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文檔簡介
1、采用OFDM技術實現(xiàn)低壓輸電線上高速數(shù)據(jù)的傳輸關鍵字:OFDM 噪音 多徑效應 衰落 子載波 1 引言電力線已經(jīng)走進千家萬戶,如果能夠在電力線上進行可靠的數(shù)字傳輸,不僅可以方便地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的配電自動化,而且可以通過電力線進行通信,省去了通信線路的架設,大大降低通信的成本,從而對網(wǎng)絡普及起到重要作用。由于電力線固有的高噪音、多徑效應和衰落等特點,人們通常采用擴頻技術進行數(shù)據(jù)傳輸。擴頻通信雖然抗干擾能力較強,卻受到其原理的制約,傳輸速率最高只能達到1Mbps。隨著人們對通信傳輸速率的要求越來越高,一種采用正交頻分復用(OFDM)技術在低壓輸電線上高速、可靠傳輸數(shù)據(jù)的通信方式出現(xiàn)了,該技術具有抗噪
2、音、抗多徑效應和抗衰落的特性,其傳輸速率可以超過10Mbps。2低壓輸電線上的數(shù)字傳輸特性低壓輸電線信道環(huán)境十分惡劣,對數(shù)字載波通信影響嚴重的干擾源主要有:信道噪音、信道衰耗和多徑效應。噪音是低壓輸電線上最大的干擾源。其來源很多,主要是設備開關切換產(chǎn)生的脈沖干擾、發(fā)電機中電刷生成的火花、用電設備產(chǎn)生的噪音以及電力線耦合的外界電磁波等。其中,對通信影響最大的是脈沖干擾,其頻譜范圍很寬且幅度較高。載波信道的衰耗也嚴重影響了信號的傳輸。研究表明,變電站的介入是電力載波信道衰耗的主要原因1,衰耗值通常為2030dB,最高不超過55dB。由于低壓電力網(wǎng)中負載的不斷投入和切除,信道的衰耗處于動態(tài)變化中,1
3、s內(nèi)某一頻率的衰耗可達20dB2。這一現(xiàn)象在通信中稱為信道衰落,采用均衡技術可以消除信道衰落引起的誤碼,但是當傳輸速率很高時快速均衡難以實現(xiàn)。多徑效應是數(shù)字通信中特有的一種干擾,是指信號經(jīng)過不同路徑到達目的地時由于信號的延遲而相互干擾的現(xiàn)象。低壓電力網(wǎng)所連接的設備數(shù)量巨大、種類眾多,整個網(wǎng)絡的阻抗處于動態(tài)變化之中,這必然會造成許多用電設備工作在阻抗不匹配的狀態(tài)。如果某些設備阻抗不匹配,信號到達該處時必然會產(chǎn)生反射,這樣一來,有用信號就可能經(jīng)過若干條不同的路徑到達接收點。由于信號在每條路徑上經(jīng)歷的時間不同,在接收點就會發(fā)生多徑效應,延遲信號對有用信號形成干擾。當多徑信號延遲較小時,這種干擾可以忽
4、略;如果延遲較長,就會對有用信號產(chǎn)生嚴重的碼間串擾(ISI)。3OFDM的基本原理和組成結(jié)構(gòu)OFDM的思想早在70年代初期就有人提出,但是直到80年代后期隨著數(shù)字信號處理(DSP)技術的發(fā)展和人們對高速數(shù)據(jù)通信需求的增長,才逐漸為人們所重視?,F(xiàn)在它已被歐洲地面廣播標準(EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards)中DAB(數(shù)字音頻廣播)和DVBT(數(shù)字視頻廣播)所采納。31OFDM的基本原理OFDM技術把所傳的高速數(shù)據(jù)流分解成若干個子比特流,每個子比特流具有低得多的傳輸速率,并且用這些低速數(shù)據(jù)流調(diào)制若干個子載波。圖1和圖2給出了OFDM的基本原理。假設一
5、個周期內(nèi)傳送的碼元序列為(d0,d1,dN1),它們通過串并轉(zhuǎn)換器分別調(diào)制在N個子載波(f0,f1,fN1)上,這些子載波滿足正交特性,其頻譜相互重疊。所謂子載波頻譜正交是指兩個相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)的碼元傳輸速率fs,在傳統(tǒng)的頻分復用(FDMA)系統(tǒng)中,相鄰兩個子信道的中心頻點至少相差碼元傳輸速率的35倍以防止鄰道干擾,而OFDM的相鄰子載波十分接近,大大提高了譜利用率,其頻譜分布如圖3所示,它們在頻域上是相互交疊的。研究表明,只要子載波之間滿足特定的正交約束條件,采用變頻和積分的手段就可以有效地分離出各個子信道信號3。如圖1所示,在發(fā)送端的串行碼元序列(d0,d1,dN1)首先實現(xiàn)基帶調(diào)
6、制,而后進行串并轉(zhuǎn)換。經(jīng)過分路之后的N路子信道碼元的周期T從t增加到Nt,分別調(diào)制在N個子載波(f0,f1,fN1)上。f0為最低子載波頻率,相鄰子載波相差1T,所以,N個子載波可以表示為:如圖2所示,在接收端N路信號分別用各子載波混頻和積分恢復出子信號。由于子載波的正交性,混頻和積分電路可以分離出各個子信道的信號,如式(4)所示:其中,d(m)是接收機中第m路子信道的輸入信號,從式(4)可以看出它與發(fā)送端的第m路子信道相等。如果每個子信道都可以正確解調(diào)出源信號,將其合并后就能夠恢復出發(fā)送端高速串行碼元序列(d0,d1,dN1)。 32OFDM調(diào)制的具體實現(xiàn)OFDM調(diào)制的原理雖然是用N個相互正
7、交的載頻分別調(diào)制N路子信道碼元序列,但是在實際系統(tǒng)中很難采用這種方式,因為我們無法防止子信道之間嚴重的鄰道干擾。OFDM調(diào)制之所以成功應用的一個重要原因是,它可以采用數(shù)字信號處理技術來實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)過程。由上述分析可知,OFDM調(diào)制后的輸出信號為式(2)所示,該式恰好是D(t)以碼元傳輸速率fs為采樣頻率而得到的離散傅利葉反變換,即: 如果將D(k)序列經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換,變成模擬信號后發(fā)送出去,接收端再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換恢復成數(shù)字信號,通過離散傅利葉變換同樣可以實現(xiàn)OFDM的調(diào)制與解調(diào)過程。假設接收序列為R(k),經(jīng)過離散傅利葉變換可以描述成:將式(5)代入式(6)可得:R(k)d(n),即
8、接收序列被正確還原出來。實際上,系統(tǒng)常常通過DSP處理芯片采用快速傅利葉反變換(IFFT)實現(xiàn)上述過程,其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。發(fā)送部分由串并轉(zhuǎn)換器、基帶調(diào)制模塊、IFFT變換器、合路器和DA轉(zhuǎn)換器等組成。工作過程如下:發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流通過串并轉(zhuǎn)換器分解成N個低速數(shù)據(jù)塊,對每路低速數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制(可選二進制相移鍵控BPSK、正交相移鍵控QPSK、正交調(diào)幅QAM、網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM等),而后通過快速傅利葉反變換將基帶調(diào)制信號搬移到N路子載波上合路后發(fā)出。發(fā)送信號通過疊加了各種噪音和干擾的電力線信道傳遞到接收端。接收器由AD轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器、FFT變換器、解調(diào)模塊等部分組成。其工作過程為:采用
9、快速傅利葉變換恢復基帶信號,并采用相應的解調(diào)方式解調(diào)出N路低速數(shù)據(jù),最后通過并串轉(zhuǎn)換合成原始高速數(shù)據(jù)流。4電力線上OFDM抗干擾能力的分析41抗噪音性能OFDM的抗噪音性能與各子信道的調(diào)制方式有關。根據(jù)理論分析和試驗得出,系統(tǒng)若能可靠地傳輸BPSK調(diào)制信號需要信噪比為68dB,QPSK調(diào)制需要信噪比為1012dB,16PSK調(diào)制需要信噪比大于25dB。圖5說明了幾種調(diào)制方式在不同信噪比環(huán)境下誤碼率的曲線分布。為提高系統(tǒng)的抗噪音性能,OFDM系統(tǒng)一般都采用信道編碼技術,該方式又被稱為COFDM(CodedOFDM)。通過適當引進交織編碼、卷積碼、RS碼或BCH碼等糾錯編碼,系統(tǒng)可以消除脈沖干擾引
10、起的突發(fā)誤碼,大大提高傳輸?shù)目煽啃?。擴頻通信具有較強的抗干擾能力,多載波擴頻是將OFDM調(diào)制方式用于擴頻通信中。二者的結(jié)合不僅保持了擴頻系統(tǒng)原有的抗干擾性強的優(yōu)點,而且大大提高系統(tǒng)的容量和性能4。42抗多徑干擾性能多徑效應對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴展,造成接收碼元的前后重疊,即碼間串擾,嚴重影響傳輸質(zhì)量。碼間串擾與反射信號的延遲長短有關,當延遲時間相對于一個碼元寬度很短時,通常不會對信號的接收產(chǎn)生影響。所以,碼間串擾對速率高的傳輸系統(tǒng)影響嚴重,但是隨著傳輸速率的下降,多徑干擾也隨之減弱,甚至可以忽略不計。例如速率為10Mbps的BPSK信號每個碼元寬度為100ns,假設多徑干擾的延遲為1s就可
11、以干擾10個接收信號。而采用OFDM調(diào)制后碼元寬度足夠長,10Mbps的OFDM信號分成100個子載波,每個子信號的碼元寬度是10s,這樣,1s的多徑干擾就不會對有用信號產(chǎn)生碼間串擾??梢?,OFDM的頻率分集復用技術是解決多徑干擾的有效手段。43抗衰落性能由于低壓輸電線上阻抗變化幅度較大,信號傳輸時會出現(xiàn)嚴重的衰落。自適應均衡是解決信道衰落的有效手段,但是當系統(tǒng)傳輸速率很高時實現(xiàn)快速均衡其復雜性和成本都難以接受。采用OFDM調(diào)制,每個子信道的速率較低,實現(xiàn)均衡相對較為簡單。OFDM通過打開和關閉某些子信道的方式防止信道衰落。如圖6所示,系統(tǒng)在最初工作時所有子信道上都發(fā)送數(shù)據(jù),工作一段時間后如果
12、某個頻段的信號衰落嚴重,超過規(guī)定的信噪比門限,發(fā)送端會自動關閉該頻段的子載波,避免了衰落引發(fā)的誤碼。5OFDM用于電力線載波的現(xiàn)狀和未來近年來,隨著數(shù)字信號處理和大規(guī)模集成電路技術的飛速發(fā)展,OFDM調(diào)制已經(jīng)逐漸應用到無線通信、高清晰度廣播電視等領域。采用OFDM技術實現(xiàn)電力線上高速數(shù)據(jù)的傳輸是一個嶄新的課題,這方面Intellon公司率先在全球做了積極的探索。該公司經(jīng)過幾年的努力研制出了電力線高速數(shù)據(jù)的產(chǎn)品PowERPacket。該系統(tǒng)采用OFDM技術,將43 MHz209 MHz的頻帶劃分成84個子信道,每個子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO調(diào)制方式,傳輸速率不小于14Mbps。實驗結(jié)果表明,PowerPacket在有800個用電設備的環(huán)境下連續(xù)工作24小時,誤碼率小于107(參見Intellon公司技術手冊)。OFDM調(diào)制的高速率和良好的性能是通過提高系統(tǒng)復雜性為代價獲得
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