采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)低壓輸電線上高速數(shù)據(jù)的傳輸

1、采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)低壓輸電線上高速數(shù)據(jù)的傳輸關(guān)鍵字：OFDM 噪音 多徑效應(yīng) 衰落 子載波 1 引言電力線已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，如果能夠在電力線上進(jìn)行可靠的數(shù)字傳輸，不僅可以方便地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的配電自動(dòng)化，而且可以通過(guò)電力線進(jìn)行通信，省去了通信線路的架設(shè)，大大降低通信的成本，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)普及起到重要作用。由于電力線固有的高噪音、多徑效應(yīng)和衰落等特點(diǎn)，人們通常采用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。擴(kuò)頻通信雖然抗干擾能力較強(qiáng)，卻受到其原理的制約，傳輸速率最高只能達(dá)到1Mbps。隨著人們對(duì)通信傳輸速率的要求越來(lái)越高，一種采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)在低壓輸電線上高速、可靠傳輸數(shù)據(jù)的通信方式出現(xiàn)了，該技術(shù)具有抗噪

2、音、抗多徑效應(yīng)和抗衰落的特性，其傳輸速率可以超過(guò)10Mbps。2低壓輸電線上的數(shù)字傳輸特性低壓輸電線信道環(huán)境十分惡劣，對(duì)數(shù)字載波通信影響嚴(yán)重的干擾源主要有：信道噪音、信道衰耗和多徑效應(yīng)。噪音是低壓輸電線上最大的干擾源。其來(lái)源很多，主要是設(shè)備開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的脈沖干擾、發(fā)電機(jī)中電刷生成的火花、用電設(shè)備產(chǎn)生的噪音以及電力線耦合的外界電磁波等。其中，對(duì)通信影響最大的是脈沖干擾，其頻譜范圍很寬且幅度較高。載波信道的衰耗也嚴(yán)重影響了信號(hào)的傳輸。研究表明，變電站的介入是電力載波信道衰耗的主要原因1，衰耗值通常為2030dB，最高不超過(guò)55dB。由于低壓電力網(wǎng)中負(fù)載的不斷投入和切除，信道的衰耗處于動(dòng)態(tài)變化中，1

3、s內(nèi)某一頻率的衰耗可達(dá)20dB2。這一現(xiàn)象在通信中稱為信道衰落，采用均衡技術(shù)可以消除信道衰落引起的誤碼，但是當(dāng)傳輸速率很高時(shí)快速均衡難以實(shí)現(xiàn)。多徑效應(yīng)是數(shù)字通信中特有的一種干擾，是指信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)目的地時(shí)由于信號(hào)的延遲而相互干擾的現(xiàn)象。低壓電力網(wǎng)所連接的設(shè)備數(shù)量巨大、種類眾多，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的阻抗處于動(dòng)態(tài)變化之中，這必然會(huì)造成許多用電設(shè)備工作在阻抗不匹配的狀態(tài)。如果某些設(shè)備阻抗不匹配，信號(hào)到達(dá)該處時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生反射，這樣一來(lái)，有用信號(hào)就可能經(jīng)過(guò)若干條不同的路徑到達(dá)接收點(diǎn)。由于信號(hào)在每條路徑上經(jīng)歷的時(shí)間不同，在接收點(diǎn)就會(huì)發(fā)生多徑效應(yīng)，延遲信號(hào)對(duì)有用信號(hào)形成干擾。當(dāng)多徑信號(hào)延遲較小時(shí)，這種干擾可以忽

4、略；如果延遲較長(zhǎng)，就會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間串?dāng)_（ISI）。3OFDM的基本原理和組成結(jié)構(gòu)OFDM的思想早在70年代初期就有人提出，但是直到80年代后期隨著數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)高速數(shù)據(jù)通信需求的增長(zhǎng)，才逐漸為人們所重視?，F(xiàn)在它已被歐洲地面廣播標(biāo)準(zhǔn)（EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards）中DAB（數(shù)字音頻廣播）和DVBT（數(shù)字視頻廣播）所采納。31OFDM的基本原理OFDM技術(shù)把所傳的高速數(shù)據(jù)流分解成若干個(gè)子比特流，每個(gè)子比特流具有低得多的傳輸速率，并且用這些低速數(shù)據(jù)流調(diào)制若干個(gè)子載波。圖1和圖2給出了OFDM的基本原理。假設(shè)一

5、個(gè)周期內(nèi)傳送的碼元序列為（d0，d1，dN1），它們通過(guò)串并轉(zhuǎn)換器分別調(diào)制在N個(gè)子載波（f0，f1，fN1）上，這些子載波滿足正交特性，其頻譜相互重疊。所謂子載波頻譜正交是指兩個(gè)相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)的碼元傳輸速率fs，在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDMA）系統(tǒng)中，相鄰兩個(gè)子信道的中心頻點(diǎn)至少相差碼元傳輸速率的35倍以防止鄰道干擾，而OFDM的相鄰子載波十分接近，大大提高了譜利用率，其頻譜分布如圖3所示，它們?cè)陬l域上是相互交疊的。研究表明，只要子載波之間滿足特定的正交約束條件，采用變頻和積分的手段就可以有效地分離出各個(gè)子信道信號(hào)3。如圖1所示，在發(fā)送端的串行碼元序列（d0，d1，dN1）首先實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)

6、制，而后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。經(jīng)過(guò)分路之后的N路子信道碼元的周期T從t增加到Nt，分別調(diào)制在N個(gè)子載波（f0，f1，fN1）上。f0為最低子載波頻率，相鄰子載波相差1T，所以，N個(gè)子載波可以表示為：如圖2所示，在接收端N路信號(hào)分別用各子載波混頻和積分恢復(fù)出子信號(hào)。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以分離出各個(gè)子信道的信號(hào)，如式（4）所示：其中，d（m）是接收機(jī)中第m路子信道的輸入信號(hào)，從式（4）可以看出它與發(fā)送端的第m路子信道相等。如果每個(gè)子信道都可以正確解調(diào)出源信號(hào)，將其合并后就能夠恢復(fù)出發(fā)送端高速串行碼元序列（d0，d1，dN1）。 32OFDM調(diào)制的具體實(shí)現(xiàn)OFDM調(diào)制的原理雖然是用N個(gè)相互正

7、交的載頻分別調(diào)制N路子信道碼元序列，但是在實(shí)際系統(tǒng)中很難采用這種方式，因?yàn)槲覀儫o(wú)法防止子信道之間嚴(yán)重的鄰道干擾。OFDM調(diào)制之所以成功應(yīng)用的一個(gè)重要原因是，它可以采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)過(guò)程。由上述分析可知，OFDM調(diào)制后的輸出信號(hào)為式（2）所示，該式恰好是D（t）以碼元傳輸速率fs為采樣頻率而得到的離散傅利葉反變換，即：  如果將D（k）序列經(jīng)過(guò)DA轉(zhuǎn)換，變成模擬信號(hào)后發(fā)送出去，接收端再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)，通過(guò)離散傅利葉變換同樣可以實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制與解調(diào)過(guò)程。假設(shè)接收序列為R（k），經(jīng)過(guò)離散傅利葉變換可以描述成：將式（5）代入式（6）可得：R（k）d（n），即

8、接收序列被正確還原出來(lái)。實(shí)際上，系統(tǒng)常常通過(guò)DSP處理芯片采用快速傅利葉反變換（IFFT）實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。發(fā)送部分由串并轉(zhuǎn)換器、基帶調(diào)制模塊、IFFT變換器、合路器和DA轉(zhuǎn)換器等組成。工作過(guò)程如下：發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流通過(guò)串并轉(zhuǎn)換器分解成N個(gè)低速數(shù)據(jù)塊，對(duì)每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制（可選二進(jìn)制相移鍵控BPSK、正交相移鍵控QPSK、正交調(diào)幅QAM、網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM等），而后通過(guò)快速傅利葉反變換將基帶調(diào)制信號(hào)搬移到N路子載波上合路后發(fā)出。發(fā)送信號(hào)通過(guò)疊加了各種噪音和干擾的電力線信道傳遞到接收端。接收器由AD轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器、FFT變換器、解調(diào)模塊等部分組成。其工作過(guò)程為：采用

9、快速傅利葉變換恢復(fù)基帶信號(hào)，并采用相應(yīng)的解調(diào)方式解調(diào)出N路低速數(shù)據(jù)，最后通過(guò)并串轉(zhuǎn)換合成原始高速數(shù)據(jù)流。4電力線上OFDM抗干擾能力的分析41抗噪音性能OFDM的抗噪音性能與各子信道的調(diào)制方式有關(guān)。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)得出，系統(tǒng)若能可靠地傳輸BPSK調(diào)制信號(hào)需要信噪比為68dB，QPSK調(diào)制需要信噪比為1012dB，16PSK調(diào)制需要信噪比大于25dB。圖5說(shuō)明了幾種調(diào)制方式在不同信噪比環(huán)境下誤碼率的曲線分布。為提高系統(tǒng)的抗噪音性能，OFDM系統(tǒng)一般都采用信道編碼技術(shù)，該方式又被稱為COFDM（CodedOFDM）。通過(guò)適當(dāng)引進(jìn)交織編碼、卷積碼、RS碼或BCH碼等糾錯(cuò)編碼，系統(tǒng)可以消除脈沖干擾引

10、起的突發(fā)誤碼，大大提高傳輸?shù)目煽啃?。擴(kuò)頻通信具有較強(qiáng)的抗干擾能力，多載波擴(kuò)頻是將OFDM調(diào)制方式用于擴(kuò)頻通信中。二者的結(jié)合不僅保持了擴(kuò)頻系統(tǒng)原有的抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且大大提高系統(tǒng)的容量和性能4。42抗多徑干擾性能多徑效應(yīng)對(duì)傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)展，造成接收碼元的前后重疊，即碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。碼間串?dāng)_與反射信號(hào)的延遲長(zhǎng)短有關(guān)，當(dāng)延遲時(shí)間相對(duì)于一個(gè)碼元寬度很短時(shí)，通常不會(huì)對(duì)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響。所以，碼間串?dāng)_對(duì)速率高的傳輸系統(tǒng)影響嚴(yán)重，但是隨著傳輸速率的下降，多徑干擾也隨之減弱，甚至可以忽略不計(jì)。例如速率為10Mbps的BPSK信號(hào)每個(gè)碼元寬度為100ns，假設(shè)多徑干擾的延遲為1s就可

11、以干擾10個(gè)接收信號(hào)。而采用OFDM調(diào)制后碼元寬度足夠長(zhǎng)，10Mbps的OFDM信號(hào)分成100個(gè)子載波，每個(gè)子信號(hào)的碼元寬度是10s，這樣，1s的多徑干擾就不會(huì)對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生碼間串?dāng)_?？梢?jiàn)，OFDM的頻率分集復(fù)用技術(shù)是解決多徑干擾的有效手段。43抗衰落性能由于低壓輸電線上阻抗變化幅度較大，信號(hào)傳輸時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落。自適應(yīng)均衡是解決信道衰落的有效手段，但是當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率很高時(shí)實(shí)現(xiàn)快速均衡其復(fù)雜性和成本都難以接受。采用OFDM調(diào)制，每個(gè)子信道的速率較低，實(shí)現(xiàn)均衡相對(duì)較為簡(jiǎn)單。OFDM通過(guò)打開(kāi)和關(guān)閉某些子信道的方式防止信道衰落。如圖6所示，系統(tǒng)在最初工作時(shí)所有子信道上都發(fā)送數(shù)據(jù)，工作一段時(shí)間后如果

12、某個(gè)頻段的信號(hào)衰落嚴(yán)重，超過(guò)規(guī)定的信噪比門限，發(fā)送端會(huì)自動(dòng)關(guān)閉該頻段的子載波，避免了衰落引發(fā)的誤碼。5OFDM用于電力線載波的現(xiàn)狀和未來(lái)近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM調(diào)制已經(jīng)逐漸應(yīng)用到無(wú)線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域。采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線上高速數(shù)據(jù)的傳輸是一個(gè)嶄新的課題，這方面Intellon公司率先在全球做了積極的探索。該公司經(jīng)過(guò)幾年的努力研制出了電力線高速數(shù)據(jù)的產(chǎn)品PowERPacket。該系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，將43 MHz209 MHz的頻帶劃分成84個(gè)子信道，每個(gè)子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO調(diào)制方式，傳輸速率不小于14Mbps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PowerPacket在有800個(gè)用電設(shè)備的環(huán)境下連續(xù)工作24小時(shí)，誤碼率小于107（參見(jiàn)Intellon公司技術(shù)手冊(cè)）。OFDM調(diào)制的高速率和良好的性能是通過(guò)提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價(jià)獲得