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低压电力线载波(LPLC)通信是一种以低压电力线(220V/380V)作为信道的通信方式,是目前国内外通信技术研究的一个热点。但低压电力线具有诸多不利于数据传输的特性,使LPLC通信可靠性问题成为长期困扰研究人员的技术难点,因此LPLC通信技术仍是一个值得研究的课题。目前LPLC通信技术主要有二进制频移键控(2FSK)、直接序列扩频(DSSS)和正交频分复用(OFDM)三种,其中DSSS和OFDM技术虽然从理论上讲抗干扰能力较强,但实现技术复杂,在LPLC通信中难以将理论上的优势完全转化为实际技术优势,也就是说,2FSK技术与另两种技术在LPLC通信应用中的性能差距并不像理论中的性能差距那么大,只要解决传统2FSK技术在实际应用中的缺陷,进一步提升其通信性能,则以2FSK低成本的优势将比DSSS和OFDM技术更有应用前景。基于以上思想,本文提出了基于离散短时傅立叶变换(DSTFT)的多载波2FSK信号数字化解调技术,并结合差错控制技术实现高可靠性和稳定性的LPLC通信模块。
本文主要研究内容如下:
(1)研究基于DSTFT的2FSK信号数字化解调方法,分析其相对于其它2FSK解调方法的优势,结合LPLC信道的噪声及衰减特性分析其应用于LPLC通信时存在的问题并逐一提出解决思路。
(2)应用瞬时傅立叶变换(MFT)算法提高DSTFT计算速度,但实际计算时需截短旋转因子,导致MFT计算结果出现积累误差,影响系统解调性能。为避免实际应用中因旋转因子处理不当而影响通信系统的性能,本文在建立误差变换域模型的基础上分析了旋转因子的误差对系统性能的影响,进而指出实际应用中应如何截短旋转因子。该研究实践意义较大,通过理论研究达到指导实践的目的。
(3)提出多载波2FSK技术以适应LPLC信道的频率选择性衰落特性,其技术关键在于信噪比估计,已有信噪比估计算法均基于时域推导,不适用于本文的时频分析方法,因此本文结合时频分析和高阶矩理论提出基于DSTFT的M2M4信噪比估计算法,并通过仿真与实际测试验证算法性能以及多载波技术相对于单载波技术在误码性能上的提升。
(4)分析同步检测中需采用自适应门限以适应LPLC信道强噪声、高衰减且动态范围大的传输特性,但已有算法均基于时域推导而成,因此本文结合DSTFT、恒虚警检测理论和最大似然估计准则提出一种可用于时频分析的自适应门限同步检测算法,并通过仿真验证算法性能。该算法解决了实际LPLC通信的同步门限选择问题,提高了通信可靠性。
(5)讨论基于DSTFT的多载波2FSK通信系统的帧同步实现原理,在分析假同步概率和漏同步概率的基础上,讨论实际应用中的帧同步码选择及搜索问题。
(6)讨论如何将差错控制技术应用于LPLC通信中,包括纠错编码和交织技术。差错控制技术的应用进一步提高了LPLC通信可靠性。
(7)在微处理器上实现以上算法,设计了符合标准的LPLC通信模块,并结合自行研制的测试软件在实际低压电网中进行可靠性和有效性测试。
(8)最后对本文所做工作内容及工作成果做了系统总结,并指出以后有待进一步研究的问题。