一種基于OFDM的低壓窄帶電力線通信基帶系統(tǒng)

潘煜晨，張龍祥，閔　昊

(復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

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一種基于OFDM的低壓窄帶電力線通信基帶系統(tǒng)

潘煜晨，張龍祥，閔昊

(復(fù)旦大學(xué) 專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，上海 201203)

通過(guò)對(duì)低壓電力線的信道模型和電力線噪聲的分析，提出了基于正交頻分復(fù)用(OFDM)的低壓電力線(LV-PLC)基帶系統(tǒng)方案，采用差分正交相移鍵控(DQPSK)調(diào)制和改良的同步方式以適應(yīng)電力線通信，并在Matlab平臺(tái)上完成OFDM的3～500kHz通信系統(tǒng)建模和系統(tǒng)仿真，在NI儀器上完成現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)硬件實(shí)現(xiàn)，并結(jié)合實(shí)際信道進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表示，系統(tǒng)使用應(yīng)用于LV-PLC，可以實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的通信，傳輸速率峰值可達(dá)300kb/s.

電力線通信； 信道； OFDM； DQPSK； 同步； FPGA

電力線通信(Power Line Communication, PLC)是一種通過(guò)電力線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的通信方式，由于無(wú)須重新布線，具有成本低的特點(diǎn)，在國(guó)家智能電網(wǎng)規(guī)劃中展現(xiàn)了巨大的發(fā)展前途[1]，特別是低壓窄帶(3～500kHz)電力線通信技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)被應(yīng)用于智能抄表(Auto Meter Reading, AMR)系統(tǒng)，并且在智能家居應(yīng)用中有寬廣前景.但采用電力線進(jìn)行通信必須面對(duì)許多困難，主要包括以下方面：(1) 電力線信道通信條件惡劣，不適合數(shù)據(jù)傳輸；(2) 基于電力線的通信技術(shù)多樣，但是沒(méi)有統(tǒng)一的協(xié)議進(jìn)行規(guī)范，因而不同的電力線通信產(chǎn)品之間會(huì)互相干擾，造成電力線信道資源的浪費(fèi)；(3) 為了保證電力網(wǎng)絡(luò)正常配電同時(shí)不影響用電設(shè)備的正常工作，電力線通信產(chǎn)品必須嚴(yán)格地遵循電磁兼容指標(biāo)要求，進(jìn)而限制了發(fā)射信號(hào)的功率，從而限制了產(chǎn)品的通信性能.

在低壓窄帶電力線通信應(yīng)用中，由于我國(guó)電力用戶數(shù)量多、負(fù)載特性復(fù)雜、用戶用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)干擾嚴(yán)重，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的信道特性比國(guó)外惡劣[2]，國(guó)外產(chǎn)品無(wú)法簡(jiǎn)單移植，而且國(guó)內(nèi)的PLC產(chǎn)品主要采用擴(kuò)頻通信等低速率通信方式，通信速率通常不足10kb/s[3]，因此目前的產(chǎn)品無(wú)法滿足國(guó)家智能電網(wǎng)的需求，而正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是其中一種改進(jìn)方案.OFDM是多載波調(diào)制技術(shù)，將信道分成若干正交子信道，把高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到每個(gè)子信道上傳輸.近幾年來(lái)，一些產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟相繼提出了基于OFDM的新一代規(guī)范，如PRIME(Power Line Intelligent Metering Evolution)標(biāo)準(zhǔn)，G3-PLC協(xié)議等[4-5]，但與國(guó)內(nèi)要求的頻段不同.同時(shí)，Maxim Integrated公司推出過(guò)基于OFDM的PLC芯片，通信速率可達(dá)100kb/s[6]，也難以保證在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的可靠運(yùn)行.

目前國(guó)內(nèi)電力線通信研究主要是擴(kuò)頻方案和OFDM方案.擴(kuò)頻技術(shù)通過(guò)軟件無(wú)線電減少電力線噪聲干擾[7]，但是其通信速率低，OFDM技術(shù)則是研究的重點(diǎn)，可以提供高速率的通信[8-9]；有利用比特分配的自適應(yīng)技術(shù)優(yōu)化正交振幅調(diào)制的OFDM基帶系統(tǒng)[10]，但誤碼率(Bit Error Rate, BER)在10-4，且是系統(tǒng)仿真結(jié)果.本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)低壓電力線的信道模型和電力線噪聲的分析，提出基于OFDM的PLC系統(tǒng)方案以實(shí)現(xiàn)高傳輸速率，并采用差分正交相移鍵控(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying, DQPSK)調(diào)制和改進(jìn)的恒幅零自相關(guān)(Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC)同步技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的通信能力，并在實(shí)際信道測(cè)試和驗(yàn)證方案的可行性，傳輸速率峰值可達(dá)300kb/s.

1　電力線信道和噪聲模型

低壓窄帶電力線信道特性惡劣，主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

(1) 信道受到各種嚴(yán)重的噪聲干擾，主要為背景噪聲、窄帶噪聲和脈沖干擾3種，限制了該頻道電力線信道下的信號(hào)傳輸，造成較低的信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)[11-12].

(2) 信道存在頻率選擇性衰減，這由多徑效應(yīng)[13]和駐波效應(yīng)[14]造成，時(shí)域上表現(xiàn)為時(shí)延擴(kuò)展，導(dǎo)致嚴(yán)重的碼間干擾(Inter-Symbol Interference, ISI)和信號(hào)失真，限制了通信帶寬.

(3) 信道呈現(xiàn)低通特性，低通特性是由于電纜線的介質(zhì)損耗造成的，會(huì)限制電力線通信的距離[15].

由于OFDM在相同傳輸速率下碼元周期是單載波信號(hào)的N倍，N為碼元中的符號(hào)數(shù)，且采用循環(huán)前綴，當(dāng)循環(huán)前綴的時(shí)間間隔大于時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，可消除多徑效應(yīng)造成的ISI；背景噪聲的特點(diǎn)為在時(shí)域上表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隨時(shí)間變化很慢；頻域上，呈現(xiàn)有色噪聲特性，由于背景噪聲時(shí)刻存在，其頻譜占據(jù)了整個(gè)通信帶，擴(kuò)展信號(hào)頻譜不能提供任何增益，所以擴(kuò)頻通信技術(shù)對(duì)其幾乎沒(méi)有作用；窄帶噪聲的特點(diǎn)是時(shí)域上是周期信號(hào)、信號(hào)連續(xù)且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天)、頻域上呈很窄的帶寬，所以如果通信系統(tǒng)采用單頻載波且載波頻率恰好落在這種窄帶噪聲的頻率上，那么此系統(tǒng)的傳輸將遭到破壞，而OFDM具有較多的子載波，可以選擇影響較小的頻段；脈沖干擾劃分為與工作頻率(50Hz)異步的周期性脈沖噪聲、與工作頻率同步的周期脈沖噪聲和突發(fā)(隨機(jī))性脈沖噪聲.對(duì)低壓窄帶電力線通信，前兩項(xiàng)才是主要的[16]，脈沖干擾對(duì)系統(tǒng)的影響可以在時(shí)域中體現(xiàn)出來(lái)，與窄帶噪聲相對(duì)應(yīng)，短脈沖或者脈沖串幅度大，會(huì)覆蓋碼元信息，造成極低的信噪比.

綜合上述分析，典型的無(wú)線通信信道的傳遞函數(shù)也會(huì)存在多徑效應(yīng)，基本特性與電力線信道十分相似，但是除此之外，電力線極端的噪聲特性是其他通信信道所不多見(jiàn)的，而OFDM技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的單載波技術(shù)有抗頻率選擇性衰減，抗窄帶干擾和頻譜效率高的特點(diǎn)，利于實(shí)現(xiàn)高速通信.

國(guó)外學(xué)者對(duì)電力線信道進(jìn)行信道傳輸函數(shù)建模[13,16-17]，但是由于電網(wǎng)的不同電纜類型、拓?fù)浞绞胶拓?fù)載，難以得到精確的信道模型，也是國(guó)內(nèi)和國(guó)外信道特點(diǎn)不同的原因.本文采用的模型由信道傳輸函數(shù)和信道噪聲兩部分組成，信號(hào)先通過(guò)信道傳輸函數(shù)，再疊加信道噪聲，并基于此模型進(jìn)行仿真.

信道噪聲是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室的電力線環(huán)境實(shí)際測(cè)量得到，時(shí)域上噪聲呈現(xiàn)一定的周期規(guī)律，但脈沖幅值變化很大，頻域如圖1所示，體現(xiàn)脈沖噪聲和背景噪聲的特性.信道傳輸函數(shù)是利用文獻(xiàn)[18]中提出的國(guó)內(nèi)電力線信道傳輸函數(shù)模型，結(jié)合圖1中的噪聲特性進(jìn)行擬合，得到利用有限長(zhǎng)度單位沖激響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)的濾波器模擬信道傳輸函數(shù).具體參數(shù)如式1所示：

(1)

圖2顯示的是信道傳輸函數(shù)的幅頻響應(yīng)，其采樣率是1MHz，所以橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)0～500kHz的頻率范圍.圖中頻帶有凹凸，體現(xiàn)由多徑效應(yīng)導(dǎo)致頻率選擇性衰落的特性.

2　系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于Matlab和FPGA平臺(tái)搭建OFDM基帶系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示.數(shù)據(jù)信號(hào)在串并轉(zhuǎn)換后，經(jīng)過(guò)DQPSK調(diào)制，通過(guò)IFFT模塊變?yōu)镺FDM信號(hào)，加入循環(huán)前綴和同步訓(xùn)練序列后發(fā)射；接收端先同步檢測(cè)，去除循環(huán)前綴(Cyclic Prefix, CP)，通過(guò)FFT模塊轉(zhuǎn)換，之后是DQPSK解調(diào)，并串轉(zhuǎn)換后檢測(cè)誤碼率.

2.1系統(tǒng)參數(shù)

整個(gè)系統(tǒng)選用低壓窄帶電力線通信要求的3～500kHz的頻段進(jìn)行通信[19-21]，OFDM的基本參數(shù)：采樣率1MHz，子載波間隔1.95kHz，傅里葉變換點(diǎn)數(shù)512，循環(huán)前綴長(zhǎng)度128μs，傅里葉變換長(zhǎng)度 512μs.

考慮到通信頻率較低，省略載波調(diào)制采用OFDM基帶通信；典型的電力線信道的多徑時(shí)延擴(kuò)展的均方根為1～10μs，OFDM循環(huán)前綴的長(zhǎng)度必須大于這個(gè)值，才能有效地減少多徑效應(yīng)，對(duì)ISI抑制作用好，這里取碼元周期的1/4長(zhǎng)度；由于采用OFDM基帶通信，OFDM信號(hào)以基帶形式在信道中傳輸，還要求IFFT的結(jié)果必須是實(shí)序列，本文采用共軛對(duì)稱序列，在硬件中與DQPSK模塊中實(shí)現(xiàn)，在DQPSK編碼后的IFFT的輸入數(shù)據(jù)X(k)如公式2所示，X*(N-k)是共軛對(duì)稱數(shù)據(jù)，頻率點(diǎn)N/2為零，這里a(0)也取為零.系統(tǒng)IFFT點(diǎn)數(shù)為512，通信子載波為500，有效子載波為250，每個(gè)子載波帶寬為1.95kHz，那么傳輸速率可達(dá)480kb/s.

(2)

2.2DQPSK調(diào)制

由于低壓窄帶電力線通信信道的多徑效應(yīng)，信號(hào)的幅度和相位會(huì)產(chǎn)生頻率選擇性的變化，正交振幅調(diào)制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)方式會(huì)因相位和幅度在不同頻率的變化不同而產(chǎn)生誤差，相移鍵控方法(Phase-Shift Keying, PSK)則只采用相位調(diào)制，這里采用差分調(diào)制方式，利用信號(hào)的相位差減少多徑效應(yīng)的影響.本文折中傳輸速率和多徑效應(yīng)的影響，選取DQPSK調(diào)制方式.

如圖4所示，在理想同步條件下，選取正交振幅調(diào)制中的16-QAM調(diào)制方式作對(duì)比，在Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真，加入電力線信道傳輸函數(shù)和信道噪聲模型，IFFT點(diǎn)數(shù)為512，有效子載波為250，信噪比為 15dB.DQPSK的相位雖有偏移但清晰可辨，而16-QAM的幅度信息出現(xiàn)重合，難以辨別，顯然DQPSK更適合低壓窄帶電力線通信信道.同時(shí)采用時(shí)域差分調(diào)制DQPSK方式，差分檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)須任何信道估計(jì)和均衡[22]，可以大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，減少系統(tǒng)的面積和功耗，同時(shí)電力線信道時(shí)域變化較慢，在頻域會(huì)受到窄帶噪聲的影響，因而基于時(shí)域的差分編碼更適合電力線通信系統(tǒng).

2.3幀同步

信道通信時(shí)必須通過(guò)同步方式確定數(shù)據(jù)幀的起始，而電力線信道的特性增大對(duì)同步的要求.文獻(xiàn)[23]改進(jìn)了恒幅零自相關(guān)(CAZAC)的同步方式，解決傳統(tǒng)同步算法在電力線信道出現(xiàn)平坦峰值難以同步的問(wèn)題，提出一種適合PLC信道的同步序列.

這里根據(jù)基帶改進(jìn)訓(xùn)練序列，其訓(xùn)練序列幀結(jié)構(gòu)如圖5所示，訓(xùn)練序列由循環(huán)前綴和同步序列構(gòu)成，N是FFT的點(diǎn)數(shù)，這里是512.其時(shí)域表達(dá)式[16]如公式3所示，其中N1=N/2,而r=N1+1.

ak=exp(jπrk2/N1),n=0,1,…,N1-1.

(3)

同步檢測(cè)模塊的檢測(cè)參數(shù)R(d)和P(d)如公式4所示.其中GI是IFFT的循環(huán)前綴長(zhǎng)度這里是128，r表示接收信號(hào)序列，t為已知的訓(xùn)練序列.

(4)

通過(guò)增加參數(shù)R(d)和P(d)的檢測(cè)長(zhǎng)度來(lái)保證同步訓(xùn)練序列在經(jīng)過(guò)信道后的相關(guān)性，以提高同步檢測(cè)模塊的性能.度量函數(shù)M(d)如公式5所示，當(dāng)度量函數(shù)M(d)大于閾值Th時(shí)便認(rèn)為有數(shù)據(jù)到達(dá).

(5)

如圖6(見(jiàn)第162頁(yè))所示，針對(duì)同步模塊在Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真，加入電力線信道傳輸函數(shù)和信道噪聲模型，IFFT點(diǎn)數(shù)為512，由于通信帶寬為3～500kHz，需要關(guān)閉0～3kHz的子載波，則有效子載波為250，圖6(a)為本文的同步序列在信號(hào)噪聲比為4dB的度量函數(shù)，圖6(b)為信號(hào)噪聲比為10dB的度量函數(shù)[23].度量函數(shù)呈現(xiàn)唯一峰值，且不存在干擾主峰的其他峰值，說(shuō)明足以在低壓窄帶電力線信道的惡劣環(huán)境下良好工作；同時(shí)通過(guò)更改同步檢測(cè)模塊的檢測(cè)參數(shù)，對(duì)比10dB時(shí)度量函數(shù)峰值只有10-4量級(jí)，本文在 4dB 時(shí)達(dá)到10-3，在更低的信噪比條件下，度量函數(shù)M(d)的峰值大于文獻(xiàn)[23]中的相關(guān)值，大大增強(qiáng)了幀同步模塊的性能，使得系統(tǒng)在低信噪比條件可以穩(wěn)定地在電力線信道中通信.

3　仿真結(jié)果

在實(shí)際OFDM系統(tǒng)中，采樣時(shí)鐘頻率偏差小于子載波頻率間隔的2%時(shí)，其造成的載波間干擾(Inter-Carrier Interference, ICI)可以忽略不計(jì)[24].因此，計(jì)算得到不對(duì)不同子載波數(shù)目128，256，512，1024的OFDM系統(tǒng)可承受的采樣時(shí)鐘偏差分別為±160×10-6，±80×10-6，±40×10-6，±20×10-6.顯然，如果系統(tǒng)使用精度較高的晶體振蕩器，采樣時(shí)鐘的影響也可以忽略，系統(tǒng)可以省去采樣時(shí)鐘同步.實(shí)際測(cè)試中的AD/DA的時(shí)鐘偏差在20×10-6，可以忽略采樣時(shí)間同步.

針對(duì)OFDM基帶系統(tǒng)在Matlab平臺(tái)進(jìn)行仿真，仿真在理想同步的條件下，即圖3的系統(tǒng)架構(gòu)去除發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的同步模塊，加入電力線信道傳輸函數(shù)和信道噪聲模型，IFFT點(diǎn)數(shù)為512，由于通信帶寬為3～500kHz，需要關(guān)閉0～3kHz的子載波，有效子載波為250.仿真結(jié)果如圖7所示，在信噪比為5dB時(shí)，誤碼率達(dá)到10-1，在信噪比為16dB時(shí)，誤碼率達(dá)到10-3.

在同樣的仿真條件下，在信噪比為7dB時(shí)保持一定的發(fā)射功率，采集不同子載波的誤碼率，可得到圖8的結(jié)果.在0～100kHz頻段誤碼率最大，主要由于該頻段中背景噪聲和周期性噪聲較大，導(dǎo)致較大的誤碼率；在100～500kHz頻段中有部分頻點(diǎn)有較大的誤碼率，主要由于窄帶噪聲在部分頻點(diǎn)出現(xiàn)導(dǎo)致，實(shí)際通信可采用100～500kHz頻段來(lái)減小誤碼率.

如圖9所示，硬件系統(tǒng)在NI公司的NI5781R板卡上實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)置Virtex5型FPGA實(shí)現(xiàn)圖3所示的基帶系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)DAC發(fā)射到功放(Power Amplifier, PA)和耦合器至實(shí)際電力線信道，再通過(guò)耦合器和模擬濾波器至ADC接收，回到基帶系統(tǒng)處理.

表1　誤碼率測(cè)試結(jié)果

由于模擬高通濾波器的截止頻率為70kHz并且考慮到0～100kHz 頻段有較大誤碼率，選取通信頻段為100～500kHz，IFFT點(diǎn)數(shù)為512.由于通信帶寬為100～500kHz，需要關(guān)閉0～100kHz的子載波，則有效子載波為156，電力線的長(zhǎng)度為15m，信噪比為7dB，傳輸速率為304.2kb/s.

硬件測(cè)試結(jié)果如表1所示，在實(shí)際信道的信噪比為 7dB 時(shí)平均誤碼率為0.0988(12018/121680)，表明系統(tǒng)在實(shí)際電力線信道正常工作，對(duì)比Matlab仿真結(jié)果(信噪比為7dB時(shí)平均誤碼率為0.0610).誤碼率變大的原因來(lái)自實(shí)際信道的惡劣狀況，硬件實(shí)現(xiàn)的量化噪聲以及器件自身的噪聲.如果采用串行級(jí)聯(lián)碼(Reed Solomon, RS)，選取編碼效率為0.5卷積碼作內(nèi)碼，RS碼作外碼，編碼增益最高可達(dá) 8dB[25]，那么在傳輸速率降為150kb/s，信噪比為7dB時(shí)，通過(guò)RS碼誤碼率可接近10-3，而通過(guò)數(shù)字濾波等方式可進(jìn)一步減小誤碼率，同時(shí)保證高傳輸速率.這里參考這種編碼方式，內(nèi)碼采用(2,1,6)卷積碼，外碼采用(127,7)的RS碼組合[25]，硬件架構(gòu)沿用圖9的結(jié)構(gòu)，編碼和解碼在NI儀器提供的Labview軟件中進(jìn)行，測(cè)試條件與之前硬件系統(tǒng)條件相同，測(cè)試比較不同信噪比下加入編碼前后的誤碼率如圖10所示.由圖10可知，加入編碼之后有接近7dB的編碼增益，在信噪比為12dB時(shí)誤碼率小于10-5.根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司營(yíng)銷部組織制定的《電力用戶用電信息采集系統(tǒng)》中《Q/GDW 378.3—2009》協(xié)議，要求應(yīng)用于AMR系統(tǒng)中的低壓窄帶PLC系統(tǒng)的誤碼率小于10-5，所以認(rèn)為在組合編碼條件下，系統(tǒng)在信噪比不小于12dB時(shí)可穩(wěn)定通信，此時(shí)傳輸速率為150kb/s.

4　結(jié)　論

本文利用OFDM技術(shù)在FPGA上實(shí)現(xiàn)傳輸速率可高達(dá)300kb/s的低壓窄帶電力線載波通信，采用DQPSK調(diào)制和改進(jìn)的CAZAC同步技術(shù)改進(jìn)在電力線信道上的性能，在電力線的長(zhǎng)度為15m，信噪比為7dB時(shí)，誤碼率為0.0988；在組合編碼條件下，在信噪比為 12dB 時(shí)，誤碼率小于10-5，傳輸速率為 150kb/s，可以穩(wěn)定地進(jìn)行通信.

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A Power Line Communication System and Its Implementation Using OFDM Baseband

PAN Yuchen, ZHANG Longxiang, MIN Hao

(State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203, China)

Through the analysis of channel model and noise in narrow-band low-voltage power line communication (LV-PLC), an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) baseband system is proposed which adopts DQPSK modulation and an improved synchronization method for PLC. This system is modeled and simulated in Matlab in the band of 3-500kHz. Then it is realized by FPGA on the NI instrument and tested in power line channel. The test result shows that this system can work properly in LV-PLC and provide high-speed stable transmission. The peak of transmission rate is 300kb/s.

power line communication; channel; OFDM; DQPSK; synchronization; FPGA

0427-7104(2016)02-0158-08

2015-04-14

潘煜晨(1990—),男，碩士研究生;閔昊，男，教授，通訊聯(lián)系人，E-mail：hmin@fudan.edu.cn.

TN 492

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