一种简单实用的电力数据差错控制编码的分析

曹俊 CAO Jun；张翼洲 ZHANG Yi-zhou

（伊犁师范学院，伊宁 835000）

摘要：介绍了电力数据传输的特点以及常见的差错控制方法。提出一种简单可行的编码方式适用于电力数据传送。其经济性和方便性是最大的优势，在要求数据传送量不大的情况下，适合做一些小的家居控制。

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关键词：电力载波；通信；信道编码

中图分类号：TM76 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）26-0077-02

基金项目：一种一位两值转换电路的磁保持继电装置，项目编号 2014YSY038。

作者简介：曹俊（1988-），男，山西临汾人，硕士，研究方向为无线电物理。

0 引言

电力载波通信在我们的生活中随处可见，适用范围较广，一直作为电力系统安全、可靠运行的重要保障。电力载波通信发展到今天已较为成熟，其直接性、经济性、方便性使得该技术能在当今通讯时代不被淘汰，并占有一席之地。在城市电力载波通讯适用于电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等，也已获得了较好的效果。虽然电力载波优点很多，但因为电力线本身不是作为通讯线路而设计，仍将依赖于国内电力系统的质量。国内低压电力线信道环境恶劣，通信线路的衰减特性、干扰噪声、阻抗特性、时变特性都较为严重。如何在这种极端的条件下有效可靠地传输数据是我们应该研究的重点问题，本文提出是以可靠性为最优方案的同时考虑经济适用性，在不要求数据大量传输的时候，最容易实现，设计简单实用，适合做简单控制。通过采用信道编码方式增强通信可靠性。

1 低压电力载波技术需求

电力系统对电力数据传输的主要要求是：①可靠性要高，如对电力远动设备，通常要求其误码率在以下。②实时性要强，调度所要求电力系统的实时信息，特别是电力系统故障时，要求迅速地获取故障信息，以便及时处理故障[1]。利用电力线进行数据传输，是电力系统特有的数据传输方式之一。由于电力线上存在较强的电磁干扰，对电力线数据传输设备的要求就比较高。通常以牺牲传码率换取数据传输可靠性的提高。为了提高电力数据传输速率和传输可靠性，在一定信噪比的情况下，达到一定的误码率指标要求，除了应合理设计基带信号，选择合适的调制解调方式，采用频域均衡或时域均衡等措施外，还可以通过采用信道编码，即差错控制编码将误码率进一步降低，以提高信号传输的可靠性[2]。

2 差错和差错控制系统分类

2.1 差错符号、差错比特纠错码总要以有形的形式来传送，其承载信息比特的基本单位“码元”或称“符号”就是有形的信号，如基带脉冲、数字调制波形等。由于存在信号干扰，当干扰过大时，就会导致信息比特的错误。信号差错与信息差错是两个不同的概念，分别用差错符号、差错比特来描述。通常所说的符号差错概率（误码元率）是指信号差错概率，而误比特率是指信息差错概率[3]。

为了研究信号的差错，我们需要给它定量。把收码和发码做“差”即为差错图样（error pattern）：

比如对于八进制（M=8）码元，当发码C=（0，2，5，4，7，5，2），而收码变为R=（0，1，5，4，7，5，4）时，差错图样就是E=C—R=（0，1，0，0，0，0，6）。

二进制码比较常用也比较特殊，给出差错图样公式

E=C?茌R 或 C=R?茌E

此时差错图样中的1既是符号差错也是比特差错，我们把差错的个数就叫汉明距离。

2.2 差错图样类型若差错图样上各码位的取值即与前后位置无关，又与时间无关，即差错始终以相等的概率独立发生于各码字、各码元和各比特间，称此类差错为随机差错。加性高斯白噪声（AWGN）信道时典型的随机差错信道。

前后相关、成堆出现的差错称为突发差错。突发差错总是以差错码元开头、以差错码元结尾，头尾之间并不是每个码元都错，而是码元差错概率超过了某个额定值。电力线通信系统中的突发差错多由突发噪声引起，如雷电、强脉冲、电火花，时变信道的衰落、移动中信号的多径与快衰落等[4]。突发差错的最简单实用的数学模型是双状态一阶马尔可夫链模型，也称为吉尔伯特（Gilbert）模型或Gi模型，如图1。

可以通过数学计算得出吉尔伯特模型所代表的编码信道的平均误码率是

利用吉尔伯特模型还可以算出码长n的码组内产生长度为b?叟2的实发差错的概率。

2.3 纠错码的分类从不同的角度、不同侧面去看问题，可以对纠错码作出不同的归类。见表1。

除了上述分类外，有多少观察问题的角度，就有多少分类的方法。比如，按每个码元的取值，可以分为二进制码与多进制码；按码子之间的关系，有循环码和非循环码之分。不同的分类方法只是从不同的角度抓住码的某一特性进行归类而已，并不能说明某个码的全部特性。比如某线性码可能同时又是分组码、循环码、纠突发差错码、代数码、二进制码。如图2。

3 简单重复编码与错误概率

本设计主题思想，采用简单重复编码，基于电力信道的特点分析采用前向纠错（forward error correction，FEC），纠错过程中接收端独立进行判别，不存在差错信息的反馈。发送端信息经过重复编码后传输，而接收端通过择多译码固定算法自动纠正传递过程中的差错。这样无需反向信道，时延小实时性好，即能点对点通信，又适用于点对多点组播或广播式通信[5]。

设有二元对称信道如图3。

其信道矩阵为