基于正交扩频序列的电力线信道衰减特性测量方法

　　摘要：针对强噪声环境下电力线信道测量难题，文章提出一种基于正交扩频序列的电力线信道衰减特性测量方法。首先对信道测量的基本原理及噪声影响进行分析，然后提出了基于正交扩频序列的信道衰减特性测量方法，该方法采用正交扩频序列作为激励信号，通过数字信号处理和峰值检测得到单个频点的衰减值，同时设计了强噪声的干扰抑制算法和基于向量的同步遍历测量策略，通过扫描得到全频段的信道衰减特性曲线;最后建立了信道特性测量仿真模型并进行了Matlab仿真。结果表明，在白噪声和典型现场强噪声的电力线信道环境下，提出的方法能够有效工作，结果明显优于传统的扫频FFT信道测量方法。

　　王贤辉; 郝伟琦; 周春良， 电力信息与通信技术 发表时间：2021-08-27

　　关键词：正交扩频序列;电力线信道;传输特性;干扰抑制

　　0 引言

　　低压电力线作为通信媒介具有应用的广泛性、牢固性和经济性等优点，早在 20 世纪七八十年代就曾经引起研究人员的注意。近几年来，随着低压电网通信需求的不断上升和相关技术的飞速发展，高速电力线载波通信日益成为国内外科技工作者研究的热点 [1-3]。然而，不同于传统的无线或有线信道，电力线信道具有衰减不稳定和背景噪声强等特点，导致通信效果受线路负载和干扰影响严重，对复杂信道特性进行测量分析是低压电力线载波通信研究的基础[4-5]。传统的信道测量方法一般通过采用发送扫描信号和接收信号频谱分析的方法，存在对信噪比要求高、易受噪声干扰和需要昂贵的仪器设备等缺点，传统的信道测量方法一般只能在接收信号频谱看得见的条件下工作[5-6]。随着居民用电需求的提升，电力线上负载、噪声的影响使得台区内电力线信道特性越来越复杂，而 HPLC 载波的大规模铺设，使得通信速率和采集频度要求越来越高[1]，现场运维的工作量极大，各种复杂电力线环境下的高效、便捷、可靠的信道测试方法成为当下研究的课题。

　　文献[7]提出了一种基于扫频信号源和高速采集卡的信道测试装置，将测试设备进行了小型化和便携式改造;文献[8-9]提出了一种名为电力线路分析器 (iPALTO)的便携式信道测量设备，但是该方法发送的宽频脉冲覆盖所有测量频段，使得单个频点发射功率有限，受噪声影响严重;文献[10]对面向复杂工况的电力线通信信道特性测量与分析，文献[11]设计和实现了一种便携式高速电力线载波信道分析模块。无线通信抗干扰研究表明，伪随机序列具有很强的抗噪声干扰和多径干扰的能力，这些特性可以应用到复杂电力线信道测试过程中，文献[12]提出了一种基于伪随机码的低压电力线信道时延测量方法，文献[13]分析了用周期 PN 序列在时域测量配电网信道传输特性的方法，给出了宽带配电网信道用周期 PN 序列在时域测量具有优越性的结论，但是基于伪随机码序列在电力线信道测量的具体方法模型和实现效果研究未见文献报道。

　　为此，本文提出一种基于正交扩频序列的电力线信道衰减特性测量方法，采用正交扩频序列提高接收信号测量的信噪比和分辨率，可以大大抵消电力线噪声的影响;采用数字相关峰检测和基于测试向量的同步遍历测量的策略，收发端可以自动同步扫描，无需额外同步设备;同时接收端也无需频谱仪等昂贵的测量设备，简便易用。本文方法能够在极低信噪比的条件下正常工作，同时对强噪声干扰具有很好的抑制作用。

　　1 信道传输特性测量的基本原理

　　1.1 传统的电力线信道测量原理

　　实验室信道特性测量一般采用网络分析仪，但网络分析仪只适用于发送端和接收端较近的测量环境，无法满足远距离现场测试。现有的电力线信道测试设备一般采用扫频 FFT 分析法进行测量，测量仪器包括信号发生器、功率放大器、耦合单元、信号放大器、频谱分析设备等。其原理是通过发送扫频信号，接收端通过 FFT 找最大值得到信道测量曲线，在进行测量时，信号发生器不断产生单频信号，单频信号经功率放大器放大后，耦合单元注入低压配电网，功率放大器可以保证输出信号的功率，减小低压电力线上的噪声对测量造成的干扰[8-9]。信号在接收端由耦合模块将工频分量隔离，从接收端取出的信号经频谱分析设备或经过数据采集卡进行模/数变换、数据采集后，注入到笔记本电脑进行 FFT 处理，从而得出载波信道的衰减曲线，电力线信道测试原理如图 1 所示。

　　1.2 噪声对电力线信道特性测量影响分析

　　由于低压电网连接众多用电设备，每种用电设备对电网的噪声污染各不相同，特别是一些开关电源设备、非线性用电设备和大功率变频设备等对电网产生的噪声影响尤为严重[14-15]。电力线噪声一般可分为：背景噪声、脉冲噪声、窄带噪声等。脉冲噪声幅值大，持续时间较短，在电力线进行数据传输时，对信号干扰最严重。复杂电力线信道的电网噪声具有周期性、时变性等特点，其频谱覆盖整个通信频段，频谱峰值点随机变化，如图 2 所示为某现场同一位置间隔 1.5 s 用 Pico 示波器采集的两帧噪声时域信号，可见其具有完全不同的信号特征，低压电网噪声给信道测量带来很大的影响。

　　传统的信道测量方法需要在一定的时间内对接收信号进行 FFT 分析，同时间段对噪声信号也进行了收集，导致有用信号被噪声最大包络值覆盖，低信噪比的测量信号无法检出，测量误差增大。随着数字信号处理技术的发展，电力线载波通信利用 OFDM 调制、ROBO 交织、TURBO 等先进的技术能够实现在较低的信噪比或强噪声干扰条件下的通信[9,16]，因此，对采用先进技术仍然通信困难的应用现场复杂载波信道问题进行分析，必须要求更准确和性能更好的信道测量分析方法支撑。

　　2 基于正交扩频序列的信道传输特性测量方法

　　正交扩频与传统的扩频相比，在相同的信息速率和系统带宽条件下具有更高的扩频增益，能够有效地压缩单次测量的时间，进一步减少多径和频偏累积带来的影响[17]。以本文选取的四进制正交扩频系统为例，I、Q 2 路扩频码元分别选取 512，2 路联合测量时总扩频增益达到 1 024，对应的信噪比提升 30.1 dB，大大提高了信道测量的动态范围和抗噪声能力。

　　正交扩频序列的信道测量工作原理是：首先根据待测信道的频率范围设置好频点、幅值等测试向量，发送端根据测试向量调制发送正交扩频序列信号，接收端接收信号并通过与本地正交扩频序列的相关计算和数字信号处理算法得到信号估计值，动态搜索信号估计值的最大值，在最大值点计算信道参数，采用接收端设计与发送端同步进行频点切换的策略机制，从而逐个频点测量得到信道在测量频段内的信道参数集，然后通过计算机进行曲线拟合和校准输出信道测量结果。为抑制强脉冲噪声对测量的影响，本文设计了一种包络跟踪限幅的干扰抑制算法，信道测量架构如图 3 所示。

　　2.1 信号处理算法过程

　　本文方法的主要数字信号处理流程如图 4 所示。

　　正交扩频信号发生器根据测试向量以一定的时间间隔依次设置调制信号的频率、幅度等参数，进行扩频序列调制：           I Q cos 2π sin 2π i i i s t A M t f t M t f t  (1)式中：Ai为发射信号的幅度;MI(t)、MQ(t)为周期为 T 的优选对扩频序列;MI(t)、MQ(t)采用不同的生成多项式保证互相关接近为 0;cos(2πfi t)为单频余弦信号，sin(2πfi t)为单频正弦信号。

　　发端输出信号 s(t)注入被测试信道输入端，接收端从被测试信道输出端接收测量信号，其输出为：                   I Q cos 2π sin 2π i i i i i r t H t s t n t H t A M t f t M t f t n t   (2)式中：Hi(t)为频率 fi 点处的待测试的信道特性函数;n(t)为信道噪声。

　　噪声干扰抑制模块对接收信号 r(t)进行噪声抑制，将处理后的接收信号 rp(t)送入变频处理单元，变频 处 理 单 元 采 用 正 交 单 频 信 号 cos(2πfi’t+θ) 、 sin(2πfi’t+θ)进行下变频，其中 θ 为接收端和发送端的相位差，这里可以认为 fi近似等于 fi’，工程实现中可以采用恒温晶振、外接卫星导航信号等措施保证二者误差小于 0.1 ppm，正交解调器输出 bI(t)、bQ(t)表示为： I I Q              1 cos sin 2 i i b t H t A M t M t    (3) Q I Q              1 sin cos 2 i i b t H t A M t M t    (4)

　　数字相关器首先采用和发送端一致的周期为 T 的正交扩频序列 MI(τ)、MQ(τ)分别对 bI(t)、bQ(t)进行滑动相关积分运算，积分周期为 T，由于相关计算测试时间很短，可以近似认为 Hi(t)在周期为 T 的相关计算时间内保持不变，即 Hi(t-T+τ)≈Hi(t)，则 RII(t)可以近似表示如下：             II I I 0 I I 0 d 1 cos d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M          (5)同理，可以获得 RIQ(t)、RQI(t)、RQQ(t)分别为：             IQ I Q 0 Q Q 0 d 1 sin d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M          (6)             QI Q I 0 I I 0 d 1 sin d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M          (7)             QQ Q Q 0 Q Q 0 d 1 cos d 2 T T i i R t b t T M H t A M t T M          (8)定义功率检测相关计算参数 P(t)为：                                            2 2 2 2 II IQ QI QQ 2 2 I I 0 2 Q Q 0 ( ) 1 d 2 d ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) T i i T P t R R R R H A M t T M M t T M t t t t t (9)式中利用 I、Q 支路的正交性，通过平方和运算消除了接收端和发送端的相位差 θ 的影响，由于 MI(t)、 MQ(t)具有良好的自相关特性，当发送端和接收端的扩频序列完全同步时(t=nT)，P(t)具有最大值 Pmax(t)，即：                 2 2 max 2 1 1 2 2 2 ( ) i i i i P H t A T H t A T t (10)此时 Hi(t)可以表示为：

　　2.2 噪声干扰抑制算法设计

　　针对周期性的背景噪声和窄带噪声，本文采用中心频率和调制信号同步的跟踪滤波方法进行滤除，而脉冲噪声幅值大，持续时间较短，对信号干扰最严重，很难通过滤波抑制，如果不采用专门干扰抑制方法，将对信道测量带来很大的影响。文献[18]中提出了基于限幅的脉冲干扰抑制方法，但是采用固定的限幅门限不能适应接收信号的大动态范围。因此，本文设计了一种动态幅值门限跟踪的限幅干扰抑制算法：         c p c c t t t t r r T r T r T (12)式中幅值门限 Tc 采用一段时间内的接收信号功率累计积分值进行平滑计算，根据计算功率值动态更新。

　　2.3 相关峰值检测算法设计

　　功率相关峰值检测模块对时间序列{t0, t1,… ti-1, ti , ti+1, …}上的 P(ti)进行最大值搜索，设定动态更新的判断门限参数 PTH(ti)，PTH(ti)可以采用下式进行计算：           TH TH 1 1 i i i P t α P t α P t (13)式中 α 为平滑系数，对 P(t)进行最大值的判定条件如下：             i i - 1 i i + 1 i TH i P t > P t P t > P t P t > βP t  max i P P t t (14)式中 β 是为了防止误检的比例系数，本文取 β=1.5，根据式(11)可计算有效的信道测量值的时间点序列 Hi(tj)。对 M 次有效的测量值 Hi(tj)进行平滑，得到平滑后的测试结果：    M / M i i j j H H t (15)

　　2.4 信道测量扫描控制过程

　　发送端根据预先设置好的测试向量 V={f0, f1,„ fi ,„fN}以一定的时间间隔 TS 进行频率切换和控制扩频调制单元进行调制发送;接收频点控制模块根据预先设置好的测试向量 V，依次对频点进行切换，如图 5 所示，切换规则为：

　　1)根据预先设置好的测试向量 V，设置单个频点的工作时间长度为 TR; 2)初始化工作在 f0，当前时间记为 t0，当收到有效的功率相关计算值 Pmax时，开始计算时间，当 t-t0>TR 时，切入 f1频点接收; 3)以上依次类推，从 f0，f1，„ fi，„fN 进行遍历。一般设置 TS>TR，以保证接收端能够提前切入下一个频点进行等待。

　　测量值平滑和校准模块将所有频率点得到的平滑后的测试结果 Hi，形成被测试信道在频段[f0, fN]的传输特性曲线向量[(f0, H0), (f1, H1), „ (fN, HN)]，最后通过计算机对测试曲线向量进行拟合和校准。

　　3 仿真模型建立和参数设置

　　3.1 电力线信道衰减模型

　　由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，高频信号在低压电力线上传输时必然会产生较大的衰减。测量分析表明，低压电力线上的衰减随着频率的上升而加大;在某些频率，衰减曲线会出现局部性峰值。根据传输线理论得出单支电力线的通用模型[9,19]，同时考虑到我国一般电力电缆所用 PVC 材料的介电常数为 4，即 vp为 c0/2=1.5×108，所以简化的通用模型为：           0 1 0 j4π / 1 e e k i i N a a f d f d c i i H f g (16)为了便于仿真，推导出时域模型为：   0 - h t     1 0 N 2 1 2π 1 e j i i i a d i a d d i c g t (17)

　　3.2 电力线噪声模型库建立

　　电力线噪声包含多种噪声分量，很难采用统一的模型进行模拟，而且不同的应用场景噪声信号完全不同，收集高速载波通信影响较大的典型台区的噪声库具有代表性意义[20]。因此，本文根据在全国多省份高速载波运维过程中采集的抄收困难台区的典型噪声，构建电力线噪声库，利用噪声回放装置进行现场噪声模拟，信号采样率为 50 MHz，覆盖高速载波通信的整个频段，具体实现过程见文献[11]。从噪声库中挑选干扰最大的 10 种典型噪声样本(见表 1)。

　　3.3 信道测量仿真模型参数

　　采用 Matlab 软件进行建模仿真，考虑到信道测试一般覆盖高速电力线通信所使用的频段，仿真的测试频段选择从 1~20 MHz，I、Q 路扩频码选择 512 位码长的正交扩频码。测试信道选择 4 径、6 径、15 径模型，线路除电缆以外的分支、阻抗、负载衰减影响按 40 dB 计算。为了简化模型和便于量化比较，电力线噪声的干扰通过白噪声和现场采集噪声 2 种形式进行模拟。

　　仿真过程中信道测量点从 1~20 MHz，500 kHz 为步进，每个信道测量点扩频序列发送次数为 10 次，接收端根据检测到的最大值进行运算得到测量点的衰减值，衰减值通过校准得到矫正后的衰减值，同时采用扫频 FFT 信号分析法进行信道测量作为对比。

　　4 仿真算例分析

　　4.1 算法有效性验证

　　为验证本文算法的有效性，以 1~20 MHz 为中心频率分别发送测量信号，经过注入-20 dBm 功率白噪声的 PLC 信道，接收端相关计算的峰值和最大功率点搜索结果如图 6 所示，可见低频段可以搜索到较大的峰值，随着频率升高信道衰减增大，逐渐出现搜索到峰值降低直至检测不到峰值的情况，与 PLC 信道随频率升高衰减逐渐增大的特性相吻合。

　　4.2 白噪声环境算法性能仿真

　　以 5 dBm 为步进，注入-50 dBm 至-10 dBm 的白噪声条件下，本文的 PLC 信道下 2 种算法性能比较如图 7 所示，在-50 dBm 白噪声条件下，本文算法和扫频 FFT 方法测量结果基本相同;-20 dBm 白噪声条件下本文方法仍能正常工作，-10 dBm 白噪声条件下 10 MHz 以上高频段开始出现较大误差，而扫频 FFT 信号分析法在-30 dBm 白噪声条件下已经在高频段出现较大误差。

　　对比 2 种算法在不同白噪声功率下的平均测量误差如图 8 所示，本文方法对 4、6 径信道，在-10 dBm 白噪声条件下误差小于 3 dB，扫频 FFT 方法达到 10 dB，从图 7(d)测量曲线看完全被白噪声覆盖。本文方法对 15 径信道，在-20 dBm 白噪声条件下误差小于 4 dB，扫频 FFT 方法达到 11 dB。可见白噪声条件下本文方法具有明显的性能优势。

　　4.3 电力线噪声环境算法性能仿真

　　加入不同的典型现场噪声条件下，PLC 信道 2 种算法性能比较、误差分析分别如图 9、图 10 所示，图 9 可见扫频 FFT 方法测量值受噪声影响严重，噪声强的频段测量值基本被噪声掩盖偏离真实衰减，而本文方法在现场强噪声环境下 4、6 径信道仍能保持较好的测量精度，15 径信道测量值虽然在部分急剧变化的频段偏离真实信道特征，但对比扫频 FFT 方法仍具有更好的测量结果。图 10 中对 3 种多径信道不同噪声条件下的平均测量误差比较来看，本文算法 4、6 径信道误差均在 2 dB 以内;15 径信道测量误差稍大， H07 号噪声达到最大 6 dB;整体上本文方法在现场强噪声环境下测量结果明显优于扫频 FFT 方法。

　　5 结语

　　本文提出了一种基于正交扩频序列的电力线信道衰减特性测量方法，对电力线信道衰减特性和信道衰减测量原理进行介绍，对本文算法实现的基本原理和关键算法模块进行了详细阐述，建立了信道特性测量仿真的模型并进行了 Matlab 仿真研究。结果表明，在白噪声和典型强噪声环境的电力线信道下，本文方法均能够有效工作，测量结果明显优于传统信道衰减测量方法。同时，本文的方法无需 FFT 计算，可以节省逻辑资源，亦可采用模拟前端+FPGA 信号处理器的架构设计，满足小型化便携式的设计要求，在工程应用中具有很好的实用性。本文方法的抗多径性能进一步优化和 FPGA 工程化实现以及现场测试验证是接下来的研究重点。