OFDM技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

吳孟生 徐杰 龔正 張正華

摘 要：低壓電力載波通信是智能家居系統(tǒng)的有線傳輸方式，它的信道阻抗變化大，衰弱嚴(yán)重及多徑效應(yīng)明顯，給電力載波信號(hào)的傳輸安全性和實(shí)時(shí)性帶來(lái)技術(shù)難題。文章研究了用OFDM技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，OFDM調(diào)制技術(shù)可以把需要傳導(dǎo)的信息自主分派到不同載波頻帶上，子載波之間相互正交，同時(shí)，在OFDM調(diào)制的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高信噪比可以降低系統(tǒng)誤碼率。因此，OFDM對(duì)抗噪聲干擾和頻率選擇性衰落是魯棒的，并且易于與其他通信技術(shù)結(jié)合。

關(guān)鍵詞：低壓電力載波通信；智能家居；OFDM調(diào)制；信噪比

國(guó)內(nèi)電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)繁雜，阻抗性難以確定，信號(hào)衰弱嚴(yán)重。幅移鍵控（Amplitude-Shift Keying，ASK）、頻移鍵控（Frequency-Shift Keying，F(xiàn)SK）、相移鍵控（Phase-Shift Keying，PSK）等調(diào)制方法并不能解決這樣的難題[1]，同時(shí)也不滿足低壓電力載波傳輸?shù)囊?，尤其在智能家居體系中[2]對(duì)通信安全性和實(shí)時(shí)性的要求較為嚴(yán)格。

低壓電力通信信道阻抗變化大，信號(hào)衰弱嚴(yán)重，多徑效應(yīng)明顯等缺點(diǎn)[3]，給實(shí)現(xiàn)智能家居通信的安全性和實(shí)時(shí)性帶來(lái)很大的技術(shù)難度。OFDM調(diào)制技術(shù)[4]的特征在于，需要發(fā)送的信息可以自主地分配給不同的載波頻帶，并且每個(gè)子載波彼此正交[5]，減弱子信道間的互干擾。因此，OFDM具有優(yōu)越的抗干擾和頻率選擇性，并且易于其他通信方式結(jié)合[6]。

OFDM的發(fā)展趨勢(shì)是增加傳導(dǎo)距離，兼容新興的設(shè)備同時(shí)速率也足夠快。由于OFDM的優(yōu)越性，OFDM調(diào)制在低壓電力載波傳輸中擁有以下優(yōu)點(diǎn)：通信速度快，抗多徑延遲，抗干擾以及高通信安全性[7]。

1 低壓電力載波通信的基本原理

低壓電線作為傳導(dǎo)方式之前，必須先處理數(shù)據(jù)。根據(jù)頻移和分頻原理，首先將源信號(hào)移動(dòng)到相異的頻帶，然后用耦合電路處理信號(hào)，再發(fā)送到低壓網(wǎng)絡(luò)。

如圖1所示，要增加信號(hào)傳導(dǎo)距離，則用功放電路處理解調(diào)后的信號(hào)，經(jīng)耦合單元把信號(hào)傳導(dǎo)至低壓網(wǎng)絡(luò)。在接收端，首先通過(guò)與發(fā)送端匹配的耦合單元從低壓網(wǎng)絡(luò)提取信號(hào)，然后由功率放大器單元、解調(diào)單元等，得到需要的源信號(hào)并傳遞給信宿。

2 基于IFFT/FFT的OFDM系統(tǒng)模型

如圖2所示，通過(guò)信道編碼將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為序列，序列轉(zhuǎn)換為R比特的模塊，每模塊劃N組，每個(gè)組對(duì)應(yīng)一個(gè)子載波。調(diào)制方式的不同，每個(gè)組的比特?cái)?shù)不盡相同，可設(shè)第k組的比特?cái)?shù)為mk，則有。

3 OFDM信號(hào)的頻譜特性分析

用QAM或MPSK調(diào)制子載波時(shí)，假如采用矩形波形，那么各子信道上頻譜為Sa（x）形狀，每個(gè)形狀的主瓣寬度為2/TS（TS代表的含義是OFDM信號(hào)的長(zhǎng)度）。對(duì)OFDM信號(hào)在TS時(shí)段內(nèi)被采樣N次，因此，我們可推算出時(shí)域信號(hào)的采樣周期，即TS/N。且頻率間隔為Δf=fs/N，且fs=1/TS，所以Δf=fs/N=1/TS。從以上分析可以得出，Sa（x）的主瓣寬度為2/TS，間隔為1/TS。最后根據(jù)函數(shù)性質(zhì)，可以得出：子載波在頻域上能體現(xiàn)出正交性[8]。

在常規(guī)FDM系統(tǒng)中，要在信宿端分離各信道上的信號(hào)，在信號(hào)發(fā)送時(shí)需要在子信道之間留下安全頻帶。盡管方便在信宿端獲取待用信號(hào)，但附加的安全頻帶導(dǎo)致頻譜利用率下降。在OFDM系統(tǒng)中規(guī)避了這一弊端，由于OFDM系統(tǒng)各信號(hào)通道的頻譜彼此疊加，可不使用頻帶來(lái)隔離各子系統(tǒng)。因此，OFDM系統(tǒng)的頻譜利用率比FDM系統(tǒng)高。另外，要深層次提升OFDM的頻譜利用率，可以在每一子載波使用QAM和MPSK調(diào)制方案[9]。

4 信噪比對(duì)系統(tǒng)的影響分析

信噪比是衡量一個(gè)通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)[10]，為方便比較論證，通過(guò)仿真來(lái)判別，設(shè)置子載波的數(shù)量為256，系統(tǒng)基于相異的信噪比進(jìn)行比較。仿真程序使用rand（）函數(shù)以生成任意數(shù)據(jù)，并在程序中選用函數(shù)QAM16_mod（），生成的數(shù)據(jù)依次映照到坐標(biāo)系中以生成16QAM星座圖。然后選用函數(shù)QAM_16demod（），再次解調(diào)相關(guān)數(shù)據(jù)并映照到16QAM星座圖上。

（1）輸入25分貝的信噪比，仿真圖如下。

圖3是輸入任意數(shù)據(jù)的星座圖，叉為調(diào)制過(guò)后的星座點(diǎn)。

如圖4所示，上排兩圖是加入白噪聲之前，下排兩個(gè)圖是加入之后的圖譜。觀察該圖，其幅度產(chǎn)生差異，這就是我們通常所說(shuō)的幅度失真。比較圖中坐標(biāo)軸刻度，其相位也出現(xiàn)很大差異，相位也失真了。

圖5是接收OFDM信號(hào)的星座圖，其中叉表示經(jīng)過(guò)白噪聲之前的信號(hào)星座，而圓圈則表示經(jīng)過(guò)白噪聲之后的星座圖。很明顯，經(jīng)過(guò)高斯白噪聲后，圓圈混亂地圍在叉附近，信號(hào)失真，星座圖也發(fā)生了變化。

解調(diào)后系統(tǒng)的誤碼率為0.164 1。因此在25 dB時(shí)，所得到的信號(hào)存在誤碼率。

（2）輸入信道比為40 dB時(shí)。

圖6是在40分貝信噪比情況下得到的OFDM信號(hào)星座圖，與圖5相比，經(jīng)過(guò)高斯白噪聲后，叉位置變化很小，圓圈也均勻地圍在叉附近。比較最初信號(hào)的星座點(diǎn)，并沒(méi)有產(chǎn)生變化，換言之，得到的OFDM符號(hào)沒(méi)有產(chǎn)生誤碼。

解調(diào)后系統(tǒng)的誤碼率為0。因此，設(shè)置信噪比為40時(shí)，其誤碼率為0。

對(duì)比上述兩次OFDM系統(tǒng)仿真，通過(guò)多種圖形和數(shù)據(jù)的比較可以得出：經(jīng)過(guò)高斯白噪聲信道前后的信號(hào)產(chǎn)生了失真，控制變量，增加信噪比，可降低誤碼率，提升系統(tǒng)性能。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低壓電力載波技術(shù)中常用的調(diào)制技術(shù)與OFDM調(diào)制進(jìn)行對(duì)比，OFDM技術(shù)不但可以防止符號(hào)間干擾，還能抵抗多徑效應(yīng)所引起的干擾。通過(guò)仿真對(duì)比，增加信噪比，能夠提升系統(tǒng)性能。OFDM技術(shù)在低壓電力載波通信上具有很大的潛力，尤其是在智能家居系統(tǒng)上有更多可以研究的地方，同時(shí)對(duì)智能停車系統(tǒng)也有一定的借鑒作用。

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