基于OFDM的电力线通信仿真研究

1、 基于OFDM的电力线通信仿真研究 冯葵摘 要：电力线通信系统是指釆用电力线传输数据的一种通信方式，具有分布广、不需要重新布线等优点，在通信领域中发挥着极其重要的作用。然而，由于电力线信道环境非常恶劣，存在着时变复杂和不稳定噪声，对电力线传输质量影响比较大，严重制约着电力线载波技术的普及和发展。不过，OFDM技术以其抗干扰、抗多径、抗衰减能力强的特性很好的克服了电力线信道的恶劣环境，对电力线通信的发展具有非常重要的意义。所以，我们可以利用OFDM技术来辅助研究低压电力线通信。Key：电力线通信；OFDM技术；电力线信道；我们可以通过对低压电力线信道的特性进行分析，对低压电力线进行信道建模，最终

2、建立低压电力线载波系统模型。然后，我们可以仿真分析在存在时延的多径信道上，插入保护间隔的方式及长度对系统抗ICI和抗ISI能力的影响。仿真分析传统模拟调制与IFFT调制的特点与联系。我们可以在OFDM系统的设计中，插入保护间隔、交织/解交织、信道估计和信道均衡等，搭建了一个基于IFFT/FFT的动态OFDM系统。最终结合这两个系统模型完成PLC-OFDM系统模型的建立，然后，对PLC-OFDM系统进行MATLAB仿真，得出一系列有意义的结论。一、电力线通信（一）电力线通信概述电力线通信系统是指采用电力线传输数据的一种通信方式，具有用户多、分布广、不需要重新布线等优点，在通信领域中发挥着极其重要

3、的作用。这种技术是利用电力线调制器将携带信息的数据信号添加到电力线上进行传输，在接收端利用解调器将电力线上的数据分离出来，实现数据信号在电力线信道上进行传输的过程。对于PLC技术的分类，国内外己经有了很多不同的类别，对于占用频带带宽的不同可将其分为窄带PLC（NB-PLC）和宽带PLC（BB-PLC）。在不同国家和地区，使用的频率范围也是不一样的。根据通信速率的不同，可将电力线载波分为低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）。一般而言，低速PLC被认为是窄带PLC而高速PLC被认为是宽带PLC，它们的分界速率为2Mbps。根据作为信道的电力线电压等级的不同，35KV以上的属于高压

4、电力线通信，10-30KV的属于中压电力线通信，低于380V的属于低压电力线通信。本文主要研究的是低压环境下的电力线载波技术。（二）电力线信道特性分析1.时变特性：低压电力线上由于入网设备的开、关，电机启动、停止等各种随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的时变特性。使用单载波技术将无法实现信号传输，而多载波技术将一段频带划分为若干个子载波，当个别的子载波衰减到无法传输时，其它子载波传输不会因此受到影响。2.衰减特性：低压电力线系统的复杂衰减特性是由接入的各种类型的电器设备直接引起的。尤其是电器中用来调制功率系数的大电容，对某些载波信号来说相当于短路，这是造成信号衰减的原因之一。衰减特性：时间

5、不同，衰减幅度也不同；信号频率不同衰减幅度也不同；距离不同，衰减幅度也不同。3.多径特性：低压配电网中众多的T型分支，线径、材质的变化都会引起信号的反射产生多条路径到达接收端，多径时延造成了数据符号之间相互重叠产生码元之间的串扰。由于多径的存在，电力线信道建模时，多径的因素必须考虑进去。4.噪声特性：低压电力线信道噪声和干扰十分复杂，根据文献，电力线信道的噪声可以分为五类，即有色背景噪声、窄带噪声、与工频同步的周期性脉冲噪声、与工频异步的周期性脉冲噪声、异步非周期的突发噪声。5.输入阻抗特性：低压电力线载波通信的输入阻抗是指在信号发送端和接收端的电网的等效阻抗，它的大小直接影响到信号藕合的效率

6、，是低压电网用于信号传输的一个重要参数。（三）电力线信道建模根据以上对低压电力线信道特性进行的分析与了解，可以建立出低压电力线信道传输模型，包括MK模型、AR模型、FIR模型等等；最终建立起低压电力线載波系统模型，由于各模型建立的具体分析与操作过程比较繁杂，这里对各模型的建立不作详细阐述，可自行在文章后的Reference中详细了解。二、OFDM技术（一）OFDM技术概述OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术，这种技术通常可以被认为是一种调制技术或者是复用技术。从OFDM的原理特性来看，它是一种基于多

7、载波系统的通信传输方案。然而，区别于其他的多载波技术，OFDM在传输过程中子载波之间的相位是彼此相互正交的，目的在于减少传输过程中子载波之间的相互干扰，并且提高频谱利用率。在信道环境恶劣的情况下，OFDM技术可以通过使用纠错编码，帮助接收端恢复一些处于恶劣信道环境的子载波上携带的信息，通过这种手段，使整个OFDM多载波系统呈现出很好的频率选择性。（二）基于OFDM技术的低压电力线载波通信系统将信道编（解）码、信道交织（解交织）、串并（并串）转换、数字调制（解调）、信号的IDFT（DFT）变换、循环保护间隔、信号同步、信道估计与电力线信道环境一起构成了一个低压电力线通信系统。信道编解码将采用卷积

8、编码、维特比特译码方案。用BPSK或QPSK作为数字调制方案，降低系统复杂性，也能有效降低系统的误码率。通过以上的分析与建立的模型，最终实现PLC-OFDM系统的MATLAB仿真，得出一系列有价值的仿真结果。（三）仿真结果分析1.接收信号在FFT变换之前，将负频率信号对称后共扼，再与正频率信号求平均，这一过程称为共扼平均处理。仿真条件：信道模型统一使用FIR模型，导频估计采用LS法，信道补偿采用线性插值。得出采用了平均共扼能够降低系统误码率。2.在信噪比较低的情况下使用信道编码，反而出现误码率增高的现象。而在信噪比大于8dB时，可以看出使用信道编码的方法误码率下降很快。分析原因，在低信噪比情况

9、下，大量的误码已经超出了Viterbi的译码能力，不仅不会纠正误码，反而会因为译码导致更多的误码。另外在使用信道编码时需增加冗余码元，进一步降低系统的传输效率，因此得出结论，信道编码、译码应该在高信噪比（8dB）情况下使用。3.另外还可以得出使用信道补偿能明显改善系统性能；在BPSK调制情况下，无须使用信道补偿，但是通过导频来对信号的相位做修正还是有意义的等一系列结论。Reference1付芳琪.基于MATLAB的OFDM系统设计与仿真D.陕西科技大学，2016.2陈宜文，许斌，郝建华，张子傅.基于OFDM技术的电力线通信系统建模与仿真J.国外电子测量技术，2015，34（02）：21-26.3邹宏运.OFDM技术的研究及系统仿真D.吉林大学，2010.4曹一.基于Simulink的OFDM通信系统仿真分析D.天津大学，2009.5王志杨