采用OFDM技术实现低压输电线上高速数据的传输

从OFDM的原理入手，在分析低压输电线干扰源特征的基础上，阐述了OFDM调制技术抵御这些干扰的原因和能力。
    关键词：OFDM，噪音，多径效应，衰落，子载波
　　

1　引　言
　　电力线已经走进千家万户，如果能够在电力线上进行可靠的数字传输，不仅可以方便地实现电力系统的配电自动化，而且可以通过电力线进行通信，省去了通信线路的架设，大大降低通信的成本，从而对网络普及起到重要作用。
　　由于电力线固有的高噪音、多径效应和衰落等特点，人们通常采用扩频技术进行数据传输。扩频通信虽然抗干扰能力较强，却受到其原理的制约，传输速率最高只能达到1Mbps。随着人们对通信传输速率的要求越来越高，一种采用正交频分复用（OFDM）技术在低压输电线上高速、可靠传输数据的通信方式出现了，该技术具有抗噪音、抗多径效应和抗衰落的特性，其传输速率可以超过10Mbps。
2　低压输电线上的数字传输特性
　　低压输电线信道环境十分恶劣，对数字载波通信影响严重的干扰源主要有：信道噪音、信道衰耗和多径效应。
　　噪音是低压输电线上最大的干扰源。其来源很多，主要是设备开关切换产生的脉冲干扰、发电机中电刷生成的火花、用电设备产生的噪音以及电力线耦合的外界电磁波等。其中，对通信影响最大的是脉冲干扰，其频谱范围很宽且幅度较高。
　　载波信道的衰耗也严重影响了信号的传输。研究表明，变电站的介入是电力载波信道衰耗的主要原因〔1〕，衰耗值通常为20～30dB，最高不超过55dB。由于低压电力网中负载的不断投入和切除，信道的衰耗处于动态变化中，1s内某一频率的衰耗可达20dB〔2〕。这一现象在通信中称为信道衰落，采用均衡技术可以消除信道衰落引起的误码，但是当传输速率很高时快速均衡难以实现。
　　多径效应是数字通信中特有的一种干扰，是指信号经过不同路径到达目的地时由于信号的延迟而相互干扰的现象。低压电力网所连接的设备数量巨大、种类众多，整个网络的阻抗处于动态变化之中，这必然会造成许多用电设备工作在阻抗不匹配的状态。如果某些设备阻抗不匹配，信号到达该处时必然会产生反射，这样一来，有用信号就可能经过若干条不同的路径到达接收点。由于信号在每条路径上经历的时间不同，在接收点就会发生多径效应，延迟信号对有用信号形成干扰。当多径信号延迟较小时，这种干扰可以忽略；如果延迟较长，就会对有用信号产生严重的码间串扰（ISI）。
3　OFDM的基本原理和组成结构
　　OFDM的思想早在70年代初期就有人提出，但是直到80年代后期随着数字信号处理（DSP）技术的发展和人们对高速数据通信需求的增长，才逐渐为人们所重视。现在它已被欧洲地面广播标准（EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards）中DAB（数字音频广播）和DVB－T（数字视频广播）所采纳。
3．1　OFDM的基本原理
　　OFDM技术把所传的高速数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。
　　图1和图2给出了OFDM的基本原理。假设一个周期内传送的码元序列为（d0，d1，．．．，dN－1），它们通过串／并转换器分别调制在N个子载波（f0，f1，．．．，fN－1）上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交是指两个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率fs，在传统的频分复用（FDMA）系统中，相邻两个子信道的中心频点至少相差码元传输速率的3～5倍以防止邻道干扰，而OFDM的相邻子载波十分接近，大大提高了谱利用率，其频谱分布如图3所示，它们在频域上是相互交叠的。研究表明，只要子载波之间满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号〔3〕。

　　如图1所示，在发送端的串行码元序列（d0，d1，．．．，dN－1）首先实现基带调制，而后进行串并转换。经过分路之后的N路子信道码元的周期T从△t增加到N△t，分别调制在N个子载波（f0，f1，．．．，fN－1）上。f0为最低子载波频率，相邻子载波相差1／T，所以，N个子载波可以表示为：

　　如图2所示，在接收端N路信号分别用各子载波混频和积分恢复出子信号。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以分离出各个子信道的信号，如式（4）所示：

其中，d（m）是接收机中第m路子信道的输入信号，从式（4）可以看出它与发送端的第m路子信道相等。如果每个子信道都可以正确解调出源信号，将其合并后就能够恢复出发送端高速串行码元序列（d0，d1，．．．，dN－1）。

3．2　OFDM调制的具体实现
　　OFDM调制的原理虽然是用N个相互正交的载频分别调制N路子信道码元序列，但是在实际系统中很难采用这种方式，因为我们无法防止子信道之间严重的邻道干扰。OFDM调制之所以成功应用的一个重要原因是，它可以采用数字信号处理技术来实现调制和解调过程。
　　由上述分析可知，OFDM调制后的输出信号为式（2）所示，该式恰好是D（t）以码元传输速率fs为采样频率而得到的离散傅利叶反变换，即：
 
　　如果将D（k）序列经过D／A转换，变成模拟信号后发送出去，接收端再经过A／D转换恢复成数字信号，通过离散傅利叶变换同样可以实现OFDM的调制与解调过程。假设接收序列为R（k），经过离散傅利叶变换可以描述成：

将式（5）代入式（6）可得：R（k）＝d（n），即接收序列被正确还原出来。
　　实际上，系统常常通过DSP处理芯片采用快速傅利叶反变换（IFFT）实现上述过程，其组成结构如图4所示。
　　发送部分由串／并转换器、基带调制模块、IFFT变换器、合路器和D／A转换器等组成。工作过程如下：发送端将高速数据流通过串／并转换器分解成N个低速数据块，对每路低速数据进行基带调制（可选二进制相移键控BPSK、正交相移键控QPSK、正交调幅QAM、网格编码调制TCM等），而后通过快速傅利叶反变换将基带调制信号搬移到N路子载波上合路后发出。发送信号通过叠加了各种噪音和干扰的电力线信道传递到接收端。

　　接收器由A／D转换器、带通滤波器、FFT变换器、解调模块等部分组成。其工作过程为：采用快速傅利叶变换恢复基带信号，并采用相应的解调方式解调出N路低速数据，最后通过并／串转换合成原始高速数据流。
4　电力线上OFDM抗干扰能力的分析
4．1　抗噪音性能
　　OFDM的抗噪音性能与各子信道的调制方式有关。根据理论分析和试验得出，系统若能可靠地传输BPSK调制信号需要信噪比为6～8dB，QPSK调制需要信噪比为10～12dB，16PSK调制需要信噪比大于25dB。图5说明了几种调制方式在不同信噪比环境下误码率的曲线分布。
　　为提高系统的抗噪音性能，OFDM系统一般都采用信道编码技术，该方式又被称为COFDM（CodedOFDM）。通过适当引进交织编码、卷积码、RS码或BCH码等纠错编码，系统可以消除脉冲干扰引起的突发误码，大大提高传输的可靠性。扩频通信具有较强的抗干扰能力，多载波扩频是将OFDM调制方式用于扩频通信中。二者的结合不仅保持了扩频系统原有的抗干扰性强的优点，而且大大提高系统的容量和性能〔4〕。4．2　抗多径干扰性能
　　多径效应对传输的数字信号产生时延扩展，造成接收码元的前后重叠，即码间串扰，严重影响传输质量。码间串扰与反射信号的延迟长短有关，当延迟时间相对于一个码元宽度很短时，通常不会对信号的接收产生影响。所以，码间串扰对速率高的传输系统影响严重，但是随着传输速率的下降，多径干扰也随之减弱，甚至可以忽略不计。例如速率为10Mbps的BPSK信号每个码元宽度为100ns，假设多径干扰的延迟为1μs
就可以干扰10个接收信号。而采用OFDM调制后码元宽度足够长，10Mbps的OFDM信号分成100个子载波，每个子信号的码元宽度是10μs，这样，1μs的多径干扰就不会对有用信号产生码间串扰。可见，OFDM的频率分集复用技术是解决多径干扰的有效手段。
4．3　抗衰落性能
　　由于低压输电线上阻抗变化幅度较大，信号传输时会出现严重的衰落。自适应均衡是解决信道衰落的有效手段，但是当系统传输速率很高时实现快速均衡其复杂性和成本都难以接受。采用OFDM调制，每个子信道的速率较低，实现均衡相对较为简单。
　　OFDM通过打开和关闭某些子信道的方式防止信道衰落。如图6所示，系统在最初工作时所有子信道上都发送数据，工作一段时间后如果某个频段的信号衰落严重，超过规定的信噪比门限，发送端会自动关闭该频段的子载波，避免了衰落引发的误码。

5　OFDM用于电力线载波的现状和未来
　　近年来，随着数字信号处理和大规模集成电路技术的飞速发展，OFDM调制已经逐渐应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域。采用OFDM技术实现电力线上高速数据的传输是一个崭新的课题，这方面Intellon公司率先在全球做了积极的探索。该公司经过几年的努力研制出了电力线高速数据的产品PowerPacket。该系统采用OFDM技术，将4．3 MHz～20．9 MHz的频带划分成84个子信道，每个子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO调制方式，传输速率不小于14Mbps。实验结果表明，PowerPacket在有800个用电设备的环境下连续工作24小时，误码率小于10－7（参见Intellon公司技术手册）。
　　OFDM调制的高速率和良好的性能是通过提高系统复杂性为代价获得的。该技术的最大难点是如何实现各个子信道的精确同步。OFDM的基础是各个子载波必须满足频率正交性的特点，如果正交性恶化，整个系统的性能会严重下降，即产生OFDM所特有的通道间串扰（ICI）〔5〕。随着数字信号处理和锁相环（PLL）技术的发展，现在人们可以精确跟踪信道冲激响应的实时变化，均衡ICI的影响。
　　今后，OFDM的发展方向主要是增加传输距离、进一步提高传输速率以及与现有的网络设备兼容。

参考文献

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2　Daidclark．Powerline Communication：Finally Ready forPrime Time？．Computer，1998，2（1）：10～11
3　JA C Bingham．Multicarrier Modulation for Data Trans－mission：An Idea Whose Time Has Come．IEEE Commun．Mag．，1990，37（5）：5～14
4　李建东，杨家玮．个人通信．北京：人民邮电出版社，19985　T Schmidl，D Cox．RobustFrequency and Timing Syn－chronization for OFDM．IEEE Trans．Commun．，1997，45（12）：1613～1621