电力线载波通信的信道估计和均衡定点化仿真分析

郝 岩，周春良

(1.北京智芯微电子科技有限公司，国家电网公司重点实验室电力芯片设计分析实验室，北京 100192；2.北京智芯微电子科技有限公司，北京市电力高可靠性集成电路设计工程技术研究中心，北京 100192)

0 引言

PLC技术是指利用电力线作为通信信道进行传输信息数据的一种通信技术。其最大的应用场景是电网用户用电信息采集。但是由于电力线起初设计并不是用于传输信息数据，电力线网络中的负载多种多样，因此电力线信道环境非常复杂，噪声多种多样，也经常受到多径衰落的影响。基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)载波通信技术能有效对抗多径和频率选择性衰落特性，因此国家电网定制了一套基于正交频分复用(OFDM)载波通信系统的用电信息采集规范[1]。为了对抗电力线信道的多径和频率选择衰落特性，降低噪声对接收信号的影响，通常需要进行信道估计和均衡来对信道响应进行分析。基于OFDM通信系统的信道估计均衡算法多采用LS算法和最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)算法。

而对于信道估计和均衡算法在芯片上实现，通常需要经过定点化。在芯片定点化实现时必然要考虑有限字长效应，因为需要面临性能和面积的trade off(权衡)问题。所以在满足系统性能要求下分析参数的定点化范围，对于专用集成电路(ASIC)芯片设计有很大指导意义。

本文基于国家电网用电信息采集规范，通过对电力线通信原理和信道估计和均衡算法分析，研究了LS信道估计定点化实现时参数不同定点字长对系统性能的影响。综合考虑系统性能和面积的trade off,选取芯片实现的最优定点化字长。

1 电力线通信原理

国家电网用电信息采集规范基于OFDM载波通信，采用先进的信道编码交织方案，能够有效对抗多径和频率选择性衰落，突发窄带干扰噪声，提高信道的鲁棒性[2]。

图1是物理层发送和接收的整体结构框图。电力线物理层数据分为帧控制和载荷数据。物理层数据经过物理层编码、调制和IFFT(逆傅里叶变换)生成时域的OFDM载波信号。OFDM载波信号通过电力线信道传输到接收端，接收端再经过FFT(傅里叶变换)、解调和译码将帧控制信号和载荷数据还原。为保证用电采集信息的可靠还原，如图1中虚线框图所示，在国家电网用电信息采集规范的接收链路增加了信道估计和均衡算法。对有多径、频率选择性干扰和脉冲噪声的电力线信道进行信道响应分析[2]。

图1 物理层结构原理框图

相对于LTE时变性较快的无线信道，电力线信道属于慢时变性信道，因此在控制帧和数据帧中并没有导频存在，而是在控制帧之前有一组前导符号。信道估计主要通过前导符号来获得电力线的信道响应。前导符号由SYNCP和SYNCM组成，SYNCP和SYNCM是两个相关性能很好的周期性序列。前导符号的帧格式如图2所示，其中SYNCP为10.5个OFDM符号，用来做自动增益控制(AGC)、同步、频偏估计等；SYNCM为2.5个OFDM符号，用来做信道估计。SYNCP由公式(1)描述：

(1)

其中N=1 024；X(k)取复信号，

SYNCM=-SYNCP，前导的帧格式如图2所示。

图2 前导符号的帧格式

2 信道估计和均衡算法

基于OFDM的电力线通信系统信道模型如下图3所示。

图3 电力线通信信道模型

图3中，X为电力线上输入的频域OFDM载波信号，W为信道的加性噪声，Y为接收端接收到的频域OFDM载波信号。文献[3]对电力线信道和噪声做了详细的分析和建模，这些噪声被归纳为两种主要类型，分别是背景噪声和脉冲噪声，这里统一加到W内。

2.1 LS信道估计算法

假设OFDM系统模型用公式(2)表示：

YP=XPH+WP

(2)

其中H为信道响应，XP为已知的导频信号，YP为接收到的导频信号，WP为信道叠加的噪声。LS信道估计就是对H进行信道估计，使最小平方函数J最小[4]。函数J如下所示：

(3)

(4)

令公式(4)等于零可求得估计的信道响应为：

(5)

2.2 MMSE信道估计

MMSE信道估计是使均方误差最小[4]的方法，由公式(2)得前导符号的均方误差公式为：

(6)

可以推导出MMSE信道估计的公式[2-3]为：

(7)

(8)

(9)

其中：

可以看出MMSE信道估计需要信道和噪声统计特性，然后才能计算，并且需要进行多次矩阵求逆计算。随着FFT点数的增加，计算复杂度急剧增加。这对于专用集成电路(ASIC)芯片接收端实现复杂度和功耗要求都很高[5]。在PLC通信芯片中实现比较困难并且成本和功耗都很高，不适用。因此选择了计算量小、结构简单的LS信道估计。

2.3 信道均衡

由于电力线信道属于慢时变性信道，因此可以认为控制帧和数据帧信道响应与前导的一致。通过导频的信道估计就可以计算出均衡后的控制帧和数据帧信号。

(10)

3 定点化中的位宽优化问题

在信道估计和均衡算法中需要多次乘加和除法运算，对数据的动态范围和精度要求非常高，所以MATLAB算法模型大多都以浮点数为基础。但是浮点数的表示复杂，大量的浮点乘法在ASIC芯片上的实现难度比较大，不仅占用的资源面积大，而且运行速度慢，不能满足实时计算的要求。因此在硬件ASIC芯片实现中通常采用定点数据来表示，将浮点算法转换为定点算法被称为浮点算法的定点化[7]技术。

定点数在硬件芯片上实现占用的面积少、性能高、功耗低,故定点运算是工程开发上硬件实现最常用的一种方式[8]。但是,由于定点数小数点的位置固定，表示的动态范围远远小于浮点数,导致运算精度变低，不能保证性能。而且在信道估计和均衡算法中遇到多次的乘加运算会导致结果溢出，使估计结果出错。因此有必要对于信道估计算法的定点化进行位宽优化分析[9]，包括范围分析和精度分析：范围分析主要用于确定数据的整数位宽范围，防止定点数据发生向上溢出；精度分析主要用于寻找最合理的小数位宽，以满足系统性能的前提下确定数据最小字长，从而实现芯片资源面积利用率的最大化。

4 仿真性能分析和比较结果

根据2中的分析，本文采用LS信道估计算法。信道模型采用典型的加性高斯白噪声(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道，基于国家电网用电信息采集规范，分集拷贝模式选择推荐的TM0：物理块字节数520；分集次数4；QPSK调制；码率1/2；传输100帧；每帧1个物理数据块。然后分别对浮点算法以及定点字长为8、10、12、14 bit进行了仿真对比统计。对比分析了在4种定点化字长和浮点算法下的信噪比和误比特率，得到了性能曲线，如图4所示。

图4 信道估计性能分析曲线

可以看到，定点字长在12和14 bit信道估计模块的信噪比和误比特率曲线已经非常接近浮点模型。基于硬件芯片实现资源考虑12 bit完全能够保证计算的正确和精度，因此在定点化实现的硬件信道估计和均衡模块的定点字长定位12 bit。

5 结论

通过对信道估计和均衡算法进行定点化分析，使ASIC芯片能够达到硬件性能和面积的trade off，既能保证正确和精度，同时又使硬件的资源消耗小，提高运行速度，降低功耗。通过对系统数据的处理精度做计算分析与验证，掌握正常运行时各个计算节点所要求的最大精度和动态范围，就能够使整个系统达到最佳设计效果，这对于PLC芯片设计验证提供了算法理论支持，为芯片设计方法提供了很大帮助。目前基于国家电网用电信息采集规范的PLC通信芯片已经基本通过了原型验证并投入了试点应用，结果表明，较窄带载波芯片在抄表成功率和并发抄表能力等方面有明显优势，这对于国家电网公司在智能电网用电信息采集系统建设方面有着重要的参考意义。