如何改善低壓電力線信道中的噪聲

引 言

直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，簡稱直擴(kuò)方式（DS方式）。就是用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。 直接序列擴(kuò)頻方式是直接用偽噪聲序列對載波進(jìn)行調(diào)制，要傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與偽噪聲序列進(jìn)行模2和生成復(fù)合碼去調(diào)制載波。接受機(jī)在收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來到偽碼精確相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送端的偽碼相位完全一致的偽碼相位，作為本地解擴(kuò)信號(hào)，以便能夠及時(shí)恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息，完成整個(gè)直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號(hào)接收

隨著直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在各種領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，接收端對直接序列擴(kuò)頻信號(hào)碼同步技術(shù)的要求也越來越高。評價(jià)直接序列擴(kuò)頻（DSSS）接收機(jī)性能的主要因素包括虛警概率、檢測概率和平均捕獲時(shí)間。傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)法在低信噪比環(huán)境下同步虛警率較高，捕獲時(shí)間也大大增加。在此，利用擴(kuò)頻信號(hào)同步前后，其上下通帶的輸出功率差比上通帶輸出功率變化梯度大的特點(diǎn)，提出了一種適用于低壓電力線信道噪聲環(huán)境下的改進(jìn)捕獲算法。

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1.抗干擾能力強(qiáng)

擴(kuò)頻解調(diào)器實(shí)際上是一個(gè)相關(guān)器，擴(kuò)頻信號(hào)通過相關(guān)器后能有效地恢復(fù)，干擾信號(hào)（包括瞄準(zhǔn)性窄帶干擾和寬帶干擾）由于與本地PN碼不想關(guān)而被相關(guān)器抑制掉

2.具有強(qiáng)的抗多徑干擾能力

無線電波在傳播的過程中，除了直接到達(dá)接收天線的直射信號(hào)外，還會(huì)有各種反射體等引起的反射和折射信號(hào)被接收天線接收。反射和折射信號(hào)的傳播時(shí)間比直射信號(hào)長，它對直射信號(hào)產(chǎn)生的干擾稱為多徑干擾。多徑干擾會(huì)造成通信系統(tǒng)的嚴(yán)重衰落甚至無法工作。

3.對其他電臺(tái)干擾小，抗截獲能力強(qiáng)

理論分析表明，信號(hào)的檢測概率與信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號(hào)的頻帶寬度成反比。

4.可以同頻工作

由于采用相關(guān)解擴(kuò)，所以只要每部通信的解擴(kuò)碼（PN）不同，幾部通信機(jī)就可以使用同一載頻而不會(huì)有互相干擾，只是多增加一點(diǎn)背景噪聲而已。

5.便于實(shí)現(xiàn)多址通信

由于不同的擴(kuò)頻碼是正交或接近正交的，彼此相互影響很小，所以可以把不同的擴(kuò)頻碼作為用戶的地址碼，則很容易實(shí)現(xiàn)碼分多址（CDMA）通信。移動(dòng)通信系統(tǒng)采用CDMA方式，理論上可以使通信容量比目前的蜂窩式通信容量大。

l 傳統(tǒng)的單積分滑動(dòng)相關(guān)算法

傳統(tǒng)方法的實(shí)現(xiàn)如圖1中的虛線所示，含有噪聲的接收信號(hào)經(jīng)解擴(kuò)處理后，變?yōu)橹蓄l窄帶信號(hào)，經(jīng)平方檢波后送往積分器。積分器是從O～TD的積分清除積分器（TD為積分器的積分時(shí)間，在TD時(shí)刻輸出積分值，并清零，如此重復(fù)）。該值與門限比較器的門限值做比較，當(dāng)它低于設(shè)定的某一門限值時(shí)，輸出一一個(gè)信號(hào)給時(shí)鐘電路，以控制時(shí)鐘電路的工作狀態(tài)，從而改變本地編碼序列的相位狀態(tài)。改變后的本地序列相位狀態(tài)再重復(fù)上述的解擴(kuò)、中頻濾波、平方檢波、積分和比較過程。當(dāng)積分器的輸出大于給定門限時(shí)，表示已完成對發(fā)送來的編碼序列相位的捕捉，門限比較器的輸出不再改變時(shí)鐘電路的工作狀態(tài)，而是給跟蹤同步電路輸送信號(hào)，進(jìn)入編碼序列的同步跟蹤。

2 基于低壓電力線的改進(jìn)算法

在擴(kuò)頻同步捕獲階段，接收到的PN碼與本地的PN碼之間大部分都存在著碼元同步偏移，而碼元同步偏移會(huì)對相關(guān)器的輸出造成影響，使有用信號(hào)的輸出功率下降，同時(shí)還造成了輸出噪聲功率的增加，該輸出噪聲稱為碼自噪聲。

由于濾波器的通帶內(nèi)、外的能量總和是一定的，在同步的情況下，能量集中在通帶內(nèi)，通帶外的信號(hào)能量為0；在不同步情況下，通帶外的能量要大于或者等于通帶內(nèi)的能量。

2.1 電力信道環(huán)境下信號(hào)的傳輸特性

擴(kuò)頻系統(tǒng)使用的通信頻帶主要在100～450 kHz。在這個(gè)頻帶上，低壓電力線上的噪聲可以分為背景噪聲、與工頻同步的周期性噪聲、突發(fā)性噪聲、頻域窄帶脈沖噪聲4類。其中，背景噪聲對電力線擴(kuò)頻通信的影響最大。在擴(kuò)頻頻帶內(nèi)背景噪聲基本保持水平狀態(tài)，其特性為平穩(wěn)的高斯白噪聲；與工頻同步的周期性噪聲持續(xù)時(shí)間長，頻域覆蓋范圍廣，功率大。但高傳輸速率的通信系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間短，可在周期性噪聲的間隙進(jìn)行傳輸，從而降低了這種噪聲的影響；突發(fā)性噪聲的能量主要集中在100 kHz以下，且其產(chǎn)生的頻率與每秒幾千比特的數(shù)據(jù)傳輸率相比很低，因而對擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的影響不是很大；頻域窄帶脈沖噪聲的特點(diǎn)是：一旦產(chǎn)生，持續(xù)時(shí)間長，能量大。如果通信系統(tǒng)采用單頻載波，且載波頻率恰好落在這種窄帶噪聲的頻率上，那對此系統(tǒng)的通信傳輸影響很大。

根據(jù)上述分析，針對其中影響比較大的兩類噪聲進(jìn)行分析：背景噪聲與頻域窄帶脈沖噪聲。上帶通輸出的信號(hào)功率包括有用信號(hào)、部分背景噪聲、部分頻域窄帶脈沖噪聲；下通帶輸出的信號(hào)功率包括碼自噪聲、部分背景噪聲和部分頻域窄帶脈沖噪聲。

假設(shè)發(fā)送端發(fā)送的信息碼經(jīng)擴(kuò)頻和BPSK調(diào)制后發(fā)送，則接收機(jī)接收到的信號(hào)可以表示為：

s（t）=Ad（t）c（t）cos（2πf0）+n（t）

式中：A為接收信號(hào)的振幅；d（t）為發(fā)送的信息碼；c（t）為擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼；f0為BPSK載波頻率；n（t）為低壓電力線信道上的噪聲。

2.2 有用信號(hào)與碼自噪聲

在實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算時(shí)，只有當(dāng)接收信號(hào)與本地參考信號(hào)完全對準(zhǔn)時(shí)，相關(guān)器輸出最大。如果它們之間有偏移，即有定時(shí)誤差，相關(guān)器輸出減小，出現(xiàn)相關(guān)損失。所損失的能量將轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎杏眯盘?hào)和與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后造成的碼自噪聲。

設(shè)T表示接收到的偽隨機(jī)碼的波形延遲，T1是T的本地估值。在碼元偏移情況下：T一T1≠0，c（t一T）c（t一T1）含有直流分量和一些干擾噪聲。這些干擾噪聲稱為碼自噪聲。

當(dāng)|T-T1|=εTc，設(shè)O≤|ε|≤1為本地PN碼與接收PN碼的相對時(shí)延。

計(jì)算得到C（t，ε）=c（t-T）c（t-T1）的功率譜密度函數(shù)為：

設(shè)上通帶的頻帶為：f0-fb≤f≤f0+fb。其中：f0為載波頻率；fb為基帶信息碼率；fc為偽隨機(jī)的碼片速率；且fb=1／NTc，則由式(1)可得上通帶的輸出有用信號(hào)功率為：

設(shè)下通帶的頻帶為：f0-3fb≤f≤f0-fb，同理由式(1)得到下通帶輸出的碼自噪聲功率為：

根據(jù)理論計(jì)算，所得結(jié)論如表1所示。表1列出了在不同|ε|，上下通帶輸出的功率值及其差值。由表l可以看出，在擴(kuò)頻系統(tǒng)同步前后，上下通帶輸出的功率值之差比上通帶輸出功率的變化梯度大。

2．3 背景噪聲

一般來說，在擴(kuò)頻通信頻帶內(nèi)，低壓電力線信道上的背景噪聲可歸為高斯白噪聲。假設(shè)該噪聲與進(jìn)入接收機(jī)的其他信號(hào)相互獨(dú)立，則其通過接收機(jī)輸入濾波器后的功率譜密度為：

由已知理論推得噪聲在擴(kuò)頻相關(guān)接收機(jī)輸出的平均功率為：

式中：Sn(F)為背景噪聲的功率譜密度；|H(f)|2為窄帶帶通濾波器的頻率傳輸函數(shù)；Sc(f)為m序列的功率譜密度。

在上通帶(f0-fb≤f≤f0+fb)中，Sc(f)可看作平坦的，即可得：

假設(shè)該窄帶帶通濾波器的功率傳輸函數(shù)是理想的，并對其幅頻特性進(jìn)行了歸一化，即：

由式(3)可得則式(3)化為fbTcsinc2(FTc)，整理可得該背景噪聲在上通帶的輸出功率值為：

下通帶的功率傳輸函數(shù)為：

同理可得到且背景噪聲在下通帶的輸出功率為：

由此可得，低壓電力線上的背景噪聲在上通帶與下通帶的輸出功率值相同，即該背景噪聲在上通帶與下通帶的輸出值可以相互抵消。

2．4 頻域窄帶脈沖噪聲

影響擴(kuò)頻接收機(jī)性能的另一個(gè)低壓電力線信道噪聲為：頻域窄帶噪聲，它可通過如下N個(gè)獨(dú)立的余弦函數(shù)疊加來描述：

式中：每個(gè)分量由它的頻率、幅值和相位來描述。其中，頻率在擴(kuò)頻載波附近的余弦分量對該系統(tǒng)影響最大。在此，取頻率為擴(kuò)頻載波的余弦分量來分析，假設(shè)該頻域窄帶脈沖噪聲為單頻余弦干擾，該信號(hào)與進(jìn)入接收機(jī)的有用信號(hào)是相互獨(dú)立的，且與有用信號(hào)的載波同頻、同相(最惡劣的干擾條件下)，表示為：

且其對應(yīng)的功率譜密度為：

由式(2)可得，單頻干擾A(t)在接收機(jī)輸出的平均功率為：

該單頻噪聲在上通帶的輸出功率為：

同理可得，該單頻噪聲在下通帶的輸出功率與其在上通帶的輸出功率值相同。

由此可得，該頻域窄帶脈沖噪聲在上下通帶的輸出值相減后亦可相互抵消。

在討論上、下通帶輸出的各類信號(hào)功率后，得出如下結(jié)論：低壓電力線的信道噪聲在上、下通帶的輸出功率值相同。此時(shí)，上、下通帶的輸出信號(hào)功率之差主要是有用信號(hào)與碼自噪聲之差。第2．2節(jié)已經(jīng)討論了有用信號(hào)與碼自噪聲之差比傳統(tǒng)上通帶輸出功率的梯度變化大，即改進(jìn)的滑動(dòng)相關(guān)法擴(kuò)大了同步與不同步情況下積分輸出的差距，使系統(tǒng)更易于判斷是否同步。所以該算法在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下是可行的。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在此采用Matlab R2006b工具，在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下(背景噪聲、頻率在中頻附近的窄帶脈沖噪聲)，對擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真。其中，偽隨機(jī)序列碼長為15位，采用BPSK調(diào)制，且中頻頻率為100 kHz。通過大量的數(shù)據(jù)記錄和分析，可得到以下統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2為僅加入高斯白噪聲時(shí)，不同信噪比下，改進(jìn)的捕獲方法與傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法，在一定時(shí)間內(nèi)完成捕獲并無虛警的概率。

圖3表示在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下，改進(jìn)的捕獲方法在一定時(shí)間內(nèi)完成捕獲并無虛警的概率。

由圖2可以看出，當(dāng)信噪比較高的時(shí)候，改進(jìn)方法與傳統(tǒng)方法相比，其優(yōu)點(diǎn)并不突出，當(dāng)信噪比低于一18 dB后，改進(jìn)捕獲方法比傳統(tǒng)方法的捕獲概率高。可見，在信噪比較低的情況下，改進(jìn)的方法比傳統(tǒng)的方法有更高的捕獲概率，能夠有效地提高系統(tǒng)的檢測概率和捕獲性能。

由圖3可以看出，改進(jìn)的捕獲算法加入低壓電力線信道噪聲后，其同步捕獲概率相對于圖3的改進(jìn)算法，并無明顯變化。由此可見，該改進(jìn)的捕獲算法適用于低壓電力線上。

4 結(jié) 語

在此，提出一種適用于低信噪比低壓電力線的改進(jìn)滑動(dòng)相關(guān)捕獲算法，通過對低壓電力線信道上各類噪聲的理論分析和整體擴(kuò)頻仿真，得到了該改進(jìn)的滑動(dòng)相關(guān)捕獲方法性能優(yōu)于傳統(tǒng)捕獲方法的結(jié)論。該方法在低壓電力線信道噪聲環(huán)境下，既具有良好的抗干擾性能，又具有實(shí)際的應(yīng)用意義。