响应。 滤波过程 中 发送的数据在滤波器的限带后通过子载波进入到传输 的子信道中， 子载波搬移数据的时间间隔相同。 各子载波 所调制 的数据信号在发射端经过转换变成串行 的数据流后发射 出去 ， 其速率为 K ／ T 。X mr ／ K 为发送信号 ， 它经 过传输信道时与信道中的噪声相叠加 。 数据的接收过程与发射过程类似 ， 首先与发射端相对应的各子载波将信 号解调 出来 ， 匹配滤波器滤波后再经过抽取得到信息源码。 2 F MT系统 中滤波器的设计及 系统均衡 F MT系统 的滤波器组的设计关键是原型低通滤波器。F M T技术的初衷主要是为 了在色散信道下最大限度 地去除 I C I ． 并利用子信道均衡技术来 去除码间串扰 I S I [ 3 - 51 。原型滤波器的设计一般不满足理想重构条件 ． 主 要原则是使其具有较高的频谱约束特性 ， 同时又要兼顾滤波器的运算长度适中同 。据现有的资料多载波调制系 统多采用 F I R 有限长单位冲击响应 的数字滤波器， F M T系统 中的滤波采用窗函数法 、 切 比雪夫逼近法 、 最小 均方误差法等算法。一个实际 F MT系统内的 I S I 由两部分构成 ， 一部分来源于低压电力线传输信道 ， 另一部分 来源于 F MT系统本身 。 目前通信系统中所使用的均衡方法主要有分数问隔均衡器 F S E 、 判决反馈均衡器 D F E 、 预编码 T H P ts 。 根据资料 ， F MT系统在接收端使用 D F E均衡方式去除滤波器组引入的 I S I 部分存在一 定的缺陷『9 1 ， 因为它的正确输 出依赖于一个假设条件 ， 即前面的符号判决是正确的， 如果前面的符号判决是错误 的 ． 那么 D F E不但 不能正确地消除 I S I ， 反而会增加干扰 ， 导致当前符号 的误判 ， 并且继续导致后续符号的误 判 。 即存在差错扩散[ 1 O - 1 1 ] ， 所 以编码调制 T C M 7 1 直接应用系统。由于滤波器组的响应在接收端是已知的， 可以 采用发送端的均衡 ， 即 r H P预编码 ， 该方法能很好地解决 D F E的上述缺陷[ 1 2 J 。 3 F MT系统 的仿真 3 ． 1 仿真系统的设计 F MT只是多载波处理技术 ， 该技术本身不具备星座映射以及同步能力 ， 当与其他具备 同步能力 的基带调 制技术结合才能有效地应用到低压 电力线载波通信 中 5 1 。基于 F MT技术 的低压电力线载波通信仿真系统的 原理框图如图 2 。 第 3期 丁文彦等 滤波多音调制 系统在低压电力线通信 中的应用仿真分析 - 3 1 3 一 得系统 的误码率较高。在信号的发送端使用预编码均衡时 与采用判决反馈均衡与线性均衡相 结合 F S E D F E 方式 的效果都比较理想 ， 能够对 因为滤波器的引入带来 的码间 串扰 i s i 进行较为有效地均衡。 结合系统设计以及各个均 衡方式的复杂度 。 考虑低压 电力线信道中的复杂环境信号 失真较大等特点 ， 该 F MT系统采用 F S E D F E均衡方式更 为理 想 。 通 过分析本研究将系统 中的原型滤波器采用汉 明窗 函数法来设计 。 均衡方式采用 F S E D F E均衡 ， 采用可达 比 特率 的分析方法对 由此构成的 F MT系统在低压 电力线环 境 中进行性能仿真 ，在A WG N信道 中，当信噪 比为 2 5 d B 时， 用 1 6 Q A M星座 图调制 F MT系统的 S D R与频偏的参 比 关 系 ， 其 中 F MT系统采用 6 4个 子载波 ， 多相分 量长度 为 l 0 。由图 6与图 7可知 ， 当 A WG N信道存在较小频偏时 ， F MT系统 的 S D R值较为理想 ，能有效地抵御频偏干扰对 系统的影响。当系统频偏增大到一定程序时 ， F MT系统的 性能也会降低许多。 图 6 F MT 系统 的信噪 比 曲线 F i g u r e 6 S DR c u r v e o f FM T s y s t e m 图 5 3种不 同均 衡器 的 F MT系统 误码 率 曲线 图 a ．分数 间隔均衡器 F S E ； b ．判决反馈与分数间隔结合均衡器 f F S E DF E ； c ． 预编码 T H P F i g u r e 5 S ER c u r v e o f FM T s y s t e m b a s e d o n t h r e e d i ffe r e n t e q u a l i z e r s a ．F r a c t i o n a l l y s p a c e d e q u a l i z e r ； b ．F r a c t i o n a l l y s p a c e d e q u a l i z e r De c i s i o n f e e d ba c k e q u a l i z e r ； c ． T o ml i n s o n Ha r a s h i ma p r e c o d i n g 图 7 F MT系统的可达 比特率曲线 Fi g u r e 7 ABR c u r v e o f FM T s y s t e m 4 讨论 研究结果表明 ， 本研究设计的滤波多音调制 F MT 系统具有抗多径干扰的良好性能， 能够实现高速 的数据 通信 ， 提高低压电力线的通信质量。但该系统 由于滤波器组 的引入带来 了码间串扰问题 。 本研究所采用 的均衡 方法需要对信息的发送端与接收端分别采用不 同的均衡方式 ， 虽然有效地降低了码间串扰 ， 但在一定程度上又 使系统变得更加复杂 ， 因而寻找更好 的均衡方法将是下一步工作的研究重点。 参考文献 [ 1 ] G I V N N I C H E R U B I N I ， E V A N G E L O S E L E F T H E R I O U ， S E D A T O L C E R ．F i l t e r e d m u l t i t o n e f o r V D S L [ J ] ． I E E E G l o b a l T e l e c o m m u n i c a t i o n s C o mp r e s s B r a z i l I E E E P r e s s ， 1 9 9 9 ， 2 0 5 1 1 3 9 - 1 1 4 4 ． [ 2 ] H H R A S N I C A ， A H R A S N I C A ． Mo d e l i n g MA C l a y e r fo r p o w e r l i n e c o mm u n i c a t i o n s n e t w o r k s[ J 】 ． [ n t e me t P e rf o r ma n c e a n d C o n t r o l o f Ne t wo r k S y s t e ms ，P a r t o f S P I E’ S S y mp o s i u m o n I n f o r ma t i o n T e c h n o l o g i e s ， 2 0 1 0 ， I T 一 1 3 5 - 8 ． 【 3 】 A N D R E A ，M T O N E L L O ． P e rf o r ma n c e a n a l y s i s o f a mu l t i p l e a n t e n n a c o n c a t e n a t e d D MT - F M T 【 J J ． S c h e m e i n t h e U n l i n k ，2 0 0 9 ， 3 2 0 4 1 4 3 ． 3 l 4 沈 阳 农 业 大 学 学报 第 4 4卷 [ 4 ] 【 5 l5 [ 6 】 【 7 】 [ 8 】 A N D R E A ，M T O N E L L O ，F R A N C E S C O P E C I L E ．S y n c h r o n i z a t i o n A l g o r i t h ms f o r Mu l t i u s e r F i l t e r e d M u l t i t o n e r F M T S y s t e m s [ C ] ／ ／ I E E E 6 1 s t V T C ， 2 0 0 5 1 7 7 8 1 7 8 2 ． A N D R E A ，M T O N E I L O ，F R A N C E S C O P E C I L E ．I t e r a t i v e S y n c h r o n i z a t i o n f o r M u l t i u s e r F i l t e r e d M u l t i t o n e S y s t e ms [ C 1 ／ ／ O t ‘ I E EE I S W C 0 5 ． S i e n a S e p ． 2 0 0 5 0 5 0 7 ． B A H R A M B O R N A ，T I MO T HY N D AV I D S O N ． E f fi c i e n t fi l t e r b a n k d e s i g n for fi l t e r e d mu l t i t o n e m o d u l a t i o n [ J ] ． I E E E C o mm u n i c a t i o n s So c i e t y， 2 0 09 ， I T 1 03 1 07 ． S A N Q I A O Y U N ，G A O Z H E N MI N G ．T h e r e s e a r c h o n p r o c e e d i n g i n fi l t e r e d m u l t i t o n e m o d u l a t i o n ．I n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c e o n w i r e l e s s c o m mu n i c a t i o n s I J 1． N e t w o r k i n g a n d M o b i l e C o mp u t i n g ， 2 0 1 0 ， 7 6 6 1 - 6 6 4 ． N A I D H A H I R ， J M C 1 O M． M MS E d e c i s i o n f e e d b a c k e q u a l i z e r s fi n i t e - l e n g t h r e s u l t s [ J 】 ． I E E E T r a n s o n C o m mu n i c a t i o n ， 1 9 9 5 ， 41 9 6 1 9 71 ． T O N Y C H A N ． G e t t i n g r e a d y f o r G P R S【 J 】 ． Wi r e l e s s A s i a ，2 0 0 0 ， 4 1 8 1 9 ． M T O ML I N S O N ．N e w a u t o m a t i c e q u a l i z e r e m p l o y i n g mo d u l o a r i t h m e t i c『 J 1 ． E l e c t r o n l e ft Ma r ， 1 9 7 1 ， 7 1 3 8 1 3 9 ． C H E R U B I N I G ．F i l t e r e d m u l t i t o n e m o d u l a t i o n for v e r y h i g h s p e e d d i g i t a l s u b s c ri b e r l i n e s[ J 】 ．I E E E C o mm u n i c a t i o n s Ma g a z i n e ， 2 0 1 0 ，2 0 6 1 0 1 6 - 1 0 2 8 ． O G H O O I J E N ．A c h a n n e l m o d e l for t h e r e s i d e n t i a l p o w e r c i r c u i t u s e d a s a d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s me d i u m 【 J 】 ． I E E E T r a n s On El e c t r o ma g n e t i c Co mp a t i b i l i t y ， 1 9 9 8 ,4 0 3 3 1 - 3 3 6 ． GI VNNI C HERUB I NI ，E VANGEL OS E L EF T HERI OU．F i l t e r b a n k Mo d u l a t i o n t e c h n i q u e s f o r v e ry h i g h s p e e d d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e s [ J ] ．I E E E C o mm u n i c a t i o n s M a g a z i n e ， 2 0 1 0 ， 3 8 9 8 1 0 4 ． KANG G，WEC KE RL E M，CO S TA E．S p a c e t i me i o i n t c h a n n e l e s t i ma t i o n i n fi l t e r e d mu l t i t o n e b a s e d mu h i c a r r i e r mu l t i b r a n c h S y s t e m s【 J J ． I E E E Wi r e l e s s C o m m u n i c a t i o n s a n d N e t w o r k i n g C o n f e r e n c e ， 2 0 0 9 ， 3 1 8 4 4 1 8 4 9 ． J S MAO，WS L U A，ANT ONI OU．Mu l t i p l i e r l e s s i mp l e me n t a t i o n o f fi l t e r e d mu l t i - t o n e mo d u l a t i o n for v e ry h i g h r a t e d i g i t a l s u b s c r i b e r l i n e s ， c o mm u n i c a t i o n s[ J ] ． C o m p u t e r s a n d S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 1 ， 1 2 6 2 8 ， 1 6 8 1 7 1 ． 【 责任编辑亓国】 】 0 l 2 3 4 5 p一_ 一_