（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的电力线通信系统研究与实现.pdf

中文摘要 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 是指以电力线为传输媒介进 行数据传送和信息交换。随着调制技术、传输技术和信号处理技术的进步，电力 线通信技术不断发展，己经进入高速传输时代。由于电力线通信具有不需重新布 线，成本低廉等优点，在智能家庭网络和宽带接入等领域受到了极大的关注。但 是电力线信道固有的噪声干扰、频率选择性衰减和多径传播特性大大影响了通信 性能。而正交频分复用( o f d m ) 技术被认为是在具有频率选择性衰落和多径传播 特性的通信环境中实现高速信号传输的主流技术。因此，正交频分复用( o f d m ) 是实现宽带电力线通信的关键技术。o f d m 是一种多载波调制技术，同时也是一 种复用技术。它利用多个相互正交的子载波来传送信息，不但大大提高了频谱利 用率，同时也有效克服了电力线信道中的频率选择性衰落和多径时延，实现了高 速、可靠的数据通信。 本文在阐述电力线载波通信的基本背景和国内外研究现状后，提出了适用于 o f d m 低压电力线载波通信的实验平台总体方案，并最终实现了一个基于 h o m e p l u ga v 协议的低压电力线通信仿真系统。全文的内容主要包括如下几个部 分：第二章对电力线信道特性进行详细分析，然后在此基础上给出电力线噪声模 型和电力线信道模型，并对电力线信道容量进行理论分析；第三章，论述o f d m 调制技术的原理以及实现方法；第四章，在前面分析的基础上对电力线通信系统 发射接收机的若干关键技术进行讨论；第五章，建立基于0 f d m 的电力线通信仿 真系统，并在大量仿真的基础上给出相应的曲线与结论；第六章，给出一种电力 线通信系统硬件仿真平台的设计方案；最后一章，给出了研究总结并对电力线载 波通信这个课题未来的研究内容和研究方向提出一些见解。 论文使用m a t l a b 和c 作为仿真工具，建立了基于o f d m 的电力线通信系统仿 真平台，并利用该平台进行了大量的仿真实验。仿真结果表明：在电力线通信媒 质中，采用o f d m 调制技术可以很好地配合电力线通信信道，有效地抵御电力线 信道噪声、衰减和时变特性所带来的影响。此外，o f d m 子载波采用不同调制方 式( 例如，b p s k ，q p s k ，q a m ) 对系统的误码率也有较大的影响，其中b p s k 具有更 好的可靠性。通过仿真分析，证明加入信道纠错编码能够显著提高电力线通信系 统的整体性能。 关键词：电力线通信正交频分复用 信道h o m e p l u ga v 协议误码率 a bs t r a c t p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) i sad a t at r a n s m i s s i o na n dl n f o r m a t i o n e x c h a n g em e t h o db y m a k i n gu s eo f t h ep o w e rl i n ea st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i a w i t h t h ea d v a n c e m e n to ft h et e c h n o l o g i e so fm o d u l a t i o n ，t r a n s m i s s i o na n ds i g n a l p r o c e s s i o n ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sd e v e l o p i n ga l lt h ew h i l e a tp r e s e n t ，p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nc o m e si n t oa l l _ e r at od e v e l o pw i t hh i g hs p e e d p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nc o m e si n t oa ne r at od e v e l o pw i t hh i g hs p e e d b e c a u s ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nh a ss e v e r a la d v a n t a g e s ，s u c ha sn on e e do fn e ww i r ea n dl o wc o s t ，i t h a sd r a w nal o to fa t t e n t i o n si nt h ef i e l d so fi n t e l l i g e n th o m el a na n db r o a d b a n d a c c e s s b u tt h en o i s e s ，t h ef e q u e n c ys e l e c t i v ea t t e n u a t i o na n dt h em u l t i - p a t h p r o p a g a t i o ni n h e r e n t l ye x i s t e di nt h ep o w e rl i n em a k ei tv e r yd i f f i c u l tt or e a l i z e t o o v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，at e c h n i q u ec a l l e do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) w a sp r o p o s e da san e wa n de f f i c i e n tm e t h o df o rh i g h b i t - r a t e c o m m u n i c a t i o n s o f d mi sak e yt e c h n o l o g yf o rt h er e a l i z a t i o no fb r o a d b a n d - p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n i ti sat y p eo fm u l t i - c a r r i e rm o d u l a t i o na n dat e c h n o l o g yo f m u l t i p l e x o f d mu t i l i z e ss e v e r a ls u b - c a r r i e r sw h i c h a r eo r t h o g o n a lw i t ho n ea n o t h e r t ot r a n s m i ti n f o r m a t i o n , t h u s ，t h eu t i l i z a t i o no ff r e q u e n c yb a n di se n h a n c e dg r e a t l y a n dt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n dt i m ev a r i a t i o ni np o w e rl i n ec h a n n e lc a nb e o v e r c o m ee f f e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eb a s i cb a c k g r o u n d ，t h es t a t eo fr e s e a r c ho fp l c ，a s w e l la st h ew h o l es c h e m e so fd e s i g n i n ga no f d mb a s e de x p e r i m e n t a lp l cs y s t e m a r ep r e s e n t e d f i n a l l y , t h ep l cs y s t e mm o d e lb a s e do nh o m e p l u ga vs p e c i f i c a t i o ni s b u i l ti na ne x p e r i m e n te n v i r o n m e n t t h et h e s i sc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gm a i np a r t s ： c h a p t e r2a n a l y s e st h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c ，a n db u i l d st h ep o w e rl i n en o i s em o d e l a n dc h a n n e lm o d e l c h a p t e r3d e s c r i b e st h et h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o no fo f d m c h a p t e r4d i s c u s s e ss o m ek e yt e c h n o l o g yo fp l cs y s t e mt r a n s c e i v e r c h a p t e r5s e t s u pap o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o np l a t f o r mb a s e do no f d m ，a n dg i v e ss o m ec u r v ea n d c o n c l u s i o nb a s e do nal o to fs i m u l a t i o n s c h a p t e r6g i v e sah a r d w a r ed e s i g nm e t h o d a b o u tt h ep l cs y s t e m t h el a s t c h a p t e rc o n c l u d e sb ys u m m a r i z i n gt h em a i n c o n t r i b u t i o n so ft h er e s e a r c ha n db yp r e s e n t i n gs o m ei d e a sa n dp r o s p e c t sf o rf u t u r e r e s e a r c h b yu s i n gm a t l a ba n dc a st h es i m u l a t i o nt o o l s ，ap o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n p la _ t f o 衄b a s e do no f d mi s s e tu p ，a n dal o to fs i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u t b a s e d0 nt h ep l a t f o r m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，o f d mt e c h n o l o g y c a n d e 疵c t l ym a t c ht h ep o w e rl i n ec h a n n e la n de f f e c t i v e l yd e f e n dt h ei m p a c t s f r o mn 0 1 s e c h 踟- a c t e r i s t i c s ，a r e n u a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt i m e 。v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c s i n a d d i t i o n d i 丘积舭m o d u l a t i o ns c h e m e s ( s u c ha s ，b p s k ，q p s ka n dq a m e t c ) o ft h e s u b c a 币e r so fo f d ma l s oh a v es o m es i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es y s t e mb e r ( b i t e n o rr a t e ) p e r f o r m a n c e ，w h e r et h eb p s kh a sr e l a t i v e l yb e t t e r b e rp e r f o r m a n c e t h r o u g hs i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，w ek n o w t h a ta d d i n gc h a n n e lc o d ec a ni m p r o v et h e w h o l ep e r f o r m a n c eo fp l cs y s t e m k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，o r t h o g o n mf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，c h a n n e l ，h o m e p l u ga v s p e c i f i c a t i o n ，b i te r r o r r a t e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：荆，荷无 签字日期： 2 d 。7年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：引贡无 签字同期：2 0 口7 年月26 日 导师签名： 之冰冬 签字同期：c 刁年月乡同 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力线通讯的课题背景 第一章绪论 现代社会对通信服务的需求不断增大，而通信网络的影响也日益深入日常生 活的各个部分。方便快捷的网络接入成为网络服务提供商们的追求目标。利用电 力线通信( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) ，无需另行铺设专用线，只要在每个 通信终端安装一个特制的调制解调器。这个调制解调器的一端与终端设备相连， 另一端插入电源插座。因此，用户可以将通信终端移动到任何电力线延伸到的地 方，方便而灵活。利用电力线传输语音、数据、音视频，进行数据交换、处理、 控制和监测，组成数据通信网、实现信息自动化，不仅可以免去专门铺设通信线 路的麻烦，而且由于电力线网络覆盖面积比其他网络更大，使得通信终端的设置 和移动非常方便。因而，低压电力线通信在信息家电、楼宇自动化及宽带接入等 应用中受到了极大的关注。然而，电力线的初衷只是为了实现电力传输，其信道 特性很差，这使得电力线很难成为数据网络的传输载体。主要体现在电力线线路 阻抗小，变化大，信号衰减强，干扰大且时变性大，存在着多径时延等。长期以 来，许多公司和学者对电力线通信信道进行了大量的研究和实验工作，取得了一 定的经验和成果，现在电力线信道已经可以实现非常高的数据传输速率与容错 性。 目前，正交频分复用( 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 e x i n g o f d m ) 技术广泛地应用于高速数字用户环路( h d s l ) 、非对称数字用户环路( a d s l ) 。 超高速数字用户环路( v h d s l ) 、数字音频广播( d a b ) 、高清晰度数字电视( h d t v ) 、 蜂窝移动通信和无线局域网( w l a n ) 等领域。由于这种技术可以较好地解决多径衰 落或者多径反射所引起的频率选择性衰落，同时又具有频谱利用率高、信道均衡 技术简单、信号调制解调易于实现、纠错能力强等优点而应用于电力线通信，受 到国内外研究机构和生产厂商的广泛重视。很多公司都致力于研发采用o f d m 调 制技术的电力线通信产品，如美国的i n t e l l o n 公司、w 卜l a n 公司，德国的 p o l y t r a x 公司、s i e m e n s 公司等。 随着p l c 技术的发展，全球相继成立了相关的国际性电力线通信组织，例如 家庭插电联盟( h o m e p l u gp o w e r l i n ea 1 1 i a n c e ，h p a ) 、电力线通信技术论坛 ( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nf o r u m ) 、电力线作为可供选择的本地接入系统协 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 会( p o w e r l i n ea sa na l t e r n a t i v el o c a la c c e s s ，p a l a s ) ，消费电子一电力线通 信联盟( c e p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o na l l i a n c e ) 等。其中家庭插电联盟由思科、 英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司于2 0 0 0 年4 月成立，致力于创造共同的 家用电力线网络通信技术标准，并颁布了第一个电力线通讯协议h o m e p l u g1 0 。 之后，p l c 技术获得了快速发展。2 0 0 1 年5 月美国i n t e l l o n 公司推出了基于 o f d m 技术的电力线通信芯片，速率达到1 4 m b p s 。2 0 0 2 年7 月i n t e l l o n 与台 湾u m c 公司合作推出新的1 4 m b p s 电力线通信芯片，该芯片集成了u s b i 1 、以太 网接口、m i i 接口，以及d a c 、a d o 和a g c ，是一个系统级芯片( s y s t e 一o n c h i p ) 。 2 0 0 4 年1 月i n t e l l o n 公司在拉斯维加斯展示了在家庭内的电力线上同时传输多 路高清晰视频数据流的技术，数传率高达2 0 0 m b p s 。2 0 0 5 年底，家庭插电联盟颁 布了用于传输音频、视频的新标准h o m e p l u ga v ( a u d i o v i d e o ) ，理论最高传 输速率为2 0 0 m b p s 。 近年来，随着i n t e r n e t 技术的快速发展，网民成倍增长。然而，采用何种 通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络通信设备上，成为长期困扰人们的难 点之一，也是普及i n t e r n e t 的瓶颈之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最 后一公里”问题。利用四通八达、遍布城乡、通达用户的2 2 0 v 低压电力线传输 高速数据的p l c 技术以其不用布线、遍布城乡和连接方便的显著特点，被普遍认 为是提供“最后一公里”解决方案最具有竞争力的技术之一。如果高速p l c 能够 应用于我们的实际生活中，并且能同时传输数据、语音、视频和电流，将有可能 带来“四网合一”的新趋势。 我国的电力线通信技术研究从1 9 9 7 年开始，与国外相比，起步晚了一些， 但是发展势头却十分好从2 0 0 0 年开始，我国开始通过引进的p l c 芯片自主 研发出了p l c 系统样机，网络下行速率达到了2 m b p s 。目前来说，国内研制p l c 技术和从事p l c 应用推广的公司主要是福建省电力公司科技部和深圳国电科技 有限公司。其中前者主要使用的是美国i n t e l l o n 的技术，研究成果包括传输速 率达到l o m b p s 以上的系统平台等等。而属于国家电力直属企业的深圳国电正在 利用西班牙d s 2 公司提供的p l c 芯片试图使室内p l c 网络的数据传输率达到 2 0 m b p s 。然而p l c 技术在国内大范围推广使用还有一个过程，主要原因是在低压 配电网上实现安全可靠的通信是相当困难的，目前p l c 的服务质量还不稳定；而 且中国的配电网与国外的相比有一定的差别，居民小区的电力线路不规范，电源 布线不均匀，使得国外产品在中国的使用受到限制；另外，电力线载波通信所带 来的电磁干扰、电磁辐射等问题还需要进一步研究和确定。 然而基于数据传输介质的特性，在目前来看，电力线通信也存在着一些缺点。 首先，电力线上有许多不可预料的噪声和干扰源，尤其是在用电紧张的夏天，空 天滓大学硕士学位论文 第一章绪论 调、吸尘器、电冰箱和洗衣机等家电的频繁使用将大大影响电力线网络传输的稳 定性；其次，电力线通讯具有时间上的不可控、不恒定的特点，与信号洁净、特 性恒定的以太网电缆相比，电力线上接入了太多用途各异的电器设备，这些设备 任何时候都可能插入或断开、开机或关闭电源，因而导致电力线的特性不断变化。 因此在目前阶段，无论在国内还是国外，电力线通信还都只能在小范围的地区内 进行实验。 1 2 论文的主要内容及章节安排 本文在系统研究电力线信道特性以及h o m e p l u ga v 物理层协议的基础上分别 使用m a t l a b 与c 建立了基于o f d m 的电力线通信浮点与定点软件仿真系统，并进 行了大量的仿真；同时给出一种电力线通信系统硬件仿真平台的设计方案，本硬 件仿真平台已经调通，并已对移植的部分代码进行了测试。整个项目目前处于流 片阶段。 本文将以电力线载波通信系统的研究与实现为主线来组织全文，第二章将对 电力线信道特性进行详细分析，然后在此基础上给出电力线噪声模型和电力线信 道模型，并对电力线信道容量进行理论分析；第三章，将论述o f d m 调制技术的 原理以及实现方法；第四章，将在前面分析的基础上对电力线通信系统发射接收 机的若干关键技术进行研究；第五章，分别使用m a t l a b 与c 建立基于o f d m 的电 力线通信软件仿真系统，并在大量仿真的基础上给出相应的曲线与结论；第六章， 提出一种电力线通信系统硬件仿真平台的设计方案：最后一章，总结全文并对电 力线载波通信这个课题未来的研究内容和研究方向提出一些建议。 天津大学硕士学位论文第二章电力线信道分析 第二章电力线信道分析 2 1 电力线传输信道特性 在过去的几十年中，p l c 之所以没有得到飞速发展，其中一个重要原因就是 电力线作为传输媒质有其自身所特有的一些缺点，加之缺乏有效的针对p l c 特点 的调制方法，造成了p l c 长时期的发展迟缓状态。电力线主要用于传送5 0 6 0 h z 电能，作为通信信道其可用特性十分恶劣，在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上进行信号 传输，具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大，存在 着多径时延等特点。电力线上的负载时变性非常强，突发干扰的影响很大，很难 给出一个准确的信道模型。将低压电力线作为通信信道，其遇到的主要干扰有： ( 1 ) 电力线网络上的阻抗随负载的变化会有大幅度的变化，且具有较强的 时变性。 ( 2 ) 存在较强的衰减特性，且电力线上各个节点表现出的性能也不尽相同。 ( 3 ) 在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备，雷电等。 所以，在低压电力线上实现可靠的通信需要考虑阻抗、衰减和噪声特性。 2 1 1 衰减特性 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到l o o d b k m 。信号 衰减有以下特点：时间不同、信号频率不同、距离不同，衰减幅度也不同。 对于高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质 的负载在这根线的任意位置随机地连接和断开，因此，高频信号的传输必然存在 着衰减。这种衰减与通信距离，信号频率等密不可分。信号的衰耗主要决定于经 由的路径和网络上所连接的负载。用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的 电器，对高频载波信号来说相当于短路，造成极大的衰耗；网络中的一些负载对 某些频率构成了谐振电路，产生谐振。总的说来，信号传输距离越远，衰耗越严 重，但是由于负载阻抗的不匹配，信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现 象，导致衰减随距离的变化关系非常复杂，近距点有可能比远距点衰耗大。 通常频率越高，衰减越厉害，但对于某些频率，由于负载产生的共振现象和 传输线效应的影响，会使衰减突然迅速增加。此外，高频信号在低压电力线上传 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 输时，随着工频交流电的变化，高频信号的衰减会出现周期性的变化，在不同的 时间段和不同的地点，衰减幅度也不同，有时会出现很大的波动。接收设备所处 的位置不同，信号的衰减也可能不同。 由于网络存在负载频繁接入、切出等随机事件，使得p l c 信道表现出很强的 时变性。信道在1 s 内对某一频率信号的衰耗变化可达到2 0 d b ：在1 s 内信噪比的 变化也可达到1 0 d b 左右。而且，三相电力信道间有很大的信号损失。信号一般 只能在单相电力线上传输，不同耦合方式导致p l c 信号的损失也不同，同时，不 同相位的藕合也会引起衰耗，跨相传输比同相传输衰耗大1 0 d b 左右。此外，配 电变压器阻碍信号的通过，在配电变压器原、副两边的信号会出现很大的衰耗。 总体上说，p l c 信号衰耗随频率上升、距离增大而增加，但并不是单调的。 通常情况下，信号衰耗在2 0 d b 以上，但一般不会超过5 5 d b 。 2 1 2 阻抗特性 低压电力线上的输入阻抗与所传输信号的频率密切相关。由于低压电力线上 负载的数量、类型不同以及分布电容、分布电感等的影响，使得电力线上输入阻 抗随信号频率变化的情况变得十分复杂，甚至不可预测。电力线上的输入阻抗随 着信号的频率变化而剧烈变化，可能会从0 1q 变到大于1 0 0q 。同时，由于负 载在电力线上随机地连上或断开，因而输入阻抗具有时变性，同时不同点测得的 输入阻抗是不同的，在由许多电阻、电容和电感组成的网络中；从不同的点上看 进去，输入阻抗显然是不同的。低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成： ( 1 ) 变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大： ( 2 ) 导线的特性阻抗，导线可以看作电阻和电感的串联，不同导线的特性 阻抗相差7 0 1 0 0q ，且与线路的长度及连接到变压器的用户数有关： ( 3 ) 接在电力线上的设备阻抗，一般相差1 0 、1 0 0 0q 。 根据测量和分析，对电力线的阻抗特性有如下的结论： ( 1 ) 电力网上的特性阻抗由配电变压器、负载及电线等因素决定的。有时 功率因数补偿电容器也对特性阻抗的值有影响，如果已知上述因素的值，电力网 的特性阻抗可以计算出来。 ( 2 ) 如果大的负载断开，而配电变压器与用电地点比较近时，电力线的特 性阻抗在低频时主要由配电变压器决定。 ( 3 ) 配电变压器次级的阻抗与l c 电路的阻抗相似，随着频率的增高而增 大，并且有比较大的相角。 ( 4 ) 在电力网中，高频时有可能发生谐振现象，这使得高频时的阻抗不可 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 预测。这类谐振经常是容性负载引起的( 例如电视机等) 。 ( 5 ) 在连接处串联电感有可能使它们在高频时相隔离，这可能消除连接的 负载在高频时的影响。 ( 6 ) 配电变压器到用电地点的布线对阻抗的影响是比较小的，但如果线不 是扭绞的，它的影响有可能较大。 2 1 3 噪声干扰 低压电力线信道不是专门为数据或语音传输而设计的信道，它的噪声模型不 能简单的认为是加性高斯白噪声。实际上，电力线信道上的噪声和干扰是十分复 杂的。电力线上的干扰可以分为非人为干扰和人为干扰两种。非人为干扰指的是 一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰：人为干扰则是由连接在电力线上 的用电设备产生的，对数据通信有着更为严重的影响。低压电力线网络中，各式 各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。 2 1 4 多径干扰 多径效应( m u l t i p a t h ) 是电力线通信存在的干扰之一，如在图2 - 1 所示的电 力线通信结构模型中，a 与d 之间有多条通路。由于信号通过的这些通路所用的 时间不同，延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。 c ( 2 ) ( 1 )( 3 ) p a t h l ：a b _ d p a t h 2 ：a _ b - , c - - , b - + d p a t h 3 ：a _ b _ c - + b - - * c _ b _ d 图2 1 电力线通信多经干扰模型 d 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 2 2 噪声分析 研究表明幢1 ，电力线上的噪声主要取决于连接在同一配电变压器次级上的 电器设备，低压电力线的噪声主要是交直流电动机、可控硅控制器件、电视接收 机等。而一些异步电动机，即使一些比较大的感应式电动机( 例如用在空调上的) ， 产生的噪声也不是很大，目光灯产生的噪声就非常小。电力线上的噪声可分为如 下五类： ( 1 ) 有色背景噪声：由电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时 间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度( p s d ) 随频率增加而减小。 ( 2 ) 窄带噪声：它是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串 扰，其干扰强度在一天里变化不定。一般情况下，由于大气层的反射夜间干扰比 较严重，而白天的干扰较小。 ( 3 ) 与工频同步的周期脉冲噪声：这类噪声主要是电力设备按电网频率工 作产生的脉冲，重复率在5 0h z 或者l o o h z ( 歌洲) ，它的持续时间很短，功率 谱密度随频率增加而降低。 ( 4 ) 与工频异步的周期脉冲噪声：这类噪声通常由开关电源产生，重复率 在5 0 、2 0 0k h z 范围内，功率谱是离散的谱线。 ( 5 ) 非周期脉冲噪声：这类噪声主要由电网设备的开关瞬间产生，持续时 间从几筇到几m s ，有时p s d 高出背景噪声5 0 如，因此，被认为是电力线通信 的最大障碍。 前三种噪声都持续时间较长，短到几秒、几分钟，长到几小时，而且又具有 重复性，可把它们归类为稳态的背景噪声；后两类噪声则随时间( 微秒或毫秒) 而变化，一旦这两类脉冲噪声产生，噪声功率谱密度很高，就可能产生数据通信 的位错误或突发性错误。电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪 声间相互独立，故理论上这五类噪声的叠加可看作是电力线噪声。 2 3 低压电力线通信信道模型 从上文可以看出，降低电力线通信系统性能的因素主要在于以下5 个方面： 发送器输出阻抗不匹配、信道衰耗、噪声干扰、接收器输入阻抗不匹配、干扰的 时变性。因而，可将低压电力线通信信道看成是一个多径衰落信道与加性噪声的 组合。其中多径衰落信道可以用时变线性滤波器来模拟仿真。电力线通信信道模 型如图2 2 所示，除噪声外所有的衰耗都用频率响应时变线性滤波器来表征，噪 天津大学硕士学位论文第二章电力线信道分析 声被当作是可加性随机干扰过程。因而电力线通信信道模型可以简单地用带加性 噪声的时变滤波器表示。 输入信号s ( t ) 妻毳薯i 懈j 震塞| 麟驸嚣 冲激响应 厅( f ，f ) l 塑卜一竺 囱 接收信号r ( t ) 这里给出多径模型。电力线网络是具有众多的节点、分支和不匹配的线路。 该类型拓扑结构决定了信号的多路传输特性。受电缆外层绝缘材料的影响，电力 线上信号的衰减随频率的增加和距离的加大而增加。根据文献【3 1 具有频率选择性 衰减特性的，多径效应的传递函数h ( f ) 可以用n 条传输路径的叠加以及含有频 率f 、延时t 、距离d 、衰耗a 的方程来表示： 日( 门= g ，a ( f ，珥) 叼吖2 矾 2 - l l ；1 1 式中，i 为路径号，i = 1 代表具有最短时延的路径，g ，为路径i 的加权系数( 包含了 传输系数和反射系数的作用) ，a 为衰耗，其大小由长度、频率决定。，是每条路 径上的延时： 轳軎咆孚 2 2 7 r0 0 d i 为每条路径长度，l 为电磁波在电力线媒介中的传输速率，c o 是光速，6 r 为 电力线介电常数。 信号在传输过程中的衰减与电缆线的电阻、电导、 将长度为，的匹配传输线上的传递函数h ( f ) 表示为： w ) = 端玎， 电感和电容特性有关。可 2 3 式中，u ( x ) 为距离x 处的电压值。，为传输常数，是一个复数，可表示为： y = 4 i r + j c o l ) ( g + j o j c ) 。= 旺+ j p 2 4 r ，g ，l ，c 分别是单位长度的电缆线的电阻、电导、电感和电容。和 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 c 可以由电缆线的几何尺寸和一些物理特性粗略地估计出。在几兆至几十兆赫 兹的频率段，r 由于集肤效应与4 7 成正比。g 主要受到绝缘材料耗散系数的影 响与厂成正比。在此频率段，如果考虑一般典型的电缆线的几何和物理特性，可 以得到r c o l 和g 屈。通过把屈升 序排列，可以简化要的数值计算。 平均信噪比的定义如下： ， s n r = 专善舞 2 舶 归- - 4 l 的信道容量： c 一绺= 专舡d + 掣) 2 棚 a w g n 信道的信道容量： 巳删= 寺l 0 9 2 ( 1 + s n r ) 2 - 2 0 应用该算法，可以知道各子信道信噪比的高低( 屈低，信噪比高) ，合理分 配各子信道承担的信号功率，从而最优化功率分配，获得最大的信道容量。 2 5o f d m 系统的信道估计 简单的来说，信道估计就是从接收信号中获得对信道冲激响应允( f ) 或者信 道传递函数日( 厂) 的估计值。 由于o f d m 载波通信系统在发送端具有从频域到时域的变换过程，在接收 端具有从时域到频域的变换过程，而且在频域o f d m 符号可以很清楚地划分出 各个子载波，因此o f d m 在频域进行均衡是很方便的。由于所有的子载波都是 相互正交的，子载波间互不干扰，所以每个子信道只需要用一个复信道系数就可 以表示该子信道的幅度和相位变化。对电力线信道的估计可以借助于训练符号 ( t r a i n i n gs y m b 0 1 ) 完成。由于电力线上的背景噪声具有高度的相关性，并且为 了减小可能出现的突发性衰减的影响，本系统在o f d m 符号之前插入了4 个 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 训练符号。每一个训练符号都具有与数据符号相同的子载波个数，经过3 0 7 2 点 i f f t 变换成时域信号。所不同的是中间两个训练符号与另外两个相位相反。其 目的是减小衰减和噪声的影响。其结构见图4 2 。 0i 4 个训练掩弓数据符号包 图2 5o f d m 训练符号结构 假设第玎个o f d m 符号的第f 个子载波上的码元为以( f ) ，则经过信道之后该 码元变成： 以( f ) = e ( f ) 以( f ) 2 2 1 式中复系数e ( f ) 代表第i 个子信道的传递函数。4 个训练符号簖( f ) 在每个子载 波上都得出4 个复信道系数： 乞= 舞( 刀：l ，2 3 ，4 ，剐，1 ，2 ，1 ) 2 - 2 2 上式中：群( f ) 是第1 1 个己知训练符号，钟( f ) 是接收到的第n 个训练符号。将4 个复信道系数的平均值作为该子信道的信道系数： c ( f ) = 芝 e ( f ) ，( i = o ，l ，2 ，n 1 ) 2 - 2 3 斗i 这样就得到了对各个子信道的传递函数的估计值。 2 6 低压电力线信道环境复杂 对输入阻抗及其变化研究和实验表明，电力线上的输入阻抗与传输信号的频 率密切相关。由于电力线上负载的数量、类型不同，不同频率的阻抗变化也不尽 相同，实际情况是非常复杂的，输入阻抗的变化往往不可预测。阻抗的变化主要 来自配电变压器上的阻抗、传输线上的特性阻抗和连接在电网上的用电器的阻 抗。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使得发送设备的输出阻抗和接收设备 的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。 p l c 最主要的问题在于信号衰耗和噪声。信号衰减研究表明，电力线上存在 严重的信号衰减，衰减受距离变化的影响相当明显，通常为1 0 d b k m 一1 0 0 d b k m 。 衰减特性限制了通信距离。由于电力线属于非均匀不平衡传输线，所接负载的阻 抗并不匹配，信号会产生反射、驻波等复杂现象。此外，信号衰减与通信频率有 关，据报道，通信频率大于1 0 0 k h z 时，频率每增加l k h z ，衰减增加0 2 5 d b 。 通信的噪声主要来自与p l c 网络相连的负载，以及无线电广播的干扰。噪声功 率水平总体上随频率的上升而下降。由于负载的开关会引起电力线上供电电流的 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道分析 波动，从而导致在电力线的周围产生电磁辐射，所以，沿电力线传送数据时，会 出现许多意想不到的问题。在这样的噪声环境下，很难保证数据传输的质量。同 时，通信过程中的噪声和信号衰耗是随时间变化的，很难找到规律。总之，p l c 的环境是相当恶劣的，p l c 技术的研发必须对此予以充分重视。 从性能上看，p l c 信道并不是十分合适的通信媒介，这正是几十年来p l c 发展缓慢的最主要原因。但近几年来随着现代通信技术的发展，已有了多种信号 调制手段，可以解决电力线传输过程中遇到的最大的两个问题：如何降低p l c 在强背景噪声情况下的误码率以及如何提高p l c 信号的传输速率。传统的芯片 都采用频移键控( f s k ) 或扩频( s s ) 技术，由于调制技术所限，这类芯片的传 输速率较低，例如s g s t h o m a s 公司的s t 7 5 3 6 7 5 3 7 芯片、i n t e l l o n 公司的s s c p 4 8 5 芯片等。而目前开发研制的基于h o m e p l u ga v 协议o f d m 技术的芯片，工作频 率为1 8 m h z 一3 0 m h z ，传输速率理论最大值可以达到2 0 0 m b i t s ，完全可以满足 高速p l c 应用。 天津大学硕士学位论文第三章o f d m 概述 第三章o f d m 概述 现代通信业务越来越趋向于大容量、实时性高速数据传输。基于此需求及数 字化设计水平的提高，大多数系统已经或者即将采用o f d m 多载波调制技术。 传统的通信系统大都采用单载波方式传输。单载波模式下，数据按照连续的 方式发送到信道，在有线信道或者是移动设备运动速度较慢的无线信道中，若发 送信号的符号周期远大于信道冲激响应的最大延时扩展，这种单载波传输系统也 能获得很好的性能。但是，在高速传输情况下，更高的传输速率等价于更短的码 元周期，当传输信号的符号周期缩短到明显小于信道冲击响应的最大延时扩展 时，就会产生严重的符号间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ) ，这就需要在系 统内增加复杂的均衡器来消除i s i 。 o f d m 技术将传输信道分成若干相互正交的子信道，并将数据同时通过各 个子信道并行传输，从而降低了数据传输速率，扩展了码元周期，能够有效对抗 信号i s i 并实现高速率传输。由于各子载波之间的正交性，o f d m 能够提高频谱 的利用率，并能有效地克服频率选择性衰落，是高速传输系统下的关键技术。 3 1o f d m 的基本原理 正交频分复用的基本原理【5 】是将高速的数据流通过串并变换，分配到若干个 子信道中进行并行传输，因而每个子信道的传输速率较低。由于每个子信道中的 符号周期会相对增加，因此可以减轻由于信道的多径时延扩展所产生的时间弥散 性对系统所造成的影响。并且系统还可以在相邻的两个o f d m 的符号之间插入 保护间隔，当保护间隔大于信道的最大时延扩展，就可以最大限度地消除由于多 径传播所带来的符号间干扰( i s i ) 。一般采用循环前缀作为保护间隔，这样可以 避免由插入保护间隔带来的信道间干扰( i c i ) 。 一个o f d m 符号之内包含多个经过调制的子载波的合成信号。其中每个子 载波都可以以相移键控( p s k ) 或者正交幅度调制( q a m ) 的方式进行调制。 以n 表示子载波的个数( 子信道的个数) ，t 是o f d m 符号的时间宽度， 吐( 江o