电力线通讯(PLC)系统工程系列专刊(四)：电力线通讯调变传输技术

1、電線通訊(PLC)系統工程系專刊 (四) 電線通訊調變傳輸技術台電綜合研究所 蒲冠志博士工研院資通所 俊專案經本文主要針對台電公司現有之電線系統進載波頻段傳輸特性之測及探討配電系統對訊號衰減及阻抗匹配等問題，同時也建電線之傳輸模型，作為訊號傳遞分析之依據。另外，亦進電磁干擾之測，並分析可能干擾電線載波的雜訊源。 調變技術介紹位訊號在自由空間中或是材介質中傳輸時，常會遭遇到的干擾問題包含：交互符號干擾(Inter Symbol Interference, ISI )、反射干擾、音干擾(Crosstalk)、雜訊干擾、多重徑干擾(multipath fading )等，針對這些干擾我們做簡短的敘述

2、。1. 交互符號間干擾ISI是位通訊系統中主要的干擾源，它是一種乘性的干擾，造成ISI的原因一般是通道衰減或訊號延遲所造成的波形失真，在通道(channel)頻帶寬有限下免會產生ISI，以一定速傳輸波形序受到非想通道的影響，常造成各符碼間波形延遲從而使相鄰符碼的波形產生重疊，造成接收端取樣判斷的錯誤。12. 反射干擾反射干擾與通道阻抗匹配有很密的關係，訊號在通道中傳輸，通道等效阻抗容因電纜線分接點阻抗的漂移而產生阻抗匹配的問題，阻抗的突變會使訊號傳輸引起功的反射或反射波耗損，等效阻抗為75的同軸電纜(coaxial)一般在匯排的終端要加裝終端器(terminator)就是一個常的子，終端器即是

3、為吸收電纜終端的訊號，終端開會使得整個訊號全反彈產生干擾。3. 音干擾音干擾常發生於線束之間的線間干擾，在同一條幹線的電纜中，可能形成電容或電感的耦合效應，因此發送信號可能經由耦合方式進入其他發送器或接收器，音干擾對於高頻訊號影響尤其嚴重，其一般分為近端音(Near-end crosstalk，NEXT)及遠端音(Far-end crosstalk，FEXT)。4. 雜訊干擾位訊號傳輸常會受到干雜訊的干擾，這些雜訊源通常是家用電器的開關換，電動機啟動等電電子元件所引起的突發性干擾，通常為傳導性或耦合方式產生於傳輸線之中。一般在雜訊源較多的環境中，為確保接收信號強足以對抗外界雜訊源，因此定義變動

4、範圍及訊號雜訊比(S/N)需在一個可接受的合值內。5. 多重徑干擾多重徑干擾的問題一直存在無線傳輸系統之中，在想的無線通訊系統中接收機的訊號會完全與發射機相同，實際上的無線電訊號2在傳輸的過程中會經過各種干擾與衰減，在經過反射、繞射及折射接收端收到的訊號已經變樣。下圖中 1 可視為發射機，2 為接收機，而所謂的多重徑事實上是指訊號由發射機到接收機的徑並為單一徑，可能具備有多種徑，同的徑其距並會相等，所以接收機收到的訊號會具有同的時間延遲，這現象往往容造成接收端的取樣錯誤。圖：多重徑傳輸徑示意圖要瞭解多重徑現象，首先考慮靜態(Static)多重徑環境，假設發射信號至接收機有的衰減型式，同的延遲時

5、間會造成接收信號相對的相位差，有種極端的情形可能發生：(1) 相位差為 0 信號相加，如下圖(b) 所示。(2) 相位差為 180 信號相減，如下圖(c) 所示。針對這些常的干擾問題，可以用各種調變技術將其改善，調變(modulation)與解調(demodulation)是通訊中的基本技術，將帶有資訊的訊號轉換成第二種訊號的步驟稱之為調變，而將帶有資訊的信號還原稱之為解調；通訊系統用到的調變技術除熟悉的ASK與FSK外，相移調變(phase shift keying)是常用的技術之一，而如二位元相移調變 (Binary Phase Shift Keying, BPSK)、正交相移調變(Qua

6、drature Phase Shift Keying, QPSK)、正交幅移調變(Quadrature Amplitude3Modulation, QAM)被廣泛的使用。圖：多重徑干擾【幅移調變（Amplitude Shift Keying, ASK）】ASK是運用振幅的同表示所要傳送的資訊，以固定的振幅大小表示位訊號中的輯準位1及輯準位0。【頻移調變（Frequency Shift Keying, FSK）】FSK是用同的頻表示所要傳送的資訊，由下圖中可看出FSK如何在同頻下表示輯1及輯0。【相移調變（Phase Shift Keying, PSK）】PSK透過相位的改變表示傳輸訊息的內容。

7、表示式如下，A(t)經基底訊號調變後，得到一組調變訊號Sm(t)，其中m是整其範圍限制在1mM，M=2則稱binary PSK (BPSK)，M=4 則稱 quadrature PSK (QPSK)。2(m1)Sm(t)=A(t)coswct+M4圖：ASK調變法圖：FSK調變法圖：PSK調變法【二位元相移調變（binary PSK, BPSK）】BPSK是PSK中最基本的調變方式，這種方式是將載波相位於0到180間的變換，以表示被調變的資，故BPSK每一個baud 傳輸1-bit的資(i.e.1 個symbol 表示1-bit, 1bit/symbol)，下圖可看出BPSK的態改變只存在0與

8、180種態。圖：BPSK傳輸相位【正交相移調變（Quadrature PSK, QPSK）】QPSK傳輸的資較BPSK的大，每個baud可傳輸2-bit(1個 5symbol 可以表示2-bit, 2bits/symbol)，QPSK用大小及相位的資訊表示位訊號，上明可以觀察下圖得知。圖：QPSK傳輸相位圖【正交振幅調變（Quadrature Amplitude Modulation, QAM）】QAM是一種高效的資傳輸技術，其可分為QAM-16、QAM-64、QAM-256，由下圖可以看出QAM在資傳輸密上高於之前所介紹的各種調變方法。圖：QAM信號群集QAM-16與QAM-64資傳輸上分別

9、為4-bit/symbol及6-bit/symbol，現今有線寬頻網cable modem 所使用的調變方式即是6QAM，且在cable modem標準規格中只使用其中4.5MHz的頻寬，根據這資可以對於QAM傳輸速有一個較為直覺的概：(1) QAM-16傳輸：log(16)/log(2)x4.5MHz18Mbps12條T1專線(2) QAM-64傳輸：log(64)/log(2)x4.5MHz27Mbps18條T1專線(3) QAM-256傳輸：log(256)/log(2)x4.5Mhz36Mbps23條T1專線(T1專線=1.544Mbps)【正交分頻多工（Orthogonal Freq

10、uency Division Multiplexing, OFDM）應用於PLC的優勢】OFDM技術被使用於無線區域網5.4GHz頻段的802.11a通訊協定上，無線通訊所面對的通訊環境相較於有線通訊通常較為嚴苛，通道干擾及訊號衰減的情形嚴重，OFDM在調變技術上有別於一般常的FSK、BPSK、QPSK等。其特色在於能有效解決多重徑干擾，且運用多重載波技術低訊號干擾的影響，並提高資傳輸密及頻道的用，就技術的角將OFDM運用在無線通訊系統或具有相似干擾系統是有其嚴謹的根據的。資傳輸需先經由調變再透過載波傳遞，市面上商業運作的系統可以區分為單載波(mono-carrier)及多重載波(multi-

11、carrier)系統，就ADSL非對稱位用戶迴所使用的DMT (Discrete Multitone)調變技術，即是一種多重載波系統。DMT的基本概就是將所擁有的通道頻寬劃分為多個具有同 7載波訊號的子通道(subchannel) 再將位資透過QAM的調變方式，分配調變至每個子頻道上，對於每一個子頻道的傳輸資則依照傳輸線的干擾情況做調整，某一子頻道受到的干擾太過於嚴重(S/N)太小則系統可以關閉此通道以達到頻寬的有效運用。圖：傳送端架構圖：接收端架構一個多重載波系統其容忽視的特色在於抗雜訊的能，傳輸通道事實上存在著同頻的干擾，對於單載波系統而言，載波頻點受到干擾，則會造成訊號傳輸全失敗，相對於

12、多重載波系統，其較受到選擇性頻衰減及窄頻干擾的影響，即使傳輸資過程中有干擾干擾存在，也會是少子頻道受影響，可以透過錯誤正碼加以還原部份遺失的資訊。在訊號干擾介紹時曾提過有關多重徑干擾的概，訊號經過同的徑到達接收端時，最先到達的訊號與最後到達的訊號有一定的8時間差tmax，OFDM同於一般調變方法的地方就是在於它能有效解決多重徑干擾的問題，主要的技巧是在每一個符號前加上一段緩衝時間（guard time ），這段時間必須至少等於tmax，接收端必須等待tmax的時間才能開始取樣，過guard time 的資才被認定為正確的資，如此保護資受干擾，如下圖所示。圖：guard timeOFDM是多重載波的架構與DMT相同，但是具備overlapping subchannel特性優於DMT，多重載波系統在抑制選擇性雜訊干擾已有錯的效果，overlapping subchannel 明OFDM調變法讓子通道在頻域內可有部份重疊，相較於DMT的non-overlapping subchannel 使用OFDM的系統在相同頻帶有好的用，但在節頻寬的同時子頻道的重疊也會互相產生干擾(Crosstalk)，適當的將子載波之間產生正交性即可減低此問題，下圖可看出二者差。9圖：DMT與OFDM頻道差OFDM 的每一個子頻帶運用QAM技術，提高資傳輸的密，這使OFDM在各方面效能無是傳輸或穩定優於