基于OFDM低壓電力線通信技術(shù)研究＊

（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系 南京 211800）

1 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）是利用電力網(wǎng)絡(luò)傳輸語(yǔ)音、圖像、視頻以及數(shù)據(jù)信息等高頻信號(hào)的一種通信方式［1］，源于其連接方便、覆蓋區(qū)域廣、不用布線等優(yōu)點(diǎn)，成為解決“最后一公里”問(wèn)題，是接入寬帶網(wǎng)絡(luò)最具優(yōu)勢(shì)的技術(shù)之一。

電力線載波通信開(kāi)始主要應(yīng)用于中低壓電力網(wǎng)絡(luò)的智能抄表、遠(yuǎn)程控制及EMS（能源管理）等方面。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，利用電力線來(lái)實(shí)現(xiàn)高速Internet接入及多媒體信息傳輸成為研究熱點(diǎn)，以期實(shí)現(xiàn)有線電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電話網(wǎng)及電力網(wǎng)的“四網(wǎng)合一”。但是，電力線只是為了實(shí)現(xiàn)傳輸電能而設(shè)計(jì)的，電力線信道還存在阻抗小、變化大、信號(hào)衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變性大、存在著多徑時(shí)延等問(wèn)題［2］。為此必須選擇一種合適的電力線信號(hào)傳輸技術(shù)，尤其是選擇合適的調(diào)制方式尤為重要［3］。

OFDM 技術(shù)具有抗多徑時(shí)延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術(shù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)［4］，特別適用于電力線通信。但是同無(wú)線信道中的OFDM 系統(tǒng)一樣，峰均功率比（PAPR）過(guò)高也限制了其在電力線通信中的應(yīng)用，本文簡(jiǎn)要介紹了OFDM 技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提出了改進(jìn)的OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)并進(jìn)行了仿真分析，使信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃杂辛撕艽蟮奶岣摺?/p>

2 OFDM 技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)基于并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍d波通信技術(shù)，主要思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成N個(gè)正交子信道，同時(shí)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為許多個(gè)并行數(shù)據(jù)，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，最后將調(diào)制之后的子載波的信號(hào)相加同時(shí)發(fā)送，N取值越大，每個(gè)子信道越接近理想信道特性。由于每個(gè)子載波信號(hào)只占據(jù)帶寬的1／N，有利于消除碼間干擾，同時(shí)提高了頻譜利用率［5］。在接收端，根據(jù)各個(gè)子載波相互正交，可以很好地恢復(fù)原始信號(hào)。

OFDM 信號(hào)表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波集合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，fi＝f0＋iΔf，i＝0，1，…，n-1；f0一般為1／T的整數(shù)倍；Δf為各頻率子載頻間的最小間隔，一般取Δf＝1／T，此時(shí)剛好滿足各子載波正交條件。為了求得s（t）的系數(shù)ai和bi，可以借助FFT 和IFFT 來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面予以簡(jiǎn)單說(shuō)明，記：

以fs＝1／Ts為采樣頻率，t＝kts

則：

由上式可以知道，借助離散傅氏變換可以計(jì)算出OFDM 信號(hào)。正是由于借助離散傅氏變換快速算法，才使得原本復(fù)雜的OFDM 技術(shù)得以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)。

另外，OFDM 技術(shù)可以充分利用了頻帶，提高了頻譜利用率，由于各個(gè)符號(hào)子載波間頻譜可以相互重疊，通過(guò)計(jì)算可以算出OFDM 調(diào)制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)近100%的頻譜效率，這里就不再計(jì)算［6］。

OFDM 通信系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 OFDM 基本實(shí)現(xiàn)框圖

如圖1所示，信號(hào)源產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)（串行數(shù)據(jù)）經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換，變?yōu)樵S多路子載波并行信號(hào)，各路子載波信號(hào)通過(guò)常規(guī)的QPSK、QAM、FSK 等方式進(jìn)行調(diào)制，子載波信號(hào)調(diào)制方式可以分別采用各自的方式，接著利用快速傅立葉反變換（IFFT），插入循環(huán)前綴后，有時(shí)還要加窗等操作，再將并行信號(hào)恢復(fù)為串行信號(hào)；最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)發(fā)射功放電路將信號(hào)加載到低壓電力線信道上；接收端將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)一系列逆變換將子載波信號(hào)解調(diào)出來(lái)，完成整個(gè)通信過(guò)程。

3 改進(jìn)的OFDM 技術(shù)

3.1 OFDM 峰均值功率比問(wèn)題

OFDM 信號(hào)在時(shí)域上為N個(gè)子載波的疊加，而各個(gè)子載波間相互獨(dú)立。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論我們知道其時(shí)域波形將是一個(gè)高斯隨機(jī)過(guò)程。因此，在某些極限時(shí)刻，即當(dāng)子載波信號(hào)在相位和時(shí)間上以峰值相加時(shí)，OFDM 信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生很大的峰均值功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）值。

在通信系統(tǒng)非線性帶限信道中特別不希望出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因?yàn)镻APR越高，功率放大器的線性區(qū)域越大，否則，當(dāng)信號(hào)峰值進(jìn)入功率放大器的非線性區(qū)域時(shí)，就會(huì)造成信號(hào)失真，而信號(hào)畸變失真就會(huì)導(dǎo)致子載波之間的互調(diào)干擾和帶外輻射，破壞子載波間的正交性；假如需要不失真地傳輸這些高PAPR 的OFDM 信號(hào)，就需要線性度很高的高功率放大器。但通常OFDM 信號(hào)的幅值又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)峰值，這樣就使得設(shè)計(jì)這樣一個(gè)功率放大器得不償失，增加系統(tǒng)成本，利用效率低下［7］。因此，解決這一問(wèn)題，對(duì)復(fù)雜的低壓電力線信道的意義更加重大。

3.2 相位干涉的OFDM 技術(shù)

PAPR是指信號(hào)的瞬時(shí)最大功率和均值功率的比值，通常取對(duì)數(shù)形式［8］，可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

其中x（t）表示OFDM 基帶信號(hào)，其平方則為其功率。通過(guò)推導(dǎo)可以得出，假定N個(gè)子載波均以相同的相位求和，則OFDM 信號(hào)的峰值功率就會(huì)是平均功率的N倍。比如，當(dāng)N＝128時(shí)，則PAPR（dB）＝10log10N＝21dB，當(dāng)然，這是極限情況，但從式（4）中我們可以看到，隨著子載波數(shù)N的增加，必然使得PAPR跟著線性增大，從而加大對(duì)功率放大器的要求以避免非線性失真以及諧波帶來(lái)的子信道間的相互干擾。因此，必須采取一定方法降低OFDM 的高PAPR值，降低OFDM 通信系統(tǒng)的成本。

本文采取在快速傅立葉反變換前通過(guò)相位干涉來(lái)降低PAPA 值。當(dāng)傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)和經(jīng)過(guò)相位干涉的OFDM 均值功率相同時(shí)，經(jīng)過(guò)相位干涉OFDM 系統(tǒng)，其峰值功率maxn｛｜xn｜2｝更低，通過(guò)這種方法就可以有效地降低OFDM 信號(hào)的PAPR值。不管是傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)還是經(jīng)過(guò)相位干涉的OFDM 系統(tǒng)，信息序列都要采取串并轉(zhuǎn)換，使每個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)都調(diào)制到其載波上，然后通過(guò)所采取的調(diào)制方式發(fā)送到電力線信道。而采取相位干涉法區(qū)別在于需要添加一個(gè)相位補(bǔ)償，從而改變信息序列的相位。OFDM 信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

采取相位干涉OFDM 信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

3.3 仿真與分析

采用相位干涉方法可以更好地利用不同信道的頻率特性，其不僅可以使OFDM 信號(hào)的PAPR值降低，而且對(duì)通信系統(tǒng)的要求沒(méi)有增加。

圖2Matlab 仿真圖，仿真參數(shù)：IFFT 點(diǎn)數(shù)為128，4倍過(guò)采樣，采用QPSK 調(diào)制方式。

圖2 相位干涉法CDDF圖

圖2中的Y軸稱為互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF，它是指PAPR 超過(guò)PAPR0這一門(mén)限值的概率），用來(lái)描述OFDM 信號(hào)的PAPR 特性［9］。從圖中可以看出，當(dāng)CCDF 等于10-4時(shí)（即相當(dāng)于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大PAPR 值），采用相位干涉法的PAPR＝7.6dB，而原始OFDM 信號(hào)的PAPR＝11.2dB，PAPR值降低了3.6dB?？梢?jiàn)，相位干涉法明顯改善了OFDM 系統(tǒng)的PAPR 特性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，利用電力線傳輸高速數(shù)據(jù)在世界范圍內(nèi)取得了很大的進(jìn)步，其傳輸速率也有了很大的提高。然而，為了解決在電力線上進(jìn)行高速信息傳輸受到的噪聲干擾、多徑時(shí)延以及信號(hào)衰減的影響，必須選擇一種有利于減少誤碼率、增加數(shù)據(jù)傳輸速率的調(diào)制解調(diào)方式［10］。

隨著DSP 技術(shù)的迅速發(fā)展，OFDM 技術(shù)也越來(lái)越容易實(shí)現(xiàn)。OFDM 技術(shù)具有抗多徑時(shí)延、抗信號(hào)衰減、頻帶利用率高等優(yōu)點(diǎn)［11］，很好地解決高速PLC通信遇到的信道環(huán)境惡劣的問(wèn)題。但傳統(tǒng)的OFDM 信號(hào)PAPR 過(guò)高，本文提出的相位干涉法OFDM 對(duì)降低PAPR 有很好的作用，在電力線通信技術(shù)研究方面具有一定的應(yīng)用前景。

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