（水利水电工程专业论文）ofdm在电力线数字通信系统中的应用.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 利用电力线作为信道进行通信是解决“最后一公氅”问题的一个很好的方法。然 而电力线作为通信信道，存在着高噪声、多径效应和衰落的特点。) 为了满足电力线高 速数字通信技术的目标和要求，即在电力线信道中传输可靠、高速的数据，论文提出 采用一种基于f f t 的多载波技术，即正交频分复用技术( o f d m 技术) 来实现通信 系统中的调制解调。0 f d m 技术能够在抗多径干扰、信号衰减的同时保持较高的数据 传输速率，在具体实现中还能够利用离散傅立叶变换而简化调制解调模块的复杂度， 因此它在电力线高速通信系统中的应用有着非常乐观的前景。 本文主要研究o f d m 技术在电力线高速数字通信中的应用问题。文章茸先分析 了电力线作为通信信道的特性，讨论了电力线作为通信信道的信号衰减、多径干扰及 高噪声问题。然后文章讨论了o f d m 技术的基本原理、性能分析以及关键技术，并 对o f d m 基带调制解调系统进行了仿真。随后文章参考h o m e p l u g 的标准，提出一种 基于o f d m 的电力线宽带高速通信系统的实现方案，探讨了通信系统调制解调和耦 合部分的实现方法，其中o f d m 调制解调部分1 芏比较了几种可用的硬件平台之后， 选定了d s p 芯片t m $ 3 2 0 c 6 2 0 l 。最后，论文分析了t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 上的o f d m 算法， 包括循环前缀的添加，以及在t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 的基础上比较了o f d m 中最关键的实现 部分f f t 算法的效率，并对选定的f f t 算法进行了优化。 关键词电力线通信多载波o f d md s p 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eg o a la n dc o m m a n do fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sd a t at r a n s m i s s i o nmt h e p o w e rl i n ec h a n n e lw i t hh i g hs p e e da n dr e l i a b i l i t y d u et oo f d mt e c h n o l o g yc a l ls t r o n g l y c o m b a tm u l t i p a t ha n dd i s p e r s ec h a n n e l i n t e r f e r e n c ew h i l e m a i n t a i n i n gh i g h d a t a t r a n s m i s s i o ns p e e da n dc a nb er e a l i z e db yf f t , i tb e c o m e so n eo ft h eb e s ts o l u t i o nt ot h i s p r o b l e m t h i sp a p e rm a i n l yd e a l sw i t ht h ea p p l i c a t i o no fo f d m i np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a b o v ea l l ，t h ep a p e ra n a l y z et h ec h a r a c t e ro f p o w e rl i n ec h a n n e l ，t h e nt h ep a p e rd i s c u s st h e b a s i cp r i n c i p l eo f o f d ma n da sa ne x a m p l e ，s i m u l a t eao f d ms y s t e m a f t e rt h a t ，b a s e do n t h es t a n d a r do fh o m e p l u g ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e a l i z a t i o no fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m a tl a s tt h ep a p e rd e s i g na n do p t i m i z et h et m s 3 2 0 c 6 2 0 1b a s e do f d ma l g o r i t h m 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪言 j l 十年来，无论是从打字机、电话发展到电视：还是从电脑的文字处理、声卡发 展到视频播放，信息技术一直是沿着文字、语音、图像的步骤向耵发展。如今的互联 嗍已经从文字时代步入语音时代，下一个目标是视频传输，进一步需要交互式视频的 应用，即进入所谓交互式多媒体时代，这样对网络带宽就提出了越来越高的要求。 网络带宽主要受制于三个因素：主干网的高速传输、节点的高速交换以及“最后 一公里”的接入网问题。“最后一公罩”原是通信行、业的术语，泛指终端用户接入到主干 网络的这一段距离。“最后一公里”从来都是网络的瓶颈，这段接入的协议和拓扑决 定了用户涛问网络的整体性能。有专家统计，接入网建设投资约占信息网络基础设施 投资的一半以上，可以说，最后一公里是宽带| 碉络建设的瓶颈、热点和关键环节。 目自口利用现有的网络实现宽带接入的技术主要有两种：通讯行业利用原有电话网 络，以市话双绞线作为传输介质，采用x d s l ( 数字用户环路) 等扩展带宽的传输技 术；广播行业利用现有有线电视网络，以c a b l e ( 同轴电缆) 或h f c ( 光纤同轴混 合) 网络作为传输通道，采用c a b l em o d e m ( 线缆调制解调器) 技术。 然而，在我国电话网络和有线电视网的普及仍然有限。事实上电力线是最早进入 人类建筑的传输网络，之后很长时间才有了电话网、有线电视网。电力线网络覆盖面 积之大，是跗的网络无法比拟的。因此，如果能利用非常普及的电力线网络进行通信 实现宽带传输，就能有效的解决“最后一公罩问题”。 但足，电力线作为通信信道，存在着高噪j 岳、多径效应和信号衰落的特点，因此 并不能被称作一个理怨的通讯媒介。但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通信 成为可能。采用扩频技术实现电力线上的数据传输是电力线载波通信中应用较为成熟 的技术。扩频通信虽然抗干扰能力较强，。却受其原理前制约j 传输速率最高只能达到 1 m b i t s 。近些年来一种多载波技术受到了广泛的关注：正交频分复用技术( o f d m ) 。 华中科技大学硕士学位论文 该技术具有抗噪声、抗多径效应和抗衰落的特性，数据传输率可以超过1 0 m b i t s 从 而能够很好的解决电力线上高速数据传输的问题。 1 2 电力线载波通信( p l c ) 的发展背景与简介 电力线载波即利用电力线作为通信信道，采用载波技术，并加入特殊的调制及编 码技术，实现高速数据通信。英国的n o r w e b 通信公司的p a u lb r o w n 博士从1 9 9 1 年 起丌始探索高速数据在电力线上传输的可 。陛，并于1 9 9 5 1 9 9 7 年在英国的 m a n c h e s t e r 进行电力线语音传输实验，在解决了电力线上的噪声和干扰问题后，使电 力线高速数据传输成为可能。1 9 9 8 年3 月2 5 同，加拿大n o r t e l 电信公司和英国电力 公司联合成立n o r w e bd p l 公司，将这项命名为d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ) 的技术推 向市场。从1 9 9 7 年丌始，p l c 的研究在全世界兴起，并形成热湖。在欧洲和同本， 每年举行1 次i s p l c ( i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo i lp o w e r - l i n ec o m m u n i c a t i o n sa n di t s a p p l i c a t i o n s - - 电力线通信及应用国际学术年会) ，探讨p l c 技术的发展和应用。在国 内高压电力线通信技术已经非常成熟，低压部分由于中国的电网特性、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一些不同之处，国内电 力线载波通讯市场不如国外那样蓬勃。 目前有三个电力线载波通讯的标准： 1 c e b u s 标准 c e b u s ( j _ g 费电子总线、家庭总线) 标准是一个针对家庭的电器联网标准，由美国 e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ( e i a ) 于1 9 9 2 年正式发布，现在已获得a m e r i c a n n a t i o n a ls t a n d a r d si n s t i t u t e ( a n s i ) 标准化组织的承认( 主要面向低速数据传输) 。 2 h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e h o m e p l u g 是包括c i s c o 、英特尔和康柏在内的多家技术公司宣布成立为的非赢利 集团，目的在于开发一种通过电源插座连接计算机和其他电子设备的方法。从2 0 0 0 年4 月丌始，h o m e p l u g 组织已发展到包括9 0 个工业领导者。2 0 0 1 年6 月2 6 同发稚 工业界第一个电力线家庭网络标准p o w e r l i n eh o m e n e t w o r k i n g1 0s p e c i f i c a t i o n ，主要 采用i n t e l l o n 技术，调制技术为o f d m ，数据速率达1 4 m b p s 。在h o m e p l u g1 0 2 华中科技大学硕士学位论文 版本颁布之前，h o m e p l u g 在超过5 0 0 个家庭1 0 0 0 0 配线路径匕进行了综合试验，试 验凼家包括美国与加拿大。试验证明咳标准满足互操作性、可靠性、抗干扰性等。 h o m e p l u g 舰范包括节点到节点文件传输多节点文件传输，v o l p 及流媒体。 h o m e p l u g 标准的出现意味着基于电源的家庭网络技术可以在开放的互通的基础 上发展，是电力线载波通信领域的里程碑。 3 c e a 建立联合集团 1 9 9 8 年底，消费电子协会( c e a ) 吐l 建直了包括s o n y 、t h o m s o nc o n s u m e r e l e c t r o n i c s 等公司在内的一个企业联合集团，丌发类似标准。另外有一些公司，如 3 c o m , 松下、以及电源线公司e n i k i a 、a d a p t i v en e t w o r k s 和i t r a n 都同时是上述这两 个集团( c e a 与h o m e p l u g ) 的成员。 1 3 正交频分复用技术( o f d m ) 在p l c 中的应用 o m m 全称为正交频分复用，是一种多个窄带载波调制的技术，它特别适合于在 存在多径传播的信道中传输高速数据，能有效的对抗干扰，并具有很高的频谱利用率。 o f d m 发展于多载波调带i j ( m c m ) ，美国军方早在上世纪的血六十年代就创造出世 界上第一个m c m 系统，并在1 9 7 0 年衍生出采用大规模子载波和频率重叠技术的 o f d m 系统。之后相当长的时间内o f d m 理论迈向实践的脚步放缓了。主要由于 o f d m 系统需要大量的子信道，所需的j 下弦信号发生器和自相关解调器的设备极为复 杂，而且接受器对调制载波和取样时问十分敏感，后来为解决这一问题，w e i n s t e i n 和 e b e r t 把f f t 引入并行数据传输系统作为调制解调过程的一部分，但在实际应用中， 实时傅立叶变换设备的复杂度、发送端和接收端振荡器的稳定性以及发送端功率放大 器的线性要求又成为o f d m 技术实现的制约条件。 现在，由于现代数字信号处理技术和超大规模集成电路的迅速发展，最初实现 o f d m 技术的障碍如庞大的复数运算和高速存储器等都不复存在了，同时，快速复立 叶算法也避免了并行数据传输所需要的正弦信号发生器组和相关解调器组，使得该项 技术的实现更趋实际。此外，o f d m 调制性能得到了理论证明，由此o f d m 技术在 近年来得到广泛普及。 华中科技大学硕士学位论文 由于o f d m 显示了在多径环境下的优良特性，因此应用十分广泛。o f d m 已经 成功的应用于数字广播和视频广播系统、新一代移动通信、接入网络和电力线高速通 信肖中。下面差要介绍0 f d m 技术在电力线商速数字通信系统中的应用。 o f d m 技术在电力线高速数字通信系统中的应用刚刚开始。在第3 届i s p l c 会 议上，英国和以色列学者( 包括以色列 t r a r 公司、英国n o r w e bd p l 公司) 介绍了 o f d m 调制技术在电力线通信中的应用。在第4 届i s p l c 会议上，o f d m 技术占主 要地位，c d m a 技术退居次要位置，大部分内容都与o f d m 技术有关。目前在电力 线高速数字通信系统中运用o f d m 技术的有美国的i n t e l l o n 公司、i r e l l o n 公司、w i l a n 公司、德国的s i e m e n s 公司、o n e l i n w a g 公司、p o l y t r a x 公司、i n a r i 公司的第三代 1 0 m b s 芯片组、瑞士的a b b 公司以及以色列的i l r a n 公司等 美国的i n t e l l o n 公司推出了基于o f d m 技术的i n t 5 1 3 0 芯片集，实现了多载频传 送数据，解决了多重反射问题和重反射问题，数据传输率达到1 4 m b i t s ，并拟推出 l o o m b i t s 的芯片。 德国p l o u t r a x 公司将d s p 技术作为实现电力线数字通信的核心技术，其第二代 产品采用o f d m q a m 技术，实现了适合在c e n e l e c 标准的b 和d 频段工作的低 压电力线调制解调器，数据传输率能达到1 5 0 k b s ( s n r j 2 5 d b ) ，其第三代产品继续 采用o f d m 技术，工作频段突破了c e n e l e c 标准的限制，工作于5 0 0 k h z 以上的频 段，数据传输率可达2 5 m b s 。 o f d m 技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点，是一门具有发展前景、 非常适合电力线高速数字通信的新兴技术。目前，o f d m 技术应用于电力线高速数字 通信还存在许多问题，其主要问题是到目前为止还没有制定出统一的标准规范。 华中科技大学硕士学位论文 2 电力线通信信道的传输特性 从六七十年代以来，利用1 0 k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载 波电话已经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成 熟。但是，在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大 区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、f 扰大且时变性大等特 点。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。 2 1 信号衰减 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到1 0 0 d b k m 1 1 。衰减的 皇要原因并不在于电力线本身的阻抗，而是电力线上并联着的许多负载，尤其是那些 用于调整电网功率因数的大电容。对载波通信信号来浼，调整电网功率因数的大电容 相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也会分去相当一部分的功率。 总的来说，电力线上的信号衰减存在以下几个特点：信号衰减随着频率的上升而 增大：信号衰减随着距离的增加而增大：在一些特定的频率点上，有可能发生窄带衰 减；电力网上的电力负载极大地影响载波信号的衰减。出于负载情况随着时间发生变 化，因此在任何给定的频率点上，衰减也会随着时间变化，其变化范围可高达2 0 d b 。 低压电力网通信信号的衰减特性很难建立准确的数学模型，也不能用简单的数学 公式来表述，它更适合于用统计的方法来汁算分析。 2 2 多径千扰 多径效j ! i ；! 是指信号经过不同路径到达目的地时，由于信号的延迟而产生相互干扰 的现象。低压电力网由于所连接的设备数量巨大、种类繁多，整个电力网络的阻抗随 时处于动忿变化之中。这样有些用电设备会工作在阻抗不匹配的状态，造成信号的反 射，从而使有用信号可能经过不同的路径到达接受点。由于信号在每条路径上经历的 华中科技大学硕士学位论文 h 寸i h j 不同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。多径干扰如图 2 1 所示。 当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略。如果延迟较长，就会使有用信号产 7 e 严重的码间干扰。 2 3 高噪声 广 n 一 发射信号 z 煎 一r 几一 多经效应 几厂 接受信号 图2 - 1多径干扰产生原理 室内电力线的噪卢可分为背景噪声和脉冲i 扰，并且在1 0 k h z 1 0 0 m h z 的频率 内，噪声功率谱密度以2 9 d b d e c a d e 幅度衰减。室内电力线噪声通常有四种：l 硅控 整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变：2 家电中的 小电机产生的平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声；3 由开关 切换、i 列电、温度调节器或电容充放电引起的单脉冲干扰：4 电视的行扫描频率产生 的非同步周期噪声。 室外电力线的噪声通常有四种类型：1 具有平滑功率谱的背景噪声，其功率谱密 度足频率的减函数；2 由开关操作引起的单脉冲噪声，该类型噪声一般持续时间远小 】：1 2 5 m s ，与人们的活动密切相关，因此白天脉冲于扰相对比晚上多得多；3 由可控 砖( s c r ) 器件产生的噪声，与电网频率同步，在6 0 9 5 k k i z 的频率段内，其功率谱密 度大约为一7 0 d b k h z ；4 主要由其它电器辐射引起的窄带干扰，测量表明该噪声与电 网频率无关，其功率密度一般为一6 0 9 0 d b w k h z 。 室内干扰与室外干扰的特征有三点：周期性、随机性和多变性【2 】。周期性体现在 谐波噪声以交流电频率( f a c ) 的整数倍出现，产生这种周期性干扰的原因是由于许多 用电设备会在工频交流电基波的某个固定相位上释放出干扰。随机性是由于高压开关 的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的，往往是能量很大 6 华中科技大学硕士学位论文 的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。多变性表现 0 ：两个方面：陶时而变和因地而变。因时而变足指在不同时刻存在不同的干扰的频率 和强度。因地而变则分为两种情况：第一种情况是在不同的电网之| 日j ，由于不同的负 载连接、线路情况、电网结构等导致电网内的各种参数的差异，影响到干扰的分布不 同：第二种情况是由于干扰在电力线上的传播要遵循高频信号在电力线上的传播特性 及受到电力线上衰减特性的影响，因而对距离、负载分布具有敏感度，导致同一个低 压电网之内不同地点之间存在不同的干扰情况。 由此可见低压电力线上的干扰特性非常复杂，难以找到一个较为准确的解析式或 数学模型加以描述，导致了长期以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性 分析和实验数据测试分析为主。精确数学模型的缺乏，对低压电力线载波通信设备的 没计提出了很高的要求。 2 4 本章小结 本章介绍低压电力线作为通信信道时所呈现的传输特性，包括信号衰减、多径干 扰和高噪声。 低压电力线衰减的主要原因在于电力线上并联的负载，尤其是用于调整电网功率 劂数的电容。多径干扰是因为有些用电设备工作在阻抗不匹配的状态造成信号的反 射，而使有用信号经过不同的路径到达接受点。由于信号在每条路径上经历的时间不 同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生多住f 扰。高噪声是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。 华中科技大学硕士学位论文 3o f d m 原理及仿真 3 1 多载波技术的历史及现状 o f d m 全称为诈交频分复用( 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 ) ，是多 载波传输系统的典型代表。多载波传输技术有种等效提法，分别为正交频分复用 o f d m 、离散多音调制d m t 、多载波调制m c m ，三种提法一般情况下等同，只是在 o f d m 中各子载波保持相互正交，而m c m 中这一条并不总能成立。 一匡卜篇 y 乙广 w w 慌前 诚涮器 霆带 调侧器 窿带 调糊嚣 顿牢 凸凸= 凸 6 p i i , m 疆疆 差姆 w i 薛h 蓉l + w l 囊u 粪i 鞭卑 衄= 凸 卮后 o f d m 壤漪 图3 1 单载波调制和多载波调制的比较 多载波传输是将一个高速率的数据流经过串并变换，分成几个低比特率的数据 流，它们之间经过编码、交织、具有一定的相关性，然后用这些低速率的数据流来调 制多个子载波并迭加在一起构成发送信号。每个数据流仅占用带宽的一部分，系统出 y i ：多子载波组成。在接收端用同样数量的载波对发送信号进行相干接收，获得低速率 信息数据后，再通过并串变换得到原来的高速信号。 华中科技大学硕士学位论文 多载波系统的优点在于：第一，能够把一个频率选择性衰落的影响分散到许多个 倚弓e ，有效地使衰落或脉冲引起的衰落随机化，这样就不是几个相邻的符号遭到破 坏，而是许多个符号郜有轻微的失真，从而u r 以喟f ； 向纠错使其恢复。第二，由于把 整个可利用的带宽划分成许多个窄带子信道，因此单个子信道上的频率响应变得相对 、f 坦了许多，所需的均衡要比串行系统简单，若采用差分编码甚至可以不用均衡。第 二三，并行调制可使符号的速率下降，延长符号的持续时间，使系统可以很好地对抗时 延扩展。另外，多载波系统可提供比串行方式更高的数据传输速率，具有较高的频谱 利用率，这些使它在宽带通信中得到广泛的应用。 多载波调制可以认为是一种频域技术，而单载波调制则是一种时域技术。多载波 调制抵抗时域脉冲干扰能力较强，但它容易受到频域脉冲的干扰，可以通过关闭相应 的子信道来消除其影响，单载波调制抵抗频域和时域干扰的能力则正相反。两者的另 一种时频对偶特性是，为了消除i s i ，单载波凋制需要保留一部分频谱用于波形形成 ( 颁域) ，而多载波调制需要插入一定的保护间隔( 时域) 。另外，对于多径衰落信道， 单载波调制可以插入一个训练序列用于自适应均衡器收敛和系统同步，多载波调制通 常则是发送一个导频以获取频域均衡和信道译码所需要的信道状态信息【9 】【1 0 】。 利用并行信道传输数据和频分复用的概念在血六十年代就己提出，主要用于低速 窄带的军事领域，如五十年代后期的k i n e p l e x 系统，六十年代后期的a n d d e f t 系统以及a n g s c 1 0 ( k 棚r 州) 系统均采用了o f d m 技术。这些系统工作于高 频波段( h f ) ，载波数目为几十个，有效速率为每秒几千比特。由并行传输系统的原 理可以看出，系统需要基带形成滤波器阵列，证弦波载波发生器阵列及相干接调阵列， 、0 并f r 系统的子带数目很大时，系统将会变得很复杂，且价格昂贵。 1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将离散傅氍叶变换( d f t ) 引入到并行传输系统的调 制解调部分。该技术的应用去掉了频分复用所j 薪要的子载波振荡器组、解调部分的带 通滤波器组，并且可以利用快速傅里叶变换( f f t ) 的专用器件来实现全数字化的调 制解凋过程。 9 华中科技大学硕士学位论文 进入八十年代，随着超大规模专用集成电路的快速发展，o f d m 在通信领域中的 应用丌始得以研究。高速调制解调器、数字移动通信和高密度磁记录等方面的研究均 取得长足进展，但有效速率为每秒几十千比特，仍属于窄带应用。 到九十年代o f d m 开始用于宽带通信和广播领域。o f d m 已成功用于欧洲数字 爵频广播，信道速率为2 4 m b p s ，载波调制方式为q p s k ，信道带宽宽i 6 m h z 。目前 欧洲数字电视的地面广播系统已把o f d m 作为传输方式，有效数据率为 4 9 8 m b p s 3 1 6 7 m b p s ，载波调制方式为q p s k - o f d m ，1 6 q a m - o f d m ，和 6 4 q a m o f d m 其中之一或其任意组合，信道带宽为8 m h z 。我国则把6 4 q a m o f d m 作为高清晰度电视地面广播系统功能样机的重点传输方式之一，多家科研所正在加紧 丌发。在军事应用方面，俄罗斯已将类似的技术应用于散射通信，用十多个载波就可 获得八重带内隐分集效果。 o f d m 技术的种种潜在优势已引起北美、欧洲、同本等国家广播、通信业的广泛 关注。经过二三十多年的研究开发，o f d m c o f d m 不但被广泛的应用于高速宽带数字 通信，而且已扩展到其他研究领域。随着研究的深入，这项技术将会有非常广泛的研 究、应用前景。 3 20 f d m 原理及其数学表达 o f d m 的基本思想是把高速数据流分散到多个正交的子载波上传输，从而降低子 载波e 的码率，加长码元的持续时间，由此加强时延扩展的抵抗力。 3 2 1o f d m 原理的时域表示 o f d m 系统中，串行的数据被分为长度为n 的段，将每段内的n 个符号分别调 制刮n 个在频率上等间隔的子载波上。o f d m 的时域原理性如图3 - 2 所示。输入为高 速串行信息数据码元0 、1 、n 1 ，经串并变换后为n 路并行码元，分别调制到n 个正交子载波工， 。上，最后在时域上波形相加合并发送至信道。 实际发送的并行码元信号周期t n l 即大于串行信息码元周期的n 倍，n 为 0 华中科技大学硕士学位论文 = = 自= = 目= 目2 ；_ j _ a i _ _ 自。自= 自! 给定f i i 。，带宽i 所选川的f 载波数。n 越人，划环发送的并行f i j _ 5 二信号周期r ，越长t 机符0n l ji ：扰( i s i ) 的能力就越姒。川时o f d m 俯l 朋q 功率浙出就越避近j ：删怂低 通特性。 e 爿一 一 腑一 图3 - 20 f 明原理的时域图 3 2 2 子载波的正交性条件t w = 2 r 4 一r矗1 一。璐 w 2 4 r ，3 栅。 k 一3 吖a r a z ，3 f f 计2 2 r 蹦念。一rr 臀2 2 r 靴倒盒。 w ：2 r + 黼。瓤，一矗一l i ，3 矗，3 矗 图3 - 3o f d m 与f d m 频域图 j 二j 戈波辅f 内选择，即子载波数n 的选扦，是o f d m 系统的关键。在传统的频 分复川- i t ，仵钱波卜的信号频谱足! f ：f i 砸磊的以便接收端r l 旧崩传统的滤波器办法 将j e 分离、提取，似这样是对有限的频游资源的浪费。在o f d m i j ，为了挺高频带 * l j 1 率，使符载波| 的信号频谱相可：重舞，似绒波阳j 隔的选择耍使这些载波和：整个符 一一 华中科技大学硕士学位论文 m ) 赢( ，净= 捂f ( 3 一) 胁) ( ，枷= p 仃埘饥4 ，竹玎卸叫= 岳蓦雌删觚当 藏。 ： f 洲nj 域爻鼢。 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = j ；= = = _ = = = j = t l _ = l l 目i = = 自= _ - = _ l _ ：i _ 谱密度，纵坐标为归一化的功率谱密度，单位为d b ，横坐标为归一化频率。图3 - 5 中打点线为第一调制子载波的功率谱密度，其他各子载波为第一子载波在频率上依 次移位得到。由图3 5 可看到，当子载波数n 增大时，在频率卜0 5 ，0 5 】内幅 度特性会更平坦，边缘会更陡峭。随着n 值的变大，o f d m 的功率谱近似于矩形， 频带利用率理论上可以接近s h a n n o n 的信息论极限，是高效功率凋制。 、m - 善矗k ；1 。，；而 一 ” 一一 撕枷柚_ 柑m ， ；j ，奄罅1 一。一。 ；一小1 堞：蜓埘。i 。矿一 _ ，。一 = ；1 _ i 刊言一 j 。；_ 5 1 - 熙r 玄南1 图3 - 5o f d m 归一化功率谱密度( n = 16 ) 3 2 3o f d m 的d f t 实现 如d 口所述，传统的频分复用的载波频率之f 日j 有一定的保护佃j 隔，通过滤波器接收 所需信息。在这样的接收端下，保护频带分隔不同载波频率，这样就使频谱的利用率 低。o f d m 不存在这个缺点，它允许各载波间频率互相混叠，采用了基于载波频率雨 交的i f f t f f t 调制。尽管还是频分复用，但已与过去的f d m a 有了很大的不同：不 再是通过很多带通滤波器来实现，而是直接在基带处理，这也是o f d m 有别于其他 系统的优点之一。 第七个符号c 。调制第个载波甑o ) = e 门m7 ，所以合成的o f d m 信号为， 厂 ，一l1 s ( t ) - - r e i c k “f f 【o r 】 ( 3 2 ) q lr鳗- 蜊 华中科技大学硕士学位论文 由一交性条件有，：= 兀+ k - v = + 亭= 矗+ 击 其中，。为符号序列( c o ，c ，c 2 ，c n 一) 的时间间隔，t = n t ，。所以 ，(，)：。n-ig二引=re【芝(c。门。寺vtr ) e 1 2 a l , , i 】：r e x ( t ) ：硫- 】 ( 3 渤 s ( ，) = e l g e 胆矾l 【( c e ) 】- e 口科4 】 ( 3 3 ) l i = oj k = o 其中。“) ：箩c 。”畸? ，是j o ) 的低通复包络。k 其中x ( ，) = e 。“，是j o ) 的低通复包络a v l 1 2 x 二d x ( ，) = g e = 静+ 一c o s 2 ；r k j b k ) 2 zn t 。州汕i2 x 如 = ( 吼+ f + s “音妇 i l = e 薹 ( a kc o s 2 a - - 袁s t n 2 嚆6 c o s 2 z 心k _ 生一胁瓦k f ) = i ( t 、+ j q ( t ) 以，；土的采样频率对x o ) 采样，一个信号周期内共有n 个样值， “= x ( f 】。 ( 3 4 ) ：艺g 2 砖 ，n ：o 1 2 ， t l ( 3 5 ) = 乳c o s 等吣s i n 等卅，c b kc o s 等- n + a ks i n - 等训 可见，以：对x ( ，) 采样所得的n 个样值 工。j 萨是( c 的离散傅罩叶反变换。一，的 实部和虚部分别是，( f ) 和q ( ，) 在，= n t 。处的抽样值。因此o f d m 调制可由i d f t 实现。 类似地，在接收端可用d f t 实现o f d m 信号的解调。 华中科技大学硬士学位论文 3 3o f d m 性能分析与关键技术 3 3 1 保护间隔与循环前缀 o f d m 信0 x ( ，) 在传输过程i i 受到多径嶷溶和加性高斯r 噪声( a w g n ) 的干扰 接收倍譬为 r 帕、 ，( ，) = 触一r ) 厅( ：，x + 荆 0 ( 3 6 ) 其f l 厅( f ；，) 为信道在，时刻的冲击响臆， ( ，) 足加性高斯白噪卢的复包络，。为信道 的最人时延扩展。信道的多径效应造成时n i j 孙1 1 , 敞1 ，若“，。大1 ：价号周期7 ，将会产 ： = ：，i i l l ji 执( 1 s i ) 破j = ：r 载波n u 的i i i 变f l ：此必须化o f d mf 矗吁煳期之前加i ：保 护n u 隔i 。这样实际的信号传输周期r = 7 1 + 7 j i n j 符载波的n j 距仍为，接收端 的取i 芙接收时间也仍为【0 ，t 1 。 ! ! 坚壁! 叁型塑塑! ! 皂芝啜宣塑苎塑! ! ：t 印l il蕞手渡埭信号s ( t ) 麓娥， 信道峨成h ( t ) 图3 - 6 保护间隔在抗i s i 中的应用 加i ：保护| 1 i j 啪所，农征o f d m 信0 的( 3 2 ) 变为， 厂一i ，( ，) = r e g 叫蛳小m ，7 1 j l 女= 0 实际传输信号为 s ( ，) = r e i g ，e 雎矾“。”、( ，一m r ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) 华中科技大学硕士学位论文 厂( ，) 是每个符号的脉冲波信，定义为：厂( ，) = i 。( - 一- - - 瓦t ，- ) n 。 接收端在k i ，m r + 丁】上对接收信号y ( f ) 进行d f t 变换，得到m 瓦时刻第k 个子载波 上的调制符号， 儿。，= 专y o ) e - 1 2 , “( t - m l , ：l 折 ( 3 9 ) 设多径信道的冲击响应为 向( ，) = 占( r ) + 啊占( r r ，) ( 3 1 0 ) 其中，是主信道的信号复包络，啊是第f 条路径的信号复包络，q 是第f 条信道的时 延。假设不存在超过信号周期正的传输时延，则托 可分为两类： 0 z - 疋 ( ，= 1 , 2 ，m 1 ) 瓦 0 瓦 ( ，= m l + 1 ，m j + 2 ，一，m l + m 2 ) m 为时延不超过保护间隔的路径数目，m ：是相对时延超过保护间隔的路径数目。 结合( 3 9 ) ( 3 6 ) ( 3 1 0 ) 各式可推算得，接收端输出信号为 y 。， + 兰啊矿脚：型p 啊矿槲，】c 枷y 户 + 窆啊矿心帅“+ 每1 啊矿止螂“】c 枷 ，= ji = m + i 一麓篓孚岛e - 1 2 mr j t - i 华s - 叫半k 。 + 篙善孚啊e - 1 2 m ( r t - t l t - 华j s i nc 半k + 玎i m ( 3 1 1 ) 其中， s i l l c 【x _ 丁s i n x 存( 31 1 ) 、式中，第一项为所需信号乘以信道的响应。多径传输导致各信道的响 华中科技大学硕士学位论文 j 逦l 不平坦，这是由f 到达接收端的各个多径传输信号的相位在个各子信道是不同 的，因而叠加后或被加强或被衰减。第二项为信道间干扰( i c i ) ，是其余子信道在当 日0 时刻发送的信号对该子信道的干扰，这一十扰是由于o f d m 信号的严格正交性倍 多径传输破坏所造成的。式中的s i n c 函数表明，与该子信道相隔较远的子信道由于 s i n c 函数的拖尾已较小，故干扰较小，而相邻较近的子信道之间的干扰较大。第三项 为符号间干扰( i s i ) ，是各子信道在前一时刻发送的信号对该子信道当静时刻信号的 干扰。第四项是加性高斯白噪。 由上式可以看到，子信道间干扰与符号间干扰的存在是由于信道时延大于保护间 隔造成，选择保护问隔的长度使其大于最大信道时延，t f 。、，可以理论上可以完 全消除i c i 与i s i ，具体做法是引入o f d m 信号的循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，简称c p ) ， 作为保护问隔时段内的传输内容，即将每个o f d m 符号的后r ，时间中的样点复制到 o f d m 符号的d u 面，形成前导信号。 如日口所述，系统采样率为f ：丢= 下n ，因此保护问隔的离散长度，即样点个数。 _ ( l 。，、= t ) ，应满足。玉掣。加入循环前缀后，接收信号y ( f ) 经过a d 变换后 得到长度为( | v + 。) 的抽样序列 虬) ，疗= 一l 。, - l 。+ 1 ，0 ，l ，n 。由( 3 1 1 ) 式可以 看到， c i 、i s 只会对接收序列的前三。，个样点形成干扰，即只发生在c p 区间，因此 在接收端进行o f d m 解调之前，将f 。，个样点去掉，则可以完全消除i c i 、i s i 的影 1 5 自，保持子载波之间的正交性。 加入保护间隔会降低频谱利用率，带来发送功率和信息速率的损失。功率损失定 7 义为匕= 1 0 1 0 9 ，。( 等+ 1 ) 。当保护间隔占总信号周期的2 0 时，功率损失也不到l d b ， f = 信息速率的损失达2 0 ，但考虑到电力线信道通常会有很大的多径时延，为提高对 抗i c i 、i s i 的性能，引入较长的循环前缀是值得的。 华中科技大学项士学位论文 3 3 2o f d m 的同步技术 牛对j ：堆钱波系统而青，o f d m 系统刈频牢偏移拥1 位哄比较敏感。接收端和： 解渊r 载波前必须先进 同步。首先，要找到o f d m 符号的起始位置，以便准确地 去j ! i ；i 保护n u 隔，定i l f f t 数据变换窗ij ，这足载波平i | 符号同步，又称为时间同步。其 次婴仙汁和纠l i ：l 二接收信号的载波频偏以避免i c i 的影响，这称为频率同步。接收端 采 _ v - 1 1 、f 刽f f i ，j 频：笨偏移所j 怔生的采样增减j 她缘也会导敛符号定i i 、f 偏移，闲此需要仆汁j ： 卜偻采样寸钟佩移，f ! f 5 善最他聚州，这称为采样钟f d 步。刈j ：牛 | l ：枪测接收系统 迹嘤刈载波川化进h ：1 j 步。 发送端将i f f t 输 t i i l j n 1 问离敞信r - 。1 经过d a 后将j l 变频成为1 1 1 心频率为五的 模拟信号，如”离散时m 信号的采样频率f i 发送端i 讯振，“l i 。n ：接收端，将接收剑 的l ：5 ：! 拟俯i ，川偌“随机删伉妒( f ) 的f 1 i 心频率为一_ ，i ) 的混频器f 变频为中频信号，然 肝阿经过滤波和a d ，使其变为数字倍弓，然后孵用中频对进行数字解调，将其 变为壤带俯0 。其i ta i d 的采样频率和r l l 频_ ，i 均接收端的瓜控鼬振产7 i - 。“ 石矗时，就j “7 i - 了载波频率偏移4 矗；”1 时，也u “，i 。，；，就j 忙， 了采样钟 颁1 ：j ；6 干l 4 ，i ，f l i i j 所造成的影响足，j l 入tl c i ，愀酬远远小j ：觚。时f l lj i 接 5 端l 、变频，现了 个发送端l ：变频l 卜f 小仃订：的随机初辩i p ( ，) ，这就是棚位噪， i 。 斜：! = = ： ”0 耵i ( m ) “ 口殴酮尊丑二熏逐j 匝亡五班口 ，( _ ) “ 口匿卫匠菸匝正】殛 卫鄹 匦! 受口 。一瑞孓 “ 一 虱一3 - 7 o f d m 日j 域回生要理图 多找波系统的载波川步和符，定1 1 , 1 1 , d 步通常仃两剃t 力。，墟j ：碍频钓号力【8 j 和 r 循环时缀方式【9 】。 华中科技大学硕士学位论文 步完成：功率检测、同步捕捉( 粗同步) 和同步跟踪( 细同步) 。 实际上，o f d m 系统的时域同步完全利用一个符号的循环前缀部分与末尾部分的 相关性在r 长的时间内进行相关积分得到。在实际系统中，当时间偏移量小于o f d m 的保护i 叫隔时，将不会直接引起i c i 和i s i 。只有当f f t 取值区间超过一个o f d m 符 号的边界或包含一个0 f d m 符号的滚降区间，时间偏移刊会导致i c i 和i s i 。因此 o f d m 系统的解调对时间偏移并不是很敏感。但为了取得最好的抗多径效应，需要找 到个最优f f t 区l b j 。当偏离这个区间时，o f d m 系统对时延扩展的敏感度将增加。 由图3 7 可以看到，对第i 个符号的解调中，如果起始接收位置在r 。疋范围内，接 收符号只含有第i 个符号的能量。因此正确的同步位置时在f 。l 内的任一点。显然 信道时延扩展z - , 。越小，循环前缀t 长度越大，e 确同步位置范围就越大，系统的同 步要求降低。 通信系统中的频率偏移通常来自于本地载波振荡器不稳定或传播过程中的多普勒 效应。系统频偏使得每个子载波相位发生旋转，破坏予载波间的正交性，不仅降低子 载波上的信号功率，而且导致子载波间干扰，降低整个系统性能。 与符号同步一样，载波同步也分为基于导频和基于保护间隔两种。基于保护间隔 的频偏估计给出小数部分的频偏，基于导频的频偏估计给出整数部分和剩余小数部分 频偏。基于导频的算法首先利用部分子信道发送已知的导频信息，利用导频信息检测 频率偏移。基于保护前缀的算法之一是实施基于频率偏移的最大可能检测，即创建一 个在频偏为零时