应用于工频通信中的纠错编码研究论文- 吴松霖

华北电力大学本科毕业设计（论文）

摘 要

电力线双向工频通信系统(TWACS)能够跨变压器台区长距离传输，基于该技术较传统电力线载波通信具有需要设备少、设备成本低、安装维护方便等优势。

但电力线并非专门的通信线路，配电网的信道环境尤其恶劣，对工频通信的传输非常不利。提高通信系统可靠性的方法有很多，一方面可以采取相应的手段比如在信号的检测环节应用匹配滤波、小波法等信号处理方法，另一方面由于噪声干扰强、畸变信号的调制功率受到限制，通过纠错编码可进一步提高数据传输成功率也必不可少。

针对配电网数据结构复杂，安全性要求高，突发干扰极易出现的情况，对比汉明码、BCH码、RS码的纠错性能与编码效率，对于极易出现突发差错的配电网工频通信系统选择进行RS编码。根据不同长度的数据对传输效率与编码增益的要求不同，对较短的数据选择RS(15,11)码和RS(31,23)码进行的纠错方法，而较长的数据，选择RS(127,115)码进行检错纠错。对于不满足RS码信息位码字长度的采用在编码前添加少量二进制0bit信息，译码后删减掉即可还原原有效信息。

通过大量仿真实验，验证了本文分析方法的有效性。 关键词：双向工频通信系统，纠错编码，误码率，编码增益

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Abstract

The powerline TWACS system (TWACS) long-distance transmission across distribution transformers based on the technology than traditional power line carrier communication need less equipment, and low equipment costs, easy installation and maintenance advantages.

The power line is not dedicated communication lines, distribution network of channel environment is especially harsh, very unfavorable to the transmission of power frequency communication. There are many ways to improve the reliability of communication systems, on the one hand can take the appropriate means to match filtering, wavelet method, and signal processing methods such as aspects of the application in signal detection, on the other hand, due to strong noise, the modulation of the distortion signal power is restricted, by error correction coding can further improve the success rate of data transmission is also essential.

Complex structure for distribution network data security requirements, the burst interference prone, compared to the Hamming code, BCH code, RS code error correction performance and coding efficiency, frequency prone to burst errors with grid workcommunication system to select the RS coding. According to the different length of data transmission efficiency and the requirements of the coding gain, shorter data, select the RS (15,11) code and RS (31,23) code for error correction method, and the longer the data, select the RS (127,115) code for error detection and correction. Add a small amount of the binary 0bit information does not meet the RS code information code word length is adopted before the coding, decoding, deletion of swap can restore the original effective information.

By a large number of simulation experiments to verify This paper analyzes the effectiveness of the method.

Keywords: TWACS，error correction coding，error rate，coding gain

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目录

摘 要 ............................................................ 1 Abstract ............................................................ 2 目录................................................................ 3 第1章 绪 论 ........................................................ 4

1.1项目背景 ............................................................ 4 1.2国内外研究现状及存在问题 ............................................ 4

1.2.1 工频通信的历史与发展现状 ...................................... 4 1.2.2 纠错编码的历史与发展现状 ...................................... 5 1.2.3纠错编码在工频通信中的应用 .................................... 6 1.3 论文研究内容 ........................................................ 6 第2章 工频通信的基本原理与纠错编码应用 ............................... 7

2.1 工频通信系统原理 .................................................... 7

2.1.1 系统构成 ...................................................... 7 2.1.2 工频信号的调制 ................................................ 7 2.1.3 工频调制信号的编码 ............................................ 9 2.1.4 工频信号的解调 ............................................... 10 2.2 纠错编码的基本原理及应用状况 ....................................... 11 2.3 本章总结 ........................................................... 13 第3章 工频通信中的纠错编码性能分析 ....................................13

3.1基于汉明码的纠错编码研究 ........................................... 13 3.2基于BCH码的纠错编码研究 ........................................... 13 3.3基于RS码在工频通信的纠错编码研究 .................................. 14 3.4 应用于工频通信中汉明码、BCH码与RS码性能比较 ...................... 15 3.5 工频中纠错码的选择 ................................................. 16 3.6 本章总结 ........................................................... 17 第4章 工频通信中纠错编码的实现 .......................................17

4.1 应用于工频通信中汉明码（15,11）的实现 .............................. 17 4.2 应用于工频通信中BCH码（15,7）的实现 ............................... 18 4.3 应用于工频通信中RS码的实现 ........................................ 18 第5章 总结与展望 ....................................................21 参考文献 ............................................................23

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第1章 绪 论

1.1 项目背景

电力配电网络是我国线路分布最为广泛的可通信网络之一。利用电力线进行数据传输主要是电力线载波法，该方法是在电力线路上利用调频或调相载波方法进行中高频的信号传输

[1,2]

。然而国内外现有的中低压配电网载波通信普遍存在可靠性较差、有

效传输距离短的问题。主要原因：一是由于电力配电网络中电容、电感的影响，电网对高频载波信号传输衰减大，因此传输距离近，故需要发射的功率大并使用阻波器和滤波器等设备。远距离通信还需要中间装置（如中继器）；二是配电网中的变压器对高频载波信号是一个天然的阻波器，信号不能穿透变压器传输，只能在同一个电压等级范围内传输。过变压器时要增设转接设备。

由于以上原因使得传统电力线载波通信的成本较高，工频通信技术是针对传统电力线载波法这一不足而提出的技术。

TWACS(Two Way Automatic Communication System),即双向工频自动通信系统,是基于电力配电网络的一种新型通信技术。它利用以有的配电网作为传输载体，对现有的系统没有特殊要求。信号在传输过程中，不需要额外的滤波器和阻波器，并且在不同电压等级的线路中传输不需要增设转接设备[3,4]，是一种经济、便捷的配用电信息传输方式。该通信系统实现简单、成本低廉，拥有极为广阔的应用前景。

然而电力配电网络的主要功能是传送工频电能[5]，而不是通信。电网环境复杂、干扰严重，在信号传输过程中，会有多种因素使得信号发生改变，即出现差错。在复杂的电网环境的基础上如何降低通信系统对信噪比要求，即提高通信系统的可靠性是十分关键的问题。提高通信系统的可靠性，控制差错率，即差错控制可以使出现错误的概率降到最小，并对接收到的信号判定是否为原信号，甚至对错误信号进行纠错。因此，工频通信中的差错控制技术的研究对推动工频通信技术在电力配电网络上的投入应用具有重要意义。

1.2国内外研究现状及存在问题

1.2.1 工频通信的历史与发展现状

1978年，R.H. JohnSton提出了一种在220V电压波形整体相移实现信息传输的方法，这就是单向工频电力数据传输的基本模型和理论，其原理为，取一个与50Hz工频电压基

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波等宽度的电压信号作调制信号，在电网电压波形过零点加入调制信号，相邻两个波形只加入一个调制信号，根据调制信号的相位不同来表示信号为“1”和“0”，这样，用户接收端就能够根据相对形变的位置和相位进行解调[9,10]。该技术的调制信号要求在电网电压基波的整个幅值范围内调制，这就需要较强的调制功率，而且容易产生严重的干扰，因此限制了该方法的应用，然而这种思想却给后来双向工频通信技术的发展提供了思路。

双向工频通信技术是S.T.Mak于1982年提出的，与单向工频通信不同，双向工频通信的信号调制位置只在工频电压基波过零点附近，利用电压过零点附近的微弱畸变表示信息[6-9]，喧闹的调制功率很小，易于实现。同时，它还利用电流调制作为另一个通道以实现数据半双工传送。

国外工频通信系统目前主要应用于北美地区的60Hz电网，并且电网环境相对较好。我国的电网系统频率为50Hz，而且环境噪声极大，配电方式不统一，城市与乡村的配电系统相差极大，存在多种变压器投入方式[10]，西方一些成型产品在我国电网中可靠性急剧降低，无法适应我国电网的实际环境。因此无法直接套用外国的技术，而必须针对本地区的具体情况进行分析，采取适用于实际条件的方案，才能解决在当前强噪声环境下如何进行可靠通信并且低成本投入应用的问题。

由于TWACS技术的先进性和实用性，开发适应我国国情的双向工频通信系统有着重大的社会意义和实用价值。我国的工频电力通信技术研究始于1998年，该技术现在在国内电力系统的应用多集中在民用电网（如远程抄表等领域）。

然而由于电网环境的复杂性，利用电力线进行数字通信的比特误码率较高，因此提高可靠性很必要[11]。纠错编码是一种能够很好改善通信可靠性的方法。所谓纠错编码，即将一个信息码字经过一定的编码运算，在码字中或者码字后添加额外的冗余位，构成一个新的码字再进行数据传输

[12,13]

。经过信道传输后，在接收端对可能出错的码

字按编码规律解码，译出原信息码字。常见的检错码有奇偶码，常见的纠错码有汉明码，然而，很多情况下对码字的准确度要求较高，奇偶校验码和汉明码已不能满足要求，必须寻找更有效地编码方法。

1.2.2 纠错编码的历史与发展现状

1948-1949年Shannon提出著名的信道编码定理, 奠定了现代通信特别是纠错码的理论基础。该定理虽然仅是存在性的, 但对通信的指导意义十分明显, 它给通信工作者指出了进行可靠通信的新方向和新途径。纠错码正是在该定理的指导下发展起来的。

自Golay和Hamming分别于1949年和1959年发表第一批纠错码文章以来, 纠错码的发展大致经历了以下三个阶段：自1949年至六十年代初是纠错码的提出、发展一直到奠定线性分组码的理论基础阶段, 即早期阶段。在此期间最重要的成果是提出了纠正多个随机错误的BCH码、卷积码的序列译码等；第二阶段为六十年代初至六十年

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