基于窄带随机过程的通信监控网络信道编码

摘要：该文研究电力线通信监控网络的窄带信道编码，通过增加冗余比特，降低误码率和丢包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道编码差错控制原理基础上，给出了设计中低速通信网络信道编码的基本分析思路，阐明了为提高可靠性而遵循的设计原则；在研究窄带随机过程解调检测器基本原理基础上，提出在电力线窄带通信接收机中，增加一级累加器，使信号比特能量积累换取高信噪比，并在累加器后级通过大数判决来实现检错和纠错。

关键词：通信监控网络；信道编码；窄带随机过程；累加器

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)26-1684-03

Channel Coding of Communication Investigation Network Based on Narrow-Band Random Process

ZHANG Jun

(Academy of Professional Technology, Chenzhou 423000,China)

Abstract: In this paper, a method of channel coding of communication investigation network based on narrow-band random process was presented. Through increasing redundancy and decreasing false code rate, this method could improve relaibility of communication. Based on basic coding theory, this paper presents principle of nomal and low communication network, and describes principle of design. Based on narrow-band random process, this paper proposes a new method which increases a new accumulator to use high energy to subsitute high signal noise rate, this method also use majority-logic criteria to improve stability and relaibility of communication investigation network

Key words: communication investigation network; channel coding;narrow-band random process;accumulator

1 前言

本文研究电力线通信监控网络的窄带信道编码，通过增加冗余比特，降低误码率和丢包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道编码差错控制原理基础上，给出了设计中低速通信网络信道编码的基本分析思路，阐明了为提高可靠性而遵循的设计原则；在研究窄带随机过程解调检测器基本原理基础上，提出在电力线窄带通信接收机中，增加一级累加器，使信号比特能量积累换取高信噪比，并在累加器后级通过大数判决来实现检错和纠错。

2 重复编码累加器

在研究窄带接收机基本结构和构造信道编码之前，先假设电力线信道中收发双方能够通过某种方式同步，使双方均能由同步信号产生的定时器判定是何种信道编码。

设码字由N个比特组成，第一个比特为原始信息比特，其余为与信息比特相同的冗余比特。调制后，电力线通信窄带信号频谱集中在以w0为中心的有限频带w内，且有w0>>w 。窄带随机过程可表示为： ，其中的A(t)和φ(t)分别为窄带过程的包络和相位，与W0相比，均为慢时变的随机过程。

当 a≠0 ，即当接收机输入为叠加有噪声的信号时，若θ 是在(0.2π) 上均匀分布的随机变量，则Nci+acosθ ，Nsi +asinθ 在θ 给定情况下都是互相独立的高斯随机变量，且有

性质：两个互相独立的具有x2 分布的随机变量之和仍为 x2分布，若它们的自由度之和分别为n1 和n2 ，其和的自由度为n1+n2 。由此可以得到G的概率密度与累加次数的关系。对于二进制窄带调制信号，这个固定值即为码元 1和 0 的判决门限。从以上分析中，可得到以下的重要结论：通过增加相同码元的累加次数，增大接收机正确判决的概率。在信道编码中信息比特能量以1-Pe>0.5 的概率多次累加，积累的总效应使比特能量和噪声能量之比增加。所以，使用累加器可以提高接收机检波的信噪比，提高通信可靠性。注意到G 的非中心参量λ 与自由度2n 之比为

a2/O2 为检波器输入端的功率信噪比。由非中心x2 分布Y 的数学期望和方差公式，E[Y]=nYσY2+λY，和D[Y]=2nYσY2+4σY2λY(nY、σY2 和λY分别为自由度、方差和非中心分布参量)，可得到归一化 G的数学期望和方差

可见，G 的数学期望（接收机输出的信号统计平均值）和方差（信号功率统计平均值）与积累次数成正比，且随着输入端信噪比的加大而增加。

3 仿真与分析

实验一：未使用信道编码的工程实测

本文将研究和设计的电力线通信模块应用与远程照明监控系统的仿真试验中。根据监控系统通过GSM方式与电力线网关通信，查看控制和查询结果，并与实际结果相比较。在上行链路中，数据包丢失（或控制字出错）表现为未收到查询结果；下行链路中，数据包丢失或出现误码，表现为下传控制命令时未执行操作或发生误动作。无论上行链路还是下行链路出现1次错误，均表现为通信网络不可靠，按照操作失败1次处理。操作次数和出错次数的统计见表1。

实验二：基于累加器信道编码的工程实测

重点考察使用累加器大数判决的信道编码能否降低误码率。测试统计数据见表2。与实验一中测试结果比较，使用累加器信道编码的通信网络下行链路（控制）出错率降低近400倍，上行链路出错率降低近1.5倍。下行链路的数据流方向是由电力线通信网关至通信节点，经信道编码后可靠性提升明显。

分析无应答的节点位置规律，均位于线路末端；在时间也有19:00~21:00无应答情况集中的规律，在21:00以后，控制和查询恢复正常。线路位置和时间段对通信网络影响较大的是线路电压。由于电力线通信节点使用线性电源，默认状态是接收模式，所以能够接收并执行来自于网关的控制命令；返回给网关状态数据时，发射功率的消耗导致通信节点本地电压跌落，造成波形失真和比特能量与噪声比的降低，从而引起了误码。

线路末端通信节点距离供电变压器距离基本相等，电子镇流器侧节点供电电压均低于电感镇流器侧对应位置的电压，最大相差7V。克服通信节点本地电压跌落的有效方法，是提升供电工频变压器二次测输出电压，如图1所示，原有变压器在220V输入电压条件下有3.33V的跌落，导致输出功率未达到设定值；改进后的线性电源能够在输入电压低至190V时，为通信节点稳定供电。

从图1中也可以看到， 信道编码后的数据包长度为原始数据包长度的6倍(600ms)，虽然通信接口的波特率维持在 ，但实际数据包的传输时间增大了，可靠性得以提高。

4 总结

本文研究电力线通信监控网络的窄带信道编码，通过增加冗余比特，降低误码率和丢包率，提高通信可靠性和有效性。在研究信道编码差错控制原理基础上，给出了设计中低速通信网络信道编码的基本分析思路，阐明了为提高可靠性而遵循的设计原则；在研究窄带随机过程解调检测器基本原理基础上，提出在电力线窄带通信接收机中，增加一级累加器，使信号比特能量积累换取高信噪比，并在累加器后级通过大数判决来实现检错和纠错。

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