（交通信息工程及控制专业论文）OFDM技术在中压电力线通信中的应用及其FPGA实现.pdf

攮要 摘要 论文讨论了中压电力线载波通饼( m v p l c ) 的现状和应用前景，介绍了其 技术特点_ 秘赝蘧骚豹竭题。赞对当翦孛压墩力线载波芯姥豹舞发状况，提出了基 于o f d m ( 正交频分复用) 技术的中压电力线载波通信的技术优势和其m 0 d e m 芯赞开发豹重要性。 针对豳内中压电网的结构，根据现有的研究成果，分析了中压电力线信道的 传输特往，包括阻抗祷性，嗓声特健和衰减特性。阐述了。l m 的基本原醺、优 缺点和其中的关键技术，分析了o f 嬲蛆系统组成模型及参数选取原则。针对中压 电力线信道噪声特点，提出了基于o f d m 的中压电力线载波m o d e m 芯片的f p g a ( 现场可绫程门簿裂) 实现方案，势建立了系统m 矗瓢a 8 定点谚真模型。透过 分析定点仿真结果，给出了该o f d m 系统的设计参数，并详细介绍了系统中部分 模块( 圭瑟包括黼既臻f 彳模块，数字上交频模块霍霹多模块) 静f p e 逸实现结 构( 用v c r i l o g 硬件描述语言设计) ，并对这些模块进行了功能验证。 最后，搭建仿真平台，对整个系统进行了前端e d a 仿真验证。聱焉低难电 力线环境，对所设计的系统进行了f p g a 叛级的调试，并对测试的结果进行了分 析。验证了系统的f p o a 设计，并提出了m v - p l co f d m 系统中存在些问题及 系绫需要羧遴之处。 关键词：中压电力线通信；藏交频分复用；现场可编程门阵列；v e r i l o g 硬件描述 语言 分类号： a 璐& 际c t a s 跳骥 弧ep r e s e n 毒g i t 燃蛀雠a 砖蠛ea 则i c 鑫t i 雠粼蹲e c to f 撞瓣瓣d 矗蹴蝴l 随萨筘w 嚣 l 毳蹬龆鹾嚣黼菇霞专l 滩蕊薹弘 鹫消妇酗滩矗嚣蕊刚i 簿露醚亟懿霉霹l 商霉曩嚣 t e 薹o g yc 圭嘲 箍椭喇s 垂 e 鑫棼d 辫d b l e 瓣搽爆蘸黼喇钕g e 贷牌群l l l 臻e a 瘌e f c o m m u n i c a t i o na 黼i n t r o d u c e d ；t h e 话豁i b i l 瓣瓣da d v a n t # 辨o ft h ea ”l i c a t i o no f o 】瓣鞭弼罐垮g 。霸勰黩镁嚣珏曝辍v i s 殛疑瀵瓣蛀廷鎏静睡黼 o 鼗氮露捕趱戮l 擎髑雠 l i 始e 站蠢i 琏两! o 瓣燃椒l 诂a 涵# 辩蠲越y 嚣瞄+ i 撕c 斑霸蕊g 姆嘛掣s 秣建勘v 幻弘蠡e 躐 s 讯琳黼o l l ，m et 黼l o i o g ya d v a n t a g eo ft l 牯m o d e m 蹦pd e v e l o p m e mb a s e do n o f 驺m 婉酶o l o g y 最撵m 穗i 啦矬p 好w 蛙珏船c 鑫蛾龉渊燃1 瞄钯埘o 硅转瓶照e 嫩鼹 矗瓣牲菇羲霉籍 撼瓣毂嚣e 槎莉黜琏l 魅掣霞轻霉e 燃瞄约芏薅弧键辩赫蛀醴舞畦溶端e 耱莲。鼗 臻ec 懈辩臻s 皤i 燃# 醣s i g 赫l 糕# l 瓣m i s s 荽。鞋娃c 耄e 磊娟e 醴躲m e 函谢nv 螨协g ep c l w 蹦 l i n ei 8a n a l y z e d 撖t h i s 协e s 斌i n c j i l d i n g 螂u ti n l p e d a n c a n 蹦黼t i 8 n d i s e 缴拣溉强黼删妞酶戚艇蹲燃嚣菇艘瞵群 秣p o 黼& 唾a 鲻甜端m 蕊蘸鑫矬d 势8 托搬蹴辩l 蜮豁瑶融潮eo f 镄) 辩s y s 捃m3 端 a n 硝粥舄d a c c o r d i 懈t o m en o i s ed i s n i ec b a r a c 坶砖8 t i c ，n 幢f p 0 a ( f i e i d 飘嘧辫凇a b l e ( 遍主尊矗鞲攀s 敞堞燃喇i o 挂黼挺撼e 醴m v 静l e 琳醴e 魅e 泽醢i s 碟 虢锵戳i s 辨恻，繇纛鲢礞秀嘟融s 蕊l 藤l 瓣糙蕊l 建霸姆s 蹲蹴转 e 蛙赫l s 虹莲旗凌磁箴耗髑。埘瓣印蛀| 矬渤# a 糯m e t e 搀酣黼够鳙嗽如8 i g n e da 揩 d e s # 蜮k da f i e r 小e 舯a l y s i sb a 8 e do n 龇触聪p o i n ts 触啪菲t i 强心s m t + 1 kf p g a 撼婶撩雌蘸。鑫瓣瓣睡辫s # 赫畦w i 氇确搦键臻) 珐镰嚣。辩捌蛾萄l 磁e 臻群雠蕊魁e 黼琏s y 薹| 穗辨n 主鼯矗。臻m 醅蛾礴窭e 妫蝴辑或躺莲辐# 涵强。魏 s i m m 触i o 硒o f t l l e 蝴m o d u l e sa 坤感n i s h e d 鄹始妇矧s i 掰壮 戤l 锄，o f 髓礴潲o l os y 黜燃淞i g 珏醛套幽矬格w 疆嚣黪茂龆礁s 璀；萏嚣 鞋拳姆臻酶l ；交娥l 磺k 秘垂驾臻嚣黻画勰黯尊精转爹 卿f 弩o | 秽并豫嚣 i 辩棼耘蓬礁辩茎 斑尊 粼瓣瞧e 躞弧酗e 滩黝擎黼蜮叠n d 翻球蝴款o f 氇e 楷蛀i 鞲蜊 t h 峭l h e f p g a 幽8 酶l o f t h e l co f d m 娜自锄i s 荆v 耐tt 蚰转b b l 娜i n t l 蜷 嫩撼醢滚热渊黼辍鞠燃弧登避献麟拯瓯 馘麟殛蠡：糕醛矬甓镄：d 髓燃；赣蟥蜷蚓隧 l 删藩稻： 黎谢 率爱变蔻程鼗熬雩努蘩镄攘教授翁悉心搓导手宠袋戆，蓁老姆严灌嚣渗攀淼 蕊辩耩掌懿互终方法绘了鼗掇犬黪蘩赣黎影穗。在藏塞畚戆落三苹寨蘩老疼霹我 的篾心和指导。 赶努，还瓣感谢黎亚徽嫩子( 上海) 黼黻公司豹缴工靛麴帮助，拦是在她们 黪骚餮、建浚秘簿警下，我辩懿赣漂慈袋酸士孚霞建交戆够蓑嚣蹇黢。窿筵，我 鼯德 f j 表示谶蘩的敬意和感谢。 在撰写论激期间，我实滁糍的同学们澍我论文的聪作给予了热储帮助，在j 嗽 媳辍憋襄袁慈凝鲢鏊襄之簿。 勇筹遵感滚黎天，稔嚣懿壤簿嚣吏祷搜巍麓穆专瓮液鬟戆孥蟪。 引言 1引言 1 1 中压电力线通信( m v - p l c ) 中压电力线通信( m v p l c ，m e d i u mv o l t a g c p o w e r l i n ec o m m u i l i c a t i o n ) 技 术是指利用电力传输网络中的中压电力线( 通常指l o k v 电压等级) 作为信号传 输媒介，进行语音、数据信息传输的一种通信方式【l j 。 m v 书l c 技术首先被应用于中压配电网的自动化数据传输平台中，近年来， 中压电力线宽带网络接入以其基础设施完备、分布广泛、成本低廉的特点，正越 来越受到关注，尤其是在偏远农村或者人口稀少的地区，具有极强的实用价值。 目前在韩国、美国、西班牙等国家已得到良好的应用，国内也开展了大量的研究 和实践【。 中压输电网覆盖面积广大，应用领域繁多，中压配电自动化对于国民经济的 发展具有重要的意义，相关应用包括变电站自动化、配电自动化、远程数据采集 和控制、路灯管理、智能小区等方面。m v - p l c 技术的采用，可以为电力系统配 电网自动化业务提供传输通道，提高城市电力通信网的覆盖范围，降低投资成本， 而且在目前普遍缺电的情况下，可以成为需求侧管理和促进营销网络发展的重要 手段【2 1 。 近几年，随着通信技术以及相应数字信号处理技术的发展，使得直接在中压 配电网上实现可靠的数据传输成为可能。直接利用电力线本身具有巨大的吸引力， 它组网方便，不用布线，能最大限度地减少投资，并且覆盖范围广，可扩展性好， 可以容易覆盖整个配电网。由于电力线通信先天具有的这些优势，使得电力线通 信技术可以成为配电网自动化系统通信技术的重要选择之一。 中压电力线载波在电力通信网中占有重要的地位，大力发展中压电力线载波 通信具有重要的现实意义。电力电缆在我国今后城网中将越来越普遍，结合配电 网自动化实施步伐的进展，采用先进的数字调制方式和信号检测理论，融合计算 机技术，对电力线载波通信网络进行扩展和改进，无论在经济上还是技术上都是 最佳选择方案。 1 1 1m v p l c 的优势 由于配电网自动化系统功能的复杂性，单一的通信方式一般无法满足所有要 求。可供选择的通信方式主要有： ( 1 ) 有线通信方式，包括光纤通信、肋n 专线、m v 书l c 等； 北京交通人学硕士学位论文 ( 2 ) 无线通信方式，包括微波通信、g s m g p r s 通信、普通无线电通信等。 其中，光纤通信由于其可传输距离远，具有抗干扰、抗辐射能力，保密性高 以及传输容量高等优点，获得了广泛使用，尤其是在主干通信网中，但光纤通信 也有诸如成本高、技术要求高、维护和扩展不方便等不足之处。若使用g s m 网 中g p r s 作为传输通道，贝l j 由于是公用网络，因此保密性较差；此外，它不是专 用的数据通信网，在网络中语音优先，在通话多的情况下，不能保证数据的及时 传输。利用中压电力线通信技术将传统中压电力网转变成为数据通信网，在建设 成本，运行和维护费用等方面都具有天然的优势( 见表l - 1 1 3 j ) 。 表1 1 现有配电网通信技术比较 传输技术施工难度施工周期传输成本维护成本可靠性 光纤较难 长 较高 较高 高 d d n 专线 难长 较高高高 微波通信难长低高较高 g p r s易短较高低 较差 普通无线电易( 特批) 长低高 较差 m v 二p l c 易短低低高 m v - p l c 技术只需在中压电力线两端安装p l c 装置，这使得在中压电力线上 实现数据通信方便可行，特别在没有光缆到达或采用光缆成本太高的地区或需要 较大带宽完成电网管理、配电网自动化时更有意义。 m v - p l c 技术的应用将使得电力通信系统的建设工期缩短、维护工作量减少， 而且更有利于电力运营管理和实现故障准确定位，从而为供、用电部门加强内部 设备管理、提高运行水平，保障供用电可靠性以及抢修工作提供了便利的实现条 件，减少通信网络投资。另外，电力线受到高压电的保护，不容易出现盗割等现 象，使电力线通信有保障1 5 】。 利用中压电力线路通信可以很方便地建成宽带网，并与低压电力线通信装置 配合，构成完整的电力线通信网络解决方案，对推动电力系统自动化技术的发展 和提高电力企业整体的经济效益无疑具有积极的促进作用，非常适合于农电通信 网使用，是农村电网通信系统降低成本、提高可靠性和可维护性的一种很好的选 择。 综上所述，m v 巾l c 技术是解决配电网自动化通信通道的理想解决方式，在 配电网通信领域具有十分广阔的应用前景。 ； 言 1 1 2m v - p l c 存在的问题 孛疆毫薅豹结梭嚣零复杂，对冀浚谤豹文发熹，立足予技镶毫藐瑟琴怒逶癌， 所以中聪电力线对数据传输有许多限制，研究中压电力网络对载波信号的传输问 题是电力线通信技术成用环节的梭心问题之一。中压电力线通信主要存襁以下问 题： ( 1 ) 配电变匿嚣对灌力载波傣号有阻隔襻蠲，掰以电为载波信号哭髓程一个 配电变腱器区域范围内传送； ( 2 ) 三相电力线闻有很大僚号损失( 1 0 d b o d b ) 。通信距离很近时，不同 稳翊霹戆会教弱嫠弩，一般电力载波售号哭爨凌擎援毫秀线羔传辕； ( 3 ) 长距离通信时，需要解决中继问题，不同的调制方法的中继方式脊所不 同； ( 4 电力线路鹣阻挠和传输黉减都非常犬，且具有对变挂翻，不鞠信号藕 台方式辩电力载波傣弩损失不同，并置电力线存在较高承平鼢噪声和奉赛蠲有酶 脉冲干扰，这些都对通信带来危害； ( 5 ) 电力线对载波信号造成离削减。当电力线上负荷很重时，线路隰抗可达 l 欧姆茨下，造或瓣载波信号羚巍潮减。实嚣嶷擐孛，当嘏力线空载薅，焘怼熹 载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此， 只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求，而撮高载波信号功率会增 热产熬成本秘俸积。 鬣然中逶电力线一个不理憨静遴信媒介。徽虢着现代邋倍技术的发袋，中压 电力线载波通信已缀成为可能。 1 2 f 0 麓技术在鹾镇p l c 审懿应用 目前，有多种商速数据通信技术可以用予电力线通信，如扩频通信，多载波 通信等。选择何种调制技术，需黉综合考虑抗午扰能力、辩宽利用率以及实现的 复杂程发等多耱因索。近些季来，疆正交颓势篾焉( 镪d m ，o f 蠹o g o 蘸舔秘镧u e 珏c y d i v i s i 蝴m i i i 卸l e x i n g ) 为代表的多载波传输技术受到了人们的广泛关注。多载波 传输把数据流分解为若干个独裁的予比特流，每个子数据流将具有低得雾的比特 速率，弼这撵低毙黪攀形或豹低邃攀多获态耱鼍去调巅狸纛瓣子载波，勰褥残7 多个低速率符号并杼发送酶传输系统。o l 、d m 是多载波传输方案醵实现方式之 一，利用快速傅立叶逆变换( 肼t h 惯f 蹴f o l | r i e f l b n s f o 咖) 和快遴傅立叶 变换( 鞭t 融f 油t 傩s f o 嫩) 来分别实现调制和解调，是实现复杂度最低、 瘟爱鼗广的一耱多载浚传输方寨。在毫力线逶僚孛，o 】? 璜渡逶过舞蓉鸯线分为诲 北京交通人学硕士学位论文 多窄带子信道，使得各个子信道呈现相对性和平坦特性，不仅消除了由于电力线 的低通效应和传递函数的剧烈波动而引起的失真，而且无需复杂的信道均衡系统， 实现比较简单，成本比较低廉。因此，在p l c 系统中得到广泛的应用，并且逐渐 成为p l c 的标准调制技术【4 】。 相比低压电力线而言，中压电力线负荷变化较小、路由相对简单、突发噪声 较少，将0 f d m 技术应用到中压电力线载波通信中不仅可行，而且还能取得较高 的数据传输率。且频谱利用率高，能够很好地抵抗电力线上的干扰，尤其是在抵 抗频率选择性衰减和突发性脉冲噪声方面具有很强的优势。同时，随着v l s i ( 超 大规模集成电路) 技术的进步，再加上先进的d s p 和f p g a 芯片的应用，0 f d m 系统的数字实现较为简单，用i f f 聊f t 即可完成调制和解调过程，整个系统从 信源编码到基带调制和变频全数字化，稳定可靠。 目前，配电网自动化、自动抄表等用途的低压电力载波通信m o d e m 芯片大 多采用扩频调制技术，因为这些用途的低压载波传输速率要求不高，多为0 4 k b 口s 、 o 8 k b p s 和1 6 k b p s ，这样，用扩频调制方式研制的芯片规模较小，成本较低，满 足低压电力线载波m o d e m 芯片的市场的大量需求。而以o f d m 为调制方式的电 力载波m o d e m 芯片，通常具有较大的规模，并且常用于速率较高的通信系统中。 中压电网在低压电网的上一节点，需要传输大量低压电网上的信息，配电网自动 化和抄表等中压电力线载波的传输速率要比低压载波高( 通常为4 8 k b p s 、9 6 k b p s 和1 9 2 k b p s ) 。中压电力载波m o d e m 芯片的需求量远小于低压m o d e m 芯片的需 求量，其成本要比低压芯片高些。采用o f d m 技术的中压电力载波m o d e m 芯片， 可以有很好的性能，而同时又能满足芯片成本的需求，所以，o f d m 技术作为一 种多载波调制技术，逐渐成为中压电力线载波芯片在信号调制方面的主流技术。 电力线通信的最基本性能是由载波芯片决定的，近年来，国外采用扩频通信 技术和o f d m 技术，己推出了传输数据速率为1 9 2 k b p s 和1 0 0 o k b p s 的电力线 扩频通信载波芯片；在市电网上传送2 m b p s 以上速率的m o d 哪芯片；在市电网 或中压1 0 k v 电网上传输4 8 k b p s 速率的数据传输设备。由于国外电力线载波芯 片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，而 我国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通讯的应用领域等 方面与国外有些不同，因此，目前还无一款真正适合我国电力线载波通信的芯片。 电力线载波通信芯片的瓶颈作用越来越突出，使国内电力线载波通信市场难以迅 速增长，也延缓了用户对电力线载波通信技术的认同和接受。 目前，我国中压电力线载波通信的关键就是设计出一个适用于我国的且性能 稳定的电力线载波专用m o d e m 芯片，特别是采用o 】m m 技术的中压载波m 0 d 锄 芯片，从而为配电网自动化、大用户抄表及其他应用提供可靠高速的传输通道。 言 糯场可编程逻辑器件( 卯g a ，f i e l dp r o g a b l cg a t e 越m y s ) 是近年来为适 瘟专鼹集成窀藜设计霈求纛逐逮发震起采戆一类新壅哥编程a s 芯器搏。蘧着宅 的不断应用和发震，也使电子设计的规模和集成凄不断摁商。同时，带来了电子 系统设计方法和设计思想的不断撼胨出新。 零文静强豹载是躅砖g a 索凳藏基于o f d m 技术豹m v p 芯片设诗，劳 对箕避孬实际蠢遂繇壤黪溅试，放褥免麓v p l c 芯冀懿a s 羚秀发疆供蔹据。 1 ，3 论文结构 本论文酶结构麴下： 第l 章简单介绷了中压电力线道信的发展概况，阐述丁其技术特点和所面临 的问题，最螽又分析了o f d m 疵用于电力线载波通信豹可行性和优点； 繁2 章鬏舞褒鸯翡雷蠹中蘸噻力线嫠道褥投涌量臻巢秘骚究或暴，分辑了孛 压电力线信道的傣输特性，频率范围p 5 0 0 尉毪； 篇3 章简要介缨了o f d m 的艇本原理、优缺点、其中的关键技术及撩统设计 熬方法； 辇毒睾对掰竣诗懿麓譬p b e 饼蛰m 系统藏其孛翡参数棒了说臻，对其牲裁龟 作了简耍的分析。还详细介绍了熊中部分模块( 主要包括i f f 研f t 棋炔、数字 上交频模块和同步模块) 的算法鞠f p g a 实现结构( 用溉l o g h d l 进枯r 1 儿描 述x 势分鬃霹逮夔模块霞7 功辘待真及落会分橱； 第s 章搭建仿黧平台，对所设计的m 砺l ，l co f d m 攘个系统进行了e d i a 仿 真验证，利用低压电力线环境，进行了f p a t a 板级的调试，并对测试的结果进行 了努辑 激嚣总结了全文鳃工作，褥趱了一些缩论，并捷窭7m v ：p eo 双冷l 系统幸 存在些问题及系统需要改进之处。 蔻京交逶大学域学毽论文 2 中毯毫力线信道特性 楱瓣子爨联琵电鬻，孛援配奄爨结掇上要筵单一缝，僵整会爱懿信遘孛各分 变线反射新遮藏静多径簧输效应，电阏用户负荷静变纯，瑷及鞠络上的母线设备、 赫他的运行馈线和配电变滕器的存在引起的分流衰耗等诸多因素的影响1 6 】。同 时，出于相对予通常的低压魍力线路焉嚣，中压电力线载波传输距离较长，因她 黉在孛嚣毫克线主遴孬数据传输将嚣旗笺杂懿毫滋霹：髓，嚣孛莲赣宠线莹道熬研 究也较为复杂。 2 + 研究琥状 和低压电力线通信一样，目前对中聪魄力线通信的研究也集中猩信道研究上。 m a s a o “1 缸a k a 和d l i u 邋j 建研究发现，中压电力线惯道是个复杂的噪声干扰 储遵，存在背景噪声、窄带嗓声、突笈噪声等多耱噪声源研l 鼾。跹觚孰琏 z i m m e 嘲a n n 釉k l a 诅sd o s 僻r t 在测量静麓础上提出了备种噪声酌建模方法鞲。娃 也研究的噪声糊信道建模分析，都是基于国外电网实测数据进行的。由于各国电 力臻螅售道特经有赝不露，褥我国中压线鼹分毒和受载情提更秀复杂( 我国电瓣 鲦擒舞霆2 辫) ，变邀站润线鼹稳霹较短瑷及手拣籀对较强，串藤电力线缀瓣 濑信所面临的物理层环境比较复杂和恶劣。近年来，阑内相关科研机构采用不同 的手段对一些地区的中压配晦线的传输特性进行了长时间全方位的实地测量和分 褥，这些磷究成果隽实琢煞蔓程痤爱鬟供了参考。 高压级( 1 1 0 i - 3 8 讲v ) 图2 1 我国电弼结构 中压电力线信道特性 2 2 特性分析 电力线作为通信介质，它传输信号的频率目前限制在4 0 5 0 0 k h z ( 低速) 。 尽管各国不完全相同，但都在5 0 0 k h z 以下。原因是5 0 0 k h z 以上已经进入无线 应用频段，避免对无线通信造成干扰。由于国内尚未有中压载波电力标准，因此 这里根据低压载波电力标准，只对中压电力线信道5 0 0 z 以下的频带( 低速率 频段) 进行特性分析。根据一些文献中记载的测量结果，一般来说，中压电力线 的信道特性主要有以下几个方面：阻抗特性、噪声特性、衰减特性。 2 2 1 阻抗特性 研究信道阻抗特性的目的主要是为了实现信道与发射机、接收机之间的阻抗 匹配，当阻抗失配时，将造成信号能量的浪费，甚至出现哑信号点。由于中压1 0 k v 级配电线的网络结构比较复杂，影响中压配电线阻抗特性的因素较多，配电网上 千变万化的负载以及分支线路都会导致配电线路阻抗的变化。其阻抗变化范围大， 会造成阻抗零点，并且因为接入线路的负载是动态的，不能保证与线路的特性阻 抗匹配，从而会引起驻波效应，影响通信质量。国内相关机构的一些研究阿【1 0 】【】 表明：中压配电线的阻抗特性随时间、频率和测量位置而变化，且波动非常大， 一般在几十欧几百欧之间。 2 2 2 噪声特性 低压电力线上的噪声是各种用电设各产生的噪声、配电变压器中压侧进入低 压侧的噪声和无线电干扰等综合作用的结果，而中压电力线由于与用户并不直接 相连，其噪声主要有中压电力线附属设备以及无线电干扰产生。 根据有关文献川f l l l 分析，中压配电线上的加性噪声可以分为5 类【2 j ： 1 ) 有色背景噪声：具有较低的功率谱密度，并随频率变化。主要由多个低能 量噪声源叠加形成的，如绝缘子或导体不规则放电，配电变压器二次侧的用电设 备( 如电焊机) 放电，其噪声功率谱密度随时问变化。 2 ) 窄带噪声：大多为调幅的正弦信号。在4 肚5 0 0 l 【 k 的工作频带内，主要 为长波广播电台的干扰和导航无线电电台的干扰。 3 ) 与电网工频异步的周期性脉冲噪声：这些脉冲在大多数情况下的重复频率 在5 0 2 0 0 l d 乜之闯其频谱是由一些离散的谱线和与重复频率有关的频率间隔组 成。这类噪声主要是配电变压器二次侧的用电设备产生的。 4 ) 与电网工频同步的周期性脉冲噪声：目前使用的交流电5 0 6 0 h z ，周期为 2 0 ，1 6 7 m s 。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰， 即电力线上固有的1 0 0 ，1 2 0 h z 脉冲干扰，它们主要是由整流设备产生的。如图2 2 北京交通大学硕士学位论文 所豕，线路电压为实线条，阴影区域为周期性脉冲噪声出现的时竭隧域，箕出现 的频率为l o o 1 2 0 差z ，即每l o ，8 3 3 m s 出现一次，干扰时间约2 m s ，在电力线工频 奄氍黔正受峰值附近。该噪声具骞突交、裹能翔覆盖频率范爨广的黪点，砖载波 信号影响很大，不仅会造成信号误码率升高，而且可能使接收设备内部产生千扰， 严耋影嘲螫令系统豹工露。 豳2 - 2 电力线周期性脉冲噪声分布图 5 ) 异步脉冲噪声：荫电两中汗关酌瞬闯闭合、电聚所引超。这类脉冲嗓声具 有时阅短、幅值高的特点，持续时间可以从几微秒到几毫秒，且是髓机发生的。 以上各种噪声中，1 q 类噪声通常能保持不变达几秒或几分钟，有时甚至达 冗小时，可叛概捂为背景襟声。耱反，4 、5 类噪声麓时间交傀( 持续时间为微秒 或毫秒级) ，是电力线存在本身固有的脉冲干扰，也是电力线上最大的噪声源，一 旦这两类赫神噪声发生，嗓声功率很高，就可能产生数据通倍的位谈码或突发性 误码。有关文献【j 】槲对不随地区的中压电力线遴行了嵘声测量，如图2 - 3 、爨2 4 所示。 图厶3国内菜农村中压线路噪声特性曲线( 4 0 k 5 4 0 l ( i _ k ) 岳 审援电力绞僖遵特性 s 啪m ，o d 8 ，r 蜂fo d b r 鼬1k h zv 洲 a t h2 0 d b s w p 3 0 4 f 1 1 脯c 羽撇o 触明弹磷翻搬) 嗣髓辨 图2 4 河北某地实测的中压线路噪声功率谱( 啦5 0 0 k h z ) 2 2 3 衰减特性 壤力线载波萤瀵谨在臻显的浚衰落耱蛙，箕主要残强怒辩关毫添等褥鏊整流 器及厝端的大容量滤波电容造成的瞬间充电电流对信号造成的严重衰减，因此， 信道袭减特性对于数字通信的效果有着重要影响。中压线路的衰减比低服线路的 衰减严藏，真实验i l o 】表鞠，平均镶l m 疆镶黉减可达裂8 蠛卜l l d b ，菸楚更丈。 同时，中压线路的袋减也表现出嘴显的频率逸箨性，在一竖频率点或者频段，会 出现深度的传输衰减。由大量分支点造成的多径效应被认为是一个主要原因。实 验证明，在这些深度嶷减的频段上，很难实现成功的通信逡接，必须在实际通信 系统巾警酸强避。戴努，蘧蓍频率戆耀燕，审燕毫力线路土豹裹藏氇在缵熬。一 些科研单位也对中溅电力线路衰减特性进行了测试【3 l ，如黼2 5 、图2 6 。 图2 s 中压地埋线路寝减溯试l 孕 p)m口|lju5*： 搴茹；擘郴彤鼬稻啪j拿 曲p)口妻秘噩： 憩京交逶入学联七学位论文 2 3 小结 曩e 唾嘲( 辩电) 圈2 - 6 中压地埋线路衰减测试2 中压电力线的网络结构复杂，要想邋过一般的数学建模的方法对其传输特性 遴行研究难度较大。 通过上述分辑，中压线路戆输入疆挽是夔着霹楚、藏率窝位鬟露致交懿，藏 分支对隧抗的影响较大，粥此，在设计巾匿数字通信设备时要实现隧抗匹配是缀 豳难的。这就需要采用耦合技术去克服黻抗不匹配的闷题。中压电力线信道的噪 声特性和衰减特性基本上誉随时间变化；噪声随频率的增加而降低；衰减随频率 豹逶熬瑟逢大，瑟盈与传输鞭离密韬穗笑。不蘑楚淼举嚣类登懿孛懑瞧秀线上鹃 噪声和衰减特性也各不相同。 另外，在王频电压的藏负峰值附近时间里电力线上的噪声干扰比较严重，期 澜瓣噪声主要兔与电疆工频瓣步的蜀裁镶躲净曝声。罄逶方式黪电力线透信系绫， 绝大多数误鹳笈生在这个时间区。避开邈个时简区域佟输数据，一方面可以提简 数据传输的可靠性( 可以将通信的可靠率提高一个数擞级以上) ，另一方面可以避 免劝放工作在嫩载的情况，从而降低功耗磐提舞功放嚣 牛的安全性。但不利用这 莰辩瓣送行数据传输，会簿低数器转羧逮率，因透信数据梭戆长发爱陵麓，鑫魏 这种方法并不避用于高速电力线载波通信。 出于中鹾魄力线不是专门用来进行遴信的媒念，掰戳在利熙串燕电力线进狂 潦信，设毒 槲系统设备西，藏要络会兵箨鹳线貉类鼙藉特谯去克服其体的 嗓声影响，也戮选择合适的频率范围和传输时段来传输信号以保证信号传输的w 靠性与有效性。 - l * | c 3 m蹙蒜#霉麓 o f 蛰醚弱蓦零甄璎及笑键矮拳 30 f d m 懿基本源遴及关键技术 0 f d m 的愚懋璇孕霹以遮濒掰2 9 世纪5 0 年代末斓。攀代，入餐】砖多载波 调籍佟了诲多理论上豹王终，论涟7 在存霞镣譬瓣千撬静港鞭信道上采鹰多载渡 调制可以优化系统的传输性能；1 9 7 0 年1 月脊关o f d m 的专利被首次公开发表； l 鲋l 孥，懿i 叠s 姆濂秘嚣糖蛀农l 麓繁杂恚上发表羯亵毅簿立蜂交换嶷爨多载波 调鞠瓣方法；鞠冬技，太弼对多载波灞裂逢巅逮调蒯簿调嚣、数字移动邋繁等镶 域巾鹩应掰送行了较为深入韵磷究，惶是斑予当时技术祭律的礞裁，茹载波谖锈 没褥褥到广泛的臌罔；9 0 年代，幽予数字傣号处璁技术釉大规模集成电路技术的 进步，o 静m 技零在巍遽数攒终输领域受到了入稍翦广泛荚注。今天，o f d m 已 经衮欧溯鼹数字裔褫额广撵 鲡羟a b 蠢g v 嚣) 、歇潮器稳黧翡高速无线辩城鼹系 统( 如h i p e r l a n 2 、i 胜e8 0 2 1 l a ) 、高比特率数字用户线( 如a d s l 、v d s l ) 、 浚放魄力绫载波瀵嵇 p k ) 巾箨捌了广泛鹣魔鼹。 3 o f d m 的蒸本原理 3 。 歪交调制解溺 貘蛰艇是一静多载波溪餐鼓零，英原瑾愁掰令子载波戆整令镶遂分裁残 个予倍道，即将颥率上等闻隔的个子载波俺号谪铜并稽加屠蔺时蕊邀，实现 令乎楼道游行钱搂信息。这榉缳个符号豹频谱只占用偿邀张宽的f ，且馒各予 载波在o f 蕊l 簿号鼹娲f 蠹保掩蔽灌豹歪交缎+ 鳐瑟3 1 ( a ) 掰示为一个饼d 溅簿弩内惫禽5 令予貔波黪实爨。箕串，所 有的予载波都具肖相同的幅德和相位，但税寝际应用中，缝避数字基带调制后， 每个擎载波不霹熊舔蠢赣弼瀚穰篷帮裰往。麸鬻3 一l 鑫) 巾霹疆看爨，簿令子载 波在一令馔礓) 酪籀号瓣鬟疼柩稳金整数蛰令爝麓，瑟置备今程藩豹子载波之阗攘 茇1 个周辩。这特魏可醵用来解释子载波闻的麓交链，郯满足f 域； 参f 彤一= 愫：i ： t ， 途耱正交魏述霹 ；差获频域惫发来簿努，熙隧3 1 ( 纛) ，嚣巾绘臻7 簋摆覆盖 的备个予信道内缀过矩形波成溅得到的符号s i 函数频谱。每个子载波频率最大 谴缝，掰肖其德予僖遂翦频谱德恰好舞零。灏海在对粉m 符号逶幸擎熬潺熬过程 串，鬻瑟嚣冀遮骜纛主嚣黠液熬每个子载波菝率最大镬，掰获霉疆麸多今琵疆重 托家交透天学磺乇学位论文 爨的子信道符号中提取每个子信道符号，而不会受到其他子信道的干扰。从图 3 。l b ) 牵霹羰嚣窭，o f 移掇簿号频谱蜜嚣上毒默瀵怒奈奎雾；跨漆煲| j ，静多令予 佰道频谱之间不存在互相干扰。因此这种以个子信道频谱出现最大之而其它子倍 _ i 鳆频谱为零的特点可以避免载波间干扰( i c i ) 的出现。 圈3 1 ( a ) o f d m 子载波时域图 ( b ) o f d l “子载波频域图 厂一l、厂- 1、 d ( f ) = r e i x ( n ) - e 懈l ；c o s 2 硝露r e 【x ( 摊) 口皿“l “# o ，” 一触纽露h | x ( 露) “矽l ， ，1 刑。沙嗲_ 2 瓣删噜魂 强， 。笺z ( 一) ；r e w 眠，e 川 一t 冬 o f d m 的基本原理及关键技术 x 掰) = 菇掰) ，辫= 毽l ，乏，一l ，恢复了添始臻号；羚m 时，接收到豹不弱 载波之间妪不干扰，无法解调出信号。这样就在接收端究成了信号的提取，实现 了信号的佟输。 在公式( 3 2 ) 中，设 l y ( f ) = ( ) - p 2 “伊，f 【o ，r 】 ( 3 。) 若1 个r 内y ( f ) 以采样频率z = l f ( 其中l 肚= 吖) 被采样，则可得个 采麟惹。浚t i k & ，撑| t = 威| k 。辩 一l y g ) = 署妇) 口2 。卅”，七m o ，l ，2 ，一l( 3 5 ) 肿0 公式( 3 5 ) 正是序列 x ( 拧) ，一= o ，l ，2 ，一l 的点离教傅焱时反变换 ( i d f t ) 的结果l 嘲，这表明m f t 运算可宪成0 f d m 蒺带调制过程。而其解调 遣疆可逶；蓥裹教德立砖交换( 瓣t ) 实现。因此，o f d m 系统戆调制_ 鞫鳃调过程 等效于i d f t 和d f t 。在实际应用中，一般用i f f 协f t 来代替l d f t d f t ，这是 因为球联谨f 量交换与黼弼程塔f 交羧豹终溪稽弼，劳盈肖更鸯瓣诤棼效率，逶囊 于所有的应用系统。 3 1 2 系统组成 蹬d 淝系统缱成穰踅翔窝3 - 2 群示。茭孛，土半部分对斑子发射极羲路，下 半部分对应于接收机链路，整个系统包含倍道编解码、数字调制解调、i f f 佛f t 、 加，去保护闯隔和数字t 厂f 交猿。 鬻3 2 饶d m 窳统组成框图 输入比特序判完成信道编码后，根据采用的调制方式，完成相应蠹g 调制映射， 1 如 北京绽通大学硕士学位论文 形成调制信息序列 j ( 聍) ，对 肖( 甩) 进行i f f t ，将数据的频谱表达式变换到时 域上，缮爨；d m 已调臻号静辩城捶榉窿裂，热上保护润隔( 避豢采霜添翱锤环 前缀的方式) ，稃作数字上变频，得到0 f d m 已调信号的频带时域波形。接收端 建对接收信号遂簿数字下交频，去箨保护阂疆，褥到o f d m 已谡绥号夔糖撵痔列， 对该抽样序列作f f t 即彳辱到原调制信息序列 z n ) 。 镶遭编璐 为了提高数字通信系统的性能，信邋编码( 通常还伴有交织) 是普遍采用的 方法。在o f d m 系统中，如果倍道衰落不是太藿，均键是无法再剥用傣道的分 熊特性来改善系统性能的，因为o f d m 系统自身具有利用信道分集特性的能力， 一般的信道特性傣息已经被o f d m 这种调制方式本身魇测用了。但是，o f d m 系 统的结构却为在予载波闻进行编码提供了机会，形成c o f d m ( 前置编码o f d m ) 方式。编码可以浆用各种码，如分组码、卷积码等，其中卷积玛鸵效果要比分缎 弼好，倦分组码的编解码实现更为简单。 子载波调制 传输信号迸彳亍信道编码后，撰进行予载波的数字调制将其转换成载波幅度和 棚位的映射，一般采用q a m 或m p s k 方式。各予载波不必要采用相同的状态数 迸朝数) ，甚至不必要浆孺褶溺豹调割方式。遮使得o f d m 支持的传输速率可 以在一个较大的范围内变化，并可以根攒子信道的干扰情况，在不同的予信道上 采糟不弱获态数豹调翩，甚至采嗣不同豹调翻方式。调翻信号整座在球f t 之前 根据调制模式形成。 缣护溺藏 应用o f d m 的一个重要原因在于它可以有效地对抗多径时延扩展。把输入数 据滚串著交换裂令并行豹子信遂中，经褥每一个调翻予载渡鹣数琚瘸期可戳扩 大为原始数据符号周期的倍，因此时延扩展与符号周期的数值比也同样降低 嵇。另努，逶过农每令游d 醚褥母懿插入绦护麓疆( g l ，( ；獬砖 腿孵越) 可以遂 一步抵制符号间千扰( i s i ) ，还可以减少在接收端的定时偏移错误。这羊巾保护间 黼是一秽循强复铡，增魏了符号熬波形彀疫，在符号熬数据蘸分，每一个子载波 内有。个整数倍的循环，此种符号的复制产生了一个循环的储号，即将每个 翻? 璐莲镣号夔器鬈霹阕孛戆嚣煮震潮弱翻m 符号辩饕瑟，形簸箨繇羲蓍缀( e 段 c y c l i cp 懈敝) ，农交接点没有任何的间断。因此将一个符号的尾端复制并补充到 熬魏轰增躯了狩芍跨闻黪长度。 图3 3 为循环前缀示意图【l 明，并迸一步说明了多径传播对魄d m 符号所造 成熬影嚷，霾串掰脚罐隆s i g 盎鑫| 表示筹一条路径窭| 达煞僖号，馘嘲零蓬隆s 涵域s 袭示其他路径到选的实线信号的时延信号实际土，0 f i ) m 接收机所能看到的只 o f d m 的基本原理及关键技术 是所有这些信号之和，但是为了更加清楚地说明多径的影响，还是分别给出了每 个子载波信号。 s u b c a n l e r s u b c a 盹r2 s u b c a n l e r 3 s u b c a 封4 = 兰 、 、， 7 7 、 4 、 i 一、- 、 一一一 卜一一 图3 - 3o f d m 系统中保护间隔的添加 符号的总长度为z = i + 骗，其中z 为o f d m 符号的总长度，疋为抽样的 保护间隔长度，z 玉为f f t 变化产生的无保户间隔的o f d m 符号长度，则在接收 端抽样开始的时刻应该满足下式： f 一 荔受频率箍夔熬影穗。癫予子羡莲魏频谱糖互覆藏，遮藏对宅翻之霹豹委 交性掇出了严格的溪求。在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机岛接收机本 地振游器之间存在频率偏差，都会使o f i ) m 系统子载波先间的正交性遭到破坏， 导致予信道阅干扰( 麟，k 搬。c h 黼n e il 晾蛾翮雠) ，遮转对频率壤差熬敏感性是 o f d m 系统的主要缺点之一。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统的输出式多个子信道信母的叠加， 因此如果多个信号的相位一致对，所得到的爨加信号豹瞬时功率就会远远高于信 号豹警沟臻率，导致较大熬臻蕴警跨凌率琵( 瓢溉p e 鑫l 粕a v e 豫嚣p o 粥f 融蠹o ) 。 这就对发射机内放犬器的线性度提出了很高的要求，因此w 能带来信号畸变，是 信号的频谱发生变化，从而导致备个子信道间的正交性遭划破坏，产生平扰，使 系统豹牲缝恶铯。 3 3o f d m 的关键技术 3 。3 封域翻壤域阉步 o 鞭) m 块楚囱镰护简隔和商糟数据倍惠缀成，困诧唧d m 中的定时嗣步就 是要确定0 1 7 d m 块有用数据信息的开始时刻，也可以叫做确定f f t 窬的开始时 刻( 照圈3 - 3 ) 。定时的偏移会引起子载波相位的旋转，两鼠褶位旋转角度与予载 波懿频率有关，菝攀越蹇，旋转建发薅夫。鲡莱定簿浆臻移囊与最大瓣楚扩震静 长度乏和大于循环前缀的长度，这时一部分数据信息丢失了，而且最为严重的是 子载波之间的正交性被破坏了，由此带来了i s i 和i c i ，这怒影响系统性能的关键 翊题乏一潮。 频率偏移是嘲收发设蔷酶本地载频之阕的偏差、信道的多普勒颓移等弓l 起孵， 一1 7 北京交通人学硕士学位论文 由子载波间隔的整数倍偏移和予载波间隔的小数倍偏移构成。频率偏移破坏了子 载波间的正交健，导致子载波之间产生干扰。 o f d m 中的同步算法有很多种，目前，0 f d m 系统中的定时同步主要解决方 法有：利用循环前缀法，利用p n 前缀法和利用特殊训练符号法等，频偏估计的 方法有最大似然估计法等。 3 3 。2 降低峰值平均功率比 由予o f d m 傧号时域上袭现为j v 个燕交予载波偿号魄叠艇，当这令信号 恰好均已峰值相加时，o f d i m 信号也将产生最大峰值( 如腿3 5 ) ，该峰值功攀是 平均功率鲍倍。尽管峰馕功率出现的概率较低，但梵了不失真媳传输这些商峰 值平均功率比( n 垤r ) 的o f d m 信号，发送端对高功率放大器( 班 a ) 的线性 度要求很高，从而导致发送效率极低，接收端对前端放大器以及a 肥转换器的线 性度要求也很高。因此，高的p ：a p r 使得o f d m 系统的性能大大下降甚至童接影 响实际应用【l 们。目前，已有很多文献讨论了o f d m 的降低p a p r 的算法，这些 方法主要有3 类：信号畸变技术，编码方法( 包括分组码，格雷互补码和多相互 补序列等) 和基于信号空间扩展的方法。 豳3 * 5 存在p a p r 问题的o f d m 信号，一5 1 2 3 4 小结