基于电力线通信背景噪声的SOQPSK调制方案性能分析*

董晓明，王永建，刘涛，江虹

(1．西南科技大学信息工程学院，四川绵阳6210101；2．国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京100029；

3.中国石油大学地球物理与信息工程学院，北京102249)



基于电力线通信背景噪声的SOQPSK调制方案性能分析*

董晓明1，王永建2，刘涛3，江虹1

(1．西南科技大学信息工程学院，四川绵阳6210101；2．国家计算机网络应急技术处理协调中心，北京100029；

3.中国石油大学地球物理与信息工程学院，北京102249)

摘要：针对恶劣的电力线通信信道环境，研究适合于该信道传输的调制与解调方式是电力线通信的研究热点之一。提出了一种基于整形偏移正交偏移键控(SOQPSK)的调制解调方案。在详细介绍SOQPSK调制技术原理和特点的基础上，分析了SOQPSK调制技术的频谱特性及其在电力线通信中的优势，并利用MATLAB软件和常用的FSK、QPSK、DPSK进行对比仿真，仿真结果表明SOQPSK调制技术在相同误码率下，信噪比要比FSK、QPSK、DPSK提高3-5dB,且具有良好的频谱效率、功率效率和抗非线性特性，在未来的电力线通信系统中具有较好的应用价值。

关键词:电力线通信SOQPSK背景噪声误码率功率谱密度

0引言

低压电力线通信是采用低压电力线作为通信介质来传送数据的一种通信方式。相比于其他的有线通信介质而言，它具有接入方便、无需布线、建设速度快、分布范围广、建设成本低等优点。目前因为其在智能电网、智能家居等方面的应用前景而受到了专家学者们的广泛关注，同时也是目前解决“最后一公里”的最佳选择方案之一。

低压电力线最初的设计是用来传输50 Hz电流信号而不是用于数据通信，因此该信道并不是十分理想的通信信道。在进行高速数据传输时，电力线信道呈现出频率选择性衰落、输入阻抗变化大、噪声干扰严重及信号衰减等特性，严重影响了通信性能。调制解调技术对于提高通信可靠性起着关键性的作用，为了适用于电力线通信，调制解调技术需要具有频谱利用率高、误码性能好、已调信号包络稳定、易于实现调制解调、通信设备简单等几方面的优点。因此通过综合考虑和权衡，本文提出了基于SOQPSK的低压电力线通信系统方案。

目前国内主流窄带载波通信芯片产品所采用的基带调制方法如下：青岛东软为FSK、北京福星晓程为DPSK、青岛鼎信为二进制连续相位移频键控、上海弥亚微为QPSK。每一种调制方案都有它们自己的优缺点。本文主要研究基于电力线背景噪声的情况下，SOQPSK调制技术的性能，并和FSK、DPSK、QPSK进行有效性和可靠性方面的对比。

1噪声特性分析与建模

1.1噪声分类

低压电力信道上的噪声来源于接入到其中的各种用电设备产生的传导噪声、雷电等自然现象产生的浪涌电压、无线电通信设备产生的电磁干扰以及由电力线自身特质产生的热噪声等，它是众多噪声源的非线性叠加，因而将电力信道噪声笼统地归结为加性白噪声(AWGN)并不准确。

噪声的分布与地点、时间和接入电网用电设备的阻抗特性等密切相关。根据电力线信道的噪声源进行具体的分析，文献[3-4]认为在低压电力线信道内共有五类噪声存在，分别是：有色背景噪声、窄带噪声、与工频异步的周期性脉冲噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声和随机脉冲噪声。通常将有色背景噪声、窄带噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声归纳为背景噪声，背景噪声时变性弱，始终存在于信道上。将与工频同步的周期性脉冲噪声和随机脉冲噪声归纳为脉冲噪声两类。本文的分析与研究主要基于背景噪声。

1.2背景噪声建模

假设信号模型可以用P阶差分方程来描述：

y(n)+a1y(n-1)+…+apy(n-p)=x(n)+b1x(n-1)+…+bqx(n-q)

(1)

式中：x(n)是零均值、方差为σ2的白噪声；y(n)是所要研究的随机序列。

当ai=0(i=1，2，…，p)时，该模型称为滑动平均模型(MovingAveragemodel，MA)；当bi=0(i=1，2，…，q)时，该模型称为自回归(Autoregressive model,AR)模型；否则即为混合自回归-滑动平均(Mixed Autoregressive-Moving Average model, ARMA)模型。

由Wold分解定理可知[5]，任何具有有限方差的ARMA或MA过程都可以表示为AR过程。即3种信号模型可以相互转化，具有普遍适用性，由于低压电力线信道的背景噪声幅值较小，是众多噪声源叠加后的宏观结果，具有循环平稳特性，可以看做是一个平稳的随机过程。

图1背景噪声建模框图

因此其模型可简化为AR模型，背景噪声建模如图1所示。

用AR模型对低压电力线背景噪声建模的具体过程是：用具有一定方差的白噪声信号序列经过AR滤波器，通过整形滤波器然后输出背景噪声序列。AR滤波器的传递函数如下：

其中：AR模型的参数为白噪声序列的方差σ2和AR滤波器系数ak。关于AR模型参数估计的方法有许多种，包括最小二乘法、奇异值分解法、Levinson-Durbin递推算法、burg法等。

根据实际测得的噪声数据，采用奇异值分解法得到的参数为σ2=1.010e-005，ak的值见表1。

表1

AR参数数值AR参数数值AR参数数值a1-0.2332a2-0.2224a3-0.439a40.1033a5-0.1226

2 SOQPSK调制技术

SOQPSK是一种高效率的连续相位恒包络调制方式，因其具有良好的频谱效率和恒包络特性，而受到很多领域的关注。迄今为止，SOQPSK已被纳入到军事(SOQPSK-MIL)[8]和航空遥感(SOQPSK-TG)[9]标准中，并且也可以应用到所有带宽受限、恒定包络的环境中。

SOQPSK是以OQPSK和CPM调制技术为基础发展起来的一种连续相位的数字调制技术，因此它兼有CPM和OQPSK的优点。其中CPM恒包络特性使它受系统非线性功率放大器影响非常小，这使得它经带限后不会展宽频谱，而且此特性使源能量转化为发射能量的效率很高，即拥有很高的功率利用率。这样，我们对于发射机的发射功率要求也可以降低，而且CPM的连续相位特性也使得频带利用率有极大的提高[10]。

SOQPSK是连续相位调制(CPM:Continuous Phase Modulation)中的一种特殊调制方式如图2所示，其一般形式的数学表达式为[11]：

其中：h调制指数，g(t)频率脉冲，αi∈{-1，0，1}为三元序列。当调制指数h为1/2，频率脉冲g(t)为全响应矩形脉冲时，该信号为SOQPSK-MIL信号。

图2　SOQPSK的预编码CPM发射机

其中g(t)的表达式为：

SOQPSK区别于传统CPM的一个明显特征是，实际传输的三元符号集{αi}为{-1,0,1}。如图3所示，SOQPSK的调制方式采用预编码与CPM调制级联的方案，预编码输出符号集为三元符号集：

{-1,0,1}

图3SOQPSK的调制方案

SOQPSK调制作为一种连续相位调制(CPM)，因此调制信号符号间相位连续且具有记忆性，最佳检测可根据接收到的连续信号观测序列来判决。Viterbi算法是针对篱笆网络有向图的最短路径问题而提出的，可用来执行最大似然(ML)序列检测，本文用它来实现SOQPSK信号的解调。

3仿真性能分析

根据上面对电力线背景噪声特性以及SOQPSK调制原理的分析，利用MATLAB仿真工具，对SOQPSK在电力线背景噪声影响下的调制性能进行仿真并和常用的FSK、DPSK、QPSK调制进行对比分析。

图4　SOQPSK调制信号相位图

图4和图5分别表示的是SOQPSK和QPSK、DPSK调制后的信号相位图，从图中可知QPSK、DPSK信号是恒包络信号但是存在相位突变(对于QPSK信号，最大有180°的相位突变；对于DPSK信号，最大有90°的相位突变)，当它们通过滤波器成形时就破坏了其恒包络特性，而SOQPSK信号则是恒定包络且有连续相位，因此相比QPSK调制和DPSK调制，SOQPSK调制对功率放大器的非线性工作状态不敏感，功率利用率高，降低了功率放大器的成本。

图5　QPSK、DPSK调制信号相位图

图6表示的是在电力线通信信道背景噪声影响下，对比了FSK、DPSK、QPSK和SOQPSK的抗背景噪声性能，由图6可以看出在相同的电力线噪声条件下，以误码率10-3为目标，本文提出的SOQPSK调制方案要比FSK、DPSK、QPSK方案分别提高4 dB、2.5 dB和5 dB。可见在抗背景噪声方面，SOQPSK方案要优于于FSK、DPSK及QPSK方案。

图6　4-FSK、DPSK、QPSK和SOQPSK的抗背景噪声性能比较图

图7比较了SOQPSK调制技术和QPSK调制技术的功率谱密度，由图可以看出SOQPSK信号的功率谱的主瓣所占的频带宽度比QPSK信号要窄，而且SOQPSK信号功率谱的衰减速率比QPSK信号快的多，这就说明SOQPSK信号的功率主要包含在主瓣内。因此，SOQPSK调制技术有较高的频谱利用率且对邻道的干扰也较小。

图7　SOQPSK和QPSK的归一化功率谱密度比较图

4结束语

电力线信道具有恶劣的信道属性，严重影响了通信系统性能。本文提出了一种基于SOQPSK的电力线载波通信的调制和解调方案，研究分析了SOQPSK的相位图、抗噪声性能以及功率谱密度，并将该方式和传统的应用于电力线上的通信方式FSK、DPSK、QPSK进行对比，理论分析和仿真结果表明，SOQPSK调制方案不仅具有良好的抗背景噪声性能而且具有更高的频谱利用率和功率利用率以及对功率放大器的非线性工作状态不敏感，适合用于电力线信道。

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王永建(1977-)，男，研究员，主要研究方向：电力线通信、移动互联网及物联网安全。

Performance of SOQPSK over a PLC channel corrupted with background noise

DONG Xiaoming，WANG Yongjian，LIU Tao，JIANG Hong

Abstract:Aim to the bad channel environment of the power line communication, it is important to study the modulation and demodulation that suit for the PLC channel. This paper puts forward a kind of modulation scheme based on Shaped Offset Quadrature Phase Shift Keying (SOQPSK). In detail SOQPSK modulation technology on the basis of the principle and characteristics, analyzes the spectrum characteristics of SOQPSK modulation technology and it’s advantages in power line communication.By MATLAB simulation compares the performance with the commonly used FSK、QPSK、DPSK，the result show that the SNR of the SOQPSK improve 3-5dB than FSK、QPSK、DPSK under the same BER,and SOQPSK has a good spectrum efficiency 、power efficiency and resistance to nonlinear characteristic, in the future PLC system has a good application value.

Keywords:power line communication; SOQPSK; background noise; BER; PDF

收稿日期：2015-09-22

作者简介：董晓明(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向：低压电力线通信，物联网。

基金项目：国家自然科学基金(61271118)，国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA011102)。

中图分类号：TN913.6；TN911.3

文献标识码：A

文章编号：1002-6886(2016)01-0065-04