文獻標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172072
中文引用格式: 趙黎,焦曉露,,張峰. 基于前導(dǎo)序列的PLC系統(tǒng)定時同步技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(2):84-87.
英文引用格式: Zhao Li,,Jiao Xiaolu,,Zhang Feng. Research on the timing synchronization technology for PLC based on preamble sequence[J]. Application of Electronic Technique,2018,,44(2):84-87.
0 引言
隨著智能電網(wǎng)和電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展,,電力線載波通信(Power Line Communication,,PLC)技術(shù)備受關(guān)注[1-2],然而電力線信道環(huán)境惡劣,,傳統(tǒng)單載波通信技術(shù)無法很好地抵御信道干擾,,導(dǎo)致系統(tǒng)可靠性低,從而影響了電力線載波通信的應(yīng)用和發(fā)展[3],。G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)是一種電力線載波通信規(guī)范,,已經(jīng)被IEEE、ITU和IEC/CENELEC等主要機構(gòu)所采納,可以有效地對輸電網(wǎng)絡(luò),、照明及智能電網(wǎng)應(yīng)用進行管理,、控制與監(jiān)測[4],因此G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)已成為面向智能電網(wǎng)通信技術(shù)的全球開放性協(xié)議[5-6],。
然而,OFDM系統(tǒng)的高頻譜利用率和傳輸可靠性都是以其子載波之間的正交性為基礎(chǔ)的,,因此準(zhǔn)確的符號定時同步技術(shù)是OFDM系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵,。OFDM系統(tǒng)中的同步技術(shù)主要分兩類:(1)利用循環(huán)前綴的方法;(2)利用訓(xùn)練序列的方法,。當(dāng)信道為嚴(yán)重的多徑衰落信道時,,第一類方法會使部分循環(huán)前綴區(qū)間受到ISI破壞,使定時估計性能惡化,,因此不適用于電力線載波通信系統(tǒng)中,。第二類方法主要用于如無線局域網(wǎng)(WLAN)的突發(fā)式傳輸系統(tǒng),估計精度較高,,在多徑衰落信道下魯棒性能較好,,最具代表性的算法為Stanford大學(xué)的Schmidl和COX D C于1997年提出的Schmidl&Cox算法[7],但由于自相關(guān)平臺效應(yīng),,使S&C算法定時同步存在偏差,。另一種經(jīng)典的算法是Minn算法[8],雖然克服了S&C算法中符號定時測度的平臺效應(yīng),,但是其訓(xùn)練序列結(jié)構(gòu)與G3-PLC標(biāo)準(zhǔn)的前導(dǎo)符號結(jié)構(gòu)不相同,,因此需要額外添加訓(xùn)練序列,使系統(tǒng)有效速率降低,。
因此,,本文針對G3-PLC特有的前導(dǎo)符號結(jié)構(gòu),結(jié)合S&C算法的思想,,提出了一種采用雙重相關(guān)算法實現(xiàn)定時同步補償?shù)姆椒?,并通過仿真對算法性能進行了驗證。
1 G3-PLC信號幀結(jié)構(gòu)
一個完整G3-PLC的幀結(jié)構(gòu)具體包括前導(dǎo)序列(Preamble),、幀控制頭序列(Frame Control Header,,F(xiàn)CH)以及數(shù)據(jù)位(DATA)。如圖1所示,,前導(dǎo)符號由8個SYNCP符號和1.5個SYNCM符號組成,,其中每個SYNCP符號和SYNCM符號都包含256個采樣點,同時,,接收端為了方便進行相位檢測,,SYNCM符號相對于SYNCP符號有180°相位差。
FCH幀控制頭在前導(dǎo)符號之后,其包含了保證發(fā)送數(shù)據(jù)幀正確解調(diào)的必要信息,。每一組數(shù)據(jù)幀中包含13個FCH符號,,F(xiàn)CH之后是DATA數(shù)據(jù)信息,F(xiàn)CH本質(zhì)上和數(shù)據(jù)位信息是一樣的,,因此其中也包含了循環(huán)前綴,,但由于其重要性,導(dǎo)致其調(diào)制方式不可調(diào),,只可采用最安全的DBPSK調(diào)制映射方式,,各個FCH數(shù)據(jù)段和DATA數(shù)據(jù)段在加窗之后需要進行相鄰符號首尾重疊處理,重疊長度為8位,。經(jīng)過疊加之后,,就形成了最后的數(shù)據(jù)幀。
2 雙重相關(guān)檢測同步原理
SYNCP符號中有用的采樣點碼元由36個子載波的相位調(diào)制產(chǎn)生,,其對應(yīng)的36個相位信息如式(1)所示:
其中1≤i≤36表示有用載波序號,。
將式(1)中的各個相位值在頻域建立對應(yīng)的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)為:
式(2)中的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)過IFFT變換就可以產(chǎn)生前導(dǎo)序列中的一個SYNCP符號,為了使產(chǎn)生的SYNCP符號實數(shù)化,,需對式(2)中的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的頻域編碼,,首先將式(2)中的36個復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)位插入到N/2(其中N=256)個子載波中的第23~58位,其余位數(shù)補零,,如式(3)所示:
再根據(jù)FFT原理,,將式(3)形成的N/2個子載波P(j)按照式(4)映射到N個子載波的前N/2位,再將P(j)的第2~N/2位的共軛倒敘映射到N個子載波的后N/2-1位,,第N/2+1位置零:
再對該N個信息數(shù)據(jù)進行N點IFFT變換,,得到的SYNCP符號如下式,即為實數(shù)序列:
其中,,0≤n≤N-1,。
SYNCM碼元是由P碼元反相產(chǎn)生的,如式(6)所示:
在接收端,,根據(jù)信道環(huán)境,,在本地倒序選取一定長度的前導(dǎo)符號序列,假設(shè)接收端本地前導(dǎo)符號序列長度為發(fā)送端前導(dǎo)符號序列長度的1/2,,即:
定義接收端經(jīng)過信道干擾的產(chǎn)生失步的信息幀為Y(m),,截取接收到的信息幀的前2 432位。
根據(jù)相關(guān)檢測原理,,分別將Z(m)與X(n)和Y(m)與X(n)進行滑動互相關(guān)運算,,即:
接收端通過對失步量進行補償即可精確地確定出每一幀信息中FCH位及DATA位的起始時刻。
3 系統(tǒng)性能驗證
為了驗證本文基于前導(dǎo)的G3-PLC同步算法性能,,采用Monte Carlo方法對系統(tǒng)進行仿真驗證,,結(jié)果如圖2所示,,其中仿真參數(shù)設(shè)置為:子載波數(shù)目N=256,保護間隔的長度為CP=30,,采樣頻域FS=0.4 MHz,,SNR=-2 dB,符號偏差為399個載波符號周期,,F(xiàn)CH符號數(shù)為NFCH=13,,數(shù)據(jù)位采用DQPSK調(diào)制方式,F(xiàn)CH位采用DBPSK調(diào)制方式,。圖2(a)為RZX(m)相關(guān)曲線,,由圖可以得出J1=3 456;圖2(b)為RYX(m)相關(guān)曲線,,其中J2=3 058,得D=J1-J2=398,,與符號偏差值399差一個載波符號周期,,在接收端通過補償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置。
其他參數(shù)SNR=-10 dB保持不變,,惡化信道環(huán)境設(shè)置,,符號偏差為200個載波符號周期。圖3(a)為RZX(m)相關(guān)曲線,,由圖可以得出J1=3 456,;圖3(b)為RYX(m)相關(guān)曲線,其中J2=3 257,,得D=J1-J2=199,,與符號偏差值200同樣只差一個載波符號周期,在接收端通過補償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置,。
為了進一步驗證該算法對信道環(huán)境的適應(yīng)性,,其他參數(shù)保持不變,符號偏差為200載波符號周期,采用電力線載波實測信道參數(shù)環(huán)境,,如圖4(a)所示為實測信道時域圖,,由于電力線載波實際信道自相關(guān)曲線具有周期對稱性,如圖4(b)所示,,因此其自相關(guān)程度近似為零,,信號通過該信道后其相關(guān)性不會受到太大影響;圖4(c)為RZX(m)相關(guān)曲線,,由圖可以得出J1=3 456,;圖4(d)為RYX(m)相關(guān)曲線,其中J2=3 257,,得D=J1-J2=199,,與符號偏差值200同樣只差一個載波符號周期,,在接收端通過補償即可判斷出正確的FCH位及DATA位的起始位置。
4 結(jié)論
由于低壓電力線建設(shè)初期并沒有考慮通信的要求,,因此在傳輸信號過程中會受到噪聲,、多徑干擾和頻率選擇性衰落等影響,造成定時同步不準(zhǔn)確,,在接收端產(chǎn)生漏檢和誤判,。本文首先解析了G3-PLC電力線載波通信原理及G3-PLC信號幀結(jié)構(gòu),并根據(jù)G3-PLC電力線通信協(xié)議特有的幀格式,,利用前導(dǎo)序列之間的相關(guān)性,,提出采用兩重相關(guān)的檢測方法對系統(tǒng)的失步進行了有效的補償,并且最后通過Monte Carlo方法對系統(tǒng)進行了仿真驗證,。結(jié)果表明,,本文提出的系統(tǒng)同步補償算法對不同信道環(huán)境適應(yīng)性好,可以準(zhǔn)確地檢測到FCH位及DATA位的起始位置,,使接收端能夠正確地解調(diào)信息,,算法實現(xiàn)簡單,可靠性高,。
參考文獻
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