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应用频谱扩展技术电力线通信

牛东文¹，张宝慧¹，梁东¹,z.qBo²和A.Klimek²

¹西安交通大学电气绝缘与电力设备国家重点实验室

西安,中国

ndw05044050.xjtu@stu.xjtu.edu.cn

²AREVA Tamp;D Automation，英国，斯塔福德，英国zhiqian.bo@areva-td.com

摘要：本文在分析电力线信道特性的基础上，首先建立了电力线信道模式。然后，阐述了频谱理论及其主要性能指标。最后，利用MATLAB/Simulink软件，采用电力线信道模式，建立了直接序列扩频通信系统。仿真结果表明，频谱扩展技术可以应用于电力线通信中。

关键词：电力线通道特性;扩频;电力线通信;误比特率;模拟

一、简介

电力线通信(PLC)是电力系统特有的基本通信手段，是指利用现有电力线通过载波传输高速模拟或数字信号。利用电力线作为网络接入解决方案，我们可以利用现有的配电网进行通信而不需要重新布线，并且电力线网络分布广泛，接入方便，允许用户共享宽带。因此，PLC宽带接入技术具有独特的优势，已成为解决宽带网络“最后1公里”问题的最具竞争力的技术之一。

电力线作为一种通信介质，其噪声源数量众多，其变化非常大，其阻抗是时变的，同时存在多径效应。特别是在高频情况下，电力线受到的干扰更为严重。因此，我们必须了解电力线信道的基本特性，然后研究一套适用于电力线通信的现代技术，以便更有利于在现有电网中使用电力线载波通信。

扩频通信具有抗干扰能力强、误码率低、隐蔽性好、截获率低、保密性高等优点。否则，它可以实现具有随机位置容量的码分多址通信，并具有良好的抗多径干扰性能。

二、电力线信道特性

由于低压电力线是用于发送50赫兹的电力电力设备，它不是为通信而设计的。因此，在许多方面，其身份难以直接满足载体通信的要求。因此，需要对通道特性进行详细的分析。

电力线信道的主要特性包括时变阻抗、噪声(包括背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声)、衰减(包括耦合衰减、线路衰减和特定频率选择性衰落)和相移。为了建立实用的电力线信道模型，需要实际的噪声分布函数。

通过实验测量和分析，我们发现在时域内，有色噪声带的窄带噪声功率谱密度基本服从中上分布，而在白噪声谱带内呈高斯分布。因此，在白噪声部分，我们可以学习高斯白噪声理论来分析低压电网的噪声，从而方便了电力线信道模型的建立。在频域内，可以根据噪声的实际形状建立相应的模型。虽然不同网络噪声模型的形状可能不同，但其参数仍受中上分布的影响。因此，我们认为对于我们正在研究的低压电力线信道噪声模型，采用子带Nakagami-m分布或高斯分布是合适的。

Nakagami-m分布和瑞利分布相似性,当m = 1, Nakagami-m分布退化瑞利分布但单边高斯分布m = 0.5时,也为了促进仿真和实际的最佳逼近,在电力线信道的仿真模型,我们主要使用高斯白噪声信道和瑞利噪声(高斯白噪声模拟电线的背景噪音,瑞利噪声模拟电力线的脉冲噪声)作为电力线信道的近似信道。

三、扩频理论与关键性能指标

扩频通信的基础是信道编码理论和香农信息论的抗干扰理论。

香农信息理论告诉我们,在高斯信道,假设发出信号的平均功率,信道干扰是高斯白噪声,其权力是N,和信道带宽是W,然后我们可以发现一个编码系统可传输的二进制数字信号与速度(信道容量,比特/秒)

（1）

但错误率可以是任意小的。

如果我们认为利率C和零误差的系统传输信息是理想的系统,通过上述定理的演示,我们可以知道任何有限长度的编码过程不能达到理想的性能,但我们可以达到任何近似理想的性能通过增加代码长度。随着逼近程度的增加，可以得到如下结果:

1)二进制信息传输速率方法；

2)误码率接近0；

3)被测信号近似白噪声的统计特性；

4)阈值效应会变得非常明显。即当干扰小于设计值，或信噪比大于系统设计值时，误差概率接近于0；但如果干扰大于系统的设计值，误差的概率将急剧增加；

5)接收和发送设备的编解码延迟将无限期增加。

从（1），我们可以得到

（2）

然后可以得出

（3）

式（3）描述了两个最重要的概念:一是在一定信道容量的条件下，我们可以降低发射信号的功率，增加信道带宽来接近增加信道容量的要求;另一种方法是在降低带宽的同时增加信号功率，以达到要求。

扩频通信有两个重要的性能指标,即:

1、处理增益Gp，即扩频增益，定义为扩频前信号带宽(DF)与扩频后信号带宽之比

扩频(W):

（4）

2、抗干扰能力，是指扩频通信系统正常工作条件下的最大干扰，定义为:

（5）

解调后的扩频通信系统中,扩频通信接收机只提取相关信息的伪随机代码,DF是谁的带宽,但排除外部干扰,噪声和其他用户的影响广泛的带宽w .因此,处理增益的医生反映了扩频通信系统的信噪比的改善程度。

式(5)中，为抗干扰能力，为扩展增益，是在能够正确解调信息数据的条件下所需要的最小信噪比，为接收系统的运行损耗。

四、DSSS仿真

A. m序列仿真系统

通过Matlab函数得到n = 8的所有原多项式，即:

我们选择第一个组成一个反馈移位寄存器系统来生成周期为255(或)的m序列，如图1所示。

B.直接扩频通信系统仿真模型

基于Matlab / Simulink，建立了直接序列扩频系统仿真模型，如图2所示。

仿真结果分析

图3为m序列相关函数的仿真结果。在这个仿真中，我们使用了255个m序列的周期，所以我们可以看到，序列在周期点255有很强的自相关，但是在其余的点上有接近于零的互相关特征。实际上，m序列的互相关值越小越好。

在图2中，我们将信噪比设为-20dB，错误率计算后的显示结果为0.005。仿真结果表明，在没有误差控制编码的情况下，通过-20 dB(Es / No)的传输环境，扩频系统的误码率可以达到0.5%。可以看出，扩频系统具有良好的抗干扰性能。

另外，我们使用Motel Carlo方法对直接扩频系统进行仿真，结果如图4所示。从图中可以看出扩频系统在不同幅值单频干扰下的误码率性能。

图1 m序列生成仿真系统

图2 直扩通信系统的仿真系统

图3 m序列的相关性

图4 DSSS在不同幅度单频干扰下的BER性能

五、结论

本文分析了电力线信道特性，建立了相应的信道模型，并对该模式下的直接扩频通信特性进行了仿真。仿真结果表明，直接扩频系统可以应用于电力线通信中，相关结果具有一定的参考价值。

参考文献

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