（电力系统及其自动化专业论文）基于ofdm电力线宽带通信应用与研究.pdf

硕t 论丈 摹于o f d m 电力线宽带通信应用与研究 a b s t r a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) u s e sp o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i af o rd a t a t r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e w i t ht 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 f m o d u l a t i o na n ds i g n a lp r o c e s s i o n ，p l ch a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l y w i t ht h et e c h n o l o g y o f 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 ) u s i n gi np l c ，t h er e l i a b i l i t ya n d s p e e do fp l c t r a n s m i s s i o na r r i v ea tan e w h e i g h t t h e r ea r em a n yp l ca p p l i c a t i o n s ，s u c h 髂i n t e r n e ta c c e s s ，h o m e - b u sf o rm a k i n gt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g a n d , s o o n t h ew o r ki s 邵f o l l o w s ：t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rl i n ec h a n n e la l es t u d i e d , w h i c hc o n t a i nm u l t i - p a t ha t t e n u a t i o n , i m p e d a n c ec h a n g e sa n dm a n yv a r y i n gn o i s e t h e n ， t h ep o w e rl i n ec h a n n e lm o d e le s t a b l i s h e db ym z i m m e r m a n na n dk d o s t e r ti sc h o s e n a t l a s ti ti ss i m u l a t e db ym a t l a bs o f t w a r e ；o f d mi st h ek e yt e c h n o l o g yt or e a l i z eh i g h s p e e dp l c f i r s t ，t h et h e o r y , r e a l i z a t i o na n dk e yt e c h n o l o g yo f0 f d m a r ea n a l y z e da n d s t u d i e d f i n a l l y , t h ep l cb a s e do np o w e rl i n ec h a n n e li ss i m u l a t e db ym a t l a b ；m a n y k e yp r o b l e m s o fa l lo f d ms y s t e mh a v en o tb e e ns o l v e d y e t , i n c l u d i n gh i g h p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( 队p r ) w h i c hb l o c k st h ew i d ea p p l i c a t i o no fo f d m t e c h n i q u e h o wt or e d u c et h ev a l u eo fp a p rh a sb e c o m et h ei m p o r t a n ta s p e c to fo f d m t e c h n o l o g ys t u d y b a s e do nt h ea n a l y s i so fm a n ye x i s t e dm e t h o d so fr e d u c i n gt h ev a l u eo f p a p ran e wm e t h o db a s e do nc l i p p i n gt or e d u c ep a p ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r f i n a l l y t h es i m u l a t i o ni sr e a l i z e db ym a t l a b ；b a s e do nt h ep l cs o l u t i o no fm a x i m c o r p o r a t i o n si cw h i c ha r em a x 2 9 8 6a n dm a x 2 9 8 0 ap l cm o d e mi sd e s i g n e da n d t e s t e d ；n 峙m a x i mp l cm o d e mi sa p p l i e dt od e s i g nan e wa u t o m a t i o nm e t e r i n gs y s t e m w h i c hc a nr e a l i z ei n t e r n e ta c c e s sa n da u t o m a t i o nm e t e r r e a d i n g 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 ( p l c ) ，p o w e rl i n ec h a n n e l ，p e a k - t o a v e r a g e p o w e rr a t i o ( p a p r ) ，p l cm o d e m ，a u t o m a t i o nm e t e r i n gs y s t e m ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) i i 声明 本学位论文足我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除- 1 ) n 以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：墨6 年sf p 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 弓移帕 2 b b 年f 月弘日 颂t 论史摹于o f d m 电力线宽带通信麻用与研究 1 绪论 随着科学技术的发展和经济水平的提高，人们对信息交换的需求越来越大，有线 和无线通信技术也随之迅速发展起来。电力线通信就是种有线通信方式，它日益受 到人们的关注。 所谓电力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是指利用电力线作为传输通道 的载波通信方式。发送端，电力线通信技术把载有信息的高频信号加载到电流上，用 电力线作为信号的传输媒质；在接收端，通过调制解调装置将高频有用信号从电流中 分离出来，送到计算机或网络等终端，从而实现了电力线上的数据传输。 1 1 课题的理论意义与应用价值i 卅i l s l 随着网络技术的发展，人们对宽带通信的要求越来越高不断在寻求一种速度高， 可靠性强，成本低的宽带通信方式。 电是人们日常生活中必不可少的能源，因此，电的用户远远比电视机、计算机、 电话的用户要多；电力线刚络也要比其它网络，例如英特网要大得多。也就是说，电 力网本身就是一个大资源。电力线通信就是充分利用了电力线网络这个大资源，用于 信号的传输，免于重新布线。载有信息的高频信号调制加载于电流上，通过电力线来 传输，接收端又通过耦合、解调等方式将有用信号从电流中分离出来送于终端用户。 由于其覆盖范围广、一线两用、各类用电器均可直接作为网络终端等优势，而成为当 前通信研究的一个热点领域。 电力线通信的调制技术也飞速的发展着，由最初的传统模拟调制技术，发展到扩 频技术，再到现今热门的正交频分多路复用( o f d m ) 技术，电力线通信的信号传输 可靠性以及速度也大幅提升，为电力线通信能更广阔的发展及应用打下了理论基础。 1 2p l c 的发展阶段 p l c 萌发于2 0 世纪2 0 年代川【6 胴。其发展历程可以划分为3 个主要阶段：1 ) 2 0 世纪2 0 5 0 年代，p l c 主要用于1 l k v 以上的高压输电线路上，载波频率小于1 5 0 k h z ， 应用领域为监控，远程指示，设备保护以及语音传输等，代表产品有电力载波机：2 ) 2 0 世纪5 0 9 0 年代，p l c 主要用于2 2 0 3 8 0 v 的低压输电线路上，载波频率为1 5 0 1 0 0 0 k h z ，应用领域为电力线自动抄表，电网负载控制和供电管理等，代表产品有 t d a 5 0 5 13 ) 2 0 世纪9 0 年代后，p l c 还是用于2 2 0 3 8 0 v 的低压输电线路上，载波 硕十论文摹于o f d m 电力线帑带通信府田与研究 频率大于1 m h z ，应用领域为高速宽带多媒体数据通信，家庭楼宇智能网络，高速接 入等，代表产品有i n t 5 1 3 0 。 1 3 p l c 的发展现状 1 3 1 国外p l c 的发展现状 目前对于p l c 应用的研究，主要有欧洲和荚国两大阵营帕l 【s 1 【9 1 【嘲。 1 ) 欧洲的发展现状 欧洲的科研机构和厂商主要研究p l c 在i n t e r a c t 高速接入网上的应用。欧洲的电 力公司凭借其拥有的通达各家各户的电网资源以及欧洲半导体器件厂商开发的高速 p l c 芯片，积极参与了接入网市场的竞争。 在德国，r w e 电力线通信公司从1 9 9 7 年开始与瑞士的a s c o m 公司合作开发 p l c 技术，1 9 9 9 年在汉诺威展览会上展出了p l c 样机。2 0 0 0 年5 月开始进行2 0 0 户 参与的现场试验。2 0 0 1 年7 月开展了r w ep o w e r n e t ( p l c 高速上网) 、r w e p o w e r s c h o o l ( p l c 学校联网) 和r w e e h o m e ( 智能建筑遥控与自动化) 三项业务。 2 0 0 1 年7 月1 日起，该系统正式投入商业化运行，提供的最高数据传输速率为2 m b p s ， 是当时德国电信提供的a d s l 网络服务速度的三倍，和i s d n 相比，接入速度更是高 出了7 0 倍。 英国n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始研究p l c 技术，1 9 9 6 年9 月c l g r e 大会期间向各国代表展示了技术原理和演示产品，提供了在曼彻斯特进行2 0 户小范 围试验的录像资料。传输速率达到l m b p s ，但仅仅是小规模现场实验，未能得到推广。 2 0 0 1 年3 月瑞士最大的电信设备公司亚思康宣布从4 月起批量生产一种通过普通 电力线接入互联网( 电力线上网) 的装置，并在中国、南非、巴西和俄罗斯等1 2 个 国家和地区进行现场试验。 韩国在开发利用电力线路实现高速因特网接入和电话服务的新技术方面也取得 了重大突破。韩国x e l i n e 公司在2 0 0 1 年末推出了1 0 m b p s 的p l c 产品后，又在2 0 0 4 年末推出了速率达到5 0 m b p s 的p l c 产品。 2 ) 美国的发展现状 与欧洲致力于将p l c 用于i n t e m e t 高速接入的研究不同，美国则把主要研究精力 放在p l c 在智能小区建设以及智能家电领域的应用。 由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的“家庭插电联盟”( h p a ) 已经成立，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。h p ：a 已经发布了其标 准的第1 个版本h o m e - p l u 9 1 0 。按照这一标准的描述，只需在事先安装好的插座上插 2 硕士论文摹于o f d m 电力线宽带通信商用叶研究 入电源插头即可构筑起电力线家庭局域网。由于使用的是室内的插座，所以省去了布 线工程，具有成本低、安装和连接容易等优点，数据传输速度可达1 4 m b i t s 。h p a 从 2 0 0 1 年2 月开始以世界各地的5 0 0 个家庭为对象进行了现场试验。试验主要在荚国 和加拿大进行，日本、韩国、台湾和欧洲等地也进行了小规模试验。 据美国c a l m e r s l n - s t a t 于2 0 0 1 年5 月发表的调查，采用电力线的家庭网络将里迅 猛增长态势。在美国市场，电力线家庭智能网络产品的销售额在2 0 0 5 年前将以年平 均7 7 的速度增长，电力线收发器的销售额和销售量均有望获得高速增长。 1 3 2 我国的发展现状1 1 1 i 1 1 3 j 我国的p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。国家电力公司也非常重视p l c 技 术的发展，为此国家电力通信中心专门成立了p l c 工作推进组，下设办公室，以推 进p l c 技术的研发与应用。 中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始引进国外的p l c 芯片，研制了2 m b p s 的样机。 2 0 0 1 年9 月，国电通信中心电力公司宿舍区建立了p l c 实验室，组织国内外p l c 厂 商的产品，分别进行了测试试验。2 0 0 1 年1 2 月，又在北京广华轩小区进行了进一步 试验。使用根据中国电力线信号通道特性改造过的韩国x e l i n e 公司的p l c 产品，并 制定了适合我国电网的组网方案，在高层建筑的居民家中安装了设备，实现了通过电 力线上网，高速稳定，较之a d s l 的上网质量更好，为中国p l c 的进一步发展奠定 了良好基础。 目前，在国内的电力线上网方面，中电飞华的试运行工作已经开展了近两年。2 0 0 3 年以来，中电飞华陆续进行了较大规模的小区试点，到目前为止，公司的电力线接入 业务覆盖了北京的1 0 0 多个小区。 1 3 3p l c 相关组织 随着p l c 技术的发展和应用，世界范围内成立了许多p l c 的相关国际组织，主 要有：“家庭插电联盟”( h p a ，h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 、电力线通信技术论坛 ( p l cf o r u m ) 、电力线作为可供选择本地接入系统协会( p a l a s ，p o w e r l i n e 部a n a l t e r n a t i v e l o c a l a c c e s s ) 、以及日本的e c h o n e t l l 0 1 1 1 4 1 等。 1 4 电力线通信的技术解决方案 随着调制和解调技术的发展和用户对数据传输速度和误码性能的提高，电力线通 信的技术解决方案也经历了如下的几个阶段。 硕十论丈 基于o f d m 电力线宽带通信应用研究 a ) 模拟调制方案 最早的电力线通信系统是模拟的单载波通信系统。模拟调制的性能决定了模拟调 制的信号频蹭窄，信道利用率高，但是抗干扰能力差，误码性能低，只适合于“干净 的”高压的电力线传输中。低压电力线网络存在着各类干扰，传输环境恶劣，模拟调 制技术不适合在低压环境下使用。另外，基于模拟调制技术的电力线通信硬件不易于 集成化，体积大，成本高。 w e s t i n g h o u s e 系统就是模拟调制系统在电力线通信上的一个典型应用。该系统用 单载波调幅方法，以1 0 或2 0 w 的功率在电力线上传输8 1 3 6 k h z 频率的信号，最初 用于农话服掣”1 。 b ) 数字调制方案【1 6 1 f 1 8 1 模拟调制系统出现后，紧接着又出现了窄带电力线通信系统，包括振幅键控 ( a s k ) 、移相键控( p s k ) 、移频键控( f s k ) 等。较之模拟调制方案，数字调制方 案虽然可以通过差错编码技术来提高其数据传输的可靠性，但在复杂的电力线环境 下，其抗干扰能力还是不能满足实际需要的。另外，其频带利用率，传输速度也无法 满足高速的要求。 c ) 扩频技术方案【1 9 1 【2 1 】 扩频技术最早运用于军事通信领域。该技术的载波信号所占带宽一般都很大，即 使一些频带范围受到严重的干扰，但受干扰的频率范围也仅占整个频带的很小部分， 大部分未受干扰的频率范围内的信号能正确有效的传输。因此扩频技术抗干扰能力 强，很适合运用与恶劣的电力线环境，由其是低压网络中。但是，扩频技术频带利用 率差，所能提供的最大传输速率也仅为1 m b p s ，仍然不适合在电力线上实现高速传输 信号的要求。另外，在频带资源紧张的今天，扩频技术的低频带利用率更显其的不足。 d ) 正交频分复用( o f d m ) 方案2 2 卜【2 5 l 正交频分复用( o f d m ) 技术早在上世纪四五十年代就已经出现，但是由于实现 困难，一直没被人们重视。到了上世纪八九十年代，随着数字信号处理技术的发展， o f d m 技术又重新进入人们的视线。 o f d m 技术凭借其在诸多方面的优点，越来越多的用在通信领域。o f d m 技术 重要有以下的优点：1 ) 有效克服码间干扰，抗干扰能力强：2 ) 频带利用率高；3 ) 系统的均衡简单等等。o f d m 技术的具体内容将在第三章中阐述与分析。电力线信 道的恶劣条件正好给了o f d m 技术施展的空间，它能有效的抵抗电力线网络环境下 的各种干扰，从而实现数据的高速可靠通信。 4 硕士论文 基于o f d m 电力线宽带通信廊用与研究 1 5 电力线通信的优缺点i 舶i 1 2 8 1 1 5 1 电力线通信的优点 a ) 投资少。电力线网络是现成的，遍布城市、乡村，用于通信不要花钱铺设电话 线、电缆线、光缆等传输线路，这种一线两用方式，减少了基础设施投资，成本低。 b ) 传输速率高。该技术使用低压网络传送数据和进行i n t e r a c t 访问的速度，比目 前最快的家用系统与普通电话线连接的高速调制解调器快1 8 0 倍。 c ) 使用方便。从理论上讲，只要有公共电网的地方，就可以直接连通互联网。 d ) 使用费低。电力线上网不是按上网时间收费，而是根据下载的数据量收费， 用户每月只需付极少的费用就可以不限时地使用。 e ) 进行数据收集。利用p l c 技术可以实现远程自动抄表。 f ) 永远在线。电力线架设以后，用户用p l c 技术上网，不用拨号，不必考虑线路 畅通等问题。 g ) 能组建家庭局域网。通过各个房间的电源插座，可以将音视频设备、智能家电 联网。 1 5 2 电力线通信的缺点 a ) 带宽不足。p l c 与传统的以太网传输技术相比带宽要窄。共用同一条电力线 的p l c 用户之间是共享带宽的，同时在线的p l c 用户越多，每个p l c 用户所得到的 带宽越窄，传输速度也越慢。因此，高速宽带的p l c 通信受用户数量的制约。 b ) 信号的线路损耗。电力线毕竟不是为高频通信而设计的，其对高频信号的干 扰很强，衰减严重。 c ) 电磁辐射问题。在电力线上传输高频信号势必存在电磁辐射，对其他装置具 有一定的影响，反过来，外界环境的噪声也会影响电力线信号的传输。 1 6 论文所做的主要工作 电力线网络的通信资源优势巨大，如何实现电力线上的高速宽带数据通信成为了 人们追求的目标。论文就是基于这一点，在研究了电力线信道特性和电力线宽带通信 的基带调制技术o f d m 技术的基础上，采用现有的基带处理芯片，以硬件的方式实 现数据在低压电力线上的高速传输，最后给出低压电力线宽带通信的一些实际使用场 合。 论文共分六章，具体安排如下： 5 硕论文摹于o f d m 电力线宽带通信随用与研究 第一章绪论，综述了论文的研究背景和国内外的发展现状，以及各p l c 的实现 方案比较和p l c 的优缺点。 第二章研究低压电力线信道特性，主要包括阻抗特性、衰减特性、背景噪声等， 并在此基础上建立低压电力线信道模型，并通过仿真证明其作为通信信道的恶劣性。 第三章分析o f d m 技术的理论基础。通过仿真证明o f d m 技术在低压电力线通 信实现方案上的优越性。 第四章研究o f d m 技术的缺点高峰均值功率比( 队p r ) 。在研究现有各种 降低p a p r 值方法的基础上，提出了一种改进的限幅方法，并进行了m a t l a b 仿真， 仿真表明该改进方法克服了现有限幅误码率高的缺点。 第五章基于m a x i m 公司的高速o f d m 基带处理芯片m a x 2 9 8 6 ，设计并制作了 p l c 调制解调器，最后对p l c 调制解调器进行了硬件性能测试。测试结果表明，该 p l c 调制解调器符合h o m e p l u 9 1 0 标准的，通信质量和通信速率也完全能满足实际使 用的要求。 第六章概述了p l c 通信的应用场合及其优势，主要是在电力线远程抄表系统上 的应用。最后提出了一种基于m a x 2 9 8 6p l c 的抄表兼上网的系统组成。 最后对全文工作进行了总结与展望。 6 硕士论文摹fo f d m 电力线宽带通信屯田研究 2 低压电力线信道特性分析及其建模 由于低压电力线网络的固有特点，决定了它并不适合用于传输高频信号，作为通 信信道来使用。国内外的学者对低压电力线网络做了大量的实际测量及理论分析，总 结了低压电力线信道特性：a ) 输入阻抗随距离频率的时变，很难与收发设备匹配b ) 对传输的信号存在高衰落；c ) 低压电力线节点多，信号的反射折射频繁，会产生多 径效应；d ) 低压电力线网络本身存在的各种噪声源。本章通过这些特性的研究，建 立适合电力线信道模型。 2 1 低压电力线信道特性 2 1 1 输入阻抗特性 低压电力线载波通信信道的输入阻抗是指在信号发送装置和信号接收装置驱动 点处电网的等效阻抗1 2 9 1 。它的大小直接影响到信号耦合的效率，是低压电网用于信号 传输信道的一个重要参数。 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。首先从理论 上分析，在没有负载的理想情况下，电力线是一条阻抗均匀分布的传输线，在分布电 感和分布电容的影响下，输入阻抗应该随着频率的增大而减小；而当电力线上有负载 时，所有频率的输入阻抗都会减小唧】。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，实际情况就变得非常复杂的，输入阻抗的变化往往不可预 测。低压电力线网络阻抗的变化主要来自以下三个部分：1 ) 配电变压器上的阻抗：2 ) 传输导线的特性阻抗，一般导线的阻抗在7 0 q 1 0 0 f ) ，其值与线路长度等因素还有 关；3 ) 和连接在电网上的各类用电设备的阻抗，据文献【l 】所述，用电设备的阻抗可 以在l o q 1 0 0 0 f l 之间变化，当变化剧烈时，变化范围可以超过一千倍。 由于低压电力线网络极其复杂，因此电力线上不同地点的输入阻抗也会很不相 同。从文献【3 l 】中我们能很明显看到这一点，同一电网的不同位置输入阻抗差异很大。 由于低压电力线输入阻抗随频率、接入位置、长度等的因素变化剧烈，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，实际系统中最好具有自适应增益调整功能，以消除输入阻抗变化带来的影响。 7 硕士论文摹于o f d m 电力线宽带通信应用与研究 2 1 2 衰减特性 对于低压电力线通信来说，信号衰减可以达到1 0 0 d b k m 3 2 1 ，而在中压电力线上 的信号衰减仅为1 0d b k m ，可见，低压电力线对信号信号衰减时相当严重的。低压 电力线对信号的衰减有以下的特点：1 ) 时间不同，衰减幅度也不同；2 ) 信号频率不 同，衰减幅度也不同；3 ) 距离不同，衰减幅度也不同。 2 1 3 多径效应 从信号发送设备到接收设备之间，存在着很多个节点，信号的传输不仅仅发生在 收发设备之间的直接信道上，还存在于各种由于信号的反射、折射以及谐振所形成的 间接多径信道上。由于多径信道的存在，对信号也造成了严重的多径衰减，因此在对 电力线信道建模时，多径的因素也要被考虑进去。 2 1 4 电力线噪声分类 与其他通信信道不同，电力线具有其自身特有的噪声特性。根据m z i m m e r m a n n 和k d o s e t e r 两位学者在文献 3 3 1 q ，的叙述，将电力线上的噪声分为以下五类，如图 2 1 所示。 a ) 有色背景噪声( c o l o r e db a c k g r o u n d n o i s e ) 这种噪声主要是由各种低噪声功率源共同引起的，是一种随时间缓慢变化的随机 干扰，通常在几分钟或几小时才有变化。其功率谱密度较低，随频率的变化而变化， 一般是频率增加，功率谱密度减小。 圈2 1 电力线信道模型 b ) 窄带噪声( n a r r o wb a n dn o i s e ) 这种噪声大部分是调幅的正弦信号，主要是由于中短波广播在频域上的串扰引起 的，其幅度随时间的变化而变化。 c ) 与主频异步的周期脉冲噪声( p e r i o d i ci m p u l s i v en o i s ea s y n c h r o n o u st ot h e 8 硕卜论文基于o f d m 电力线宽带通信应用 ) 研究 m a i n sf r e q u e n c y ) 这种噪声通常情况下是由于大功率电器设备开关的分合产生的，其功率谱线表现 为离散的谱线，重复率在5 0 2 0 0 k h z 范围内。 d ) 与主频同步的周期脉冲噪声( p e r i o d i c i m p u l s i v e n o i s e s y n c h r o n o u s t o t h e m a i n s f r e q u e n c y ) 这种噪声主要是由于连在电网中的电力设备按照5 0 h z 的频率工作产生的脉冲， 重复率在5 0 h z 或者1 0 0 h z ，持续时间很短，功率谱密度随频率的增加而减小。 e ) 异步脉冲噪声( a s y n c h r o n o u si m p u l s i v en o i s e ) 这种噪声主要由连接在电力线上的设备的瞬时开关引起的。这种冲击的持续时间 很小，为毫秒级、微秒级的。这种噪声的功率谱密度有时可以达到背景噪声高出5 0 d b 以上，因此这类噪卢对电力线通信的质量造成严重的干扰。 这五类噪声又可以进行进一步的归类。前三种噪声的持续时间都相对较长，短的 几秒钟、几分钟，长的可以达到几小时，而且具有一定的重复性，可把它们归为稳态 的背景噪声；而后两种噪声通常随时问的变化是很剧烈的，在几微秒几毫秒的时间内 就会发生变化。这两类噪声的发生会引起很高的噪声功率谱密度，对通信数据造成严 重的干扰。这五类噪声的分布与时间、位置和负载等密切相关，各噪声之间是相互独 立的，在对电力线噪声建模的时候可以分类建模，总的噪声模型可以用五类噪声的叠 加得到。 2 2 电力线噪声模型 2 1 4 节对电力线上的噪声做了分类，对噪声进行建模就是建立在此分类基础上 的。噪声模型的正确建立是对信号传输可靠性能否正确评价至关重要。下面本文将对 背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声分别进行建模。 2 2 1 背景噪声 背景噪声可以用一个滤波器对均值0 、方差为盯2 的白噪声进行滤波得到3 4 1 ，如图 2 2 所示。 图2 2 背景噪声模型 噪声滤波器的z 域传递函数只。z ) 的表达式为： 9 硕十论丈 基于o f d m 电力线宽带通信应用研究 喇= 羯：筹 旺2 符。 其中分子b 0 ) 为移动平均数m a ，分母4 g ) 为自回归部分a r 。背景噪声的发生模型 参数就是方差仃2 和滤波器的系数。可将该模型进行简化，滤波器采用a r 处理模型， 即口= i 。参数d ，j = i ，2 ，席可通过a r 频谱分析仪测量的噪声信号确 定。限于没有仪器对实际背景噪声进行测量，本文在对背景噪声的建模时参考文献 3 s 。文献 3 5 1 通过实测得到三组滤波器分母爿( ：) 的系数口，通过对白噪声进行滤波， 发现背景噪声与a w g n 噪声很类似。 2 2 2 窄带噪声 窄带噪声主要是由调幅的正弦信号叠加引起的，这是我们在建立窄带噪声模型时 的依据。窄带噪声o ) 的数学模型建立如下： o ) = 4 ( ，) s i i l ( 2 万，+ 识) ( 2 2 2 ) l ；1 o ) 建模为n 个不同幅值、频率、相位的正弦波叠加而成。幅值4 0 ) 可以简化为不 随t 而变的常数；相位弭具有随机性，可以在 o ，2 刃范围内随机取值，但不随时间的 变化而变化。 2 2 3 脉冲噪声 背景噪声是平稳的，面脉冲噪声则是突发的，我们可以通过三个量来对脉冲噪声 进行建模：4 第f 个脉冲幅度；第f 个脉冲来到时间：o 第f 个脉冲的 宽度。则可以得到脉冲噪声珥的建模式如下： 一= 4 阢一) 一占( f 一一o ) 】 ( 2 2 3 ) 其中占( ) 为单位阶跃函数。 脉冲噪声模型的三个参量是通过大量的实际线路测量而得到的统计特性值。在最 坏的线路条件下，也只有大约l 的时间受到了脉冲噪声的影响【3 6 1 。脉冲幅值，小的 一般为0 4 v ，大的一般为0 7 1 0 v 的范围内口7 l 。 1 0 硕士论文摹于o f d m 电力线宽带通信虑用与研究 2 3 低压电力线传输信道模型 电力线网络无论在拓扑结构还是物理特性上与传统的通信媒质都有很大的不同， 其信道特性更加不利于数据的传输，因此为电力线通信的研究仿真提供一个真实有效 的研究平台，对电力线信道进行正确可行的建模是非常重要的。国内外的很多专家学 者通过对电力线网络的实地测量以及仿真运算给出了他们各自的电力线信道模型。其 中最具有代表性的有两种信道模型。1 ) 所谓“自项向下”的建模方式，提出该方式的 代表人有m z i m m e r m a n n 和k d o s t e r t 。“自顶向下”就是把整个电力线信道看作是一 个黑匣子，信道模型的所有相关参数是从对实地信道的测星数据中提取，考虑的信号 频率从5 0 0 h z 到2 0 m h z ；2 ) 所谓“自底向上”的建模方式，提出该方式的代表人有 c a l l i a c o u d a s 和h o o i j e n 。“自底向上”方式是将电力线信道看作是好多独立元件的集合。 通过对两种方式的比较，以及考虑到现有的试验条件，本论文的电力线建模将采用第 一种建模方式。 2 3 1 信号多径因素 信号的收发设备之间存在着很多个节点，信号不但在收发设备之间直接传输，由 于反射、谐振等因素的存在，信号还会通过其他路径进行传输。例如，如图2 3 所示， 信号理论上是无数条的传输路径。a 为发送点，d 为接收点，b 为一个节点。信号有 如下的传输路径： 图2 3 电力线多径特性示意图 a c d 、a j c - a t b c 斗d 、a c - - 9 b 寸c _ b 斗c d ，当然信 号在b c 两点之间反射很多次后，信号会衰减很大，到达d 的能量已经很小了。因此， 电力线信道应该被考虑成具有频率选择性衰落的多径传输信道。具体模型化时，对每 一条路径i 都定义一个加权因子，g 。用来表征第f 条路径的反射和转移强度。信号 在传输时必定是衰减的，所以有k i i 的。第f 条路径的反射和转移越多，其加权因 子晶就越小；传输路径越长，岛同样也越小。当& 很小时，该路径就可以忽略不计 了，故在实际建模时，可以只考虑几条主要路径的传输特性。g ，应该是一个关于频率 厂的函数，对于不同频率的信号晶的值应该是不同的，但通过实际的测量，晶却可 以看作一个实数，因为在各种各样的网络种，存在着多条具有相同延时的路径，所以 不需要对每条路径的受都找到确切的随厂的变化关系。昌仅表征各条路径的一个权 颂士论文 摹- po f d m 电力圣蔓宽带通信直用与研究 值。因此在建模时把晶看作是一个不随变化的一个实数。 信号在每条不同路径上的传输存在着不同的传输延时，主要与绝缘材料的介 电常数砟，光速岛，以及传输长度z 决定。它们之间的关系如下式： f ：垡! ：坌：生( 2 3 i ) 、 c ou 尸 对于介电常数。4 的绝缘材料来说，其咋。1 5 x l o s m s ，即光速的一半【3 6 1 。 2 3 2 信号衰减因素 前面已经提到，信号在电力线上传输受到衰减的强弱主要取决与传输长度和信号 频率，即信号在电力线上的衰减可表征为4 驴，d ) = p 1 l ，h ，其中口扩) 是与频率有关 的衰减因子，d 表示路径长度。 根据文献【3 6 】 3 7 】，m z i m m e r m a n n 和k d o s t e r 两人对衰减因子口( 厂) 做了如下处 理。通过分析，可以得到对应复杂传播因子为： ，= 忸+ j e o l x g - i - _ ，埘c ) = 口+ ，卢 ( 2 3 2 ) 其中物理电缆参数分别表示如下：是每米的电阻值；f 是每米的感应系数；g 是 每米的导电率：是每米的电容。 在兆赫兹级别的频率范围内有r “c o l ， 很小，从而可以进行如下近似： ，= j i 瓦r + j i g 互 r e i ，b o g “础，可以认为电缆的路径损耗 + ，拓歹 ( 2 3 3 ) 、石 其中，西gf 表征高频作用下集肤效应的影响，壁争表征绝缘材料的绝缘损耗。 兆赫兹级别的高频下，单位长度的阻抗与4 7 成正比，单位长度的导电率g 主要 受绝缘材料的损耗因子影响，与，成正比。故可对复杂传播因子，的实部，即衰减因 子口驴) 继续做如下的近似： a 口) = 与j 7 + 屯， ( 2 3 4 ) 其中最，k 2 由电缆的物理几何参数决定。基于对式子的推导和大量的实测结果的分析， m z i m m e r m a n n 和k d o s t e r 最后将衰减因子口( 厂) 近似如下： 口驴) = 嘞+ q 厂 ( 2 3 5 ) 对于一种类型的电缆来说，系数、q 、k 是常数，可以通过测量来得到。其中 硕士论文 摹于o f d m 电力线宽带通信应用与研究 七* 0 5 1 。所以信号在电力线上的衰减可表征为： 彳驴，d ) 。p a ( ，h ：p k + ，k ( 2 3 6 ) 2 3 3 电力线传输信道模型 电力线信道对信号主要存在着多径的衰减作用。综合上两节的分析，可以对电力 线信道建模如下，用频率响应函数表示为： ， ( j ) - - z 曼吐竺 竺 ( 2 ”3 ) 一1 加夜茵于 衰减延时 参数说明见表2 1 。分析上式，得：a ) 通过延时环节表征了信号由不同路径传送时在 时域上的滞后情况；b ) 通过衰减环节表征了信号通过不同路径传送时信号关于频率 和距离的衰减情况；c ) 加权因子g 表征了信号沿不同路径传输的反射和传输情况。 另外，这个式子里的各个参数都可以通过现场测试得到。这个模型在实践中证明也是 有效可靠的，能够很好的表征电力线信道的传输特性。 表2 1 电力线信道模型参数 参数名说明 衰减因子口( 厂) 的指数。一般取后z0 5 i 多径路径数 7 第i 条路径的标号，i = 1 , 2 ，n ，q 衰减参数，主要由电缆的物理几何性质决定 第f 条路径的加权因子表征信号的反射和传输 第f 条路径的长度 第f 条路径的延时时间 2 3 4 电力线传输信道参数仿真 出于实验条件的限制，无法通过实验仪器或装置，获取现实电力线网络中的各建 模参数。论文将采用文献【3 3 】【3 4 】【3 5 】 3 7 】中所列出的电力线网的备参数对上述模型进 行仿真。论文将对一条四径和一条十五径的电力线多径信道进行“自顶向下”的建模仿 真。仿真参数如表2 2 所示。 1 3 竺堡兰苎主! ! 坚型皇查竺室堂望堕生里! 竺茎 表2 2 四径与十五径电力线信道模犁参数 衰减参数 k = 1 a o = 0 q = 7 8 x 1 0 1 0 四 路径参数 径 l g 。d a m ) i 晶矾) l0 6 42 0 02o 3 8 2 2 2 4 3o 1 52 4 4 840 0 5 2 6 7 5 衰减参数 k = 1 a o = 0 区= 2 5 x 1 0 。9 路径参数 十 d a m ) i g id a m ) l d a m ) l 吕 五 10 0 2 99 0 120 0 4 31 0 23o 1 0 31 1 3 2 径 40 0 5 81 4 35田0 4 51 4 86- 0 0 4 02 0 0 7 o 0 3 82 6 08- 0 0 3 83 2 290 0 7 l 4 1 1 l o - 0 0 3 54 9 01 l0 0 6 55 6 71 2o 0 5 5 7 4 0 1 3 0 0 4 29 6 01 40 5 91 1 3 01 50 0 4 91 2 5 0 图2 4 四径电力线信道的衰减特性与冲击响应 1 4 硕士论史 摹于o f d m 电力线宽带通信应用 j 研究 h i 。= ：羚 上 认 孝 l i 三i i ： r r 。 j ： ； 0 j a 、：一 ： 。 m 王l 1 f 一：一! i l 图2 5 十五径电力线信道的衰减特性与冲击响应 噻鳗 t r e q u e n c vi nm t - t z1 抽撕nt 玛 图2 6 四径信道的珲论与实测特性对比1 3 s l 图2 4 和图2 5 分别为四径和十五径的幅频特性和冲击响应的仿真结果。对比文 献【3 8 】中的实测系统的幅频特性和冲击响应结果，四径的仿真图与实测的特性图能够 很好的吻合，说明了传输模型的可行性，见图2 6 。分析幅频特性，无论四径还是十 五径的线路随频率的增大，衰落越大。路径越多衰落越大。而且部存在着明显的选择 性衰落，例如：四径的模型，在3 5 m h z 、1 0m h z 、1 6 5 m h z 左右的频率上存在着严 重的选择性衰落。 2 4 低压电力线信道模型 低压电力线对信号的干扰，由以上分析可知，包括线路对信号的多径衰减和电力 线噪声对信号的叠加干扰两个部分。故本文对电力线信道建模如图2 7 所示。 s o )r o ) 图2 7 电力线信道建模模型 其中( ，) 为前面所说的三种噪声的总和，即背景噪声、窄带噪声、脉冲噪声之和，如 式( 2 4 1 ) 所示。 n ( t ) = 甩8 m ( f ) + h 。( f ) + 甩，( f ) ( 2 4 1 ) 1 5 硕f - 论文 摹于o f d m 电力线宽带通信戍用与研究 2 5 本章小结 本章主要对低压电力线信道特性，主要包括阻抗特性、衰减特性、多径效应。以 及电力线上存在的各种噪声做了分析。然后以m z i m m e r m a n n 和k d o s e t e r 两位学者 所提出的“自顶向下”的电力线信道建模思想对低压电力线信道进行建模。最后通过对 四径以及十五径的电力线信道进行了建模与仿真，仿真结果表明该电力线信道模型能 够较好的反映出电力线信道的衰减特性，为第三章中的基于o f d m 的p l c 通信提供 信道模型。 颂十论文基于o f d m 电力线竟带通信廊f f l 研究 3 0 f d m 技术基础 随着时代的发展，人们对通信业务的需求也是日益增长。无论是无线通信还是有 线通信，都面i 临着频带资源紧张、受外界环境干扰等问题。为了解决这些问题，除了 开发新的频带资源以外，采用更新更有效的抗干扰技术，提高现有频带的利用率都成 为专家研究的方向。o f d m 技术正是为这些问题的解决提供了一种新的思路和方法。 3 1o f d m 的发展与应用 3 1 1o f d m 的发展 正交频分复用技术( 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 ) 是一种 新型高效的编码技术，它能有效的抵抗多径干扰，使受于扰的信号仍能可靠接受，而 且其信号的频带利用率也大大提高。 早在2 0 世纪5 0 年代中期，人们已经提出了o f d m 的基本概念了。美国军方又 在2 0 世纪6 0 年代将o f d m 技术应