基于BPSK的低压电力线载波通信系统研究

刘科满 邓炜昱 李利品 高国旺

摘 要： 电力线通信技术是利用电力线传输数据或信号的一种通信方式。针对低压电力线通信易于受到用电设备的启停、切换和负载变化产生噪声的问题，详细分析了低压电力线的噪声源的种类、噪声的频谱特征和噪声模型，构建了一种以240 kHz正弦信号为载波低压电力线通信系统，设计了基于Kasier窗函数的带通滤波器，分析了BPSK解调算法，并对BPSK接收性能进行了分析。仿真和实测结果表明，在信噪比为-15 dB时，设计的BPSK调制解调器的误码率约为0.3%。

关键词： 二进制相移键控； 噪声源分析； 载波通信； 噪声模型； 调制解调器； 带通滤波器

中图分类号： TN915.853?34； TM73 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）07?0016?05

Research on BPSK?based carrier communication system of low?voltage power line

LIU Keman， DENG Weiyu， LI Lipin， GAO Guowang

（MOE Key Laboratory of Photoelectric Logging and Detecting of Oil and Gas， Xian Shiyou University， Xian 710065， China）

Abstract： The power line communication （PLC） technology is a communication mode to transmit the data or signal by means of power line. Since the low?voltage power line communication may suffer from the influence of the noise generated in the process of start/stop， switching and load variation of electric equipment， the noise source variety， noise spectrum characteristic and noise model of the low?voltage power line communication are analyzed in detail. A low?voltage power line communication system taking 240 kHz sinusoidal signal as the carrier wave is constructed. The band?pass filter based on Kasier window function is designed. The binary phase shift keying （BPSK） demodulation algorithm and its receiving performance are analyzed. The simulation and actual measured results show that the bit error rate of the designed BPSK modem is about 0.3% when the signal?to?noise ratio is -15 dB.

Keywords： binary phase shift keying； noise source analysis； carrier communication； noise model； modulator?demodulator； band?pass filter

0 引 言

电力线通信（Power Line Communication，PLC）是指传输电能的电力线传输数据、话音信号、视频、网络数据的一种通信方式，已广泛应用于楼宇自动化、智能家居、远程抄表等领域。然而低压电力线的主要功能是传输50～60 Hz电能，不同于双绞线、光纤、同轴电缆等通信介质，并未专门考虑高频数据传输设计，因此作为通信信道有其自身的局限性，特别是工作在电力线上的各种用电设备的启停、切换、变化等会引起电力线信道的噪声剧烈变化，易导致数据传输变得极不可靠。因此，选择合适的低压电力线载波通信方式、合理地设计滤波器以及最大化地降低电力线噪声干扰对通信的影响已成为电力线载波通信技术的研究热点和难点。

国内外对于电力线通信的调制方式领域的研究重点主要集中在窄带电力线通信和宽带电力线通信技术。一般认为，窄带电力线的通信速率小于1 Mb/s、带宽限定在3～500 kHz；而宽带电力线的通信速率为2～20 Mb/s。目前，国内外对低压电力线载波通信技术进行的研究主要集中在BPSK，BFSK，DSSS技术、线性调频Chirp技术、扩频通信技术和OFDM技术等。国外已有多家公司推出了电力线载波Modem芯片，如SGSTHOMSON公司的ST75xx芯片，HELON公司的PL3120芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。国内也有部分公司推出了电力载波芯片，如东软的ES16U系列芯片、福星晓程的PL3105芯片等。这些芯片大都选择了BFSK和BPSK调制方式，在很多应用场合BFSK已经被2DPSK或4DPSK所代替。文献[1?2]研究了极端噪声环境下电力线上的FSK和PSK调制方法，认为这种调制方式较为适合低速率下的电力线通信；文献[3]指出即使在同一栋住宅公寓大楼，其平均噪声水平在24 h 内的变化也可高达6 dB。BPSK是一种常用的数字调制方式，在给定误码率的情况下，信噪比要比2ASK和BFSK低3 dB左右，由于其实现相对容易，抗干扰能力和抗衰落性能也比较强，因此在电力线载波通信中被广泛采用。

综上所述，国内各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术选择出各自的电力线载波调制方式，然而这些方式都存在传输速率相对较低的问题。针对低压电力线的噪声影响数据通信的问题，本文在详细分析低压电力线噪声特性和频谱特征的基础上，提出采用240 kHz为载波中心频率，传输速率为9 600 b/s的BPSK调制方式，设计了基于Kasier窗的带通滤波器和解调算法，并分析了BPSK的接收性能。

1 低压电力线噪声源种类及特性

低压电力线的传输环境不同于其他通信信道，它的网络结构复杂，连接的负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声不能简单归结为加性高斯白噪声（AWGN），而应根据不同的噪声源进行具体分析。Vines等人分析了电力线的主要噪声源，并大致分为以下几类[4?8]：

1） 50 Hz工频噪声及与其同步的周期性噪声

主要由硅控整流器及一些电源产生，重复频率一般为50 Hz，150 Hz，250 Hz等；其噪声峰峰值可达4 V，功率谱最大值达11.3 dBm。

噪声源有计算机、空调等用电设备。

2） 电力线背景噪声[7]

主要由各种低功率的小型家用电器产生的噪声源，一般可认为其服从高斯分布。这种噪声在频谱上表现为连续谱，相对平坦。

式中：分子[B（z）]表示移动平均部分；分母[Az]表示自回归（Auto?Regressive，AR）部分。

3） 随机脉冲噪声

各种电网上负载（如变频器、机床等中大型设备）的接入、断开、启停等操作会产生脉冲噪声，这些噪声的主要特点是随机性出现，低频段的功率谱密度较高频段噪声严重。

4） 非同步周期的窄带噪声

一般由中、短波广播所引起，随时间发生变化，可用[N]个独立的正弦函数叠加来描述。如电视机、显示器等视频信号的扫描频率对电网的干扰等。

[N窄带噪声（t）=i=1NAitcos（2πfit+?i）] （3）

由于电力线负载种类繁多，开关、启停等多种情况随机且复杂，导致电力线上的信道噪声干扰种类较多、特性相当复杂，信道环境相当恶劣。因此很难建立一个准确的数学模型来模拟低压电力线信道特征，通过对采集到的大量的电力线噪声分析，认为在150 kHz以上电力线的噪声水平相对较低，因此在选择载波频率时必须大于150 kHz。

2 电力线BPSK调制与信号提取算法

2.1 低压电力线BPSK调制解调的原理

低压电力线BPSK调制的原理是保持载波信号的频率和幅度不变，利用载波相位的变化来传递信息。其中，相位0和相位[π]分别代表“0”和“1”，则电力线载波信号的时域表达式为：

[eBPSKt=Acos2πfct+0，发送′0′Acos2πfct+π，发送′1′] （4）

BPSK信號的产生方法有两种：一种可以采用双极性基带信号的模拟调制电路来实现；另一种可以采用键控法来实现，即在二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对载波信号和载波信号相移相位[π]后两个不同的信号进行选通，使其在一个码元周期[Ts]期间输出相位0或相位[π]两个载波之一。

图1给出了低压电力线载波原理框图。传感器采集用电数据，底层的微控制器STM32采集到的数据以BPSK方式进行调制，并进行D/A转换和功率放大后加载到低压电力线上，实现对BPSK的发送；在接收端，通过耦合变压器将电力线上含有240 kHz的载波信息进行提取，经过自动增益控制放大器、A/D转换、带通滤波器、相干解调、低通滤波器和判决器后输出，将数据透传至上位机。

选择键控法产生DBPSK信号。需要说明的是，由于BPSK信号在载波恢复过程中存在着[180°]的相位模糊，即可能存在载波与所需的相干载波同相，也可能反相，造成判决器输出时的数字信号全部出错，即出现“倒[π]”现象。因此在实际使用过程中，采用DBPSK调制方式，克服“倒[π]”现象。该方法利用前后相邻码元的载波相位变化传递信息。

选择相干解调法来实现低压电力线载波信号的解调。其中，同步载波信号一般采用Costas环法跟踪信号的频率和相位，而在电力线载波系统中，由于已知发射的载波频率，且在电力线传输过程中，载波的频偏很小，因此本文采用软件产生同步载波信号进行同步。

2.2 低压电力线载波方式及载波频率的选择

目前常用的电力载波芯片工作方式一般有FSK模式和PSK两种模式。根据前面的分析，由于电力线噪声分布较为复杂，带宽较宽，合适地选择载波频率就变得极为重要。国外专家学者根据电力线噪声源的种类及其谱特性，制订了不同的载波频率标准。欧洲地区电网 （400 V/230 Vac）的标准频率范围为9～150 kHz；而北美地区电网的标准频率范围为100～450 kHz。国内东软公司的ES16W芯片的载波频率为270 kHz，传输速率为1 200 b/s。因此，本文构建了一个电力线噪声采集装置，收集了不同时段办公楼内的电力线噪声数据，在大量分析了电力线噪声特性的基础上，本文选择的采样频率为9.6 MHz，载波中心频率为240 kHz，传输速率为9 600 b/s。之所以选择BPSK方式是由于其在抗噪声性能方面优于BFSK调制方式。

2.3 带通滤波的阶数估计与设计

在实际的低压电力线作为载波通信信道时，由于各种负载、用电设备及外界都将引起大量的噪声，严重影响载波通信性能，因此滤波器的设计就变得极为重要[9]。在窄带通信中，基本上可以归结为谐振电路的设计；在宽带通信中，滤波电路便是一个带通滤波器。根据对电力线上的噪声分析，可以看出，低压电力线信道特性复杂，噪声干扰强，信道衰减大，噪声覆盖频率范围广。考虑到设计资源的限制，应尽可能地降低滤波器的阶数。根据分析，确定滤波器的中心频率为240 kHz，滤波器带宽为20 kHz，则根据文献[1]，滤波器的阶数可以用式（5）进行估计：

式中：[δ1]为通带纹波；[δ2]为阻带纹波；[Δf]为归一化的滤波器带宽。

假设滤波带宽为230.4～249.6 kHz，带宽为19.6 kHz，阻带纹波为6 dB，根据式（5）估计出滤波器的阶数[M]为42阶；而阻带纹波为20 dB时，估计得到的滤波器阶数为89阶；考虑到滤波器设计采用FPGA资源来设计，为了使得硬件资源消耗最小，降低制作ASIC硬件的成本，本文选择32阶FIR滤波器。

2.4 电力线BPSK性能分析

假设在一个码元周期内，观测到的合成信号为：

式中：[n（t）]为电力线噪声，此处假设电力线噪声是均值为零的加性高斯白噪声。由于[nt]经过带通滤波器，则可视为输出窄带高斯噪声，即：

则式（8）可表示为：

经过相干解调和低通滤波器后，抽样判决器输入波形为：

若假设[nct]是均值为0、方差为[σ2]的高斯噪声，则其一维概率密度函数为：

发送“0”时：

当噪声为高斯噪声时，最佳检测门限th为0，则采用相干检测法时，BPSK的误码率为：

式中信噪比[SNR=A22σ2]。

当发射信号较强或者信噪比较大，即[SNR?1]时，式（14）可近似为：

以上分析是基于电力线噪声为高斯噪声的假设进行分析的，而实际的电力线噪声异常复杂，很难用单一的高斯分布来进行假设，但是采用高斯假设可以近似地判断低压电力线的性能。文献[10]等采用不同的分析方法分析了不同噪声类型下的误码率情况，此处不再赘述。

3 电力线载波BPSK仿真实验

为了验证基于BPSK调制方式的电力线载波的性能，分别进行了Matlab仿真实验和实际的硬件平台测试。选择采样频率[fs=9.6 ]MHz，载波频率[fc=]240 kHz，码元速率[fb=]9 600 b/s；为了便于观测，选择码元长度[N=8]。带通滤波器中心频率为240 kHz的32阶FIR滤波器，窗函数选择Kasier窗；低通滤波器为24阶的FIR滤波器。

3.1 电力线载波BPSK仿真实验

假设基带信号为：0 1 1 0 1 0 1 0，码元信号“0”用240 kHz正弦信号的“0”相位表示，码元“1”用240 kHz的“[π]”表示，则BPSK码元信号“0”、码元信号“1”以及该序列的调制信号如图2所示。

為了验证BPSK信号在电力线信道中的传输性能，分别仿真了不同噪声情况下的BPSK信号性能，此处假设噪声为高斯白噪声，信噪比SNR=5 dB。本文选用相干解调法进行解调，其中本地载波同步信号利用软件产生。相干解调与经过低通滤波器的波形如图2所示。其中图2a）为电力线噪声加信号波形；图2b）为32阶带通滤波后波形；图2c）和图2d）分别给出了相干后波形和低通滤波后的效果。可以看出，通过设计合理的判决门限，就可以获得基带信号。

需要说明的是，带通滤波器是BPSK系统设计的一个关键环节，其参数设计的优劣直接关系到后续处理的复杂度。滤波器阶数越高，性能越好，但在后续的ASIC电路设计所需的资源就越多；如果滤波器阶数较低，所需的资源较少，那么性能就会下降。本设计在权衡滤波器阶数、通带增益、阻带衰减以及3 dB带宽的基础上，选择32阶FIR带通滤波器，窗函数选择Kasier窗。

3.2 电力线噪声数据采集及对通信系统的影响分析

电力线噪声是影响电力线载波通信的重要因素。为了便于分析电力线的噪声特性，构建了一个基于NI 5529采集卡和LabVIEW软件的电力线噪声采集装置，用于分析电力线噪声数据。图3给出了实际采集电力线噪声的实物图。先后在办公楼、实验室等不同环境下采集大量的电力线噪声数据，并初步对采集数据进行分析。分析结果如图4所示，载波频率为240 kHz的信号较强，但在噪声谱中叠加了一个20 kHz的高频谱及其谐波谱，发现这是一种电气设备产生的谐波频率。

为了更进一步分析电力线载波通信的效果，对大量的电力线噪声进行分析，并采用蒙特卡洛方法进行大量的仿真。仿真结果表明，在信噪比为-15 dB时，BPSK的误码率约为0.3%。通过构建FPGA测试平台，在实际的电力线上测试，误码率略有提高，不同时段的误码率有所不同，约在1%～3%，出现这种情况的原因主要是由于电力线的噪声导致误码率有所上升。

4 结 论

低压电力线作为数据通信的信道时，受各种电气设备的影响，其信道特性并不理想。在详细分析低压电力线的噪声特性和频谱特征的基础上，本文提出采用240 kHz为载波中心频率、传输速率为9 600 b/s的BPSK调制方式，在没有综合编码技术的条件下，仿真和实测结果表明，采用BPSK调制方式可简化接收机的设计，能较好地抵抗电力线随机噪声等引起的信号波动。在信噪比为-15 dB时，设计的BPSK调制解调器的误码率约为0.3%，可实现低压电力线的有效传输。

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