电力线正交频分复用通信的实时信道估计

卢鑫　张萌　冯烨　高波

摘要：对于电力线正交频分复用通信来讲，实时信道估计占据着重要的影响地位，与通信的效果有着密切的关联。在本文中，主要通过分析电力线信道所具备的特性，对电力线正交频分复用通信进行了基本的认识，并对实时信道估计展开了研究，希望能够为相关部门提供参考，促进电力线通信的可持续发展。

关键词：电力线信道;正交频分复用;信道估计

中图分类号：TM913 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0034-02

0 引言

我国在电力线通信行业的发展中，对正交频分复用的通信技术已经逐渐进行了广泛的应用。该技术简称OFDM。OFDM技术的应用，可以提高电力线数据通信的高速发展。根据调查发现，电力线信道的工作环境比较差，正是因为这样，才给电力线通信造成了一定的阻碍，使得信道出现衰落的现象。这种现象，往往会给后期的信号接收造成严重的影响。然而，OFDM通信在电力线信道中的使用，可以更好地处理所接收到的信号。对于OFDM通信来讲，只有对电力信道进行实时准确估计，才可以提高信号传输的效率和质量。

1 电力线信道所具备的特性分析

1.1 阻抗性

电力线信道在正常工作的过程中，传输的信号频率与输入阻抗之间有着密切的联系。这种输入阻抗，不会根据信号频率的变化而发生改变。可以以连接复杂负载的传输线来看待电力线，他们彼此之间共同组成了具备一定特征的电路，从而与共振频率之间进行组合，形成了低阻抗区，使得电力线信道具备着一定的阻抗特性。电力线的输入阻抗会在网络连接的不断变化下发生很大的改变，严重的情况下，甚至会给电力线不同部位的输入阻抗造成影响，使得他们之间存在着较大的差异。电力线通信网络的输入阻抗也会发生较大的变化，这样一来，便会使得通信系统的设备无法进行匹配[1]。

1.2 干扰性

众所周知，电力线通信在正常的运转过程中，往往会受到外界各种因素的影响，最大的影响便是噪音所带来的干扰。对于噪音的干扰来讲，使用同一配电变压器的所有用户所产生的负荷噪声，都会给电力线通信造成不同程度的干扰，从而就会给信号传输的工作效率带来影响。当这些噪音越来越大的时候，电力线通信的信号功率只有在满足一定的数值，才可以保证信号的正常传输。

1.3 衰耗性

根据对电力线信号传输的特征进行调查研究发现，一般来讲，通信所需要的电力线压力比较大，但是电力线的压力一般是低压，从而就使得这种电力线通信在频率较高的情况下，使用低压的电力线，会出现非常严重的衰耗现象。而这种电力线通信信道信号的衰耗，与网络上连接的各项负载和通过的路径都有密切的关联。在高频载波信号中，使用的各种电器如果具备一定的电容特性，便会使其出现短路的现象，衰耗的性能比较大，会造成严重的损伤和影响。而且，网络上所承受的负载超重的情况下，也会使载波信号出现较高程度的损耗现象。这些信号之间的传播，往往会出现各种反射和散射等不良现象[2]。当网络所承受的负载越来越频繁的时候，电力线信道可能会对信号的衰耗变化更加强烈。

2 OFDM的基本认识

2.1 OFDM的概述

电力线正交频分复用通信，即OFDM通信，这是一种多载波的技术，在使用的过程中，可以对频带带宽进行充分的利用，所产生的信号频谱大体与矩形比较相似。OFDM的使用，可以通过一定的方式将数据进行转化，使得数据自身能够丠较强的抗干扰能力，提高使用效率，减少外界各种因素的影响。而且，将循环冗余添加在OFDM帧前，并且要加强所持续的时间，使该时间要远远大于信道冲击响应所消耗的持续时间。这样一来，便能够彻底消灭信道多途径效应所产生的各种干扰因素造成的影响。与此同时，OFDM通信技术的使用，使其信号能够更加平衡，实现通信的高速发展。

2.2 OFDM的性能分析

在一般的传输方法中，可以将频带转化为很多个子频，这些子频并不会存在相交的现象。通过这些子频用来对一些并行的数据进行传输，接受的时候，可以使用滤波器将这些子频进行过滤处理。这种传统的传输方式比较简单，但是，却无法实现对频谱的充分使用。然而，OFDM系统的使用，使得各个子信道之间的频谱可以出现相交与重叠的现象，能够对这些频谱进行最大化的资源利用。同时，OFDM技术的使用下，可以将高速的数据流进行转化，使其符号周期的持续时间得到延长，从而能够避免信道所带来的干扰[2]。

电力线信道自身可以对频率进行选择，将OFDM技术应用在电力线信道中，可以将其造成的一些干扰因素，分配在另外的子信道上。通过信道均衡技术的使用，从而来实现对系统的工作要求。在数字通信的正常业务运转的过程中，对各种数据的传输量，往往会存在不对称的现象，这种高速的数据传输现象，借助OFDM系统，能够实现对这种不对称数据传输量的支持[3]。

3 電力线正交频分复用信道估计的研究

在Rm（K）=Sm（K）Hm（K）+Dm（K）的公式当中，Hm（K）是信道传输函数的采样序列，Dm（K）为噪声序列经过FFT所得到的频域序列。他们分量的数学期望为0。

从以上的公式中可以看出，对于OFDM来讲，信道主要可以使OFDM频域加载的负数数据Sm（K），与信道在对应频率处所传输的函数值Hm（K）进行相乘，结合噪声序列经过FFT所得到的频域序列Dm（K）。

对于信道估计来讲，其任务主要是，实时地获取信道在不同频率处的Hm（K），那么，可以假设对Hm（K）所进行估计的数值为Hm（K）1，结合最小平方的原则，可以得到一定的目标函数T，则T可以用以下的公式进行表达：

在上述的公式当中，H所代表的，是共轭转置算子。

当T处于绩效条件下的时候，可以得出：

再将公式Rm（K）=Sm（K）Hm（K）+Dm（K）带入上述的公式当中，可以得到如下的公式值：

在上述公式當中，Hm（K）所带包的是电力线信道传输函数的真实数值，Dm（K）的数学期望是零。同时，我们还可以得出，误差的方差为e2（k）/丨Sm（K）丨2，其中e2（k）指的是信道噪声在第K各子载波处计算出的实际功率。接受信号的一方，便可以通过以上的公式，从而计算出信道传输函数的估计值。尽管电力线先到处于变化的过程中，但是，对于OFDM来讲，这种变化可以完全忽略不计。那么，对于实时的信道估计，便可以得到更加准确的数值计算方式：

4 具体的实验案例验证探索

4.1 实验案例分析

为了验证OFDM对实时信道进行估计的方法，在本次的实验研究中，设计出了如下图1所示的电力线信道传输实验。在本次实验当中，所使用的实验设备，包括计算机一台，以及功率放大器，电力线耦合器，正弦信号发生器，以及示波器，和某公司的D/A和A/D转换卡PCI-MIO-16E-4等。

该实验所采用的实验原理如下：

首先，当计算机得到OFDM信元的采样序列，可以使用转换卡D/A对其进行转换，使其变成信号波形，再使用信号放大器对其进行放大处理之后，与耦合器进行连接。同时，耦合器还需要在电力信道的另外一面进行信号的接收工作。后期使用A/D进行采样，收集的数据交给计算机处理。从而可以结合上述所提到的公式，得到本次实验电力线信道的传输函数[4]。

信号发生器以及示波器，能够测量出电力线信道在某个特定频率下的传输特性的幅频响应。示波器对波形的幅值测量，主要是对通过信道后的波形进行测量。

在本次实验当中所使用的转化卡，A/D和D/A的频率都为250KHz。

4.2 实验结果研究

实验结果如图2所示。

可以看出，实验结果表明，通过计算出来的幅频响应曲线和真实幅频响应曲线之间，在100KHz以下的时候，彼此之间的差异不明显。但是，在100KHz-130KHz的范围内容，彼此的结果存在着较大的差异。对于出现这种现象而言，主要的原因，是连续信道传输函数与离散信道传输函数的不同所造成的。

根据采样定理，我们可以将信号发生器以及示波器通过测量之后得到的相关函数，经过一定的平移和叠加处理，从而得到相应的结果，如图3所示。

由此可以得出，对于数字信号来说，电力线信道可以作为一种滤波器系统。电力线正交频分复用，即OFM这种通信方式中，电力线信道的有效使用能够，可以借助OFDM这种新型的实时信道估计算法，来准确地计算出在特定的时间中，传输特性函数的数值。希望本次研究可以为相关领域的人员提供可靠的参考，便于促进电力线信道传输效率的不断提升。

5 结语

综上所述，在文本中中，对OFDM进行了详细的介绍，并且研究和分析了OFDM对实时信道估计的计算方法。对于OFDM这种新型的通信技术来讲，其中最为重要的环节便为实时信道估计算法，这种信道估计能够为人们提供非常大的便利，提高计算的准确性，为电力线信道的发展做好了充分的准备。希望通过本次的实验研究和案例分析，能够为该行业在未来的可持续发展打好鉴定的基础，促进信道估计准确性的不断提升。

参考文献

[1] 吕海峰，王赞基，郭静波.电力线正交频分复用通信的实时信道估计[J].电力系统自动化，2015.

[2] 王致中.电力线通信中正交频分复用技术研究与应用[D].上海交通大学，2017，1967：124+125.

[3] 张平.电力线正交频分复用通信信道估计算法研究[D].华北电力大学（北京），2018.

[4] 张轩.低压电力线正交频分复用系统信道估计技术研究[D].燕山大学，2015.

Real-time Channel Estimation for Power line Orthogonal

Frequency Division Multiplexing Communication

LU Xin，ZHANG Meng，FENG Ye，GAO Bo

（Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen Guangdong  518192）

Abstract：For power line orthogonal frequency division multiplexing communication， real-time channel estimation occupies an important influence position， which is closely related to the effect of communication. In this paper， the basic knowledge of power line orthogonal frequency division multiplexing communication is basically analyzed by analyzing the characteristics of power line channel， and the real-time channel estimation is researched. It is hoped that it can provide reference for relevant departments and promote power line communication. sustainable development.

Key words：power line channel; orthogonal frequency division multiplexing; channel estimation