隨著我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展,，迫切需要實(shí)現(xiàn)中低壓電力線互聯(lián)通信,，以便實(shí)現(xiàn)中低壓電力采集信息的共享。但是,，唯一一類(lèi)連接中低壓線路的電氣設(shè)備——配電變壓器卻對(duì)中,、低壓電力線信道具有很強(qiáng)的阻隔作用，限制了其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),，并且阻礙了電力線通信的廣泛應(yīng)用,。人們?cè)噲D將中、低壓耦合器直接相連,，構(gòu)成“無(wú)源橋接器”,，完成信道的互聯(lián)。然而,，由于中低壓電力線信道的頻率特性,、噪聲特性等都存在很大差異，導(dǎo)致通信效果并不理想,?；谶@一實(shí)際問(wèn)題，在充分測(cè)量,、分析實(shí)際中低壓電力線信道特性的基礎(chǔ)上,，本文提出了一種適合中低壓電力線互聯(lián)通信的實(shí)時(shí)信道均衡算法,。

1 電力線信道特性測(cè)試與分析

        電力線信道特性是影響其通信質(zhì)量的主要因素之一。為了可靠地實(shí)現(xiàn)中低壓電力線互聯(lián)通信,，需要首先弄清楚同一臺(tái)配電變壓器10 kV側(cè)與220 V側(cè)的信道特性,。為此選取了臨汾市縣底變電站599中壓電力線通信配網(wǎng)自動(dòng)化示范線路進(jìn)行了多天的連續(xù)觀測(cè)?？紤]到中壓電力線通信對(duì)傳輸距離的實(shí)用要求,，信道特性測(cè)試頻率范圍為40 kHz~500 kHz。如圖1所示是信道傳輸特性測(cè)試方案圖,。

        測(cè)試點(diǎn)1是10 kV母線出口處,，測(cè)試點(diǎn)2是某配電變壓器，兩者相距約2 km,。采用ZY5111A/B線路電平自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng),，對(duì)線路的傳輸特性進(jìn)行了測(cè)試。在測(cè)試點(diǎn)1用ZY5111B信號(hào)發(fā)生器通過(guò)中壓耦合器向10 kV線路注入0 dB(約0.775 V) 頻率間隔為1 kHz的正弦掃頻信號(hào),。在測(cè)試點(diǎn)2用ZY5111A電平表同步測(cè)量線路的接收電平,。測(cè)試時(shí)，若將斷路器斷開(kāi),，則橋接器低壓側(cè)線路斷開(kāi),，測(cè)量結(jié)果實(shí)際上是本段中壓線路的信道傳輸特性；而若將其閉合,，則相當(dāng)于接入了220 V低壓線路,，測(cè)量接入低壓線路后的信道特性。

        中壓電力線信道傳輸特性如圖2所示(同一點(diǎn)相隔3天時(shí)間),?？梢钥闯觯€路特性基本穩(wěn)定,，這與參考文獻(xiàn)[1]的結(jié)論基本是一致的,。而接入低壓線路后的信道特性如圖3所示(同一點(diǎn)相隔1 h)?？梢钥闯?，接入低壓線路后，信道衰減普遍增加5~6 dB,，信道特性的時(shí)變性更加突出,，選擇性頻率衰落點(diǎn)隨時(shí)間發(fā)生變化,，且不同頻率的衰減變化呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性,。但相對(duì)于通信傳輸?shù)男盘?hào)間隔而言，接入低壓線路后的電力線信道仍然可以視為慢時(shí)變信道,。

        因此,，為了提高信道橋接后的通信可靠性,，在低壓接收側(cè)通過(guò)引入實(shí)時(shí)信道估計(jì)和均衡技術(shù)是十分必要的。下面將結(jié)合電力線信道特性,，重點(diǎn)分析一種適合于多載波通信方式的信道實(shí)時(shí)均衡算法,。

2 實(shí)時(shí)信道均衡算法

        本文采用的信道實(shí)時(shí)均衡算法屬于改進(jìn)的判決反饋均衡算法。該算法實(shí)時(shí)性高,，且信道均衡可以跟蹤信道的變化,，信道均衡性能良好。

2.1均衡器的組成

        圖4所示為判決反饋信道均衡器組成框圖,。設(shè)y_l(n)(n=0,1,…,，N-1)是接收端接收到的第l組數(shù)據(jù)塊；h_l(n)(n=0,1,…,，N-1)是信道的離散沖激響應(yīng),，v_l(n)(n=0,1,…，N-1)是信道的離散噪聲,，若此時(shí)對(duì)應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)塊為x_l(n)(n=0,1,…,，N-1)，則：

        對(duì)于OFDM系統(tǒng),，為了在接收時(shí)消除碼間干擾,，通常在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)增加循環(huán)前綴，將線性卷積“*”轉(zhuǎn)化為循環(huán)卷積,，以便于快速傅里葉變換^[2],。

2.2 信道均衡中的SIFT算法分析

        為了快速實(shí)現(xiàn)信道均衡，傅里葉變換的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要,。傳統(tǒng)FFT算法,，在計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)延時(shí)大，占存儲(chǔ)空間多,，尋址時(shí)還需要考慮數(shù)據(jù)位倒序等問(wèn)題,，降低了實(shí)時(shí)性^[3-4]。本文采用了一種改進(jìn)的離散傅里葉變換算法SIFT,，在采集到每個(gè)數(shù)據(jù)后,，可立即計(jì)算并更新傅里葉系數(shù)，不需要額外的存儲(chǔ)器,，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算“0”延時(shí),，數(shù)據(jù)采集完立即輸出全部傅里葉變換系數(shù)。算法的基本原理如下：

        由DFT的計(jì)算公式：

將其寫(xiě)成矩陣形式為：

        由式(6)中,，所有系數(shù)xi的第一部分分量都是由第一點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)x(0)產(chǎn)生的貢獻(xiàn),。同樣，第二部分分量也都是 x(1)產(chǎn)生的貢獻(xiàn),；依次類(lèi)推,。顯然,，只要采集了第1點(diǎn)數(shù)據(jù)，就可開(kāi)始計(jì)算X_i的第一部分分量,；只要在第2個(gè)采樣數(shù)據(jù)到來(lái)之前,，計(jì)算完并存儲(chǔ)系數(shù)的中間結(jié)果，即可在第2點(diǎn)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),，開(kāi)始計(jì)算第二部分分量,，且實(shí)時(shí)更新原來(lái)的存儲(chǔ)系數(shù)。依照上述過(guò)程,，直到第N-1點(diǎn)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),，所有的系數(shù)x_i就全部計(jì)算完成，并由此計(jì)算出信號(hào)的功率譜和相位譜,。

        此外,，SIFT的另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是：可動(dòng)態(tài)設(shè)置任意采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，這樣該算法將特別適合于任意子載波數(shù)的多載波調(diào)制信號(hào)的譜估計(jì),。

2.3 信道均衡中的判決反饋算法分析

        盡管電力線信道具有時(shí)變性,，但由于信道的時(shí)變速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于信號(hào)兩相鄰符號(hào)之間的傳輸速率，因此在兩相鄰符號(hào)時(shí)間間隔里,，信道可以認(rèn)為是平穩(wěn)的,。基于這一客觀存在,，判決反饋均衡算法的思想是：使用前一時(shí)刻信道接收信號(hào)計(jì)算得到的信道估計(jì)值去均衡下一個(gè)接收信號(hào),，形成一個(gè)閉環(huán)反饋判決與均衡系統(tǒng)。由于該方法不需要額外增加導(dǎo)頻信號(hào),，且能夠進(jìn)行連續(xù)信道估計(jì)和均衡,，大大提高了算法的實(shí)時(shí)性。算法的流程如下：

        (1)信道估計(jì)與均衡初始化

        首先發(fā)送兩個(gè)符號(hào)的訓(xùn)練序列(即l=0,1),，由于訓(xùn)練序列的頻譜X_l(k)(l=0,1)是已知的,，利用接收端接收到的輸出序列Y_l(k)(l=0,1)的信息即可得到信道的初始估計(jì)值。

        對(duì)于信道估計(jì)與均衡初始化需要說(shuō)明如下兩點(diǎn):信道噪聲對(duì)信道估計(jì)值是有一定影響的,，為了準(zhǔn)確得到估計(jì)值,，信道估計(jì)與噪聲抑制同步進(jìn)行，噪聲抑制這里不再贅述;在實(shí)際應(yīng)用中,，訓(xùn)練序列可以結(jié)合通信協(xié)議,，利用電力數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用的主從應(yīng)答機(jī)制，由主機(jī)發(fā)起信道估計(jì)和均衡,，此時(shí),，只需要主機(jī)將訓(xùn)練序列并行加載到各子載波上即可。

        (2)判決反饋更新信道估計(jì)值

        完成初始化后，就可更新信道估計(jì)值了,。該算法利用已判決的反饋信號(hào)來(lái)跟蹤時(shí)變信道，再利用估計(jì)的信道來(lái)判決接收信號(hào),。該方法是在頻域里完成的,，其優(yōu)點(diǎn)是不需要解調(diào)出發(fā)送信息的原始信息，通用性強(qiáng),。

        由于上述過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng),，因此稱為反饋判決信道估計(jì)與均衡。需要說(shuō)明的是,當(dāng)信道遇到快速衰落時(shí),，估計(jì)和均衡性能會(huì)下降,。這時(shí)可采用對(duì)相鄰子載波或連續(xù)多個(gè)信號(hào)的信道估計(jì)值加權(quán)平均，以降低估計(jì)方差,，緩解均衡性能的下降^[6-7],。

3 仿真實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

        為了證明算法的有效性，通過(guò)Matlab建立了仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),，如圖5所示,。

3.1.1仿真信道模型和噪聲模型說(shuō)明

        基于第2節(jié)信道實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，建立模擬信道的FIR信道模型,。由于第2節(jié)數(shù)據(jù)實(shí)際上是信道傳輸特性的幅頻響應(yīng),，即|H(k)|，數(shù)據(jù)失去了相位信息,，在建模時(shí),，為不失一般性，假設(shè)信道具有線性相位,。這樣很容易基于FIR系統(tǒng)的頻率抽樣法建立電力線仿真信道的模型[8],，這里重點(diǎn)建立了中壓電力線信道模型和帶有低壓線路的中低壓互聯(lián)電力線信道模型。關(guān)于噪聲模型,，本文直接采用了參考文獻(xiàn)[1]提供的噪聲數(shù)據(jù),，限于篇幅，不再贅述,。

3.1.2 信道調(diào)制方式及參數(shù)

        為了分析方便,，選用了OFDM調(diào)制方式。設(shè)信號(hào)直接以基帶形式在電力線信道上傳輸,，電力線信道可用頻帶為40 kHz~500 kHz,，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，IFFT輸出的采樣頻率f_s=1 024 kHz,。取子載波數(shù)N=128,，則碼元間隔T=N/fs=125 μs，頻率分辨率為Δf=1 024/128=8 kHz,，取保護(hù)間隔T_g=5 μs,，則總的OFDM碼元周期T_u+T_g=130 μs,。由FFT性質(zhì)可知，由于數(shù)據(jù)具有共軛對(duì)稱性質(zhì),，因此實(shí)際上只有一半的子載波加載了數(shù)據(jù),去除低于40 kHz的5個(gè)子載波,，實(shí)際使用的子信道數(shù)N_u=59，總的符號(hào)率為R=N_u/T_u≈454 kb/s,。

3.2 仿真結(jié)果分析

        為了驗(yàn)證算法的有效性,，本文首先對(duì)中低壓電力線信道直接通過(guò)無(wú)源耦合器連接后的OFDM解調(diào)進(jìn)行了仿真，測(cè)量了不同信噪比情況下的誤碼特性,，如圖6帶“□”標(biāo)記所示曲線,，從該曲線可以看出，在信噪比低于10 dB時(shí),，接收誤碼率較高,。然后，對(duì)增加了均衡算法后的OFDM解調(diào)效果進(jìn)行了仿真,，如圖6帶“o”標(biāo)記所示曲線,。由圖6可以看出，增加判決反饋均衡器后OFDM解調(diào)誤碼率比未接入判決反饋均衡器而直接解調(diào)時(shí)有明顯的下降,，大約改善信噪比5 dB~6 dB,。特別是在低信噪比情況下，接入判決反饋均衡器后,，接收性能改善效果更加突出,。

        通過(guò)對(duì)實(shí)際中低壓電力線信道互聯(lián)特性的測(cè)量表明，電力線信道都存在較為嚴(yán)重的頻率選擇性衰落點(diǎn),。受低壓負(fù)荷變化較快等因素的影響,，通過(guò)橋接器連接低壓線路后，信道衰減普遍增加5 dB~6 dB,，同時(shí)線路的信道特性伴隨較強(qiáng)的時(shí)變性,。為了提高橋接后的通信可靠性，在低壓接收側(cè)引入實(shí)時(shí)信道均衡是十分必要的,。

        針對(duì)中低壓信道互聯(lián)時(shí)信道慢時(shí)變特點(diǎn),，本文提出了一種判決反饋均衡算法。其思想是基于SIFT快速傅里葉變換算法快速估計(jì)出信道接收頻譜,，然后根據(jù)信道的慢時(shí)變特性,，利用當(dāng)前的接收信道頻譜特性結(jié)合前一時(shí)刻的信道特性，估計(jì)出當(dāng)前的信道均衡值,，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋環(huán)節(jié),。由于該算法實(shí)時(shí)性高，且信道均衡可以跟蹤信道的變化，信道均衡性能良好,。仿真實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性,。

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