基于電力線信道分析的調制解調方式選擇

陳王豐

摘 要

本文借鑒通信系統相關理論研究成果，并結合實踐信道分析，認為在電力線通信技術研究中，電力線信道分析是核心關鍵部分，為其他各種研究提供基礎支撐，在對電力線信道進行分析的基礎上，才能進行其他電力線通信研究。本文電力線信道分析的目的是找到最佳的調制解調方式，適應電力線的各種需要。

【關鍵詞】通信系統 電力線 信道噪聲

1 電力線信道噪聲分析

電網系統中正在工作的各種用電設備產生電力線信道的噪聲。大量資料表明，電力線信道的噪聲不僅隨時間、地點的不同而變化，還與人類的各種活動有關。幅度滿足高斯分布，功率譜密度分布均勻的噪聲稱為高斯白噪聲。低壓電力線的傳輸網絡結構復雜，連接的負載很多并且變化多端，因而將其簡單歸結為加性高斯白噪聲是不準確的，它的噪聲非常復雜。

電力線信道噪聲包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、隨機脈沖噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲等五大類。有一種的功率譜密度對比較低，且隨頻率發生變化，這是有色背景噪聲。窄帶噪聲是一種幅度調制的正弦信號，它由無線電廣播發射而引起。到達時間具有隨機性的一種噪聲，持續時間從幾μs到幾ms不等的為隨機脈沖噪聲，偶爾背景噪聲的功率譜密度低于它的50dB。與工頻同步的周期性脈沖噪聲的產生首要是由于二極管整流器件，脈沖重復頻率是工頻或工頻整數倍。與工頻異步的周期性脈沖噪聲基本是由電腦顯示屏或電視干擾產生，重復頻率與掃描頻率同步。其中，有色背景噪聲和窄帶噪聲可歸為背景噪聲，因為其幅度均方根值隨時間變化很慢；隨機脈沖噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲的幅度均方根值隨時間變化很快，因此可歸為脈沖噪聲。背景噪聲和脈沖噪聲構成電力線噪聲。

2 電力線信道衰減分析

耦合衰減和線路衰減是在低壓電力線傳輸的時候，由不同原因產生的兩種衰減。其中發射端和接收端同電力載波線路電阻電抗不匹配導致了耦合衰減，而接入節點過多、電力線網絡過于復雜等都能造成線路衰減。電力線信道的衰減分析應從各個不同的方面進行分析。因為一旦電力線具有了多徑信道特征，信號必將會多徑傳播，從而產生衰減，此外中高壓電力線中，造成信號衰減的原因還有其本身的輻射、電磁干擾和熱損失等；以及信號在傳播中具有延時衰減；電力系統中的一些用電設備也有可能會造成信號衰減。連接點處兩種介質具有不同的特征阻抗時，信號傳輸到此處必將發生反射。而電力線網絡存在很多阻抗不連續點，這是因為存在很多分支，發射端發射出的信號，在電力線上傳播時不能直接被送到接收端，而在不連續點處發生反射，發射信號受到反射波的影響，從而頻率發生選擇性衰減。阻抗不連續是由多徑傳輸導致的。

3 電力系統方案的論證研究

3.1 電力線信道結果探討

通過前面對電力線信道的噪聲分析和衰減分析，以及對信號的主要影響因數分析，我們不難得出，通信條件較為惡劣的是室內電力線信道。電力線信道中的噪聲是電力線信道的一個重要特性，隨著負載變化而變化，情況復雜，噪聲對信號能產生嚴重的干擾，因為它具有范圍廣能量大等特點。因此濾波器在接收端是必不可少的，用來對接收的信號進行濾波，另外為了提高信噪比、增強其抗干擾能力，還有對發射端的信號進行編碼處理。電力線信道還有另外一個重要特性，就是信道衰減。電力線通信不應該作為遠距離傳輸方式，因為它的衰減隨傳輸距離增大而增大，但是電力線通信在近距離和窄帶通信方面具有明顯的優勢。因此在調制方式的挑選上，一定要達到抗干擾和抗衰落的性能要求。

3.2 確定最優的調制方式

本文分析幅度鍵控ASK、頻移鍵控FSK和相移鍵控PSK是數字調制中最根本的調制方式。為了進行調制方式的挑選，我們需要將2ASK、2FSK、2DPSK調制系統進行對比，基本涉及誤碼率、頻帶寬度、信道敏感性、設備復雜度等方面。

誤碼率是判定數據在規定時間內數據傳輸準確性的指標。誤碼率=傳輸中的誤碼/所傳輸的總碼數×100%。在2ASK、2FSK、2DPSK調制系統中，誤碼率和輸入信噪比存在某種關系，設誤碼率為Pe，信噪比為r。表1即為二進制數字調制系統誤碼率公式表。

從表中數據我們不難得出，在抗加性高斯白噪聲方面，相干2ASK性能最差，相干2PSK性能最好，相干2FSK性能居中。頻帶寬度是傳播模擬信號時的信號最高頻率與最低頻率之差，保證某種發射信息的速度和品質所需占用的頻帶寬度的允許值。在頻帶寬度角度講，2FSK是不合適的，因為在碼元寬度為Ts時，它的頻帶寬度近似為，而2ASK系統和2PSK系統的為2/Ts。

4 討論

綜上所述，在上述兩個方面的考慮以外，還應該值得我們更加注意信道的敏感性問題。在2FSK系統中，不需要人為地設置判決門限，它是直接比較兩路解調輸出的大小來作出判斷的。在2PSK系統中，判決器的最佳判決門限電平為零，與接收機輸出信號的幅度有關。因此，它不隨信道特性的變化而變化。這時，接收機容易保持在最佳判決門限狀態。對于2ASK系統，判決器的最佳判決門限為A/2，它與接收機輸入信號的幅度有關。當信道特性發生變化時，接收機輸入信號的幅度A將隨著發生變化；相應地，判決器的最佳判決門限電平也將隨之改變。這時，接收機不容易保持在最佳判決門限狀態，從而導致誤碼率增大。因此，就對信道特性變化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。從設備復雜性角度來說，三種系統發送端設備相差無幾，接收端復雜度同調制解調方式密切相關，在同一種調制方式中，在進行相干解調時，2PSK系統的設備最復雜，2FSK較復雜，2ASK最簡單。綜合總結以上四個方面來考慮，FSK調制方式最為合適，本文建議采用FSK的調制方式進行設計。

通過以上分析，本文認為對于任一種通信方式，都具有發射端和接收端，其作用各不相同。電力線通信也不例外，在其發射端，基帶通過某種調制方式調制，轉換成一種適宜在信道中傳輸的信號，該信號再經過放大，通過電力線耦合接口，最終被發射到電網系統中。而在其接收端，來自電網的調制信號被耦合接口接收，經過濾波、放大等處理，最終被送入到解調器輸出。根據電力線調制解調設計原理，雖然電力線通信模塊一端發射信號，另一端接收信號，但是在實際設計中，兩端的硬件實現方式是相同的，這是因為我們將發射端和接收端集成，通過硬件來轉換工作模式。本文的重點是調制解調器的設計。調制解調器在電力線通信中起到至關重要的作用，因為它決定了傳輸速率和通信模式，濾波和耦合接口的設計將影響到通信成功與否及其通信質量。電力線載波通信的調制方式為頻移鍵控（FSK），調制解調器核心器件選擇AM7910芯片。

參考文獻

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作者單位

廣東省工業貿易職業技術學校 廣東省佛山市 528200