基于电力线信道分析的调制解调方式选择

陈王丰

摘 要

本文借鉴通信系统相关理论研究成果，并结合实践信道分析，认为在电力线通信技术研究中，电力线信道分析是核心关键部分，为其他各种研究提供基础支撑，在对电力线信道进行分析的基础上，才能进行其他电力线通信研究。本文电力线信道分析的目的是找到最佳的调制解调方式，适应电力线的各种需要。

【关键词】通信系统 电力线 信道噪声

1 电力线信道噪声分析

电网系统中正在工作的各种用电设备产生电力线信道的噪声。大量资料表明，电力线信道的噪声不仅随时间、地点的不同而变化，还与人类的各种活动有关。幅度满足高斯分布，功率谱密度分布均匀的噪声称为高斯白噪声。低压电力线的传输网络结构复杂，连接的负载很多并且变化多端，因而将其简单归结为加性高斯白噪声是不准确的，它的噪声非常复杂。

电力线信道噪声包括有色背景噪声、窄带噪声、随机脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声等五大类。有一种的功率谱密度对比较低，且随频率发生变化，这是有色背景噪声。窄带噪声是一种幅度调制的正弦信号，它由无线电广播发射而引起。到达时间具有随机性的一种噪声，持续时间从几μs到几ms不等的为随机脉冲噪声，偶尔背景噪声的功率谱密度低于它的50dB。与工频同步的周期性脉冲噪声的产生首要是由于二极管整流器件，脉冲重复频率是工频或工频整数倍。与工频异步的周期性脉冲噪声基本是由电脑显示屏或电视干扰产生，重复频率与扫描频率同步。其中，有色背景噪声和窄带噪声可归为背景噪声，因为其幅度均方根值随时间变化很慢；随机脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声的幅度均方根值随时间变化很快，因此可归为脉冲噪声。背景噪声和脉冲噪声构成电力线噪声。

2 电力线信道衰减分析

耦合衰减和线路衰减是在低压电力线传输的时候，由不同原因产生的两种衰减。其中发射端和接收端同电力载波线路电阻电抗不匹配导致了耦合衰减，而接入节点过多、电力线网络过于复杂等都能造成线路衰减。电力线信道的衰减分析应从各个不同的方面进行分析。因为一旦电力线具有了多径信道特征，信号必将会多径传播，从而产生衰减，此外中高压电力线中，造成信号衰减的原因还有其本身的辐射、电磁干扰和热损失等；以及信号在传播中具有延时衰减；电力系统中的一些用电设备也有可能会造成信号衰减。连接点处两种介质具有不同的特征阻抗时，信号传输到此处必将发生反射。而电力线网络存在很多阻抗不连续点，这是因为存在很多分支，发射端发射出的信号，在电力线上传播时不能直接被送到接收端，而在不连续点处发生反射，发射信号受到反射波的影响，从而频率发生选择性衰减。阻抗不连续是由多径传输导致的。

3 电力系统方案的论证研究

3.1 电力线信道结果探讨

通过前面对电力线信道的噪声分析和衰减分析，以及对信号的主要影响因数分析，我们不难得出，通信条件较为恶劣的是室内电力线信道。电力线信道中的噪声是电力线信道的一个重要特性，随着负载变化而变化，情况复杂，噪声对信号能产生严重的干扰，因为它具有范围广能量大等特点。因此滤波器在接收端是必不可少的，用来对接收的信号进行滤波，另外为了提高信噪比、增强其抗干扰能力，还有对发射端的信号进行编码处理。电力线信道还有另外一个重要特性，就是信道衰减。电力线通信不应该作为远距离传输方式，因为它的衰减随传输距离增大而增大，但是电力线通信在近距离和窄带通信方面具有明显的优势。因此在调制方式的挑选上，一定要达到抗干扰和抗衰落的性能要求。

3.2 确定最优的调制方式

本文分析幅度键控ASK、频移键控FSK和相移键控PSK是数字调制中最根本的调制方式。为了进行调制方式的挑选，我们需要将2ASK、2FSK、2DPSK调制系统进行对比，基本涉及误码率、频带宽度、信道敏感性、设备复杂度等方面。

误码率是判定数据在规定时间内数据传输准确性的指标。误码率=传输中的误码/所传输的总码数×100%。在2ASK、2FSK、2DPSK调制系统中，误码率和输入信噪比存在某种关系，设误码率为Pe，信噪比为r。表1即为二进制数字调制系统误码率公式表。

从表中数据我们不难得出，在抗加性高斯白噪声方面，相干2ASK性能最差，相干2PSK性能最好，相干2FSK性能居中。频带宽度是传播模拟信号时的信号最高频率与最低频率之差，保证某种发射信息的速度和品质所需占用的频带宽度的允许值。在频带宽度角度讲，2FSK是不合适的，因为在码元宽度为Ts时，它的频带宽度近似为，而2ASK系统和2PSK系统的为2/Ts。

4 讨论

综上所述，在上述两个方面的考虑以外，还应该值得我们更加注意信道的敏感性问题。在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为A/2，它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度A将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。从设备复杂性角度来说，三种系统发送端设备相差无几，接收端复杂度同调制解调方式密切相关，在同一种调制方式中，在进行相干解调时，2PSK系统的设备最复杂，2FSK较复杂，2ASK最简单。综合总结以上四个方面来考虑，FSK调制方式最为合适，本文建议采用FSK的调制方式进行设计。

通过以上分析，本文认为对于任一种通信方式，都具有发射端和接收端，其作用各不相同。电力线通信也不例外，在其发射端，基带通过某种调制方式调制，转换成一种适宜在信道中传输的信号，该信号再经过放大，通过电力线耦合接口，最终被发射到电网系统中。而在其接收端，来自电网的调制信号被耦合接口接收，经过滤波、放大等处理，最终被送入到解调器输出。根据电力线调制解调设计原理，虽然电力线通信模块一端发射信号，另一端接收信号，但是在实际设计中，两端的硬件实现方式是相同的，这是因为我们将发射端和接收端集成，通过硬件来转换工作模式。本文的重点是调制解调器的设计。调制解调器在电力线通信中起到至关重要的作用，因为它决定了传输速率和通信模式，滤波和耦合接口的设计将影响到通信成功与否及其通信质量。电力线载波通信的调制方式为频移键控（FSK），调制解调器核心器件选择AM7910芯片。

参考文献

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[3]郝军荣.浅析电力线信道及噪声分析与建模[J].中国新通信，2012（15）.

作者单位

广东省工业贸易职业技术学校 广东省佛山市 528200