OFDM_PLC_WS.ppt

1、1,OFDM电力线载波通信技术,刘 鲲 博士 深圳清华大学研究院 深圳市力合微电子有限公司,2,智能供电与智能用电,通过对用户用电信息全面并实时地掌握，更优化地规划及调配电力资源，达到节省成本，创造更大效益之目的。 通过对用户提供实时动态分时电价信息，以及通过“智能家电”的发展，实现居民智能用电，节约用电。 用户预付费信息交互，实时管理 信息交互是关键，成为未来发展及待突破的重点,供电运营商,电力用户,电力,信息交互,3,用户用电信息交互,电表成为运营商与用户之间信息交互的“门户” 用户用电实时信息采集（上传） 动态分时电价信息广播（下传） 用户预付费信息（上传） 智能家居增值业务（双向）,4

2、,信息交互要求,数据速率：兼顾低压电力线通信频段带宽，信息交互业务需求等，数据速率应在 x10 kbps -100 kbps. 实时性： 从目前要求的24小时，提高至准实时及实时通信 发端至收端通信最大延迟应从目前的分钟级降低到秒级甚至毫秒级 可靠性：对时间/季节/地点/环境的自适应性 保密性：实现安全通信（需要数据速率，实时性及可靠性支持）,5,低压电力线载波通信现状,数据速率：目前国内市场使用的载波速率大部分为 x100 bps. 有些较新的技术可达xkbps, 但 10kbps 实时性: 24 小时抄通, 点抄不保证一次成功, 最长时间可达分钟级 可靠性: 比较依赖地点及时间环境 保密性

3、及安全通信: 无. 目前的速率及可靠性无法实施加密通信,6,低压电力线载波信道的问题,随时间及地点而变化的频率选择性衰落：各种不同特性的负载，随时间接入或断开，对不同频率呈现不同的响应，导致信道的频率响应极不平坦，且无法据预测。 干扰及噪声：各种电器设备产生严重的带内干扰（连续型的，脉冲型的）和噪声，尤其是国内电网环境。,7,传统载波技术的局限,基于固定频点、窄带、简单调制技术 对时变、频率选择性衰落不具备自适应能力 对窄带干扰不具备自适应能力 数据速率低 导致：这时通、那时不通，这里通、那里不通等问题。 由于物理层的性能局限，导致MAC层中继或路由协议复杂 在实时性、可靠性、数据速率等方面无

4、法满足新一代智能电网应用要求,8,OFDM高速PLC技术,9,OFDM 正交多载波技术,频域复用先进数字调制技术，广泛用于恶劣信道环境下的现代通信系统 在工作频带内，以一定的频率间隔使用N个相互正交的子载波，经过编码后的数据块调制到N个子载波上发送 子载波数、自载波频点、每个子载波的调制方式、编码方式可以灵活地根据信道状况自适应调整 独特的抗多径能力可极大地简化MAC路由协议,10,OFDM 在通信中的应用,数字音频广播(DAB): 取代模拟FM 广播 数字电视: 有线数字电视(DVB-C), 地面无线数字电视(DVB-T), 卫星数字电视(DVB-S) 中国移动数字电视标准: 中国地面无线数

5、字电视(DTMB), 中国手机电视(CMMB) 电话线宽带上网: ADSL 无线局域网: WiFi/IEEE 802.11 宽带电力线载波: HomePlug, UPA, 高速电力线载波: PRIME, .,11,OFDM高速电力线载波通信,工作频段: 500kHz, 用户可选择频带 欧洲: CENELEC A ( 95 kHz) FCC: 490 kHz 中国: 450 kHz 数据速率：几十 几百 kbps 与宽带PLC (工作在 2 30 MHz 频段)相比, 信号具有较小衰减, 因而具有更远的通信距离, 但此频段干扰大. 与宽带PLC相比具有较低实现成本,可以直接嵌入电表,12,国外最

6、新发展状况,MAXIM (美国) 10 490 kHz, OFDM/BPSK 32 kbps (10-95kHz), 100 kbps (10 490 kHz) iAD (德国) 10 490 kHz, OFDM/DBPSK, DQPSK, D8PSK 9.6 576 kbps PRIME (西班牙) 10 95 kHz, OFDM/DBPSK, DQPSK, D8PSK 20 128 kbps,13,低压电力线载波信道干扰模型,14,低压电力线载波信道幅频特性,15,低压电力线载波信道幅频响应模型,M.Zimmermann十五径模型幅频响应,16,低压电力线载波信道噪声及干扰,有色噪声:电力

7、线信道背景噪声由各种低频噪声源叠加而产生，不是白噪声,低频噪声大.,17,低压电力线载波信道噪声及干扰,窄带噪声: 由窄带无线设备造成, 500 kHz 以内都可能发生, 带宽大约3kHz.,18,低压电力线载波信道脉冲干扰,工频同步脉冲干扰: 主要由可控硅调节器产生，目前可控硅器件被大量使用在调光灯、电风扇、复印机等电器中，产生大量的谐波。脉冲频率为工频或其高次谐波。 工频异步脉冲: 周期为50Hz 200kHz，这种类型的噪声主要由开关电源、显示器的扫描等产生。该噪声的幅度最大比背景噪声高40dB，脉冲宽度几百微秒。 突发随机脉冲: 由于电网中负荷的投切所引起开关设备的通断造成的，如开灯，

8、开电视时产生的脉冲噪声。典型的单脉冲噪声幅度为 1 伏左右，持续的时间为 1ms 左右。,19,低压电力线载波信道噪声及干扰,有色背景噪声，窄带噪声与三种脉冲构成了电力线信道的加性干扰。,20,OFDM正交多载波信号频谱,21,OFDM抗干扰能力分析,22,载波调制基本原理,1,0,In = 1,In = -1,BPSK,00,Qn,In,QPSK,10,01,11,An,An,23,OFDM调制基本原理,24,低压电力线OFDM调制,在频域对所发送的数据符号进行映射, 然后进行富立叶反变换,25,OFDM信号产生,470 kHz 共有1280个子载波 将要发送的数据经编码后进行以BPSK或Q

9、PSK方式在频域映射到子载波上 将所有子载波作为频谱分量进行富立叶反变换,产生时域信号,26,OFDM信号帧,OFDM 信号帧由OFDM帧体及循环前缀(CP)组成. 帧体的长度Tu 与子载波数(自载波间隔)有严格的关系,以保证子载波间的正交性,27,双重纠错编码,28,时域及频域双重交织,29,OFDM 导频设计,30,发送成形滤波器,31,OFDM 过零发送信号,32,OFDM实际发送信号频谱(10- 470kHz),实际信号频谱位置,33,OFDM实际发送信号频谱(40-95kHz),实际信号频谱位置,34,OFDM实际接收信号频谱(10- 470kHz),实际信号频谱位置,35,OFDM实际信号解调(10- 470kHz),36,OFDM实际接收信号频谱(40- 95kHz),实际信号频谱位置,37,OFDM实际信号解调(40- 95kHz),38,芯片设计,外部接口,CPU,MEM,CPU总线,寄存器,收发buffer,收发前端,D/A,内部总线,OFDM发送,OFDM接收,A/D,接收预处理,39,OFDM 载波通信分层协议构架,单一芯片集成物理层及MAC层协议,40,主要技术指标,41,总结,为进一步解决