基于TCM调制方式的电力线载波通信技术

【摘 要】电力线载波通信在我国是一门既古老又年轻的学科,作为电力系统不可或缺的通信手段,传统的模拟设备已不能完全满足现有市场对通信质量的要求.

本文首先论述了电力线载波通信的发展及现状,然后针对如何在高压电力线中提升通信速率和可靠性的问题,在数字单边带DSP开发平台上,对网格编码调制（TCM）技术在电力线载波通信中的应用展开了分析,基于V.34标准对收发信机的实现方案作了设计.

【关 键 词】电力线载波通信；网格编码调制；壳状映射；星座整形

1.电力线载波（PowerLineCarrier）通信

（1）电力线载波（PowerLineCarrier）通信是一种采用架空输电线路进行语音和数据传输的通信方式,和其它通信方式比较其最主要的特殊性在于用途和特殊传输媒介,它以电力线为信道,以变电站、发电厂为终端,是电力系统运行、控制和管理的一种重要工具.

（2）电力线载波通信出现于20世纪20年代初期,其技术实现经历了从模拟到数字,从纯硬件到软硬件结合的过程.同其他电子产品一样,电力线载波通信设备经历了电子管时代,晶体管分立器件时代,中小规模集成电路时代,中大规模集成电路时代,现在进入数字时代.最新高速DSP、FPGA电路以及CPLD、A/D、D/A高精度信号变换器,为电力线载波通信成功地采用各种先进的数字信号处理技术和算法、完成各种功能、保证高技术指标的突破,进行紧凑设计缩小“数字信号流”行程和提高抗干扰和可靠性等,奠定了良好产品技术创新基础.至今电力线载波机已经历了三代.

2.网格编码调制（TCM）将编码器和调制器当作一个统一的整体进行综合设计,使得编码器和调制器级联后输出的信号序列之间具有最大的欧氏自由距离,相对于传统数字通信系统在不增加宽带条件下,可提供3～6dB的编码增益

（1）在数字通信系统中,若广义信源（由信源和信源编码器组成）的信息传输速率及发送功率一定,一方面,为了提高传输的有效性,要求每传输符号携载的信息量增大（即频带利用率的提高）,这样做的后果是造成系统可靠性的降低；另一方面,为了提高传输的可靠性,义会使系统的有效性降低.因此,如何较合理地解决有效性与可靠性这一对辨证统一的矛盾,是正确设计通信系统的关键问题之一.

图1传统数字通信系统模型

（2）如图1在传统的数字传输系统中,调制解调器和纠错编译码器是两个主要的组成部分,它们也是提高通信系统信息传输速率（有效性）和降低误码率（可靠性）的两个关键器件,它们各自独立地进行设计.

（3）数字通信系统的设计必须综合考虑纠错编码和调制所带来的优缺点而进行折中,这是由于在数字通信系统中,传输信息的有效性和可靠性是一对矛盾,即频带利用率和功率利用率是一对矛后：在功率受限信道中,通过采用纠错编码增加传输信息的冗余度,使其获得检错和纠错能力,代价是传输信号占用的带宽增大,系统的频带利用率降低,从而以频带利用率的降低换取了功率利用率的提高；在带宽受限信道中,可以采用多元调制使信号集的点数增加以减少传输所占用带宽,而在平均功率相等的条件下,多元调制信号集点数的增加意味着传输信号点间欧氏距离的减小,这将导致系统抗噪能力的下降,系统的功率利用率降低,从而以功率利用率的降低换取了频带利用率的提高；而在功率和频带都受限的信道中,则可通过加大调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余度,以避免频带利用率因加纠错编码而降低,但此时由纠错编码获得的好处会被多元调制点数增加带来的误码率的上升一所抵消.

3.显然,若编码与调制、解调与译码仍按传统的相互独立的方法进行设计,则不能得到令人满意的效果.这可以通过一个实例加以说明：比较无纠错编码的QPSK调钊和采用码率为2/3的卷积编码并在解调端进行硬判决Viterbi译码的8PSK调制.若言息速率相同,在相同的信噪比条件下,无编码的8PSK解调器输出的误码率远远大于QPSK系统,这是由于8PSK信号星座点之间具有更小的欧氏距离的缘故.要使两者的误码率同为“10”,需在8PSK调制方式的发端采用约束长度为7编码效率为2/3卷积码,在其译码端,需采用复杂的64状态的Viterbi译码器,可以看出设备的复杂性大大地增加了

3.1出现上述结果的原因在于在纠错编译码和调制解调部分的设计中存在两个方面的问题：

3.2由以上所述可知,AWGN条件下最佳的编码调制系统应以编码序列的欧氏距离为调制设计的量度.这就要求将编码器和调制器当作一个统一的整体进行综合设计,使得编码器和调制器级联后输出的信号序列之间具有最大的欧氏自由距离.

1974年Massey根据Shannon信息理论最早证明若将编码与调制作为一个整体进行最佳设计可以大大地改善系统性能.随后Ungerboeck,今井秀树等众多学者对此进行了深入研究.1982年Ungerboeck提出了著名的网格编码调制（TCM,亦称为格码调制）技术.TCM技术的提出被公认为是自1948年香农提出信息论以来这一领域的一个里程碑.

3.3对于带限信道,有两类网格编码调制（TCM）,第一类是将卷积码和多电平（幅度或相位）信号组合起来,这类网格编码调制是由Ungerboeck最先提出的TCM；第二类网格编码调制是采用具有特定调制指数或频偏的连续相位频移健控（CPFSK）.

（1）TCM的基本思想是：采用扩展信号集来提供可控的编码冗余,对卷积编码和多元调制映射进行统一设计,即对传输信号点集进行集合分割映像以使编码信号序列之间的自由欧氏距离达到最大；在接收端采用软判决Viterbi算法进行最大似然译码.

（2）TCM使用欧氏距离作为设计编码与调制的统一量度,解决了以往设计上编码和调制衡量标准的不一致性,达到了有效性和可靠性的相对统一,从而在相同的信息速率,带宽和信号功率条件下,编码调制信号的自由欧氏距离大大超出了未编码调制信号之间的最小欧氏距离,进而获得了可观的增益.理论分析表明,与未编码系统相比,TCM系统在相同的带宽、相同的信息传输速率下,可获得3～6dB的编码增益（或等效地,为达到相同的误码性能,未编码系统必须比编码系统增加2～4倍的发送功率）.TCM中编码与以往信道编码器的不同：设计目标是控制调制信号的选择,从而在信道传输波形中引入了卷积码的相关性,使编码信号序列之间的自由欧氏距离最大.同样是引入可控的编码冗余以降低误码率,但是其编码冗余是通过扩展信号集来实现的,从而避免了带宽的扩展和频带利用率的降低.

（3）对本文给出的TCM系统作了计算机仿真,计算机仿真表明在30dB时所设计的系统可以使得以33.6kbit/s传输的信息误码率低于10-5.由于时间限制,本文所做的仿真均仅在AWGN信道下进行,所有算法中的运算也都使用的是双精度的浮点数,并未做定点化处理.文章仅对系统的误码特性做了较仿真,对于电力线载波机的抗干扰性能等均有待进一步研究.