G3-PLC系统定时同步-信道估计联合设计与实现 -.pdf

第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月2 5日 电测与仪 表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u me n t a t i o n VO 1 ． 5l NO ． 1 0 M a y ． 2 5。 2 01 4 G 3一P L C系统定 时 同步 一信 道估计联 合设计 与实现 米 王荣军， 徐大专， 查佳佳 南京航 空航天大学，南京 2 1 0 0 1 6 摘要 由于低压 电力线在传输信号过程中受到噪声 、 多径干扰和频率选择性衰落等影响， 造成定时同步不准确 ， 容易产生漏检和误判 。针对 G 3一P L C标准 ， 提出了一种定时同步和信道估计联合设 计方案 ， 通过与本地序列 进行两级互相关来实现符号的定时同步， 并利用相关器输 出直接进行信道估计 。该方案提高了定时 同步的精 度 ， 扩大了其正常工作的信噪比范 围， 并且简化了信道估计实现方案。最后完成 了联合设计 的硬件实现， 利用 F 盯 计算互相关 ， 有效降低了计算量 ， 减少了硬件资源开销 ， 同时实现了多种 C E L E N E C频段传输模式兼容。 关键词 G 3标准 ； O F D M； 定时同步 ； 互相关算法 ； 信道估计 ； C E L E N E C频段 中图分类号 T M7 3 ； T N 9 1 4 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 1 3 9 0 2 0 1 4 1 0 0 1 0 8 0 8 Co m b i ne d De s i g n a nd Re a l i z a t i o n o f Ti mi n g Sy nc hr 0 ni z a t i 0 n a nd Ch a nn e l Es t i ma t i o n f o r G3 PLC S y s t e m WA N G R o n g j u n ， X U D az h u a n ， Z HA J i a j i a N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t i c s ，N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ，C h i n a Abs t r a c t S i n c e l o w v o l t a g e p o we r l i n e s a r e a f f e c t e d b y n o i s e p o l l u t i o n，mu hipa t h p r o p a g a t i o n a n d f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g i n t h e p r o c e s s o f s i g n a l t r a n s mi s s i o n ．I t r e s u l t s i n i n a c c ur a c y o f t i mi ng s y n c h r o n i z a t i o n，l e a k de t e c t i o n a n d m i s j u d g m e n t ．A c o mb i n e d d e s i g n s c h e me o f t i m i n g s y n c h r o n i z a t i o n a n d c h a n n e l e s t i ma t i o n s i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r u n d e r t h e G3 一PLC s t a n d a r d．Fi r s t l y．s e c o n do r d e r c r o s sc o r r e l a t i o n wi t h t h e l o c a l p i l o t i s a c q u i r e d t o r e a l i z e t i m- i n g s y n c h r o n i z a t i o n． Th e n t he o u t p u t o f t h e c o rre l a t o r i s u s e d di r e c t l y t o a c h i e v e c h a n n e l e s t i ma t i o n ． Th i s d e s i g n s c h e me i mp r o v e s t h e a c c ur a c y o f t i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n a n d e x p a n d s t h e r a n g e o f S NR i n n o r ma l wo r k ． Be s i de s i t s i m- p l i fi e s t h e s c h e me o f c h a n n e l e s t i ma t i o n ．At l a s t t he ha r d wa r e o f t he c o mb i n e d d e s i g n s c h e me i s a c c o mp l i s h e d．I t u s e s F丌t o c a l c u l a t e d c r o s s c o rre l a t i o n． whi c h e f f e c t i v e l y r e d uc e s t h e c o mpu t a t i o n a n d t h e a mo un t o f h a r d wa r e r e - s o u r c e s ．Me a n wh i l e ，c o mp a t i b l e t r a n s mi s s i o n mo d e o f v a r i o u s C EL EN EC b a n d i s b r o u g h t o u t ． Ke y wo r d s G3 s t a n da r d， o h o g o na l fre q u e n c y d i v i s i o n mu l t i p l e x i n g， t i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n， c r o s sc o rre l a t i o n a l g o r i t h m ， c h a n n e 1 e s t i ma t i o n， CEL ENEC e q u e nc y ba n ds 0 引 言 电力线 载波通信 P o w e r L i n e C o m m u n i c a t io n ， P L C 是以电力线为传输媒介进行数据传送和信息交 换的技术 ， 被广泛应用在智 能电网、 智 能家 电、 物联 网、 家庭宽带 网络接人等领域 。G 3一P L C标准作 为 一 种 电力 线 载波 通 信 规 范， 被 I E E E、 I T U 和 I E C ／ C E N E L E C等主要 机构采纳 ， 能对输 电网络 、 能源管 理 、 照明控制以及智能电网应用进行有效的管理 、 控 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 6 0 8 0 1 0 5 2 ；江苏高 校优 势学科建设工程资助项 目 一 l 0 8 一 制和监测⋯。G 3一P L C以频分复用 O a h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g ， O F D M 为核心技术 ， 在 3 91 8 0 k H z 工作频段上提供 3 0 0 k b i t ／ s的双 向数字 通信 J 。在信号传输过程中低压 电力线配电网络往 往存在严 重的噪声 干扰 ， 并且其复杂 的多分支拓 扑结构会产生多径效应 ， 造成低压 电力 线信道 的时 间弥散性 和频 率选 择性衰落 J 。同时 ， 信 号 的多径 传输带来的时延扩展将会导致符号间干扰 。 为了保证整个 系统 的通信质量 ， 选择 合适 的调 制方式尤为重要 。O F D M技术具有较强 的抗衰减 能 力 、 较高的频谱利用率和 良好的抗码 间干扰能力 ， 已 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t I n s t r u m e n t at i o n VO 1 ． 5 1 NO． 1 O M a y ． 2 5， 2 0 1 4 成为 下 一 代 电力 线 载 波 通 信 的主 流 技 术 J 。但 O F D M系统对定时同步误差极其敏感 ， 因此准确的符 号定时同步是实现 O F D M系统的关键。 目前主要的 定时同步方法为延时 自相关法和基于本地序列互相 关法。延时自相关法具有一段峰值平台， 不利于准 确的符号定时同步 ， 文献_ 6 对其进行 了改进 ， 但 同 步精度仍然较 低 ， 且 正常工 作 的信噪 比范 围较 小。 文献 利用延时 自相关法峰值 中的负峰值进行符号 定时同步， 提高了同步精度， 但无法在低信噪比下实 现正确同步。基 于本地序列互相关法在高信噪 比下 精度较 高 ， 但 在低 信 噪 比下 的 同步精 度 较低 。文 献 提出了一种延时 自相关法与基于本地序列互相 关法相结合的定时同步方案 ， 大大提高了同步精度 ， 但在低信噪比下误差仍然较大。 本文根据 G 3 一 P L C前导序列的特点， 对传统的 基于本地序列互相关定 时同步算法 进行改进 ， 利用 本地序列 的二次相关峰进行符号定时同步。仿真结 果表明 ， 该方 法 比基 于本地序列互相关法和 以上文 献提出的方法具有更 高的定 时同步精度 ， 正常工作 的信噪比范围更大， 保证了在低信噪比下能够准确 同步。同时， 利用互相关结果进行信道估计， 简化了 信道估计方案， 实现了符号定时同步与信道估计联 合设计 。硬件实现 时， 利用重叠保 留法将时域相关 转化为频域相乘， 减少了资源消耗 ， 降低 了运算量， 并通过计算本地序列 实现兼 容多种 C E L E N E C频段 传输模式。 1 G 3一P L C标准下的系统模型和导频结构 1 ． 1 G 3一P L C标 准的 系统模 型 G 3一P L C标准采 用 O F D M调制技术 ， 采样频率 为 4 0 0 k H z ， F F rI 1 点数为 2 5 6 ， 保 护间隔为 3 0， 子载波 间的频率间隔为 1 ． 5 6 2 5 k H z ， 最大可使用 的载波数为 1 2 8个 。该标准 的物理层采用 R s码和 2 ， 1 ， 6 卷积 码组成的级连码作为信道编码方案， 在 O F D M调制 之前使用 B P S K B i n a r y P h a s e S h i ft K e y i n g ， D B P S K D i ff e r e n t i a l B i n a ry P h a s e S h i ft K e y i n g 和 D Q P S K D i f f e r e n t i a l Q u a d r a t u r e P h a s e S h i ft K e y i n g 调制。具 体 的物理层模型如图 1 所示。 图 1 G 3一P L C收 发信机 的物理层 结 构 Fi g ．1 Bl o c k d i a g r a m o f G3 一PLC t r a ns c e i v e r 1 ． 2 G 3一P L C标 准 的导频 结构 G 3一P L C标准下的导频结构 由具有特殊结构 的 训练序列组成 ， 如图2所示。其中包括 8个 P符号和 1 ． 5 个 M符号， 每个符号都由2 5 6个点组成， M符号 为 P符号相位旋转 订所得。前导有效子载波的初始 相位由标准给出， 被安排在 2 5 6点的相应频点上 ， 在 其余的频点上补零， 再对这 2 5 6 点做快速傅里叶逆变 换 ， 取其实部 即可得到 P符号。G 3一P L C标准下 的 图2 G 3一 P L C标准的导频结构 Fi g ． 2 Pr e a mb l e s t r u c t u r e o f G3 一P LC ． - - - 1 0 9 ．- ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 l卷第 1 O期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt I n s t r ume n t a t i o n V0 1 ． 5 1 No ． 1 0 M a y ． 2 5。 2 01 4 导频符号具有非常好的 自相关特性， 常被用于信号 的定时同步、 自动增益控制、 频偏估计、 信道估计等 模块 。 2符号定时同步 一信道估计 G 3一P L C标准下的定 时同步就是要检测接收到 的 O F D M符号的起始位置 ， 也 就是解决传输帧 的定 位问题 。G 3一P L C标准采用重复 的训练序列 即 9 ． 5 个导频符号作为前导 ， 它们具有非 常好 的 自相关特 性 ， 利用该特性进行符号定时同步 ， 精度较 高。训 练 序列的循环 自相关 曲线如 图 3所示。基于训练序列 的符号定时 同步算法 ， 主要 有延时 自相关算法 和基 于本地序列的互相关算法。信道估计是从接收信号 中估计 出电力线信 道参数 ， 以便后续 的相 关解 调。 文中使用定 时同步相 关器输 出结果进行信道估计 ， 简化 了信道估计方案 ， 实现 了符号定 时同步与信道 估计联合设计 。 j 四 斗 K 呱 酶 罟 1 ⋯⋯⋯ M n ／＼『＼ 偏差点数 图 3 循环 自相关曲线 Fi g ． 3 Cu r v e o f c y c l i c a ut o c o r r e l a t i o n 2 ． 1 延 时 自相关算法 延时 自相关 算法利用导频 符号 的周期性 ， 对接 收信号进行延时 自相关 ， 在信号到来 时 ， 会产生一段 几个符号长度的正峰值平台和一个较大的负峰值。 当信号的延时 自相关值与信号平均功率的 比值大于 某个预定阈值时， 则判定 为信号到来 ， 并通过在一定 的范 围 内搜 索 负 峰 值 位 置 来 确定 信 号 的起 始 位 置 。其归一化判断标准如下 ，一1 C n nk ’ nkD k0 E n k 0 ’ n 1 I l a r g ma x 一 n 式中 凡 为接收信号； c 为接收信号延时 自相关 一 11 O 一 函数 ； E n 为接收信号平均功率函数 ； n 为统计判 决函数； 菇为延时 自相关函数峰值位置。 D取值为训练 序列周期长度 2 5 6点 ， L为相关长度 ， 这里取 LD。 2 ． 2 基于本地序列的互相关算法 基于本地序列 的互相关算 法 利用本地 存储 的P符号序列与接收到的信号进行互相关 ， 在信号到 来时 ， 会产生 8个正峰值和 1 ． 5个负峰值。 将互相关 结果的平方与本地序列功率和信号功率乘积的比值 作为判决函数。 当判决函数大于某个阈值时， 则判定 为信号到来， 并在一定范围内搜索峰值的位置来确 定信号的起始位置 。 由于本地序列不受噪声影响 ， 且 与噪声的相关值小， 因此该算法相对于延时自相关 算法具有更好 的定时 同步效果。 其归一化 的判 断标 准如下 n 一1 y n ∑x n p E n ∑ l l E 一 I ⋯ I 2 2 ∑ l p l n A 0 r g ma x n ’ 式中P k 为本地存储的 P 符号； y n 为接收信号与 本地序 列 的互相 关 函数 ； E 为本地 存储 的 P符 号 功率。 2 ． 3 改进的基于本地序列的互相关算法 基于本地序列的互相关算法相 比于延 时 自相关 算法对噪声 的抑制效果更好 ， 但在低信 噪 比环境下 噪声的干扰依然较大 ， 容易产生漏 检和误判 。同时 相关峰值波动 明显 ， 可能导致其它相关 峰触 发判决 函数 ， 使得后 续的符号定时 同步 出错 。为了解决上 述问题 ， 本文对该算法进行了改进 ， 如图 4所示 。 从相关后 的结果 Y n 中每隔 2 5 6个点取一个 点 ， 每次取 l 0个点 ， 逐点 向后取 ， 将每次取得 的 1 0个 点与序列 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 一 1 ， 一 1 对应相乘求 和 ， 即可得到一个新 的序列y 。 以上过程相当于对一次互相关后 的结果 Y n 与 另一个本地序列进行二次互相关， 该本地序列为在 序列 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 1 ， 一1 ， 一1 每两点之 问添加 2 5 5个零 ， 在最后一个 一1 后 面添加 1 2 7个 零所组成 的序列。二次相关值 的最大峰值为 9 ． 5个一次相关 峰值之和， 因此比一次相关峰值更加稳定 ， 并且 由于 1 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 O期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t＆ I n s t r u m e n t a fi on V0 1 ． 5 l No ． 1 O M a y ． 2 5， 2 01 4 图4 改进的二次互相 关算法流程 Fi g ． 4 Di a g r a m o f t h e p r o p o s e d a l g o r i t h m 噪声的互相抵消 ， 相 对得到 了抑制。将二 次相关值 的平方 与本地序列功率 和信号功率乘积 的比值作为 判决函数， 当判决函数大于某个阈值时， 则判定为信 号到来， 并在一定的范围内搜索最大峰值位置来确 定信号的起始位置。其归一化的判断标准如下 ， J 一1 ， 凡 ∑x n p k0 n ∑y n l JD 一 y n D 一 y n E ∑ I x n I E ∑ I p I n A a r g ma x n 3 式中 Y n 为二次互相关值。 2 ． 4 信道 估计 接收序列与本地序列进行互 相关运算 ， 其输 出 序列中包含了信道的传输特性 ， 因此可以利用互相 关结果进行信道估计。 本文给出了相关理论推导， 简 化了信道估计实现方案， 实现了定时同步 一信道估 计联合设计。 推导过程简述如下 、 设信道冲激响应为 h n ， 那么， 训练序列经过信 道的接收信号可表示为 n ∑p n n n 4 式中 W n 为加性高斯 白噪声。 接收信号 n 经过 相关器的输出为 Y n n P N一1一n 5 将式 4 代入式 5 得 y n ∑p n n p Ⅳ一1一n W P Ⅳ 一1一 P p ， r 一1一n h W n P Ⅳ一1一n r 。 n h n W n P N 一1一n 式 中 表示卷积 ； P N一1一 是本地序列 ； Ⅳ是序 列长度 ， 因为训练序列是P n 重复多次组成 的， 所 以 相关结果 r 。 具有循环相关特性 ， 即 Ⅳ 一1 r n ∑p N一1 一 m p n m 6 对相关器输出 Y 进行快速傅里叶变换得 Y k H k R k k P k ⋯ 1 4 k I P k l P k 式 中 H k 、 R 。 k 、 P k 、 W k 分 别 对 应 h n 、 n 、 p n 、 11 n 的傅里叶变换。 由于 P k 是预先 知道的， 则信道频域转移函数 H k 的估计为 ． t t k Y k ／I P k l 8 这种估计方法本 质上是 传统 的最小 二乘 L S 方法。 3 仿真结果与分析 本文在 MA T L A B环境下分别对符号定 时同步性 能和信道估计效果进行仿真与分 析 ， 依据不 同信 噪 比下定时同步误差和判决 函数 的变化分析 了定时 同 步的性能 ， 并在时域和频域上 ， 针对一种 多径信道环 境对本文信道估计方案进行 了仿真。仿真数据是按 照 G 3一 P L C标准产生 的一帧发送数 据 ， 传输频段为 C E L E N E C A频段 ， 信道环境为高斯 白噪声 。具体的 仿真结果与分析如下 。 图 5是延时 自相关定时同步算法的归一化判决 函数仿真图。由图可以看 出在不同信 噪比下噪声部 分判决函数值较大 ， 且负峰值不够尖锐 ， 不利于准确 地符号定时同步。图6是基于本地序列互相关算法 的归一化判决函数仿真图。由图可以看出在不同信 噪比下归一化判决 函数 的主峰尖 锐 ， 非峰值部 分幅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t＆ I n s t r u m e n t a r i o n V0 1 ． 5 1 N0 ． 1 0 M ay ． 2 5， 2 0 1 4 厦 一 O ． 一0． 1 - 0 ． 皿 一 0 ． 采样点数 a 】 S N R 2 O d B 采样点数 b S NR -- O d B 图 5 不 同信 噪比下延 时 自相 关法的归一化判 决函数 Fi g ． 5 No r ma l i z e d d e c i s i o n f u nc t i o n o f t h e d e l a y a n d c o r r e l a t i o n a l g o r i t hm wi t h d i f f e r e n t S NR 陌 1 籁 闼 1 1 ．9 - 8 ．7 ．6 ．5 ．4 _ 3 ．2 ．1 6 。 IJ 山 ． ．【 。 采样点数 a S NR 2 O d B 度较小 ， 有利于准确地符号定时 同步 ， 但在低信噪 比 下峰值 不够稳 定 ， 容 易导致 符号 定时 同步不 准确 。 图 7是改进的基于本地序列互相关算法 的归一化判 决函数仿真图。由图可以看出在不同信噪比下归一 化判决 函数 的主峰非常尖锐 ， 易于确定 主峰值 的位 一 1 1 2 一 籁 阔 1 籁 闼 蒹 1 ⋯ I ● J 图 7 F i g ． 7 采样 点数 a S NR 2 O d B 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 O 0 3 0 O 0 3 5 O 0 4 0 O 0 4 5 O 0 采 样点数 b S N R O d B 不 同信噪比下改进算法的归一化判决函数 No rm a l i z e d de c i s i o n f un c t i o n o f t h e p r o po s e d a l g o r i t h m wi t h d i f f e r e n t SNR 置 ， 提高 了定时 同步 的准确性 ； 非 峰值部 分 幅度更 小 ， 能够更准确地实现低信噪比下的符号定时同步。 对上述三种算法的同步估计均方误差随信噪 比 的变化进行仿真 ， 仿真参数见表 1 ， 仿真结果 如 图 8 所示， 其中图8 b 为图8 a 的局部放大图。由图可 以看 出， 三种符号定时同步算法在 一1 2 d B至 2 0 d B范 围内随着信 噪比的增 加 ， 同步估计均 方误差逐渐减 小。其中， 延 时 自相关 法和基于本地序 列互相关法 分别在信噪比低于 一 2 d B和 一 6 d B时产生了严重的 漏检和误判。而改进 的基于本地序列互相关法在信 噪比为 一1 2 d B时的同步估计均方误差 只有 0 ． 4个点 左右 ， 在正常工作 时它 的定时 同步性 能明显优于其 它两种方法。 在信噪比为 一1 2 d B时， 基于本地序列互相关法 与改进的基于本地序列互相关法 的归一化判决函数 仿真结果如图 9所示。由图 9可以看 出， 在基于本地 表 1 同步估计均方误差仿真参数 Ta b． 1 S i mu l a t i o n e n v i r o n me n t o f me a n s q ua r e e r r o r i n t i mi ng s y n c h r o ni z a t i o n 1 9 8 7 6 5 4 3 21 0 l 9 8 7 6 5 4 3 2l O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第5 1卷第 1 0期 2 0 1 4年5月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me nt＆ l n s t r ume nt a t i o n VO 1 ． 5l No ． 1 0 M a y． 2 5． 2 0 1 4 j {} Ij 椒 霸 坦 叵 s N础 d B a 】 同步估计器的性能 SN d B b 同步估计器性能局部放大后的结果 图8 三种方法同步估计均方误差随信噪比的变化 F i g ．8 Me a n s q u a r e e r r o r i n t i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n o f t h e t h r e e a l g o rit h ms wi t h d i f f e r e n t S NR 0 0 0 闭0 0 蒙 0 0 1 0 皿 0 O． 0． 豢 0 ． 冀 0 ． 幕 0 ． 0． 0． 采样点数 a 基于本地序列互相关法的归一化判决承数 ． ⋯ 一． 上 u JlL 采样点数 b 改进互相关法的归一化判决函数 图9 S N R 一1 2 d B时两种算法的归一化判决函数 Fi g ． 9 No r ma l i z e d d e c i s i o n f u n c t i o n o f t h e t wo a l g o rit h ms wi t h S NR一1 2 d B 序列互相关法 中存在严重 的噪声 干扰 ， 无法准确判 断峰值 的位置 ， 而改进 的基 于本地 序列互相关法主 峰值位置明显 ， 峰值尖锐。综上所述 ，改进的基于本 地序列互相关法 明显 优于其它两种方法 ， 其正常工 作的信 噪比范围更大 ， 定时同步更加准确。 为 了评估本文信道估计方案 的性能 ， 在一种多 径环境下对本文的信道估计方法进行仿真， 并与所 给定的实际信道进行对 比。仿真环境 如表 2所示 。 在上述信道环境下， 本文信道估计方法的仿真结果 与实际信道的对比如图1 0所示。图 1 0 a 是信道估 计的频域仿真图， 只取了C E L E N E C A频段所用的3 6 个载波频点， 其与实际信道频谱基本吻合。图 1 0 b 是信道估计的时域仿真图， 从 中可以明显地看到两 条多径 ， 与实际信道一致。同时， 可以对相关结果进 行时域去噪来提高信道估计结果的准确性 。综上所 述， 本文所提出的 L s信道估计方法能够较准确地进 行信道估计 ， 实现了定时同步 一信道估计联合设计 。 表 2 信道模型 Ta b． 2 S i mu l a t i o n e n v i r o n me n t o f c h a n n e l e s t i ma t i o n 理 艇 逛 靼 餐 富 捌 逛 载波频点 a 频域信道估计 时域点 b 时域信道估计 图 1 0信道 估计 结果 与 实际信 道的 比较 图 F i g ． 1 0 Co mp a r i s o n o f t he c h a n n e l e s t i ma t i o n r e s u l t a n d t he r e a l c h a nn e l 3 F P G A硬件实现 本文采用 X i l i n x 公 司的 S P A R T A N 6系列 的 F P G A完成定时同步 一信 道估计 联合设计方案 的各硬 一 1】 3 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m