基于OFDM的電力線載波通信的研究

引言
    電力線載波通信是以電力線為傳輸媒介，通過載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號的技術(shù)，而且無外架通信線路。介紹正交頻分復(fù)用的基本原理，根據(jù)利用正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)能夠較好調(diào)制解調(diào)信號
的特性，提出一種基于OFDM的電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計方案，利用電力線實現(xiàn)載波通信。

2 電力線載波通信
    電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，可用于傳輸電話、遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護等信號，是確保電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行，實現(xiàn)調(diào)度自動化和管理現(xiàn)代化的重要通信方式。它以電力線路為傳輸通道，具有通道可靠性高，投資少見效快，與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點。
    圖1為電力線載波通信系統(tǒng)組成圖。其基本原理是將載有信息的高頻信號施加到電力線上進行數(shù)據(jù)傳輸，再通過電力線調(diào)制解調(diào)分離出電力線信道的高頻信號，然后傳送到終端設(shè)備。

    各種成熟的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已應(yīng)用到電力線載波通信系統(tǒng)，針對適應(yīng)高速率傳輸，正交頻分復(fù)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)是解決傳輸頻帶利用率的有效方法。電力線載波通信技術(shù)在高、中、低壓3個電壓等級的應(yīng)用技術(shù)、線路狀況和應(yīng)用要求都有所不同，高壓電力線載波是指應(yīng)用于35 kV及以上電壓等級的載波通信設(shè)備。載波線路狀況良好，主要傳輸調(diào)度電話、遠(yuǎn)動、高頻保護及其他監(jiān)控系統(tǒng)的信息。

3 OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)
    OFDM是一種將若干個彼此獨立的信號合并為一個可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號的方法。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎前汛袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成N路速率較低的并行數(shù)據(jù)流，用它們分別調(diào)制N路子載波后并行傳輸，子載波相互正交其頻譜相互重疊，從而具有很強的抗信道衰落能力和較高的頻譜利用率，并能很好地抑制碼間干擾。
3．1 OFDM調(diào)制原理
    圖2為OFDM調(diào)制的基本原理圖。設(shè)OFDM符號周期為T，在一個周期內(nèi)傳輸N個碼元為復(fù)數(shù)，Xn調(diào)制第n個子載波exp(j2πfnt)，則合成的OFDM復(fù)信號為： 

 其中第n個子載波頻率選擇為：

   
    式中，X(k)是接收端第k路子載波的輸出信號。
    從式(4)看出，它與發(fā)送端的第k路子載波信號相等，這樣可正確解調(diào)出該載波的原信號X0,X1,…XN-1。

3．2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點
    OFDM采用數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)亩噍d波技術(shù)，將高速串行數(shù)據(jù)分解為多個并行的低速數(shù)據(jù)，使用N個子載波把整個信道分成N個子信道，這些子信道并行傳輸信息。
    這樣每個子載波上只傳輸少量的數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)的碼元寬度加長，從而減少碼間串?dāng)_影響。又由于每路采用窄帶調(diào)制，可以減小頻率選擇性衰減的影響。OFDM技術(shù)具有以下優(yōu)點：
    (1)抗頻率選擇性衰落對抗頻率選擇性衰落通過分配OFDM的子信道實現(xiàn)。如果信號在某些子信道衰落嚴(yán)重，低于信噪比門限，只需關(guān)閉這些子信道，由其他子信道完成傳輸任務(wù)。這樣可減小傳輸中的誤碼率，保證數(shù)據(jù)的完整性。
    (2)技術(shù)上容易實現(xiàn)使用OFDM技術(shù)。子信道采用M-PSK或M-QAM調(diào)制方式，調(diào)制使用IFFT，而解調(diào)使用FFT，硬件直接使用DSP或FPGA實現(xiàn)，系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低。
    (3)頻譜利用率較高在相同帶寬的情況下，當(dāng)子載波數(shù)目增加時，由于OFDM子載波之間無像FDM的保護頻帶，而采用正交函數(shù)序列作為副載波，相鄰子載波的頻譜主瓣互相正交并重疊，載波間隔達到最小，這使得OFDM技術(shù)在使用相同頻帶時具有更高的頻譜利用率。
    (4)抗碼間干擾(ISI)能力強在電力線信道中，由于存在多徑效應(yīng)，多個信號在不同的路徑傳輸，所以到達接收機時會有一定時延，這就造成ISI。 OFDM將高速的串行數(shù)據(jù)分割為N個子信號，這樣分割后碼元的速率降低了N倍。周期延長N倍。同時再在碼元問加入保護間隙和循環(huán)前綴，這樣只要數(shù)字碼元周期大于最大延時時間就可以有效抑制ISI干擾。而OFDM技術(shù)的缺點如下：(1)對頻率與定時的要求特別高，同步誤差不僅造成輸出信噪比下降，還會破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影響系統(tǒng)性能；(2)OFDM信號的峰值平均功率比往往很大，使其對放大器的線性范圍要求高，同時也降低放大器的效率。

4 基于OFDM的電力線載波系統(tǒng)
    圖4為高壓電力線載波系統(tǒng)組合。整個系統(tǒng)由電力線載波裝置、電力線路和耦合裝置組成。

4．1 耦合模塊
    耦合裝置包括阻波器、耦合電容器、組合濾波器。電力線載波裝置的作用是調(diào)制解調(diào)原始信號，使其滿足通信質(zhì)量要求。耦合電容器和結(jié)合濾波器組成一個帶通濾波器，通過高頻載波信號，并組織電力線上的工頻高壓和工頻電流進入載波設(shè)備，以確保人身、設(shè)備安全。線路阻波器串接在電力線路和母線之間，是對電力系統(tǒng)一次設(shè)備的“加工”，故又稱為“加工設(shè)備”，是通過電力電流、組織高頻載波信號漏到電力設(shè)備(變壓器或電力線分支線路)，以減小變電所或分支線路對高頻信號的介入衰減，以及同母線不同電力線路上高頻通道之間的相互串?dāng)_。需要注意的是：耦合電容器應(yīng)接接地刀閘，以便于高壓載波通信裝置的檢修。
4．2 電力線載波模塊
    電力線載波模塊是系統(tǒng)設(shè)計的核心．圖5為基于OFDM的調(diào)制解調(diào)模塊框圖。

    該模塊是基于DSP設(shè)計，其數(shù)據(jù)傳輸流程：在發(fā)送端，二進制數(shù)據(jù)首先通過PC機串口傳送到UART器件，通過UART器件串并轉(zhuǎn)換，并行數(shù)據(jù)由UART并口輸出給DSP并口，DSP再對數(shù)據(jù)進行調(diào)制算法處理，然后數(shù)據(jù)通過D／A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；在其接收端，A／D轉(zhuǎn)換器輸入端接收信道中傳輸?shù)哪M信號，首先將模擬信號進行A／D轉(zhuǎn)換，然后，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號通過DSP進行解調(diào)的算法處理，數(shù)據(jù)再由DSP并口傳送給 UART，從而實現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換，再由PC機串口發(fā)送給PC機。

5 結(jié)束語
    介紹了OFDM技術(shù)的基本原理，理論研究并實現(xiàn)以高壓電力線為媒介的信號傳輸，給出硬件框架圖。隨著通信技術(shù)的進一步完善，以及相應(yīng)器件產(chǎn)品的研究和開發(fā)，電力載波通信將會有更好的發(fā)展。