基于正交擴頻序列的電力線信道衰減特性測量方法

　　摘要：針對強噪聲環(huán)境下電力線信道測量難題，文章提出一種基于正交擴頻序列的電力線信道衰減特性測量方法。首先對信道測量的基本原理及噪聲影響進行分析，然后提出了基于正交擴頻序列的信道衰減特性測量方法，該方法采用正交擴頻序列作為激勵信號，通過數字信號處理和峰值檢測得到單個頻點的衰減值，同時設計了強噪聲的干擾抑制算法和基于向量的同步遍歷測量策略，通過掃描得到全頻段的信道衰減特性曲線;最后建立了信道特性測量仿真模型并進行了Matlab仿真。結果表明，在白噪聲和典型現場強噪聲的電力線信道環(huán)境下，提出的方法能夠有效工作，結果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的掃頻FFT信道測量方法。

　　王賢輝; 郝偉琦; 周春良， 電力信息與通信技術 發(fā)表時間：2021-08-27

　　關鍵詞：正交擴頻序列;電力線信道;傳輸特性;干擾抑制

　　0 引言

　　低壓電力線作為通信媒介具有應用的廣泛性、牢固性和經濟性等優(yōu)點，早在 20 世紀七八十年代就曾經引起研究人員的注意。近幾年來，隨著低壓電網通信需求的不斷上升和相關技術的飛速發(fā)展，高速電力線載波通信日益成為國內外科技工作者研究的熱點 [1-3]。然而，不同于傳統(tǒng)的無線或有線信道，電力線信道具有衰減不穩(wěn)定和背景噪聲強等特點，導致通信效果受線路負載和干擾影響嚴重，對復雜信道特性進行測量分析是低壓電力線載波通信研究的基礎[4-5]。傳統(tǒng)的信道測量方法一般通過采用發(fā)送掃描信號和接收信號頻譜分析的方法，存在對信噪比要求高、易受噪聲干擾和需要昂貴的儀器設備等缺點，傳統(tǒng)的信道測量方法一般只能在接收信號頻譜看得見的條件下工作[5-6]。隨著居民用電需求的提升，電力線上負載、噪聲的影響使得臺區(qū)內電力線信道特性越來越復雜，而 HPLC 載波的大規(guī)模鋪設，使得通信速率和采集頻度要求越來越高[1]，現場運維的工作量極大，各種復雜電力線環(huán)境下的高效、便捷、可靠的信道測試方法成為當下研究的課題。

　　文獻[7]提出了一種基于掃頻信號源和高速采集卡的信道測試裝置，將測試設備進行了小型化和便攜式改造;文獻[8-9]提出了一種名為電力線路分析器 (iPALTO)的便攜式信道測量設備，但是該方法發(fā)送的寬頻脈沖覆蓋所有測量頻段，使得單個頻點發(fā)射功率有限，受噪聲影響嚴重;文獻[10]對面向復雜工況的電力線通信信道特性測量與分析，文獻[11]設計和實現了一種便攜式高速電力線載波信道分析模塊。無線通信抗干擾研究表明，偽隨機序列具有很強的抗噪聲干擾和多徑干擾的能力，這些特性可以應用到復雜電力線信道測試過程中，文獻[12]提出了一種基于偽隨機碼的低壓電力線信道時延測量方法，文獻[13]分析了用周期 PN 序列在時域測量配電網信道傳輸特性的方法，給出了寬帶配電網信道用周期 PN 序列在時域測量具有優(yōu)越性的結論，但是基于偽隨機碼序列在電力線信道測量的具體方法模型和實現效果研究未見文獻報道。

　　為此，本文提出一種基于正交擴頻序列的電力線信道衰減特性測量方法，采用正交擴頻序列提高接收信號測量的信噪比和分辨率，可以大大抵消電力線噪聲的影響;采用數字相關峰檢測和基于測試向量的同步遍歷測量的策略，收發(fā)端可以自動同步掃描，無需額外同步設備;同時接收端也無需頻譜儀等昂貴的測量設備，簡便易用。本文方法能夠在極低信噪比的條件下正常工作，同時對強噪聲干擾具有很好的抑制作用。

　　1 信道傳輸特性測量的基本原理

　　1.1 傳統(tǒng)的電力線信道測量原理

　　實驗室信道特性測量一般采用網絡分析儀，但網絡分析儀只適用于發(fā)送端和接收端較近的測量環(huán)境，無法滿足遠距離現場測試。現有的電力線信道測試設備一般采用掃頻 FFT 分析法進行測量，測量儀器包括信號發(fā)生器、功率放大器、耦合單元、信號放大器、頻譜分析設備等。其原理是通過發(fā)送掃頻信號，接收端通過 FFT 找最大值得到信道測量曲線，在進行測量時，信號發(fā)生器不斷產生單頻信號，單頻信號經功率放大器放大后，耦合單元注入低壓配電網，功率放大器可以保證輸出信號的功率，減小低壓電力線上的噪聲對測量造成的干擾[8-9]。信號在接收端由耦合模塊將工頻分量隔離，從接收端取出的信號經頻譜分析設備或經過數據采集卡進行模/數變換、數據采集后，注入到筆記本電腦進行 FFT 處理，從而得出載波信道的衰減曲線，電力線信道測試原理如圖 1 所示。

　　1.2 噪聲對電力線信道特性測量影響分析

　　由于低壓電網連接眾多用電設備，每種用電設備對電網的噪聲污染各不相同，特別是一些開關電源設備、非線性用電設備和大功率變頻設備等對電網產生的噪聲影響尤為嚴重[14-15]。電力線噪聲一般可分為：背景噪聲、脈沖噪聲、窄帶噪聲等。脈沖噪聲幅值大，持續(xù)時間較短，在電力線進行數據傳輸時，對信號干擾最嚴重。復雜電力線信道的電網噪聲具有周期性、時變性等特點，其頻譜覆蓋整個通信頻段，頻譜峰值點隨機變化，如圖 2 所示為某現場同一位置間隔 1.5 s 用 Pico 示波器采集的兩幀噪聲時域信號，可見其具有完全不同的信號特征，低壓電網噪聲給信道測量帶來很大的影響。

　　傳統(tǒng)的信道測量方法需要在一定的時間內對接收信號進行 FFT 分析，同時間段對噪聲信號也進行了收集，導致有用信號被噪聲最大包絡值覆蓋，低信噪比的測量信號無法檢出，測量誤差增大。隨著數字信號處理技術的發(fā)展，電力線載波通信利用 OFDM 調制、ROBO 交織、TURBO 等先進的技術能夠實現在較低的信噪比或強噪聲干擾條件下的通信[9,16]，因此，對采用先進技術仍然通信困難的應用現場復雜載波信道問題進行分析，必須要求更準確和性能更好的信道測量分析方法支撐。

　　2 基于正交擴頻序列的信道傳輸特性測量方法

　　正交擴頻與傳統(tǒng)的擴頻相比，在相同的信息速率和系統(tǒng)帶寬條件下具有更高的擴頻增益，能夠有效地壓縮單次測量的時間，進一步減少多徑和頻偏累積帶來的影響[17]。以本文選取的四進制正交擴頻系統(tǒng)為例，I、Q 2 路擴頻碼元分別選取 512，2 路聯(lián)合測量時總擴頻增益達到 1 024，對應的信噪比提升 30.1 dB，大大提高了信道測量的動態(tài)范圍和抗噪聲能力。

　　正交擴頻序列的信道測量工作原理是：首先根據待測信道的頻率范圍設置好頻點、幅值等測試向量，發(fā)送端根據測試向量調制發(fā)送正交擴頻序列信號，接收端接收信號并通過與本地正交擴頻序列的相關計算和數字信號處理算法得到信號估計值，動態(tài)搜索信號估計值的最大值，在最大值點計算信道參數，采用接收端設計與發(fā)送端同步進行頻點切換的策略機制，從而逐個頻點測量得到信道在測量頻段內的信道參數集，然后通過計算機進行曲線擬合和校準輸出信道測量結果。為抑制強脈沖噪聲對測量的影響，本文設計了一種包絡跟蹤限幅的干擾抑制算法，信道測量架構如圖 3 所示。

　　2.1 信號處理算法過程

　　本文方法的主要數字信號處理流程如圖 4 所示。

　　正交擴頻信號發(fā)生器根據測試向量以一定的時間間隔依次設置調制信號的頻率、幅度等參數，進行擴頻序列調制：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? I Q cos 2π sin 2π i i i s t A M t f t M t f t ? ?(1)式中：Ai為發(fā)射信號的幅度;MI(t)、MQ(t)為周期為 T 的優(yōu)選對擴頻序列;MI(t)、MQ(t)采用不同的生成多項式保證互相關接近為 0;cos(2πfi t)為單頻余弦信號，sin(2πfi t)為單頻正弦信號。

　　發(fā)端輸出信號 s(t)注入被測試信道輸入端，接收端從被測試信道輸出端接收測量信號，其輸出為：? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??? ? I Q cos 2π sin 2π i i i i i r t H t s t n t H t A M t f t M t f t n t ? ?? ??(2)式中：Hi(t)為頻率 fi 點處的待測試的信道特性函數;n(t)為信道噪聲。

　　噪聲干擾抑制模塊對接收信號 r(t)進行噪聲抑制，將處理后的接收信號 rp(t)送入變頻處理單元，變頻 處 理 單 元 采 用 正 交 單 頻 信 號 cos(2πfi’t+θ) 、 sin(2πfi’t+θ)進行下變頻，其中 θ 為接收端和發(fā)送端的相位差，這里可以認為 fi近似等于 fi’，工程實現中可以采用恒溫晶振、外接衛(wèi)星導航信號等措施保證二者誤差小于 0.1 ppm，正交解調器輸出 bI(t)、bQ(t)表示為： I I Q ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 1 cos sin 2 i i b t H t A M t M t ? ? ? ?(3) Q I Q ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 1 sin cos 2 i i b t H t A M t M t ? ? ? ?(4)

　　數字相關器首先采用和發(fā)送端一致的周期為 T 的正交擴頻序列 MI(τ)、MQ(τ)分別對 bI(t)、bQ(t)進行滑動相關積分運算，積分周期為 T，由于相關計算測試時間很短，可以近似認為 Hi(t)在周期為 T 的相關計算時間內保持不變，即 Hi(t-T+τ)≈Hi(t)，則 RII(t)可以近似表示如下：? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? II I I 0 I I 0 d 1 cos d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M ??? ? ?? ? ? ???? ? ?? ? ???(5)同理，可以獲得 RIQ(t)、RQI(t)、RQQ(t)分別為：? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? IQ I Q 0 Q Q 0 d 1 sin d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M ??? ? ?? ? ? ???? ? ?? ? ???(6)? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? QI Q I 0 I I 0 d 1 sin d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M ??? ? ?? ? ? ???? ? ?? ? ???(7)? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? QQ Q Q 0 Q Q 0 d 1 cos d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M ??? ? ?? ? ? ???? ? ?? ? ???(8)定義功率檢測相關計算參數 P(t)為：? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ???? ? ?? ? ???? ? ? ?? ? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ?? ? ? ? ? ?? ? ???? 2 2 2 2 II IQ QI QQ 2 2 I I 0 2 Q Q 0 ( ) 1 d 2 d ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) T i i T P t R R R R H A M t T M M t T M t t t t t (9)式中利用 I、Q 支路的正交性，通過平方和運算消除了接收端和發(fā)送端的相位差 θ 的影響，由于 MI(t)、 MQ(t)具有良好的自相關特性，當發(fā)送端和接收端的擴頻序列完全同步時(t=nT)，P(t)具有最大值 Pmax(t)，即：? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2 2 max 2 1 1 2 2 2 ( ) i i i i P H t A T H t A T t (10)此時 Hi(t)可以表示為：

　　2.2 噪聲干擾抑制算法設計

　　針對周期性的背景噪聲和窄帶噪聲，本文采用中心頻率和調制信號同步的跟蹤濾波方法進行濾除，而脈沖噪聲幅值大，持續(xù)時間較短，對信號干擾最嚴重，很難通過濾波抑制，如果不采用專門干擾抑制方法，將對信道測量帶來很大的影響。文獻[18]中提出了基于限幅的脈沖干擾抑制方法，但是采用固定的限幅門限不能適應接收信號的大動態(tài)范圍。因此，本文設計了一種動態(tài)幅值門限跟蹤的限幅干擾抑制算法：? ?? ? ? ?? ??? ? ??? ?? c p c c t t t t r r T r T r T (12)式中幅值門限 Tc 采用一段時間內的接收信號功率累計積分值進行平滑計算，根據計算功率值動態(tài)更新。

　　2.3 相關峰值檢測算法設計

　　功率相關峰值檢測模塊對時間序列{t0, t1,… ti-1, ti , ti+1, …}上的 P(ti)進行最大值搜索，設定動態(tài)更新的判斷門限參數 PTH(ti)，PTH(ti)可以采用下式進行計算：? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? TH TH 1 1 i i i P t α P t α P t (13)式中 α 為平滑系數，對 P(t)進行最大值的判定條件如下：? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? i i - 1 i i + 1 i TH i P t > P t P t > P t P t > βP t ? max i P P t t (14)式中 β 是為了防止誤檢的比例系數，本文取 β=1.5，根據式(11)可計算有效的信道測量值的時間點序列 Hi(tj)。對 M 次有效的測量值 Hi(tj)進行平滑，得到平滑后的測試結果：? ? ? ? M / M i i j j H H t (15)

　　2.4 信道測量掃描控制過程

　　發(fā)送端根據預先設置好的測試向量 V={f0, f1,„ fi ,„fN}以一定的時間間隔 TS 進行頻率切換和控制擴頻調制單元進行調制發(fā)送;接收頻點控制模塊根據預先設置好的測試向量 V，依次對頻點進行切換，如圖 5 所示，切換規(guī)則為：

　　1)根據預先設置好的測試向量 V，設置單個頻點的工作時間長度為 TR; 2)初始化工作在 f0，當前時間記為 t0，當收到有效的功率相關計算值 Pmax時，開始計算時間，當 t-t0>TR 時，切入 f1頻點接收; 3)以上依次類推，從 f0，f1，„ fi，„fN 進行遍歷。一般設置 TS>TR，以保證接收端能夠提前切入下一個頻點進行等待。

　　測量值平滑和校準模塊將所有頻率點得到的平滑后的測試結果 Hi，形成被測試信道在頻段[f0, fN]的傳輸特性曲線向量[(f0, H0), (f1, H1), „ (fN, HN)]，最后通過計算機對測試曲線向量進行擬合和校準。

　　3 仿真模型建立和參數設置

　　3.1 電力線信道衰減模型

　　由于低壓配電網結構的復雜性和負載的多樣性與時變性，高頻信號在低壓電力線上傳輸時必然會產生較大的衰減。測量分析表明，低壓電力線上的衰減隨著頻率的上升而加大;在某些頻率，衰減曲線會出現局部性峰值。根據傳輸線理論得出單支電力線的通用模型[9,19]，同時考慮到我國一般電力電纜所用 PVC 材料的介電常數為 4，即 vp為 c0/2=1.5×108，所以簡化的通用模型為：? ?? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? 0 1 0 j4π / 1 e e k i i N a a f d f d c i i H f g (16)為了便于仿真，推導出時域模型為：? ?? ? 0 - h t ?? ? ?? ?? 1 0 N 2 1 2π 1 e j i i i a d i a d d i c g t (17)

　　3.2 電力線噪聲模型庫建立

　　電力線噪聲包含多種噪聲分量，很難采用統(tǒng)一的模型進行模擬，而且不同的應用場景噪聲信號完全不同，收集高速載波通信影響較大的典型臺區(qū)的噪聲庫具有代表性意義[20]。因此，本文根據在全國多省份高速載波運維過程中采集的抄收困難臺區(qū)的典型噪聲，構建電力線噪聲庫，利用噪聲回放裝置進行現場噪聲模擬，信號采樣率為 50 MHz，覆蓋高速載波通信的整個頻段，具體實現過程見文獻[11]。從噪聲庫中挑選干擾最大的 10 種典型噪聲樣本(見表 1)。

　　3.3 信道測量仿真模型參數

　　采用 Matlab 軟件進行建模仿真，考慮到信道測試一般覆蓋高速電力線通信所使用的頻段，仿真的測試頻段選擇從 1~20 MHz，I、Q 路擴頻碼選擇 512 位碼長的正交擴頻碼。測試信道選擇 4 徑、6 徑、15 徑模型，線路除電纜以外的分支、阻抗、負載衰減影響按 40 dB 計算。為了簡化模型和便于量化比較，電力線噪聲的干擾通過白噪聲和現場采集噪聲 2 種形式進行模擬。

　　仿真過程中信道測量點從 1~20 MHz，500 kHz 為步進，每個信道測量點擴頻序列發(fā)送次數為 10 次，接收端根據檢測到的最大值進行運算得到測量點的衰減值，衰減值通過校準得到矯正后的衰減值，同時采用掃頻 FFT 信號分析法進行信道測量作為對比。

　　4 仿真算例分析

　　4.1 算法有效性驗證

　　為驗證本文算法的有效性，以 1~20 MHz 為中心頻率分別發(fā)送測量信號，經過注入-20 dBm 功率白噪聲的 PLC 信道，接收端相關計算的峰值和最大功率點搜索結果如圖 6 所示，可見低頻段可以搜索到較大的峰值，隨著頻率升高信道衰減增大，逐漸出現搜索到峰值降低直至檢測不到峰值的情況，與 PLC 信道隨頻率升高衰減逐漸增大的特性相吻合。

　　4.2 白噪聲環(huán)境算法性能仿真

　　以 5 dBm 為步進，注入-50 dBm 至-10 dBm 的白噪聲條件下，本文的 PLC 信道下 2 種算法性能比較如圖 7 所示，在-50 dBm 白噪聲條件下，本文算法和掃頻 FFT 方法測量結果基本相同;-20 dBm 白噪聲條件下本文方法仍能正常工作，-10 dBm 白噪聲條件下 10 MHz 以上高頻段開始出現較大誤差，而掃頻 FFT 信號分析法在-30 dBm 白噪聲條件下已經在高頻段出現較大誤差。

　　對比 2 種算法在不同白噪聲功率下的平均測量誤差如圖 8 所示，本文方法對 4、6 徑信道，在-10 dBm 白噪聲條件下誤差小于 3 dB，掃頻 FFT 方法達到 10 dB，從圖 7(d)測量曲線看完全被白噪聲覆蓋。本文方法對 15 徑信道，在-20 dBm 白噪聲條件下誤差小于 4 dB，掃頻 FFT 方法達到 11 dB。可見白噪聲條件下本文方法具有明顯的性能優(yōu)勢。

　　4.3 電力線噪聲環(huán)境算法性能仿真

　　加入不同的典型現場噪聲條件下，PLC 信道 2 種算法性能比較、誤差分析分別如圖 9、圖 10 所示，圖 9 可見掃頻 FFT 方法測量值受噪聲影響嚴重，噪聲強的頻段測量值基本被噪聲掩蓋偏離真實衰減，而本文方法在現場強噪聲環(huán)境下 4、6 徑信道仍能保持較好的測量精度，15 徑信道測量值雖然在部分急劇變化的頻段偏離真實信道特征，但對比掃頻 FFT 方法仍具有更好的測量結果。圖 10 中對 3 種多徑信道不同噪聲條件下的平均測量誤差比較來看，本文算法 4、6 徑信道誤差均在 2 dB 以內;15 徑信道測量誤差稍大， H07 號噪聲達到最大 6 dB;整體上本文方法在現場強噪聲環(huán)境下測量結果明顯優(yōu)于掃頻 FFT 方法。

　　5 結語

　　本文提出了一種基于正交擴頻序列的電力線信道衰減特性測量方法，對電力線信道衰減特性和信道衰減測量原理進行介紹，對本文算法實現的基本原理和關鍵算法模塊進行了詳細闡述，建立了信道特性測量仿真的模型并進行了 Matlab 仿真研究。結果表明，在白噪聲和典型強噪聲環(huán)境的電力線信道下，本文方法均能夠有效工作，測量結果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)信道衰減測量方法。同時，本文的方法無需 FFT 計算，可以節(jié)省邏輯資源，亦可采用模擬前端+FPGA 信號處理器的架構設計，滿足小型化便攜式的設計要求，在工程應用中具有很好的實用性。本文方法的抗多徑性能進一步優(yōu)化和 FPGA 工程化實現以及現場測試驗證是接下來的研究重點。