基于OFDM的電力線通信仿真研究

馮葵

摘 要：電力線通信系統(tǒng)是指釆用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，具有分布廣、不需要重新布線等優(yōu)點(diǎn)，在通信領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。然而，由于電力線信道環(huán)境非常惡劣，存在著時(shí)變復(fù)雜和不穩(wěn)定噪聲，對(duì)電力線傳輸質(zhì)量影響比較大，嚴(yán)重制約著電力線載波技術(shù)的普及和發(fā)展。不過，OFDM技術(shù)以其抗干擾、抗多徑、抗衰減能力強(qiáng)的特性很好的克服了電力線信道的惡劣環(huán)境，對(duì)電力線通信的發(fā)展具有非常重要的意義。所以，我們可以利用OFDM技術(shù)來輔助研究低壓電力線通信。

關(guān)鍵詞：電力線通信；OFDM技術(shù)；電力線信道；

我們可以通過對(duì)低壓電力線信道的特性進(jìn)行分析，對(duì)低壓電力線進(jìn)行信道建模，最終建立低壓電力線載波系統(tǒng)模型。然后，我們可以仿真分析在存在時(shí)延的多徑信道上，插入保護(hù)間隔的方式及長(zhǎng)度對(duì)系統(tǒng)抗ICI和抗ISI能力的影響。仿真分析傳統(tǒng)模擬調(diào)制與IFFT調(diào)制的特點(diǎn)與聯(lián)系。我們可以在OFDM系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，插入保護(hù)間隔、交織/解交織、信道估計(jì)和信道均衡等，搭建了一個(gè)基于IFFT/FFT的動(dòng)態(tài)OFDM系統(tǒng)。最終結(jié)合這兩個(gè)系統(tǒng)模型完成PLC-OFDM系統(tǒng)模型的建立，然后，對(duì)PLC-OFDM系統(tǒng)進(jìn)行MATLAB仿真，得出一系列有意義的結(jié)論。

一、電力線通信

（一）電力線通信概述

電力線通信系統(tǒng)是指采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，具有用戶多、分布廣、不需要重新布線等優(yōu)點(diǎn)，在通信領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。這種技術(shù)是利用電力線調(diào)制器將攜帶信息的數(shù)據(jù)信號(hào)添加到電力線上進(jìn)行傳輸，在接收端利用解調(diào)器將電力線上的數(shù)據(jù)分離出來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)在電力線信道上進(jìn)行傳輸?shù)倪^程。

對(duì)于PLC技術(shù)的分類，國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有了很多不同的類別，對(duì)于占用頻帶帶寬的不同可將其分為窄帶PLC（NB-PLC）和寬帶PLC（BB-PLC）。在不同國(guó)家和地區(qū)，使用的頻率范圍也是不一樣的。根據(jù)通信速率的不同，可將電力線載波分為低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）。一般而言，低速PLC被認(rèn)為是窄帶PLC而高速PLC被認(rèn)為是寬帶PLC，它們的分界速率為2Mbps。

根據(jù)作為信道的電力線電壓等級(jí)的不同，35KV以上的屬于高壓電力線通信，10-30KV的屬于中壓電力線通信，低于380V的屬于低壓電力線通信。本文主要研究的是低壓環(huán)境下的電力線載波技術(shù)。

（二）電力線信道特性分析

1.時(shí)變特性：低壓電力線上由于入網(wǎng)設(shè)備的開、關(guān)，電機(jī)啟動(dòng)、停止等各種隨機(jī)事件，使表現(xiàn)出來的信道特性具有很強(qiáng)的時(shí)變特性。使用單載波技術(shù)將無法實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，而多載波技術(shù)將一段頻帶劃分為若干個(gè)子載波，當(dāng)個(gè)別的子載波衰減到無法傳輸時(shí)，其它子載波傳輸不會(huì)因此受到影響。

2.衰減特性：低壓電力線系統(tǒng)的復(fù)雜衰減特性是由接入的各種類型的電器設(shè)備直接引起的。尤其是電器中用來調(diào)制功率系數(shù)的大電容，對(duì)某些載波信號(hào)來說相當(dāng)于短路，這是造成信號(hào)衰減的原因之一。衰減特性：時(shí)間不同，衰減幅度也不同；信號(hào)頻率不同衰減幅度也不同；距離不同，衰減幅度也不同。

3.多徑特性：低壓配電網(wǎng)中眾多的T型分支，線徑、材質(zhì)的變化都會(huì)引起信號(hào)的反射產(chǎn)生多條路徑到達(dá)接收端，多徑時(shí)延造成了數(shù)據(jù)符號(hào)之間相互重疊產(chǎn)生碼元之間的串?dāng)_。由于多徑的存在，電力線信道建模時(shí)，多徑的因素必須考慮進(jìn)去。

4.噪聲特性：低壓電力線信道噪聲和干擾十分復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)，電力線信道的噪聲可以分為五類，即有色背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲、與工頻異步的周期性脈沖噪聲、異步非周期的突發(fā)噪聲。

5.輸入阻抗特性：低壓電力線載波通信的輸入阻抗是指在信號(hào)發(fā)送端和接收端的電網(wǎng)的等效阻抗，它的大小直接影響到信號(hào)藕合的效率，是低壓電網(wǎng)用于信號(hào)傳輸?shù)囊粋€(gè)重要參數(shù)。

（三）電力線信道建模

根據(jù)以上對(duì)低壓電力線信道特性進(jìn)行的分析與了解，可以建立出低壓電力線信道傳輸模型，包括MK模型、AR模型、FIR模型等等；最終建立起低壓電力線載波系統(tǒng)模型，由于各模型建立的具體分析與操作過程比較繁雜，這里對(duì)各模型的建立不作詳細(xì)闡述，可自行在文章后的參考文獻(xiàn)中詳細(xì)了解。

二、OFDM技術(shù)

（一）OFDM技術(shù)概述

OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)通?？梢员徽J(rèn)為是一種調(diào)制技術(shù)或者是復(fù)用技術(shù)。從OFDM的原理特性來看，它是一種基于多載波系統(tǒng)的通信傳輸方案。然而，區(qū)別于其他的多載波技術(shù)，OFDM在傳輸過程中子載波之間的相位是彼此相互正交的，目的在于減少傳輸過程中子載波之間的相互干擾，并且提高頻譜利用率。在信道環(huán)境惡劣的情況下，OFDM技術(shù)可以通過使用糾錯(cuò)編碼，幫助接收端恢復(fù)一些處于惡劣信道環(huán)境的子載波上攜帶的信息，通過這種手段，使整個(gè)OFDM多載波系統(tǒng)呈現(xiàn)出很好的頻率選擇性。

（二）基于OFDM技術(shù)的低壓電力線載波通信系統(tǒng)

將信道編（解）碼、信道交織（解交織）、串并（并串）轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制（解調(diào)）、信號(hào)的IDFT（DFT）變換、循環(huán)保護(hù)間隔、信號(hào)同步、信道估計(jì)與電力線信道環(huán)境一起構(gòu)成了一個(gè)低壓電力線通信系統(tǒng)。信道編解碼將采用卷積編碼、維特比特譯碼方案。用BPSK或QPSK作為數(shù)字調(diào)制方案，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，也能有效降低系統(tǒng)的誤碼率。

通過以上的分析與建立的模型，最終實(shí)現(xiàn)PLC-OFDM系統(tǒng)的MATLAB仿真，得出一系列有價(jià)值的仿真結(jié)果。

（三）仿真結(jié)果分析

1.接收信號(hào)在FFT變換之前，將負(fù)頻率信號(hào)對(duì)稱后共扼，再與正頻率信號(hào)求平均，這一過程稱為共扼平均處理。仿真條件：信道模型統(tǒng)一使用FIR模型，導(dǎo)頻估計(jì)采用LS法，信道補(bǔ)償采用線性插值。得出采用了平均共扼能夠降低系統(tǒng)誤碼率。

2.在信噪比較低的情況下使用信道編碼，反而出現(xiàn)誤碼率增高的現(xiàn)象。而在信噪比大于8dB時(shí)，可以看出使用信道編碼的方法誤碼率下降很快。分析原因，在低信噪比情況下，大量的誤碼已經(jīng)超出了Viterbi的譯碼能力，不僅不會(huì)糾正誤碼，反而會(huì)因?yàn)樽g碼導(dǎo)致更多的誤碼。另外在使用信道編碼時(shí)需增加冗余碼元，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的傳輸效率，因此得出結(jié)論，信道編碼、譯碼應(yīng)該在高信噪比（>8dB）情況下使用。

3.另外還可以得出使用信道補(bǔ)償能明顯改善系統(tǒng)性能；在BPSK調(diào)制情況下，無須使用信道補(bǔ)償，但是通過導(dǎo)頻來對(duì)信號(hào)的相位做修正還是有意義的等一系列結(jié)論。

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（作者單位：湖南人文科技學(xué)院 信息學(xué)院）