（通信与信息系统专业论文）基于ofdm电力线载波通信系统设计及fpga实现.pdf

中文摘要 摘要 低压电力线通信是利用低压电力线进行数据信息传输的一种网络技术的统 称。低压电力线网络覆盖范围广，使得低压电力线通信无需再建设新的通信网络， 大大降低了电力线通信的成本，具有连接方便的优点。由于低压配电网络并非专 为通信用途而设计，电力线的传输信道并不是很适合数据的传输。正交频分复用 ( o f d m ) 技术可以有效克服电力线信道的多径干扰和频率选择性衰落的影响，具 有高效的频谱利用率。因此，o f d m 技术非常适合于低压电力线载波通信系统使 用。目前，o f d m 技术在低压电力线通信中的应用越来越受到重视。 本文首先介绍了电力线通信的相关背景，国内外研究现状及本文的研究内容， 接着介绍了低压电力线信道的传输特性，分别就它的输入阻抗特性，衰减特性， 噪声特性进行了分析。根据电力线信道特性，得出了交流电过零点区段是电力线 通信的最佳通信时隙。介绍了o f d m 技术的基本原理和实现过程，阐明o f d m 技 术用于电力线载波通信的优势。 分析研究了基于o f d m 的电力线载波通信标准g 3 一p l c 的物理层相关规范， 包括基本参数，帧结构，前导等，并对g 3 协议的主要模块进行软件仿真。 在g 3 p l c 协议的基础上，根据国内低压配电网络的特点和现状，设计了基于 o f d m 低压电力线载波通信系统，主要有：系统实现框图，过零点通信，帧结构 设计、前导设计、窗函数的选取等。 接着，利用f p g a 器件和单片机实现了基于o f d m 低压电力线载波通信系统 的整个物理层协议。系统主要包括了微控制单元( m c u ) ，基带调制解调器以及模 拟前端。详细阐述了系统关键功能模块的硬件实现原理及过程。根据系统的帧结 构，提出了基于训练序列的新的符号同步算法。该算法不仅能够有效地实现系统 的符号同步，而且运算量低，硬件资源消耗少，同步速度快。 最后，本文搭建了系统的硬件调试平台，并对硬件系统进行调试。结果表明 该系统在国内低压配电网上工作稳定，基本满足设计要求。 关键词：电力线通信，o f d m ，g 3 一p l c 协议，符号同步，f p g a 重庆大学硕士学位论文 i i 英文摘要 a b s t r a c t t h el o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni st h eg e n e t i cn a m ef o ran e t w o r k t e c h n o l o g y t h a tt r a n s m i t sd a t ai n f o r m a t i o no v e rl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e t h e l o w v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r k sc o v e ra w i d er a n g eo fa r e a s t h e r ei sn on e e df o rt h e l a y i n go fn e wc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k s t h el o w v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n g r e a t l yr e d u c et h ec o m m u n i c a t i o nc o s ta n d h a st h ea d v a n t a g eo fc o n v e n i e n tc o n n e c t i o n h o w e v e r ，l o w v o l t a g ep o w e rs u p p l yn e t w o r k sa r en o td e s i g n e df o rc o m m u n i c a t i o n p u r p o s e s t h u s ，t h ep l c t r a n s m i s s i o nc h a n n e li sn o tv e r ys u i t a b l ef o rd a t at r a n s m i s s i o n o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) t e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l y o v e r c o m em u l t i p a t hi n t e r f e r e n c ea n df r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n go nt h ep o w e rl i n e c h a n n e l ，a n dh a sh i 曲s p e c t r a le f f i c i e n c y t h e r e f o r e ，o f d mt e c h n i q u ea d a p t s t ot h e a p p l i c a t i o ni nl o w v o l t a g ep o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o nv e r yw e l l c u r r e n t l y ， a p p l i c a t i o no fo f d mt e c h n i q u ei nl o w v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nh a sr e c e i v e d c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n dt h ec u r r e n tr e s e a r c ho n p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni nd o m e s t i ca n da b r o a da r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e n ，i t i n t r o d u c e st h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n e c h a n n e l a n a l y z et h r e et r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c sn a m e di n p u ti m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s ， a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，n o i s ec h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt o t h ep o w e rl i n ec h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s ，t h ep a p e rp r o v e st h a tz e r o s e c t i o no fa l t e r n a t i n gc u r r e n ti st h eb e s t c o m m u n i c a t i o nt i m es l o tf o rp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n t h e n ，t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n d i m p l e m e n t a t i o np r o c e s so fo f d mt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d t h i sp a p e rc l a r i f i e st h e a d v a n t a g eo fo f d mt e c h n o l o g yf o rt h ep o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m e a n w h i l e ，g 3 p l cp h y s i c a ll a y e rs p e c i f i c a t i o nb a s e do nt h eo f d m p o w e rl i n e c 枷e rc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r di sa n a l y z e d ，i n c l u d i n gt h eb a s i cp a r a m e t e r s ，t h ef r a m e s t r u c t u r e ，p r e a m b l e a n ds oo n t h ep r i m a r ym o d u l e so fg 3 一p l cp h y s i c a ll a y e r s p e c i f i c a t i o ni se m u l a t e db y s o f t w a r e s e c o n d l y ，b a s e do ng 3 p l cs p e c i f i c a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c i t ya n ds t a t u s o fd o m e s t i cl o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，al o w v o l t a g ep o w e rl i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e db a s e do no f d m t h ew o r km a i n l yi n c l u d e s e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ：s y s t e mb l o c kd i a g r a m ，z e r oc o m m u n i c a t i o n ，t h ef r a m e s t r u c t u r e ，p r e a m b l ea n ds e l e c t i o no fw i n d o w i n g f u n c t i o n i i i 重庆大学硕士学位论文 t h i r d l y ，t h ew h o l ep h y s i cl a y e ro fl o w v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sd e s i g nb yf p g ad e v i c ea n ds i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r t h es y s t e mm a i n l y c o n s i s t so ft h em i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) ，b a s e b a n dm o d e ma n da n a l o gf r o n t e n d t h e p r i n c i p l ea n dp r o c e s so ft h ek e yf u n c t i o n a lm o d u l e si m p l e m e n t e di nh a r d w a r ea r e e l a b o r a t e d an e wa l g o r i t h mb a s e do nt r a i n i n gs e q u e n c ei sp r e s e n t e da c c o r d i n gt ot h e f r a m es t r u c t u r eo fn e ws y s t e m t h ea l g o r i t h mi sn o to n l ye f f e c t i v ei na c h i e v i n gt h e s y m b o ls y n c h r o n i z a t i o n ，b u ta l s oh a sl o wc o m p u t a t i o n ，h a r d w a r er e s o u r c ec o n s u m p t i o n a n df a s ts y n c h r o n i z a t i o n f i n a l l y ，t h et h e s i sb u i l tt h eh a r d w a r ed e b u g g i n gp l a t f o r m ，a n dd e b u gt h eh a r d w a r e s y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a no p e r a t i o ns t a b l yi nd o m e s t i cl o w - v o l t a g e d i s t i l b u t i o nn e t w o r ka n db a s i c a l l yf u l f i l st h ed e s i g nd e m a n d s k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，o f d m ，g 3 - p l cs p e c i f i c a t i o n ，s y m b o l s y n c h r o n i z a t i o n ，f p g a i v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着全球信息化进程的加快，人们对新增通信业务和新增通信容量的需求增 大，这迫切需要发展新的通信网络和传输技术。电力线通信技术作为一种新的有 效通信方式，具有投资少、建设施工周期短、设备简单、实时性好、通信安全、 无中继距离长等一系列优点，越来越受到人们的关注【l 】。所谓电力线载波( p o w e r l i n ec a r r i e r ，p l c ) 通信是指利用高压电力线( 通常指3 5 k v 及以上电压等级) 、中压 电力线( 通常指1 0 k v 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作为信息传输的媒 介进行数据或语音传输的一种特殊通信方式 2 】。本文所讨论的电力线载波通信技术 是指以低压配电线路作为通信介质的低压电力线载波通信技术。 电力线载波通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期，当时主要应用于1 1 0 k v 以 上的高压远距离输电线路上，工作频率在1 5 0 k h z 以下。2 0 世纪5 0 年代后期至9 0 年代早期的3 0 多年中，电力线通信开始应用在中压配电网和低压配电网上，其应 用主要集中在远程自动抄表、配电自动化和设备管理等窄带通信领域。目前电力 线通信已经应用于高速数据通信业务如用于家庭、小型办公室联网及高速i n t e m e t 接入等。 由于电力线网络起初只是用来传输电能，不是专为通信设计的，所以它并不 是一个理想的传输媒介。低压电力线是一种非均匀分布的传输线，不同于传统的 通信传输介质如双绞线、同轴电缆、光纤等。低压电力线信道是时变信道，而且 存在着多径效应，具有频率选择性衰落和时间选择性衰落特性。此外，电力线信 道噪声环境恶劣，噪声不只有加性高斯白噪声。电网的输入阻抗和衰减随着信号 频率和时间的变化而变化，信号的衰减还与与传输距离有关【3 j 。因此，低压电力线 载波通信系统必须采用一种非常有效可靠的调制方式来应对这种恶劣的信道环 境。而正交频分复用( o f d m ) 技术可以有效克服电力线通道多径传输和频率选择 性衰落特性的影响，具有高效的频谱利用率。因此，o f d m 技术非常适合于低压电 力线载波通信系统使用。本文在分析低压电力线信道特性的前提下，深入研究p l c 技术，结合f p g a 实现，力求设计出一个能够在国内低压配电网可靠稳定运行的 o f d m 电力线载波通信系统。 1 2 低压电力线载波通信国内外研究现状 电力线载波通信无需建设新的通信网络，覆盖范围广，电力线是每个家庭最 为普及、覆盖范围最为广阔的一种物理媒介，远远超过其他网络的覆盖面，如有 重庆大学硕士学位论文 线电视网络和电话线路网等。因此，电力线载波通信吸引了国内外公司和研究机 构对它进行研究，从而推动和促进了电力线载波通信的发展。低压电力线载波通 信按传输速率可以分为低速p l c 和高速p l c 两种。按传输的带宽可以分为窄带和宽 带两种。低速p l c 是指传输速率低于1 m b p s 的p l c 技术，其带宽一般为3 5 0 0 k h z 。 美国联邦通信委员会f c c 规定了电力线通信频带为1 0 0 4 5 0 k h z ：在欧洲由欧洲电 气标准委员会的e n 5 0 0 6 5 1 规定电力载波频带为3 1 4 8 5 k h z 。低速p l c 主要应用于 远程自动抄表、配电自动化、楼宇自动化等。高速p l c 技术所采用的频带目前还没 有统一的标准，国际上实际应用中的频带一般集中在1 3 0 m h z ，主要应用于i n t e r n e t 接入、室内联网和话音业务，调制技术多采用o f d m 技术。 1 2 1 国外研究现状 在国外，2 0 世纪9 0 年代，英国联合电力公司的子公司英国n o r w e b 通讯公司 率先开展高速p l c 技术的研究。1 9 9 7 年，n o r w e b 公司在英国曼彻斯特的一个低 压配电网上成功进行了传输速率为1 m b p s 的数据通信试验。1 9 9 8 年3 月2 5 日， n o r w e b 公司与加拿大n o r t e l ( 北电网络) 公司成立合资公司n o r w e b ，进行该技术 的市场推广。随之，众多国家的研究机构和组织开展了高速p l c 技术的研究和开 发。如美国的i n a r i ( i n t e l o g i s ) 公司，韩国的x e l i n e 公司，欧洲的a s c o m 公司，以 色列的i t r a n 公司等也进行了电力线高速数据通信技术的研究，开发产品的传输速 率从1 m b p s 发展到2 m b p s ，1 4 m b p s ，4 5 m b p s 。2 0 0 4 年，西班牙的d s 2 于2 0 0 4 年率先推出速率高达2 0 0 m b p s 的宽带电力载波技术芯片。据不完全统计，在全球， 至少有4 0 多个国家和地区建设有p l c 的试验网络。 在低速p l c 方面，国外的相关组织和机构制定了相应的低压电力线载波通信 的协议标准。低速p l c 产品应用于欧美等地区集抄方案( a m r ) 也有几十年的历史， 而且抄表的成功率高，使用效果良好。法国的s t 公司推出的s t 7 5 3 8 速率可达 4 8 k b p s 。i n t e l l o n 公司推出的s s cp 3 0 0 采用扩频调制解调技术设计的电力线载波 m o d e m 芯片，速率达到7 5 k b p s 。e c h e l o n 公司推出的p l t 2 2 b p s k 调制解调技术 开发的电力线载波m o d e m 芯片，速率为5 4 k b p s 和3 6 k b p s 。2 0 0 8 年5 月2 3 日美 信公司推出的基于o f d m 的电力线通信调制解调器m a x 2 9 9 0 可在1 0 k h z 至 4 9 0 k h z 频段可提供10 0 k b p s 数据速率。 1 2 2 国内研究现状 国内对电力线载波通信技术研究起步比较晚，但是发展速度比较快，并在此 领域取得了一定的成果。在高速p l c 方面，中国电力科学研究院自1 9 9 9 年开始从 事高速p l c 的研究工作。2 0 0 0 年开始引进国外的p l c 芯片，研制出了2 m b p s 的 样机，2 0 0 1 年下半年进行了小规模现场试验，试验效果良好 4 。深圳国电科技有 限公司2 0 0 0 年初开始研制户内p l c 产品，开始采用美国i n t e l l o n 公司的1 4 m b p s 1 绪论 芯片研制的用于户内联网的p l c 产品。2 0 0 1 年8 月起，中国电力科学研究院和辽 宁电力公司、沈阳供电公司在沈阳电业新村小区建立了中国第一个高速p l c 试验 网络，开通了基于该网络的数字化社区。2 0 0 2 年5 月，采用国内电力系统研制的 产品，开通了第一个由国内电力系统自主研发的p l c 宽带接入系统【5 】。截至到2 0 0 5 年5 月底，由国电通信中心和中电飞华公司共同建设的北京宽带p l c 接入试验网 覆盖了5 0 0 多个居民小区，接入楼宇近4 0 0 0 栋，开通用户4 0 0 0 0 余户。2 0 1 0 年7 月，福建电力科学研究院利用自主研发的2 0 0 m b p s 电力线宽带调制解调器在福州 某小区实现“四网合一”。2 0 1 2 年1 月，深圳市普联技术有限公司推出传输速率 高达5 0 0 m b p s 的电力线适配器用于室内联网。 在低速p l c 方面，国内生产电力线载波的芯片产品的厂家主要有东软，福星 晓程，弥亚微，鼎信，瑞斯康。东软的传输速率为3 3 0 b p s ，弥亚微同时提供2 0 0 、 4 0 0 、8 0 0 、1 6 0 0 b p s 四种可变速率，福星晓程的传输速率为2 5 0 b p s 和5 0 0 b p s ，鼎 信的传输速率为1 0 0 b p s 。瑞斯康的传输速率为5 5 k b p s 和ll k b p s 。按照现阶段现场 实际应用状况来看1 0 0 至5 0 0 b p s 水平仅能用于普通抄表功能，如果涉及到远程控 制和管理功能则需要提供更高速率保证。2 0 1 1 年力合微电子公司发布第一款 o f d m 低压电力线载波芯片l m e 2 9 8 0 ，支持3 - 5 0 0 k h z 的工作频段，传输速率可 以达到几十k b p s 。严格意义上来说，国内的电力线载波通信芯片厂商生成的通信 产品并不完全是自主开发的，部分公司引进国外的芯片和技术进行改进后应用于 国内低压配电网。目前，利用低压电力线载波通信进行自动集抄的技术趋于成熟， 已经初步形成产业，设备和系统的性能有了较大的提高。但是，不管是自主研发， 还是在国外芯片基础上进行二次开发的产品，在国内低压配电网上进行通信的可 靠稳定性都有待进一步加强。随着国家投资力度的加大和科研实力的厚积薄发， 无论是低速p l c 技术在自动集抄领域的应用，还是国家电网推动的p l c 宽带接入 网络这样丰碑式的工程，都将得到进一步的巩固和发展。 1 3 本文结构安排及主要内容 本文致力于低压电力线载波通信系统方案的设计和实现。主要内容如下： 第二章介绍了低压电力线通信信道的信道特性，分析了电力线信道的三个主 要特性，然后介绍了o f d m 技术的原理及实现过程，并以g 3 一p l c 协议为例，介 绍了基于o f d m 电力线载波通信系统组成和相关参数，并对g 3 一p l c 协议系统进 行仿真； 第三章针对系统设计目标和要求，结合过零点技术，设计基于o f d m 的低压 电力线载波通信系统，给出设计参数，系统架构。并就帧结构，前导设计和窗函 数的设计进行详细说明，最后对设计的系统进行软件仿真； 重庆大学硕士学位论文 第四章首先介绍了f p g a 的相关内容，然后详细阐述了低压电力线载波通信 系统的设计和f p g a 实现过程。系统包括m c u ，发射机和接收机，接收机部分重 点对符号同步模块和信道估计模块的算法和实现进行说明； 第五章介绍了系统硬件开发平台，然后对设计的系统进行硬件性能测试与分 析。测试的结果表明，该系统在国内低压配电网上工作稳定，基本满足设计要求； 第六章对全文工作和内容作了总结，并对下一步工作进行了展望。 1 4 小结 本章介绍了低压电力线载波通信的发展历史，以及目前低压电力线载波通信 技术的国内外研究现状，最后介绍了本文的结构及主要内容。 4 2 基于o f d m 的p l c 系统及协议 2 基于o f d m 的p l c 系统及协议 2 1 电力线信道特性分析 随着p l c 技术的突破以及应用的深入，利用1 0 k v 以上中高压电力线作为通信 链路的研究已经非常深入和成熟。如中压p l c 禾i j 用中压( 1 0 k v ) 电力线网络为接入骨 干网、配电网自动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。但是利 用2 2 0 v 3 8 0 v 低压配电网进行信号传输，与中高压电力线通信有较大的区别。电力 线设计的初衷是用来进行电能的传输，低压电力线上连接着各种各样的电气设备 和仪器，这些都会给低压电力线信道环境带来很多不利的影响。低压电力线，并 不是一种理想的传输介质，具体表现为负载复杂，输入阻抗不匹配，信号衰减严 重等问题。低压电力线信道的阻抗、信道衰减与信道噪声导致信道具有时变性， 使信道变得不可预测。有鉴于此，为了利用低压电力线进行高质量的通信，国内 外的科研工作者对电力线的信道特性进行了大量的研究和讨论 6 - 1 0 。本节将对低压 电力线信道及其特性展开讨论，分别从输入阻抗、衰减特性、噪声特性三方面分 析低压电力线的信道特性。 2 1 1 输入阻抗特性 在通信网络中，传输线路阻抗失配会降低能量传输效率和形成驻波【1 1 l 。研究 低压配电网络的输入阻抗，对于提高发射机的效率至关重要。低压配电网络的输 入阻抗主要由电力线特征阻抗、所研究网络部分的拓扑结构和所连接的电器负载 所决定【l2 1 。电力线信道输入阻抗的变化强度依赖于信号频率和所处的位置，与电 缆线的型号、电力线网络的结构以及电网相连的负载有关，其数值可从几欧姆变 化到数千欧姆。电力线网络是按照非均匀的形式进行布设的，网络部分与用户之 间具有很多不规则的连接，电缆间的转换会引入反射而改变线路的特征阻抗。再 如，电力线网络改变其网络结构时，输入阻抗也会发生变化。 理想情况下，当配电网络没有负载时，传输线的电阻、电感、电导和电容是 沿线均匀分布的，这时传输线相当于一根均匀分布的传输线【l3 1 。考虑到分布电感 和分布电容的影响，这时配电网的输入阻抗会随着频率的增大而减小。而当配电 网络连接负载时，相应频率的输入阻抗都会减小。但是，在实际情况下，输入阻 抗还与网络的拓扑结构有关，而电力线网络的拓扑结构的改变具有不可预测性。 所以，输入阻抗的变化并不简单地随着频率的增大而减小，可能更加复杂。某些 实测和统计分析表明，在整个频带范围内，输入阻抗的均值一般在1 0 0 1 5 0 欧姆， 而在2 m h z 以下频率范围内，输入阻抗的均值只有3 0 1 0 0 欧姆【l2 1 。由于低压配电 网的输入阻抗随着频率，负载和网络拓扑结构的变化而变化，具有不可预测性， 重庆大学硕士学位论文 这给p l c 通信系统的阻抗匹配带来很大的困难。为了保证可靠通信的进行，一般 p l c 通信系统设计具有自动增益调整功能。 2 1 2 衰减特性 电力线信道不是专用的通信信道，其网络上连接有大量的电气设备和仪器， 这些会给信号带来很大的衰减。电力线上的信号的衰减是不断变化，同一时刻对 不同频率信号的衰减不同，而随着输入阻抗和网络拓扑结构的变化，信道的衰减 也在不断的变化。 信号的衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减【l4 | 。耦合衰减是由 发射端和接收端与电力线网络的阻抗不匹配造成的。不同的耦合方式对信号的衰 减也不同，线一中耦合比线一地耦合衰减大1 0 d b 左右。此外，三相交流电中不同相 间的耦合对信号的衰减也不同，跨相传输比同相传输衰减大1 0 d b 左右。减小耦合 衰减可以通过减小耦合器的内阻来实现。线路衰减包括多径传播带来的衰减、线 路的损耗和线路延时。低压电力线网络的拓扑结构复杂，分支多，节点繁多，信 道存在部分阻抗不连续的节点，导致多径反射，使信号多径传播，从而造成信号 衰减。信号在电力线传输时，由于电力线自身的损耗也会带来衰减，如热辐射， 电磁干扰等，这就是线路损耗带来的衰减。线路损耗的衰减一般是距离的函数， 随着距离的增加，衰减增大，同时也随着频率增大而增大。此外，由于信号是多 径传播的，同一信号经过不同的路径传播时，会有不同的延时，这就造成了信号 的延时衰减。 总体上说，电力线的衰减随着频率的增加而增大，当频率越高时，传输线效 应越显著，容易发生谐振，导致在某些频率下衰减迅速增加。电力线的衰减一般 随着传输距离的增加而增大，但是考虑到电力线网络阻抗的变化，衰减同传输距 离的关系变得复杂。在家庭网络中，电力线信号衰减在2 0 6 0 d b 范围内。此外， 在整个频率范围内，电力线信道传递函数中还存在着某些频率的凹陷，这些凹陷 引起的衰减是由于输入阻抗不匹配引起信号多次反射造成的。 2 1 3 噪声特性 电力线上或其周围连接有各种电气设备，其传输信道就会存在一定强度的噪 声。同其他通信信道不同，电力线信道不能用加性高斯噪声环境来表示。为了获 得电力线噪声特性，国内外许多文献对其进行了研究。文献 1 5 1 7 对低压电力线 通信存在的噪声进行了描述和分析。低压电力线通信噪声主要包括有色背景噪声、 窄带噪声、与工频同步的脉冲噪声、与工频异步的脉冲噪声，不同步的脉冲噪声。 有色背景噪声 其功率谱密度相对较低且随着频率的增加而减小。有色背景噪声主要由各种 低功率噪声源叠加产生的。其功率谱密度随着时间的变化而变慢。它的范围较广， 6 2 基于o f d m 的p l c 系统及协议 可以从工频( 5 0 h z 或6 0 h z ) 到大约2 0 k h z 。白噪声具有连续和单一频谱密度，且 不依赖于频率。与白噪声不同，有色背景噪声却强烈依赖于频率。 窄带噪声 窄带噪声主要由幅度调制的连续波形信号构成。其频谱在测量中的宽度一般 超过l k h z ，可以很明显地与脉冲噪声区别开来。这种类型的噪声主要来源于开关 电源、频率转换器、电视机、计算机显示器和无线电台的干扰。窄带噪声可以在 任何地方测得，而且持续时间很长，其值通常随着一天的时间变化而变化。 与工频异步的周期性脉冲噪声 通常由功率供应的转换而引起，其频率一般为5 0 2 0 0 k h z ，功率一般不超过 一4 5 d b 。由于这类噪声的重复率高，占用的频率彼此非常接近，因此造成频率成束， 表现为很窄的频带。 与工频同步的周期性脉冲噪声 这类噪声主要由与电源同步工作的电力设备引起，特别是整流二极管的开关， 重复频率为5 0 h z 或1 0 0 h z ，功率谱密度随频率的升高而下降。在5 0 h z 周期内开关 数次就会在时域内出现一系列脉冲噪声或是在频域内出现电力系统中的更高谐波 噪声。一般而言，可以认为这种噪声是周期发生的，但是它一旦发生就会持续很 长的时间。通常在频谱范围( 6 0 9 5 k h z ) 内测量，频谱密度大约是一7 0 d b 。但高速 传输数据的通信系统由于数据包持续时间短，可在周期噪声的间隙进行传输，从 而降低了这种噪声的影响。 不同步的脉冲噪声 这类噪声主要由电力网络中的电气设备的短暂开关引起的。这类脉冲的持续 时间从几微秒到几毫秒。其功率谱密度可能比背景噪声的值高出5 0 d b 以上。 第1 ，2 ，3 类噪声通常在相对长的时间内保持稳定，因此它们被归类为背景噪 声。而第4 ，5 类在几微秒和几毫秒时间内是变化的，它们被称为脉冲噪声。脉冲 噪音的幅值相对比较高，被认为是电力线信道进行高频数据传输时发生突发错误 的主要原因。 重庆人学硕士学位论文 图2 1 低压电力线信道干扰波形 f i g 2 1j a m m i n gw a v e f o r mi nl o w - v o l t a g ep o w e r l i n ec h a n n e l 图2 1 是文献 1 8 实际中测得的电力线干扰的波形。从图中可以看出干扰具有 周期性，干扰主要集中在交流电波峰区段，在过零点区段干扰噪声最小。这主要 是因为在过零点附近输入阻抗接近用电器电阻值，相对于波峰阻抗下降小，信号 衰减小，噪声基本上以背景噪声为主，以此得出低压电网在电压过零点附近，阻 抗下降少，噪声能量低且变化小。因此，过零点区段是最佳的通信时隙。 综上所述，低压电力线作为通信信道，进行数据传输时呈现的阻抗变化，高 衰减及较大噪声等特性，使电力线成为一个不是很理想的传输介质。由于我国对 电器设备接入低压配电网的电磁兼容性没有欧美国家要求的严格，因此国内低压 配电网的上的衰减和噪声比欧美国家的更加严重，低压配电网的信道环境也较恶 劣。因此，要在国内低压配电网络上实现可靠、稳定的数据传输，必须选择一种 能够很好适应低压电力线信道特性的调制解调技术。 2 2o f d m 技术 正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 最早起 源于2 0 世纪5 0 年代中期。o f d m 技术是一种多载波的调制方式，它可以被看作 是一种调制技术，也可以说成是一种复用技术。经过数十年的发展，o f d m 技术 被广泛应用于数字音视频广播，无线局域网通信，有线电话网等领域。 o f d m 技术能够把频率选择性衰落和脉冲干扰的影响分散到许多符号上，使 突发错误随机化，通过编码技术可以进行纠错，增强了系统对噪声和多径时延的 抵抗力。o f d m 技术大大降低信道均衡的复杂度，具有很高的频谱利用率，这是 实现高速p l c 的关键因素。此外o f d m 的子载波支持比特加载技术，使得o f d m 2 基于o f d m 的p l c 系统及协议 系统的传输容量接近所使用传输介质的理论极限值。而在低压电力线载波通信中， 数据传输的信道环境非常恶劣，信道具有频率选择性衰落，存在回波，同时受到 各种干扰的影响。i b e r d r o l a 公司已经在2 0 0 7 年通过不同低压电网的现场试验，验 证了o f d m 的优势，证明o f d m 是一种高速、低成本的电力线载波通信调制方式。 有鉴于此，o f d m 技术被认为是未来宽带p l c 网络所应选择的技术方案【l 9 1 。 2 2 1o f d m 原理 o f d m 的基本原理【2 0 】是把信道划分为若干个子信道，将高速输入的串行数据 流转化为若干并行的低速数据流，调制到每个子信道上进行传输，这些子信道是 正交的。在接收端采用相关技术进行解调，然后转为串行数据流。 o f d m 是一种多载波传输技术，一个o f d m 符号内包含多个经过调制的子载 波。假设表示子信道的个数，丁表示o f d m 符号的持续时间，即符号周期， d ，( f - o ，1 ，一1 ) 为分配给每个子信道的数据符号，以为第0 个子载波的载波频 率，z 为第f 个子载波的载波频率，有z 毫+ i t ，r e c t ( t ) = 1 ，h ，则从f = t s 开 始的o f d m 符号可以表示为【2 l j ： rr n 一1、 s ( ，) ： r e t 丢d ，e c ( 、一t 一言j e x p 2 万z ( f t ) ， t f + r ( 2 1 ) 10 t 丁+ t 一 d o 。l 二囊田玉 送卜+ 鬲l 并 串行数据i 7 i p 坪4 石 ；行数据流 由吐主 叫g 卜 +怔卦 d d i d n 4 并 串d o c ik dn 一。 e j ：8 j n 。 茗! 岛盘i l 吉 - 图2 2o f d m 系统数学模型 f i g 2 2m a t h e m a t i c a lm o d e l so fo f d ms y s t e m 通常采用等效复基带的形式来表示o f d m 的输出信号，见式( 2 2 ) 。其中s ( f ) 的 实部和虚部分别对应o f d m 符号的同相分量( i n p h a s e ，i ) 和正交分量 ( q u a d r a t u r e p h a s e ，q ) ，在实际系统中将它们分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终子信道信号和合成的o f d m 符号。o f d m 系统的数学模型如 图2 2 所示。 9 重庆大学硕士学位论文 s ( ，) ：篓4 r e c r ( r 一一吾) e x p 2 万；( r t ) r + 丁 。2 2 ， 1 0t 丁+ t 从o f d m 系统的数学模型可以很清楚地看出，每个o f d m 符号包含有若干个 子载波，子载波的频率分别从f o 到厶一。若第i 个子载波不用，则直接使d ，= 0 即 可。这样o f d m 系统可以将调制后的信息安排到某些信道环境较好的子信道上， 对应的子载波称为有用子载波。由式( 2 2 ) 可以看出，每个子载波在一个o f d m 符 号周期t 内都包含有整数倍个周期，而且相邻子载波问的周期数相差1 。这正是 o f d m 符号子载波之间正交性的体现，故 专r e x p ( u ，2 万z r ) e x p ( 一2 万厶r ) 班= ：)：三： ( 2 3 ) 在接收端，正是利用o f d m 符号子载波的正交性对接收到的数据进行解调的，如 对式( 2 2 ) 第，个子载波进行相关解调，然后在时间长度t 内进行积分，可以得到： 弓= 打r e 冲万弘t ) 崖n - 1 噍e x p ( j 2 万事( ) 户 = ：1 掣, + r j 2 万孚( ) p = d j ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) 可以知道，对第个子载波进行相关解调，可以恢复出期望的符号d j ， 而对于其他的子载波，由于在积分时间区间内，频率差别二产生整数倍个周期， 导致其积分结果为零，不会影响第，个子载波的解调。 o f d m 符号的各个子信道的正交性允许频谱重叠，从而产生大约比单载波技 术高两倍的高效率，有效提高系统的频谱利用率。根据式( 2 1 ) ，每个o f d m 符号 在符号周期t 内都包含有若干个非零的子载波，即有用子载波。因而，其频谱可以 看作是矩形脉冲r e c t 的频谱与一组位于各个子载波频率上的万函数的卷积。矩形脉 冲的频谱幅值为s i n c ( f ) 函数，该函数在频谱为1 丁的整数倍处均为零。 1 0 2 基于o f d m 的p l c 系统及协议 ，、八厂 一 v vv 。翕 图2 3o f d m 符号的子载波频谱示意图 f i g 2 3s p e c t r u ms c h e m a t i cd i a g r a mo fs u b c a r r i e ri no f d ms y m b o l 图2 3 为含有5 个子载波的o f d m 符号的子载波频谱示意图。从图中不难发 现，在每个子载波频谱幅值最大处，其他所有子载波的频谱值恰好为零。而接收 端对o f d m 符号进行解调时，需要计算的正是每个子载波频谱幅值的最大值，因 此可以从这些相互重叠的子信道符号中提取出每个子信道的符号，而不会受到其 它子信道的干扰，这种特性有效避免了载波问干扰( i n t e r - c a r t i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 的出现。 2 2 20 f d m 的实现 对于多载波系统，当载波数量很大时，系统实现的结构比较复杂，运算量较 大。1 9 7 1 年，s b w e i n s t e i n 和p m e b e n 在他们的论文中指出o f d m 的调制解调 可以利用点的i d f t d f t 来快速实现，这很大程度降低了o f d m 系统实现的复 杂度2 2 1 。下面以式( 2 2 ) 的等效复基带信号s ( f ) 为例说明o f d m 符号的调制可以用 离散傅立叶逆变换i d f t 来实现。令式( 2 2 ) 的t s = 0 ，并忽略掉矩形函数，对s ( f ) 信号以z 的速率进行采样，可得： x ( 聆) = s ( 址州= 艺4e x p 【，。了2 r c i k 】( 尼= o 1 ，n 一1 ) ( 2 5 ) 对比式( 2 5 ) 与i d f t 的定义可以发现，x ( n ) 等效为对d i 进行i d f t 运算。同样，在 接收端，为了解调出原始数据符号d ，可以对x ( n ) 进行d f t 运算，得到： d ，= 艺x ( 玎) e x p ( 一_ ，下2 j r i n 】( 江o ，1 ，n 一1 ) ( 2 6 ) 从公式( 2 5 ) 和( 2 6 ) n - i 以看出，为了产生o f d m 符号x ( n ) ，可以使用i d f t 来代替 o f d m 的调制。