中低压电力线互联通信中的信道均衡技术研究*

苑津莎,谢思哲,谢志远

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

随着我国智能电网建设的不断发展，迫切需要实现中低压电力线互联通信，以便实现中低压电力采集信息的共享。但是，唯一一类连接中低压线路的电气设备——配电变压器却对中、低压电力线信道具有很强的阻隔作用，限制了其网络互联，并且阻碍了电力线通信的广泛应用。人们曾试图将中、低压耦合器直接相连，构成“无源桥接器”，完成信道的互联。然而，由于中低压电力线信道的频率特性、噪声特性等都存在很大差异，导致通信效果并不理想。基于这一实际问题，在充分测量、分析实际中低压电力线信道特性的基础上，本文提出了一种适合中低压电力线互联通信的实时信道均衡算法。

1 电力线信道特性测试与分析

电力线信道特性是影响其通信质量的主要因素之一。为了可靠地实现中低压电力线互联通信，需要首先弄清楚同一台配电变压器10 kV侧与220 V侧的信道特性。为此选取了临汾市县底变电站599中压电力线通信配网自动化示范线路进行了多天的连续观测。考虑到中压电力线通信对传输距离的实用要求，信道特性测试频率范围为40 kHz～500 kHz。如图1所示是信道传输特性测试方案图。

测试点1是10 kV母线出口处，测试点2是某配电变压器，两者相距约2 km。采用ZY5111A/B线路电平自动测试系统，对线路的传输特性进行了测试。在测试点1用ZY5111B信号发生器通过中压耦合器向10 kV线路注入0 dB(约0.775 V)频率间隔为1 kHz的正弦扫频信号。在测试点2用ZY5111A电平表同步测量线路的接收电平。测试时，若将断路器断开，则桥接器低压侧线路断开，测量结果实际上是本段中压线路的信道传输特性；而若将其闭合，则相当于接入了220 V低压线路，测量接入低压线路后的信道特性。

图1 电力线信道特性测试方案图

中压电力线信道传输特性如图2所示(同一点相隔3天时间)。可以看出，线路特性基本稳定，这与参考文献[1]的结论基本是一致的。而接入低压线路后的信道特性如图3所示(同一点相隔1 h)。可以看出，接入低压线路后，信道衰减普遍增加5～6 dB，信道特性的时变性更加突出，选择性频率衰落点随时间发生变化，且不同频率的衰减变化呈现一定的随机性。但相对于通信传输的信号间隔而言，接入低压线路后的电力线信道仍然可以视为慢时变信道。

图2 相隔3天同一点的中压信道传输特性

图3 相隔1小时同一点接入低压电力线后的信道传输特性

因此，为了提高信道桥接后的通信可靠性，在低压接收侧通过引入实时信道估计和均衡技术是十分必要的。下面将结合电力线信道特性，重点分析一种适合于多载波通信方式的信道实时均衡算法。

2 实时信道均衡算法

本文采用的信道实时均衡算法属于改进的判决反馈均衡算法。该算法实时性高，且信道均衡可以跟踪信道的变化，信道均衡性能良好。

2.1 均衡器的组成

图4所示为判决反馈信道均衡器组成框图。设yl(n)(n=0,1,…，N-1)是接收端接收到的第l组数据块；hl(n)(n=0,1,…，N-1)是信道的离散冲激响应，vl(n)(n=0,1,…，N-1)是信道的离散噪声，若此时对应的发送数据块为xl(n)(n=0,1,…，N-1)，则：

图4 信道均衡组成框图

对于OFDM系统，为了在接收时消除码间干扰，通常在发送数据时增加循环前缀，将线性卷积“*”转化为循环卷积“⊗”，以便于快速傅里叶变换[2]。

对yl(n)求离散傅里叶变换DFT，则:

2.2 信道均衡中的SIFT算法分析

为了快速实现信道均衡，傅里叶变换的实时性至关重要。传统FFT算法，在计算过程中数据延时大，占存储空间多，寻址时还需要考虑数据位倒序等问题，降低了实时性[3-4]。本文采用了一种改进的离散傅里叶变换算法SIFT，在采集到每个数据后，可立即计算并更新傅里叶系数，不需要额外的存储器，能够实现计算“0”延时，数据采集完立即输出全部傅里叶变换系数。算法的基本原理如下：

由DFT的计算公式：

将其写成矩阵形式为：

其中：X=[X0,X1,…XN-1]，x=[x(0)，…x(N-1)]

为了便于理解算法的即时性，将式(5)展开并写成方程组的形式如下：

由式(6)中，所有系数xi的第一部分分量都是由第一点采样数据x(0)产生的贡献。同样，第二部分分量也都是x(1)产生的贡献；依次类推。显然，只要采集了第1点数据，就可开始计算Xi的第一部分分量；只要在第2个采样数据到来之前，计算完并存储系数的中间结果，即可在第2点数据到来时，开始计算第二部分分量，且实时更新原来的存储系数。依照上述过程，直到第N-1点数据到来时，所有的系数xi就全部计算完成，并由此计算出信号的功率谱和相位谱。

此外，SIFT的另一个突出优点是：可动态设置任意采样点个数，这样该算法将特别适合于任意子载波数的多载波调制信号的谱估计。

2.3 信道均衡中的判决反馈算法分析

尽管电力线信道具有时变性，但由于信道的时变速度远远低于信号两相邻符号之间的传输速率，因此在两相邻符号时间间隔里，信道可以认为是平稳的。基于这一客观存在，判决反馈均衡算法的思想是：使用前一时刻信道接收信号计算得到的信道估计值去均衡下一个接收信号，形成一个闭环反馈判决与均衡系统。由于该方法不需要额外增加导频信号，且能够进行连续信道估计和均衡，大大提高了算法的实时性。算法的流程如下：

(1)信道估计与均衡初始化

首先发送两个符号的训练序列(即l=0,1)，由于训练序列的频谱Xl(k)(l=0,1)是已知的，利用接收端接收到的输出序列Yl(k)(l=0,1)的信息即可得到信道的初始估计值l(k)(l=0,1)。

对于信道估计与均衡初始化需要说明如下两点:信道噪声对信道估计值是有一定影响的，为了准确得到估计值，信道估计与噪声抑制同步进行，噪声抑制这里不再赘述;在实际应用中，训练序列可以结合通信协议，利用电力数据传输时采用的主从应答机制，由主机发起信道估计和均衡，此时，只需要主机将训练序列并行加载到各子载波上即可。

(2)判决反馈更新信道估计值

完成初始化后，就可更新信道估计值了。该算法利用已判决的反馈信号来跟踪时变信道，再利用估计的信道来判决接收信号。该方法是在频域里完成的，其优点是不需要解调出发送信息的原始信息，通用性强。

令H^l(k)表示通过使用第l块信号得到的信道估计值。由H^l-1(k)补偿接收到的第l个符号Yl(k)，估计出发送信号Xl(k)的估计值X^l(k)，其中H^l-1(k)是由接收的第l-1个符号估计得到的，即：

通过采取一定的频域软判决，抑制X^l(k)中的过大或过小的奇异频率分量，输出最后的发送信息估计值X→l(k)。则信道的估计值为：

由于上述过程构成了一个闭环系统，因此称为反馈判决信道估计与均衡。需要说明的是,当信道遇到快速衰落时，估计和均衡性能会下降。这时可采用对相邻子载波或连续多个信号的信道估计值加权平均，以降低估计方差，缓解均衡性能的下降[6-7]。

3 仿真实验及分析

3.1 实验方案

为了证明算法的有效性，通过Matlab建立了仿真实验平台，如图5所示。

图5 Matlab仿真实验平台

3.1.1 仿真信道模型和噪声模型说明

基于第2节信道实时测量数据，建立模拟信道的FIR信道模型。由于第2节数据实际上是信道传输特性的幅频响应，即|H(k)|，数据失去了相位信息，在建模时，为不失一般性，假设信道具有线性相位。这样很容易基于FIR系统的频率抽样法建立电力线仿真信道的模型[8]，这里重点建立了中压电力线信道模型和带有低压线路的中低压互联电力线信道模型。关于噪声模型，本文直接采用了参考文献[1]提供的噪声数据，限于篇幅，不再赘述。

3.1.2 信道调制方式及参数

为了分析方便，选用了OFDM调制方式。设信号直接以基带形式在电力线信道上传输，电力线信道可用频带为40 kHz～500 kHz，根据奈奎斯特采样定理，IFFT输出的采样频率fs=1 024 kHz。取子载波数N=128，则码元间隔T=N/fs=125 μs，频率分辨率为Δf=1 024/128=8 kHz，取保护间隔Tg=5 μs，则总的OFDM码元周期Tu+Tg=130 μs。由FFT性质可知，由于数据具有共轭对称性质，因此实际上只有一半的子载波加载了数据,去除低于40 kHz的5个子载波，实际使用的子信道数Nu=59，总的符号率为R=Nu/Tu≈454 kb/s。

3.2 仿真结果分析

为了验证算法的有效性，本文首先对中低压电力线信道直接通过无源耦合器连接后的OFDM解调进行了仿真，测量了不同信噪比情况下的误码特性，如图6带“□”标记所示曲线，从该曲线可以看出，在信噪比低于10 dB时，接收误码率较高。然后，对增加了均衡算法后的OFDM解调效果进行了仿真，如图6带“o”标记所示曲线。由图6可以看出，增加判决反馈均衡器后OFDM解调误码率比未接入判决反馈均衡器而直接解调时有明显的下降，大约改善信噪比5 dB～6 dB。特别是在低信噪比情况下，接入判决反馈均衡器后，接收性能改善效果更加突出。

图6 两种情况下不同信噪比时的解调误码率

通过对实际中低压电力线信道互联特性的测量表明，电力线信道都存在较为严重的频率选择性衰落点。受低压负荷变化较快等因素的影响，通过桥接器连接低压线路后，信道衰减普遍增加5 dB～6 dB，同时线路的信道特性伴随较强的时变性。为了提高桥接后的通信可靠性，在低压接收侧引入实时信道均衡是十分必要的。

针对中低压信道互联时信道慢时变特点，本文提出了一种判决反馈均衡算法。其思想是基于SIFT快速傅里叶变换算法快速估计出信道接收频谱，然后根据信道的慢时变特性，利用当前的接收信道频谱特性结合前一时刻的信道特性，估计出当前的信道均衡值，构成了一个闭环反馈环节。由于该算法实时性高，且信道均衡可以跟踪信道的变化，信道均衡性能良好。仿真实验证明了算法的有效性。

[1]谢志远,刘倩,郭以贺,等.三相架空电力线上载波信号的传输规律[J].电力系统自动化,2012,36(5):57-60.

[2]皇甫堪,陈建文,楼生强.现代数字信号处理器[M].北京：电子工业出版社,2003.

[3]ANTONIO C,VALENTINA C.Simulation and laboratory experimental tests of a line to shield medium-voltage power-line communication system[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2011,26(4):2829-2836.

[4]Li Ye,LEONARD J.Robust channel estimation for OFDM systems with rapid dispersive fading channels[J].IEEE Transactions on Communications,1998,46(7):902-915.

[5]吕海峰,郭静波,王赞基.电力线正交频分复用通信的实时信道估计[J].电力系统自动化,2003,27(9):29-31.

[6]唐良瑞,张勤,张平.正交频分复用系统中基于迭代插值的低压电力线信道估计[J].中国电机工程学报,2010,30(1):98-102.

[7]谢志远,耿烜,侯思祖.基于判决反馈的正交频分复用低压电力线通信信道估计的研究[J].中国电机工程学报,2005,25(23):66-70.

[8]谢志远,杨星,贡振岗,等.中压配电网载波通信调制解调技术研究[J].电子技术应用,2013,39(2):93-95.