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寬帶電力線載波系統中的信道編碼技術研究

2017年電子技術應用第10期

周寒冰1，2，趙東艷1，2，唐曉柯1，2，張海峰1，2，王東山1，2

1.北京智芯微電子科技有限公司，國家電網公司重點實驗室電力芯片設計分析實驗室，北京100192； 2.北京智芯微電子科技有限公司，北京市電力高可靠性集成電路設計工程技術研究中心，北京100192

摘要： 電力線載波通信具有網絡覆蓋范圍廣、接入方便的特點，但電力線不是一種理想的傳輸信道，其信道傳輸環境惡劣，不但具有阻抗匹配和頻率選擇性衰減的問題，而且還存在著嚴重的噪聲和干擾。長期的實踐證明：對抗惡劣電力線信道的最有效手段是信道編碼技術，HomepulgAV標準中給出了雙二元Turbo編碼構造以及碼內交織方案，但這種編碼已經被國外通信設備商申請了專利，如果照搬恐會引起知識產權糾紛，因而給出了一種新的Turbo碼交織方案，其性能比HomeplugAV標準略有提升，復雜程度完全相同，并給出仿真結果。

關鍵詞： 寬帶電力線載波通信 Turbo 信道編碼

中圖分類號： TN914.1
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.179016
中文引用格式： 周寒冰，趙東艷，唐曉柯，等. 寬帶電力線載波系統中的信道編碼技術研究[J].電子技術應用，2017，43(10)：20-22，25.
英文引用格式： Zhou Hanbing，Zhao Dongyan，Tang Xiaoke，et al. Research on channel encoding technology in broadband power line communications[J].Application of Electronic Technique，2017，43(10)：20-22，25.

Research on channel encoding technology in broadband power line communications

Zhou Hanbing1，2，Zhao Dongyan1，2，Tang Xiaoke1，2，Zhang Haifeng1，2，Wang Dongshan1，2

1.State Grid Key Laboratory of Power Industrial Chip Design and Analysis Technology， Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.Ltd.，Beijing 100192，China； 2.Beijing Engineering Research Center of High-reliability IC with Power Industrial Grade， Beijing Smart-Chip Microelectronics Technology Co.Ltd.，Beijing 100192，China

Abstract： With its coverage widely and access easily characteristic, PLC technology has been popularized in meters reading and home automation domains，but the channel of PLC is not perfect, there are critical power noise and all kinds interference existed. Long time practice proved that the best way to overcome the problem of PLC channel is channel coding. In HomeplugAV standard give out a double binary Turbo coding structures, but for commercial reason, this Turbo interleave structure has become the patent product of oversea telecommunication equipment manufacturer, if use this Turbo directly, maybe cause intellectual property disputes in future. In this paper, we give out a different Turbo interleave patterns ,which performance is better than HomeplugAV with the same complexity level, then give out the simulation results.

Key words : PLC；Turbo；channel coding

0 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）以其覆蓋范圍廣、無需重新布線、投資少、連接方便等優點，被普遍認為是“最后一公里”解決方案的最有競爭力的技術。但由于電力線不是一種理想的傳輸信道^[1]，并且掛載在電力線上的各種用電器都會對電力線通信造成干擾，因此，電力線信道是一種時變、多徑的頻率選擇性衰減的傳輸信道。

由于電力線信道的時變性，隨著用電器數量的開啟和閉合數量變化而變化，導致電力線信道建模非常困難，目前學術界還難以拿出一個通用的信道模型來。

對抗電力線信道噪聲和干擾最為有效的手段就是信道編碼，HomeplugAV標準中給出了一個雙二元的Turbo碼構造，但這個Turbo碼內的交織器被國外某通信設備商申請了專利，如果直接采用HomeplugAV標準，將來可能會引起不必要的知識產權糾紛。

因此，本文重新設計了一個Turbo碼交織器方案，在相同復雜度前提下，性能略優于HomeplugAV標準。

1 Homeplug AV標準中的Turbo碼

1.1 Turbo編碼器構造

按照Homeplug AV標準^[2-3]，物理層Turbo編碼由2個相同的分量編碼器(ENC1，ENC2)組成，編碼器每輸入一對信息位(u₁，u₂)后，編碼結果就輸出該系統位(u₁，u₂)和校驗位(p，q)。Turbo編碼器架構如圖1所示。

ENC1和ENC2使用8狀態編碼器，輸入數據流的第一個比特位映射到u₁，第二個比特位映射到u₂，依此類推，在一個ENC中，每一對比特位對應輸出一個校驗位。校驗位(p，q)的計算根據圖2確定。

每個成員碼編碼器的具體算法如下：

步驟1：設置寄存器初始狀態S₀=[S₀₁，S₀₂，S₀₃]為[0，0，0]。

步驟2：輸入信息位至分量編碼器(ENC2輸入的是交織后的信息位)，直至最后一位，用于得到編碼結束的末狀態S_N=[S_N1，S_N2，S_N3]。

步驟3：定義矩陣M。

PB_Size為520、72、16(用于幀控制)時：

1.2 Turbo碼內交織器構造

Turbo交織器用于將原始數據交織后作為第二個成員碼的輸入，Turbo交織按照雙比特為單位進行，交織器長度等于原始數據塊長度的雙比特數量，Turbo交織的參數如表1所示。PB長度主要有PB16（幀控制）、PB136（載荷）、PB520（載荷）3種。

首先規定Turbo交織的地址映射I(x)定義如下：

式中S()是一個查找表，它是一個事先按碼距最大原則搜索好的種子表，按照I(x)要求，交織時采用種子表中的數據代入后，能使交織碼距最大。div表示整除，mod表示模運算。N是S表長度，M是雙比特交織長度除以S表長度，見表2～表4，S(x)中的x是代表輸入編碼器的bit序號，S(x)是按碼距最大原則搜索出來的交織種子，直接代入I(x)公式運算，求得交織地址。地址映射I(x)用于Turbo交織的具體算法如下：

if x mod 2==0

IntData(2·x)=Data(2·I(x)+1)

IntData(2·x+1)=Data(2·I(x))

if x mod 2==1

IntData(2·x)=Data(2·I(x))

IntData(2·x+1)=Data(2·I(x)+1)

for x=0，1，2，…，L-1

其中Data()表示交織器輸入，IntData()表示交織器輸出。需要注意的是：當交織器輸出地址為偶數時，對應的交織后的信息比特對的第0和第1比特要交換一下。