（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的中压电力线通信系统研究.pdf

南京邮i 【1 人学硕i j 研究生学位论义摘受 摘要 电力线网络已经成为现代社会分布最为广泛的网络之一，研究基于电力配电网络的通 信技术具有重大的实用价值。本文旨在通过对中压配电网信道特性的研究，构建一个基于 j 下交频分复用( o f d m ) 技术的中压电力线载波通信系统。 论文首先介绍了o f d m 技术的原理，阐明了其用于中压电力线通信( m vp l c ) 的优 势；然后通过对中压电力线信道的噪声特性，电力电缆的传输衰减特性和多径特性的研究， 建立了一种全新的信道模型，并且通过仿真说明了中压配电网的分支长度，分支数目以及 负载阻抗等参数对信道特性所产生的影响；接着为了解决o f d m 系统中的关键问题，论文 设计了系统的峰均比抑制算法，研究了系统的信道估计算法；最终，针对中压电力线的信 道特性，论文分析了一个完整的中压电力线载波通信系统，包括o f d m 的帧结构设计，前 导训练序列的设计，系统关键算法的设计，信道编解码方案的设计，数字调制方式的设计 以及数字上下变频模块的设计，并且对系统的性能进行了仿真。 南9 1 1 1 9 u 人学顺i j 研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep o w e r l i n en e t w o r kh a sa l r e a d yb e c o m eo n eo ft h em o s te x t e n s i v en e t w o r k sd i s t r i b u t e d i nt h em o d e ms o c i e t y t h er e s e a r c ho nc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eb a s e do ne l e c t r i cp o w e r l i n e n e t w o r kh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u e b ys t u d y i n gt h em e d i u m v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e r c h a n n e l ，t h i st h e s i sc o n s t r u c t sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do no f d mt e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h et h e o r yo fo f d ma n de x p l a i n si t sa d v a n t a g e sf o r m e d i u m v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ( m vp l c ) t h e n ，a c c o r d i n gt ot h es t u d yo fn o i s e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em e d i u m - v o l t a g e p o w e r l i n e ，a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep l c t r a n s m i s s i o nc a b l ea n dm u l t i p a t hc h a r a c t e r i s t i c s ，an e wc h a n n e lm o d e li se s t a b l i s h e d t h e f a c t o r si n f l u e n c i n gc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sb r a n c hl e n g t h ，n u m b e ro fb r a n c h e sa n dl o a d i m p e d a n c e ，a r ea n a l y z e db ys i m u l a t i o n i m m e d i a t e l ya f t e r ，w ed e s i g nap e a k t o a v e r a g er a t i o ( p a p r ) m i t i g a t i o na l g o r i t h ma n ds t u d yt h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m a tl a s t ，a c c o r d i n gt o c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so fm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n e ，w ea n a l y z eac o m p l e t em v p l cs y s t e m ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no fo f d mf r a m es t r u c t u r e ，p i l o tt r a i n i n gs e q u e n c e ，k e ya l g o r i t h m s ，c h a n n e l c o d i n ga n dd e c o d i n g ，d i g i t a lm o d u l a t i o ns c h e m ea n dd i g i t a lu p m o w nc o n v e r s i o nm o d u l e s y s t e ms i m u l a t i o n sa r ec a r r i e do u ta tt h ee n do ft h et h e s i s 南京邮l 【1 人学坝j j 研究生学位论文英文缩略语 d a d s l a r m a b e r c c d f c d f c i c c p d | 入 d a b d f t d s p f d m f f t f i r h d t v h vp l c i c i i s i i f f t l p f l s l vp l c m c m m m s e m vp l c n c 0 英文缩略语 a n a l o g u et od i g i t a lc o n v e n e r a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 模数转换器 非对称数字用户线 a u t o r e g r e s s i v ea n dm o v i n ga v e r a g em o d e l自回归滑动平均模型 b i te r r o rr a t e c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c u m u l a t i v ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c a s c a d e di n t e g r a t o rc o m b c y c l i cp r e f i x d i g i t a lt oa n a l o g u ec o n v e r t e r d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n h i g hv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m l o wp a s sf i l t e r l e a s ts q u a r e l o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n m u l t i 。c a r r i e rm o d u l a t i o n m i n i m u mm e a n s q u a r e de r r o r m e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n n u m e r i c a ic o n t r o l l e do s c i l l a t o r 误码率 互补累积分布函数 累积分布函数 梳状内插滤波器 循环前缀 数模转换器 数字音频广播 离散傅立时变换 数字信号处理 频分复用 快速傅立叶变换 有限冲激响应 高清晰度电视 高压电力线通信 信道间干扰 符号间干扰 快速傅立叶逆变换 低通滤波器 最小平方 低压电力线通信 多载波调制 最小均方误差 中压电力线通信 数控振荡器 南京邮u 人学f 欢i j 研究生学丝论兰 茎苎丝堕生 o f d m p a p r p l c p n p s p s d q p s k r o m w l a n w l l o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n p s e u d on o i s e p u l s es h a p i n g p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y q u a t e r n a r yp h a s es h i f tk e y i n g r e a do n l ym e m o r y w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sl o c a ll o o p 5 5 峰值平均功率比 电力线通信 伪随机噪声 脉冲整形 功率谱密度 四相移相键控 只读内存 无线局域网 无线本地环路 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谓 意。 研究生签名： 嗍：群世 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本文电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以 公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研 究生部办理。 虢蜱翩签名缈隅学 南京l i | | ：l u 人学顺l ：f i j i ：究生学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 电力线通信技术( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) ，是一种利用电力线作为通信介 质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术。p l c 不仅可以作为解决宽带接 入“最后一千米”的有效手段，而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需 求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。 p l c 按照应用的电网电压等级划分为低压p l c ( l o wv o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ，l v p l c ) 、中压p l c ( m e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ， m v p l c ) 和高压p l c ( h i g hv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，h v p l c ) 。l v p l c 禾0 用低压( 2 2 0 v 3 8 0 v ) 电力线作为传输媒介，为用户提供i n t e r n e t 接入、家庭局域网、远 程抄表、智能家居等应用。m vp l c 利用中压( 1 0 k v ) 电力线作为通信链路，为接入骨 干网、配电网自动化、用户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。h vp l c 利用 高压( 3 5 k v 以上) 电力线作为通信介质，传输调度电话、远动、高频保护及其他监控系 统的信息。近年来高压电力线载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已经进入了数字 化时代并且随着电力线载波技术的不断发展和社会的需要，中低压电力载波通信的技术 开发及应用办出现了方兴未艾的局面。电力线载波通信这座被国外传媒喻为未被挖掘的会 山芷逐渐成为一门电力通信领域乃至关系到干家万户的热门专业 1 】。 1 2 电力线载波通信技术的发展历程 电力线通信萌发于2 0 世纪2 0 年代，主要经过了三个发展阶段：萌芽阶段，发展阶段 和成熟阶段。萌芽阶段为2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代，电力线通信的载波频率小于0 15 m h z ， 其代表产品主要为电力载波机，主要运用于高压电力线上，实现监控，远程控制，设备保 护和语音传输等功能。发展阶段为2 0 世纪5 0 年代至9 0 年代，电力线通信的载波频率为 0 1 5m h z - - - , 1 m h z ，并且运用于低压电力线网络。其主要的运用领域为电力线自动抄表， 电网负载控制以及供电管理等。成熟阶段主要指2 0 世纪9 0 年代以后，此时的电力线载波 通信的载波频率超过1 m h z ，其主要的应用范围为高速宽带多媒体数据通信，家庭楼宇智 能化网络以及互联网的高速接入等。从目前的情况看，电力线通信刚刚进入一个高速发展 南京邮l 【1 人：学颂l ：研究生学位论艾第一章绪论 的阶段，随着互联网的发展以及人们对于数据通信的需求的不断增加，数据业务逐渐成为 通信服务的主流，在这样的环境下，人们开始认识到电力线通信的优势，这一领域成为了 通信研究的热点 2 】。 在国外，m vp l c 的应用始于5 0 年代，主要应用主要用于负荷控制、用户集中抄表、 无功补偿控制，故障指示远传和配电网中开闭器控制等 4 】 5 】。例如美国a b b 公司生产的 e m e t c o n 负荷管理及配电自动化系统，在美国使用较为广泛，主要用于负荷控制。 在国内，m vp l c 多数是直接使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信， 也有个别采用窄带调频载波机的，使用范围很受限制。9 0 年代末，随着1 0 k v 线路通信需 求的增长，出现了多种载波通信设备。目前在国内使用的中压电力线数据传输设备中，使 用最多的还是窄带调制设备，采用扩频方式的设备也已投入市场。随着技术的发展和成熟， 基于正交频分复用技术的载波设备将在中压电力线通信应用方面占有越来越重要的地位。 1 3m vp l c 技术的优势以及面临的挑战 1 3 1m vp l c 技术的优势 m vp l c 技术能够充分发挥电力资源优势，利用现有的电力设施，发展电力系统通 信，因此具有广阔的应用前景。这项技术的主要优点是： ( 1 ) 成本低。它直接使用现有的电力网络，不需要重新铺设新的传输网络，大大减 少了基础网络的投资； ( 2 ) 范围广。电力线是最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络所无法比拟 的，运营商可以轻松地将网络服务渗入到每个家庭； ( 3 ) 速度快。目前高速p l c 已可传输高达4 5 m b p s 的数据，并且通过p l c 技术实现 i n t e m e t 接入，可以灵活扩展接入端口数量，使资源保持较高的利用率； ( 4 ) 网络化。p l c 技术能够通过电力线将整个家庭的电器与网络联为一体，在室内 的设备之间构筑起可自由交换信息的局域网，使人们能够通过网络来控制自己家罩的电器 设备。 1 3 2m vp l c 技术的挑战 电力线设计的初衷是传输频率为5 0 6 0 h z 的电力信号，将其功能扩展到语音或者数 据信号传输时将面临复杂的电磁环境。在我国，由于中压线路分布和负载情况更为复杂， 南京l i l l j i 【1 人学顺l j 研究生学位论文第章绪论 变电站间线路相对较短以及干扰相对较强，中压电力线组网通信所面临的物理层环境比较 复杂和恶劣。中压电力线通信主要存在以下问题： ( 1 ) 线路阻抗匹配问题。常规专用通信介质有比较固定的负载连接，而电力线介质 不像其它专用通信介质那样，连接在电力线上的任何动力负荷都会影响电力线的阻抗。由 于用电负荷接入和断开具有随机性，因此，收、发信机的输出阻抗和输入阻抗很难与线路 阻抗匹配； ( 2 ) 多径反射问题。配电网络具有很复杂的树型结构，连接在电力线上的收、发信 机因位置不同，会产生多路径的信号反射，这种反射会引起传输信号的选择性衰减和码间 串扰； ( 3 ) 频谱范围很宽的噪声问题。电力线的根本用途是输送能量，线路上连接着无数 配电设施和用电设备。当用电力线传递信息时，除了存在与常规专用传输介质同样的问题 外，连接在电力线上的各种设施也成了噪声来源，因此电力线传输信道中存在频谱范围很 宽的噪声： ( 4 ) 电磁兼容性问题。作为接入网的p l c 网络，必须使用较高的信号频率和一定的 发射功率，这就存在产品的电磁兼容性问题，包括其它电器对p l c 产品的影响和p l c 产 品对其它产品的影响。目前国际上还没有制定统一的p l c 网络产品电磁兼容性标准； ( 5 ) 配电网络通信的m a c 层技术研究十分薄弱。由于p l c 物理层本身尚有许多问 题需要攻克，目前国外把p l c 网络的研究重点放在其物理层，包括调制方式、编码方式、 使用频带、发送功率等。而m a c 层则简单地采用常规介质的处理方式。由于电力线介质 与常规介质具有不同的特性，照搬常规介质的m a c 协议将导致p l c 网络的m a c 协议运 行失败或性能低下。事实上，针对电力线的特点，研究m a c 的协议工作方式、信道分配 方式、数据帧的设定等，都是摆在我们面前的课题。 1 4o f d m 与m vp l c 对于高频通信信号而言，电力线信道并不是理想的传输环境。由于电网上的分支很多， 各种性质的负载在任意位置接入切出，它连通信系统最基本的阻抗匹配的要求都难以达 到，因此信号在传播过程中会遇到折射，反射，驻波等复杂现象。由于电力线上分支的存 在，使得信道呈现多径效应，从频率角度来看，多径信号的时延扩展可以导致频率选择性 衰减，即针对信号中不同的频率成份，信号会呈现不同的频率响应，由于信号中不同频率 分量的衰落是不一致的，所以经过衰落之后，信号波形就会发生畸变。当信号的速率较高， 南京邮i u 人学顺f j f 】f 究生学位论文第一帝绪论 信号带宽超过信道的相于带宽时，信号通过信道后各频率分量的变化是不一样的，引起信 号的波形失真，造成符号间干扰。此外，电力线信道上的噪声不能简单归结为加性高斯白 噪声，由于线上各种负载的变化，形成多种噪声干扰，包括背景噪声，突发噪声，谐波噪 声，异步噪声等，如此复杂的噪声，必定对通信信号造成严重的干扰 6 7 。 因此，必须选择一种合适的通信方式来对抗恶劣的电力线通信信道，而萨交频分复用 ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术就具有这样的优势。o f d m 技 术通过将数据调制到并行子载波上，每个子载波所处的信道可以认为是不变的，这样就可 以对抗频率选择性衰落；同时，在每个符号前面加入保护l 日j 隔，使其大于信道的最大延时， 这样就能够消除符号间干扰；而且，在o f d m 系统中加入编解码，能进一步对抗信道的 干扰。所以，近几年来o f d m 系统一直是电力线通信的研究热点之一。 1 5 本章小结与文章的组织结构 小水电、配电网自动化和大用户抄表信息的传输均需要中压电力线载波来实现，所以 丌发具有自主知识产权的电力线通信芯片具有非常重大的意义。因此，本文的研究重点就 是结合国内中压电力线的信道特性，提出一项确实可行的中压载波通信芯片的系统级设计 方案，其中涉及中压电力线信道模型，o f d m 系统的峰均比抑制算法，信道估计算法以 及通信链路各模块的具体设计，并在m a t l a b 中进行系统仿真和性能分析。 论文的具体章节安排如下： 第一章绪论本章简要介绍了电力线载波通信的相关概念，发展历程以及技术优缺 点，并在此基础上提出了论文的研究重点，最后介绍了全文的组织结构。 第二章o f d m 技术本章主要介绍了o f d m 技术的基本原理以及技术的优缺点。 第三章中压电力线信道模型本章系统地分析了中压电力线的信道特性，并建立了一 种全新的不依赖于实地测量的数学模型。 第四章m vp l c 系统的p a p r 与信道估计算法设计本章对基于o f d m 的m vp l c 系统的p a p r 和信道估计问题进行了算法设计与仿真分析。 第五章m vp l c 的系统设计方案本章结合中压电力线的信道环境，设计并搭建了 一个完整的中压电力线载波通信系统，并对系统性能进行了仿真。 第六章总结本章对全文的工作内容进行了总结，并提出了后续工作的重点方向。 4 南京【l i l 5 l u 人学颂i j 研生学位论文第章o f d m 披术 2 1 引言 第二章o f d m 技术 o f d m 技术的提出已有近5 0 年历史，早在2 0 世纪5 0 年代末就在军事通信中得到应 用。近年来由于数字信号处理技术的飞速发展，o f d m 作为一种可以有效对抗符号间干 扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 的高速传输技术，引起了广泛的关注，目前已经成功 地应用于非对称数字用户环路( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，a d s l ) ，无线本地环 路( w i r e l e s sl o c a ll o o p ，w l l ) ，数字音频广播( d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g ，d a b ) ，高 清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h d t v ) ，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 等系统中 7 。o f d m 在高速电力线通信中的应用也是大势所趋【3 。 2 2o f d m 基本原理 o f d m 与已经普遍应用的频分复用( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，f d m ) 技术十分 相似，其基本原理相同，但o f d m 技术更好地利用了控制方法，使频谱利用率有所提高。 o f d m 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当 作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干子数据流，这样每个子数据流将具有比 原先低得多的比特速率，用这些低比特率形成的低速率多状态符号去调制相应的子载波， 就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。o f d m 技术是对多载波调制( m u l t i c a r r i e r m o d u l a t i o n ，m c m ) 的一种改进，特点是各个子载波相互j 下交，扩频调制后的频谱可以相 互重叠，不但减小了子载波间的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。当子载波数很大时， 系统的频谱利用率趋于2 b a u d h z 。f d m 信号频谱与o f d m 信号频谱的比较见图2 1 。 o f d m 信号频谱f d m 信号频谱 厂六页、 、厂、厂、 o f d m ：正交频分复用f d m ：频分复厂玎 图2 1 f d m 信号频谱与o f d m 信号频谱的比较 o f d m 由大量在频率上等间隔的子载波构成( 设共有个载波) ，各载波可用同一 雨京| | | l j l 【i 人学硕l ：l o f y 生学位论义第_ 二章o f d m 技术 种数字调制方法，或不同的载波使用不同的调制方法将高速串行数据分成多路并行的低速 数据，加以调制。所以o f d m 实际上是一种并行调制方式，将符号周期扩大n 倍，从而 提高了抗多径衰落的抵抗能力。在传统的f d m 中，存在较大的保护带宽来防止干扰，各 载波的信号频谱互不重叠，频带利用率较低。在o f d m 系统中，各子载波在整个符号周 期上是正交的，即在符号周期上的任何两个不同子载波的乘积等于零，因此各子载波信号 频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。o f d m 的基本原理如图2 2 所示： 二舻一1 乎 出 啦 一叫瓦掣亚1 2 t ir 互掣亚 并 串并 +猢 ； 交变 换换 秘| e t 2 r f v - l t 埘_茹e-j2xfv碎-lt, 图2 2o f d m 基本原理图 设o f d m 系统共有n 个子载波，其频率分别为f o ，z ， 一。，由于它们之l 训限定为 相互一交，因此满足如下关系： 以= 六+ k r ，k = 0 , 1 ，n - 1( 2 - 1 ) 其中，六是最低的使用频率，t 为o f d m 符号的周期，z ，( 后) 是在第，7 , j , - o f d m , 符- = d 的第k 个子载波上传输的信息，其相应的调制子载波为e 2 巧，其中以= 厂+ k a y ，a f 为 子载波间隔，即a f = 1 t 。于是得到的o f d m 信号表达式为： x c ，= r e 蓑叉- c 七，p ，2 疋 = r e t l f 善n - i j ，c 七，p ，4 丁k7 ) p ，2 t 7 = r e s c ，p ，2 t ( 7 ) ， 。，r 】c 2 - 2 ， y ( t ) 的等效低通复包络为： s ( ，) ：n - i x 。( 咖伽争，【o ，】( 2 - 3 ) ts ( ，) = x 。( 咖“，【o ，】 如果对模拟信号s ( f ) 作问隔为i t 的采样，即采样频率为f ：= n ，则第刀个o f d m 符n 7 号的第m 个采样点可表示为： 瓯( 脚) ：s ( ，) f 俐，+ 胛瓦：n - i 一，( 后) p ，2 。百k i n ， o 研一1 ( 2 - 4 ) m 京“u 凡学f j h d 究学* z 第一章o f d m 扯术 其中r 代表系统采样时钟。 以f 对s ( ，) 采样所得的n 个样值毋，( m ) f 是 置( t ) 的i d f t 。在友送端，对 置，( t ) ) 进行i d f t ，再经过一个低通滤波器得到o f d m 信号s ( o ；在接收端，先对s ( ，) 采样得到 慨，( 卅) ，再对书，( m ) 进行d f t 得到f 置，( 女) 。随着超大规模集成电路和数字信号处理 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d s p ) 技术的发展，当取n = 2 “m 为整数) 时，用快速博立叶 逆变换( i n v e r s ef a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ，i f f t ) 和快速傅立叶变换( f a s tf o u r i e r t r a n s f o r m ， f f t ) 来实现o f d m 的调制解调就变得非常简单即投送端调制过程用i f f t 实现： e ，) = n 胛r ( 置( 女) )( 2 - 5 ) 接收端解调过程则用f f t 实现： 硼= 专胛( 洲= 专篙枷“；e 1 2 噜= 篓川h m ( 2 _ 6 ) 实际使用i f f 狮f t 模块时，还需要对式( 2 5 ) 与式( 2 - 6 ) 稍作修改，目的是保证 1 f f t 和f f t 变换前后信号的能量保持不变。容易证明i f f t 变换后符号的能量是变换前 符号能量的n 倍，为了保持信号能量不变，式( 2 - 5 ) 可改为： s 胁厢专瓤枷4 ；= 历1 f f t ( x ( k ) ) ( 2 7 ) 接收端的解调过程相应地修正为： 引啦嘉薹刚咖1 2 等= 去胛( s 期】) ( 2 - 8 ) 上述两式即为实际o f d m 系统的调制解调过程。 从式( 2 - 1 ) 可以看出，在一个o f d m 符号| 自j 隔t 内各个子载波恰好都有整数倍个周 期，而且各个相邻的子载波之怕j 相差一个周期。这个特性如图2 - 3 ( 曲所示： 漾 a ) o f d m 于载波时域幽( b ) o f d m 子载波频域幽 幽2 - 3 一个o f d m 符号内包含四个子载波的例子 南京| i | l j l u 人学顺i ：_ | i j f 究生学位论文第二章o f d m 技术 这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即： 私e x p ( j 2 f f , t ) e x p ( j 2 n f 一衍= 怯：三： ( 2 9 ) 这种f 交性还可以从频域角度解释：每个o f d m 符号在其周期t 内包含多个非零子 载波，因此其频谱可以看作是周期为丁的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子载波频率上的 万函数的卷积。矩形脉冲的频谱幅值为s i n c ( f l ) 函数，这种函数的零点出现在频率为l i t 的 整数倍位置上。这种现象如图2 4 所示，图中给出了相互覆盖的各个子信道通过矩形波形 相乘得到符号的j 下弦函数频谱。在每个子载波频谱最大值处，所有其他子载波的频谱值恰 好为零。由于在对o f d m 符号进行解调的过程中，需要计算这些点上所对应的每个子载 波频谱的最大值，因此可以从多个相互重叠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2 - 3 ( b ) 可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特 准则，即多个子信道频谱之间不存在相互干扰，其实这是该准则在频域中的表达形式。 2 3 保护间隔和循环前缀 应用o f d m 的一个重要原因是它可以有效地对抗多径时延扩展。除了通过数据并行 传送的方法消除符号间干扰之外，还需要在两个连续的o f d m 符号之间插入时间保护间 隔，该保护i 、日j 隔的长度疋一般要大于信道的延迟扩展r 。，这样一个符号的多径分量就不 会对下一个符号造成干扰。 由于多径信道的影响，对于第聆个o f d m 符号，接收端接收到的时域信号是发送信 号j 。( 小) 和信道冲击响应的线性卷积： l - i y t ，( 所) = 曩，( 朋) 氏( m - m ) + ( m ) ( 2 一l o ) 其中，( 聊) 代表高斯白噪声，( 所) 是多径信道的信道冲击响应： 姒咖莩啪) s i n c ( 丢( m z 训) o 鲕虬( 2 - 1 1 ) a l ，( f ) 是第i 个多径的包络值；t 是第i 个多径的延迟时间。 第胛个o f d m 符号的解调信号为： 南京i l t l f l 【1 人学硕l ：研究生学位论文 第一二章o f d m 找术 互，( 七) = j v - t 虬( 所) p _ _ 竺枷 掣lg h = i 囊，( 所慨( m - m ) + ( 聊) l e - l 骨 k m ( 2 1 2 ) m = o l m = o j 1 掣g划，翌m ) ，望如” = 百勺，( 聊) 以( 尼弦7 _ ”1 p 叫万耵”+ 呒( 尼) 彬，( 尼) 是噪声w ，( 聊) 的离散傅立叶变换，如果保护间隔中不插入任何信号( 零保护间 隔) ，那么： ，、f 0 s 。( 所一m ) = ，、 i s i ，( 所一m ) ，”一所 o 0 m m l ( 2 1 3 ) ：窆哪，) ( 窆p ，枷一# r - i p 一枷州) l - i 协) p 奇“+ 哪) ：窆z ，( 分和l - 似) p - ，和4 一n - iz ，( 后) 芝p ，和“窆( 所) p j 争官+ 形，( 尼) ( 2 - 1 4 ) ：n - i 以( 尼) _ ，( 尼) 兰p ，等础+ 廿j 一n - i 以( 尼) 乩( 七) m - 1 p ，和“+ 形，( 七) 三! ：竺 ， | 1 | = x 。( 尼) 日。( 尼) 一i c i + 彬( 七) 其中，q ，( 七) 是信道的频域响应。 如式( 2 1 4 ) 所示，虽然通过插入瓦长度的保护间隔可以完全避免前一个o f d m 符 号s n l ( m ) 所带来的符号间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) ，但是仍然无法避免多径 传播所造成的子载波间干扰( i n t e rc h a n n e li n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。为了不但能够完全消除i s i ， 还可以消除i c i ，在o f d m 中，保护间隔被定义为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的形式： i ，c ，卵一所，= 乏 ：二：产) 。m m - m 所 蜊 罂 图3 4 脉冲噪声包络模氆 脉冲噪声可用三个有意义的参数表示【1 8 】：脉冲到达时间o 。；脉冲宽度f 帆，；脉冲幅 度4 。两个脉冲的间隔时间乙，两个脉冲到达间隔时间： t l t2 t w j + t d2 f o m t o _ j ( 3 8 ) i m p ( t ) 是通用的脉冲函数，捐j 有单位的脉冲宽度和脉冲的幅度，因此脉冲序列能用下 面的公式表示： = 缸i m p ( 鲁， 珥哪( f ) = 4 纽) ( 3 - 9 ) 南京l f k i 【i 人学坝i i 口f 究生学位论文第二三章中j k 也力线竹道模型 式中参数a ，t 。，0 均为随机变量，可以通过测量确定它们的统计特性。考虑到脉 冲在时间上随机发生的事实，其特性可以用随机变量来描述，并以一随机模型来表示，马 尔可夫模型符合这种要求。这旱，通过一个分群的马尔可夫链对脉宽和脉冲间隔时间进行 模拟。假定把噪声状态分为两组a ( i = 1 ，v ) 和b ( f _ v + l ，聆) ，a 中的v 个状态表示没有 脉冲事件发生的情况，b 中的w = 门一v 个状态表示有脉冲事件发生的情况。输出函数矽( 尼) 为： 矽( 后) = 矽( z ( 忌) = z ，) = ? ；三三 ( 3 ，。) l l 00 川1 u ：f ；曩：川i p 1 0 0 ，+ l l l ”州1 i “1 2 “1 v 0 i g ：一0 言0 鼍9 1 w + + l ，l p i o o 邑，l | 【- g 川lg 州2 g 川，0j 南京| i | i f i u 人学顺f j i j j | = 究生学位论文 第三帝中h i 【l 力线竹道模型 ，表示么中的某个状态不发生状态转移( 无脉冲保持) 的概率。 3 3 中压电力线的信道模型 本节将建立中压电力线的信道的数学模型，即推导图3 1 中的h ( f ) 。在中压电力线 通信过程中，由于中压配电网中任意两个节点间都存在多条分支，通信信号在每个节点的 末端都存在反射，因此，从发送节点发出的信号，在多个不同中间分支节点末端的反射影 响下，经过多条路径到达接收节点，因而中压电力线信道也呈现出无线信道中众所周知的 多径特性。 3 3 1 匹配传输线模型 z 。 ab z t 图3 - 5 匹配传输线模型 为了更好的阐述中压电力线的信道特性，首先需要介绍中压电缆的传输衰减特性，即 考虑如图3 1 5 所示的匹配传输线模型。此模型只考虑信号从信源到接收端的传输，则一段 长度为z 的传输线的传递函数可写作【1 9 ： h ( f ) = p 。( 3 1 6 ) 其中，称为传播常数，通常按如下形式给出： y 。( r + ) ( g + c ) ( 3 1 7 ) = 口+ j p 可见y 由单位长度电缆的如下四个参数来决定：主导电阻r 、电导g 、电感和电容 c 。假定电缆两导线i 自j 的距离d 远大于导线的半径a ，单位长度的电容、电感、电阻和电 导可以表示为： c = c o s h 竺z i ( 一a ) 【f m 】 ( 3 - 18 ) 南京l | l | j l 【1 人学顺f j 研究生学位论义第三章中j 卡l 【l j 线信道模型 = h - l ( 虽 h m 兀z n 足= 去浮 d m g = 2 = f c t a n 万 ( 3 - 1 9 ) ( 3 - 2 0 ) ( 3 - 2 1 ) 其中占表示真空介电常数，和盯分别为磁导率和电导率。传输线的特征阻抗可表示 为： 孕黑 ( 3 2 2 ) 针对电力线特性所做的不同的研究和测量表明，在高频范围内r c o l ，g 去隹 。8 由于冲激波形p ( ，) 为限时信号，在定义区间t 内，可以用傅立叶级数来近似，即： n n + l - ，2 x 二 p ( ，) = c ( k ) e 例， o t t 其中l = l n p 2 j ，且有： ( 4 9 ) c ( 七) = ；r p ( ，弦1 2 _ j r 争7 衍= 事尸( 事) ( 4 1 。) 根据波形p ( f ) ，定义子载波m 的冲激波形为： ( f ) ：笠1c ( k ) e -