低压电力线信道特性与小波多载波调制研究

发布时间：2019-10-13 03:00

【摘要】：电力线通信(PLC)作为一种新型的宽带通信方式,通常由终端、耦合器、中继器和电力线网络等几部分组成。电力线通信具有使用方便、建设成本低、覆盖范围广、通信速率高等优点,可以为光纤和x DSL等尚未覆盖的环境中提供接入网和互联网的服务,也可以家庭和大楼为单位组建局域网,还可为特定单位和公司提供专用网。因此,电力线通信具有广泛的应用前景,近年来成为研究的热点。低压电力线网络与其它有线通信网络的传输特性不同,电力线网络原本是用来作为能量传输的通道,而没有考虑通信的特定要求,因而需要对其通信传输特性进行专门的研究。本论文首先从研究室内低压电力线信道的传输特性入手,分析了低压电力线网络在频域的传输特性;然后测量和分析了几种常用电器以及室内低压电力线网络中的噪声特性,并对这些噪声进行了建模;接着利用小波变换在时域和频域都能定位的优势,提出了一种小波多载波电力线通信系统,用小波滤波技术来降低电力线信道中的噪声。具体的研究内容及创新成果如下:1.采用自底向上的建模方法,利用传输线原理和链形散射矩阵理论,对电力线信道的传输特性进行了研究。推导出室内低压电力线网络的传输函数,找出了其传输特性。对总线型、树型、星型和环型等不同室内低压电力线网络拓扑结构的传输特性进行了仿真和测量分析,并研究了支路结构、长度、规格和负载等因素对传输特性的影响。得出了不同拓扑、支路、线型以及负载等因素对传输特性的影响。2.将常见家用电器产生的噪声和电力线信道中的噪声分为背景噪声和脉冲噪声两大类,并利用自回归理论和改进马尔科夫链分别对背景噪声和脉冲噪声进行建模分析。在背景噪声分析中,利用自回归模型并采用汉明窗和布莱克曼窗截断得出的功率谱估计与实测值的相对误差分别为2.68%和2.25%。对脉冲噪声的分析采用改进马尔科夫链模型,并利用汉明窗和布莱克曼窗截断得到的功率谱估计与实测值的相对误差分别2.12%和2.09%。两种模型值与实测值均较吻合。3.研究了利用小波变换对电力线信道中的噪声进行了消除的方法。设计了一种在小波域中利用本地方差分析并通过可靠的噪声检测器来消除高斯噪声和脉冲噪声的时频滤波器系统,该滤波只处理带有噪声的信号,根据带有噪声信号的方差特性自适应地进行去噪处理,降低了噪声水平,提高了信噪比。4.提出了一个低复杂度、高灵活性的多载波扩频系统。考察了该系统在时变行为和多种噪声源的多径频率选择性衰落室内低压电力线信道上带有载波频率误差的性能。该系统的信道间距可变,并在接收端采取相干检测,能有效地抵抗多径衰落。实验结果表明,该方法不仅消除了脉冲噪声和高斯噪声,而且还改善了误比特率,能够为电力线通信提供更高质量的服务。5.针对室内低压电力线信道的特性提出了一种基于正交小波的多载波扩频通信系统。该系统利用不同的正交小波基在不同子带上调制信号,从而实现电力线多载波调制。该调制方式既能克服OFDM系统中对频偏敏感和峰均比高的缺点,又能去除接收信号中的噪声和实现多载波多用户多规格通信的功能。
【图文】：

电力线信道,衰减特性

图 1-1 电力线信道的衰减特性向上建模法从实际的电力线网络拓扑出发，从测量每根电力线的各个电力线网络简化分类，利用多个简单网络的传输特性的综合，最终输特性。这种方法的精度较高，但是，随着网络结构增大或变复杂，量逐渐增大，因此只适合于简单的电力线拓扑网络建模。由于不方便电力线网络的参数，所以该方法不太适用对于已经建设好的网络进行向下建模法一般是将电力线信道看成多路径模型，然后利用测量得到道的传输特性，再通过曲线拟合得到需要的模型参数。由于电力线信差异性和时变性，再加之各种参数的拟合算法不同，使得不同研究者型不尽相同。该建模方法适合于结构复杂但网络结构很稳定的电力线模法的传输函数如式（1-1）所示。

示意图,调制方式,频带,示意图

图 1-2 OFDM 与传统调制方式的频带利用示意图要原理如图1-3所示。在发送端将高速的串行数据转换为N个低速的采用不同的方式（PSK、QAM 等）进行调制，，之后进行快速傅立叶反变ast Fourier Transform ）变换，并插入保护间隔来提高码间干扰和载波 D/A 转换，发送到电力线信道中传输；在接收端，首先进行 A/D 转信号，再去掉保护间隔，提取出纯数据信息，并转换为并行信号进行个子信道的数据进行均衡和解调，将并行数据串接成高速的串行数据。该调制技术被 HPA、IEEE、ITU 等多个电力线通信联盟和组织采用的调制解调方式。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN913.6

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