（电路与系统专业论文）基于ofdm电力线通信的抄表系统及dsp实现.pdf

中文摘要 本文根据自动抄表系统的特点、实际性能需求，提出了一种新的设计方案， 并用t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 设计实现了该系统的接收端模型。该方案结合o f d m 技术和超 窄带技术，把数据调制在电力线上5 一1 0 h z 的频率内。其特点是： 一、电力线上存在各种噪声干扰，多径传播导致的时延扩展会产生符号 间干扰。由于o f d m 技术的应用，系统抗噪声能力增强，还能很有效地抵抗时延 扩展。 二、窄的频带允许载波低频操作。低频率可以通过变压器和电容到达电 能所能到达的任何地方，由于距离不是问题，基于这一技术的系统尤其适用于农 村和遥远的郊区。 首先设计系统模型、参数，利用m a t l a d j 工具验证。在验证正确的基础上 进行了接收端系统的软硬件设计，发送端由另一位同学完成。 接收端以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 为核心构建。输入信号经过电力线传输、耦合进入 到接收端，经过一个防混叠滤波器，然后输入到a d 转换器。a d 转换器通过s p i 总线把数据传给t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 。t m s 3 2 0 9 c 5 4 0 9 处理输入的数据，首先进行系统 的粗同步检测。检测到同步短序列后，认为已经粗同步，然后进入数据接收阶段。 根据接收到的数据帧中的导频信息进行细同步调整，并保持同步。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 还需要从导频信息中估计出信道特性，并对f f t 变换后的数据校正、解调、解码， 然后把数据信息通过r s 一2 3 2 - c 接口传给计算机。 关键词：正交频分复用，电力线通信，自动抄表系统，超窄带通信，接收端 数字信号处理 a f t e rc o n s i d e r i n gt h e s p e c i a lr e q u i r e m e n t so faa m rs y s t e m ，t h ea r t i c l e p r o p o s e dan e wd e s i g nf o ra m rs y s t e m ，i m p l e m e n t e dt h er e c e i v e rt e r m i n i n a lo ft h e m o d e l ，b a s e do nt h en e wd e s i g n ，w i t ht m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 t h en e wd e s i g n ，i nw h i c h d a t ai sm o d u l a t e di nav e r yn a r r o wb a n d i sb a s e do no f d ma n du n bt e c h n i q u e s t h en e wd e s i g nh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ： f i r s t ，t h e r ea r ea l lk i n d so fi n t e r f e r e n c ei nt h ep o w e rl i n e i s lw i l lo c c u rb e c a u s e o ft h em u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n ，t h es y s t e mh a si m m u n i t yt od e l a ys p r e a da n dc a n c o m b a ti n t e r f e r e n c eb e t t e rb e c a u s eo f t h ei n t r o d u c t i o no f t h eo f d mt e c h n i q u e s e c o n d u s i n gv e r yl o wc a r r i e ri sp o s s i b l ed u et ov e r yn a r r o wb a n d w i d t h t h el o w f r e q u e n c ys i g i n a lc a l lt r a v ea c r o s st h et r a n s f o r m e ra n dc a p a c i t o ru s e di nt h ep o w e rl i n e n e t w o r k t h el o wf r e q u e n c ys i g n a l o n l yw i t hal o wp o w e r ,c a na r r i v ea n y w h e r et h e p o w e rl i n ea r r i v e s t h e r e f o r ed i s t a n c ei sn o tap r o b l e m 1 1 1 es y s t e mi ss u i t a b l ef o r t h e r e m o t ea r e a a tt h eb e g i n n i n gam o d e lw a sb u i l ta n di t sp a r a m e t e rw a sd e c i d e d a f t e rt h a ti v e r i f i e dt h em o d e lw i t hm a t l a b a f t e rt h ev e r i f i c a t i o no ft h em o d e l id e s i g n e dt h e h a r d w a r ef o rt h er e c e i v e rt e r m i n a lo ft h es y s t e m n l et r a n s f e rt e r m i n a lo ft h es y s t e m i sd e s i g n e db ya n o t h e rs t u d e n t t h em i c r o p r o c e s s o ro ft h er e c e i v e ri st m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 t h es i g n a la r r i v e dt h e a dc o n v e r t o rt h r o u g ht h ep o w e rl i n e ，a n t i a l i s i n gf i l t e r t h ea dc o n v e r t o rt r a n s f e r d a t at ot m s 3 2 0 v c 5 4 0 9b ys p ib u s 1 kn 讧s 3 2 0 v c 5 4 0 9p r o c e s sr e c e i v e dd a t at o d e t e c tt h et r a i n i n gs e q u e n c e a f t e rc o a r s es y n c h r o n i z a t i o n ，f i n es y n c h r o n i z a t i o ni s a b t a i n e da n dk e p t t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ci sa b t a i n e db ya n a l y i n gt h ep i l o ts i g n a l t h ed a t aa f t e rt h ef f tn e e dt ob er e c o r r e c t e da c c o r d i n gt ot h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c t h e nt h ed e m o d u l a t e rd a t ai st r a n s f e r r e dt op c b yr s 2 3 2 i n t e r f a c e k e yw o r d s ：o f d m ，p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ( p l c ) ， a u t om e t e r r e a d i n g ( a m r ) ， u l t r an a r r o wb a n d w i d t h ，r e c e i v e r t e r m i n a l ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) 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，也不包含为获得苤洼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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文储签名彩魄签字隰6 年1 月“日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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： 签字日期：z 6 年口月巳6 日 导师签 签字日月莎妇 奇 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 自动抄表系统发展现状 自动抄表系统( a u t o m a t i c me t e r re a d i n g sy s t e m ) 就是自动实现计量仪表 数据的采集、存储、传输和处理，包括家庭及工业用的电表、水表、气表等。随 着计算机技术，信息技术、通信技术的发展，自动抄表系统出现了多种实现方案。 目前采用的抄表技术主要有以下几种： ( 1 ) 人工抄表 由抄表员人工读取用户表计的数据并记录在抄表记录本上。早期是由 人工计算用户的用电量并生成帐单。后来，随着电脑的广泛应用，人们采用电脑 来加速帐单的生成和防止人为的错误。这种基木的方式沿用至今。 ( 2 ) 手持终端( 手持电脑) 人工抄表 可以将表计的数据人工读出并录入手持终端，并生成帐单。有些手持终端 还可以向抄表员指示表计的特殊信息，提示抄表员可能出现的错误( 如用电量超 出正常范围) 。但这样的系统仍然需要人工操作，需要抄表员到每一个表计前去 读取数据。 ( 3 ) 手持终端( 手持电脑) 自动抄表 当各计量仪表具有红外通讯、无线电通讯、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、电力线载波通 讯等接口时，手持终端可以通过通讯接口自动读取表计的数据。这种方式在表计 难以接近时( 如表计被锁在室内) 特别有用。 ( 4 ) 车载无线电抄表 在计量仪表内装有小功率无线通讯模块，可与手持电脑或车载电脑的通 讯。这种方式需要车载无线电台位于用户表计附近才能与表计进行通讯。其工作 过程是车载无线电台的发送器发出一个信号，激活表计中的发送器，表计通过发 送器将数据发送出去。车载电台接收到数据后将其传送给电脑或手持终端。然而， 这种方式的抄取频率受到限制( 通常是每月一次) ，同时也要求车载电台与表计的 距离不能太远。 ( 5 ) 自动抄表 自动抄表是指抄表主站通过通信通道( 如电话网、无线电通信、电力线、 载波通信、有线电视电缆通信、光纤电缆通信、专用线路通信等) 自动读取每一 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 个表计的数据。当前绝大部分的抄表方式是人工抄表，这是费时、费力又效率 低下的一种工作模式，同时也干扰了人们的正常生活。随着电力改革的进一步深 入，厂网分离，实行竞价上网是必然趋势，而电力的市场化首先就要求电力管理 的信息化，没有信息化的支持，市场化就无从谈起。因此信息的实时性是市场提 出的一个基本要求。自动抄表就是为了满足这些要求而提出来的新的抄表手段， 是抄表技术的发展趋势。 1 2 低压电力线载波通信技术的发展及现状 电力线载波通信是通过载波方式在电力线上传送数据信息，其历史可追溯 到2 0 世纪2 0 年代。那时，主要集中在i i k v 以上的高压远距离传输，工作频率为 1 5 0 k h z 以下，该频段成为欧洲电技术标准化委员会电力线通信的正式频段。n 2 0 世纪5 0 年代，高压电力线通信技术己广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语 音传输等领域。5 0 年代后至9 0 年代早期的3 0 多年，电力线通信开始应用在中压和 低压电网上，其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理 等领域，但随着光纤通信和高速宽带网络的发展，导致没有出现大量的电力线通 信产品及服务。 低压电力线载波抄表显示出它独特的技术优势和成本优势：它不需要重新 布线，通信全部通过现有的电力线网络，成本的节省是可观的：另外电力线不传 递其他信息，因此可以独享带宽，做到实时监视控制，建立实时报表，完全可以 为电力的市场化提供信息支持。它作为抄表领域里一个新兴的技术，是对传统抄 表技术的一次技术革命，是未来抄表技术和电能管理的发展方向。因此它也得到 了很多有识之士的重视，目前大多数的电业局都在搞低压电力线载波抄表的试 点，普遍表示该技术的市场效益和社会效益都非常巨大，应用前景非常广阔。 这些潜在的巨大的市场利润的吸引，国内很多科研机构都投入了巨额资金 进行开发研究，至少有几百家涉及到该领域。这项技术的核心是电力线载波通信， 在这方面，欧美、日等发达国家走在前列，它们的研究非常活跃，i e e e 专门成立 了相关的分会。国外研究的重点放在高速宽带通信上，致力于“家庭自动化”和 “电力线上网”的研究，开发出来了很多电力线通信的专用芯片，在我国应用最 多的是i n t e l l o n 公司的p 2 0 0 0 日本研制出电力线m o d e m ，最高传输速率达到 3 m b i t s ，但发展的还不是很成熟，存在电磁兼容上的一些问题。国内在该领域 的研究起步晚，走的是引进、消化、吸收、创新的路子，并且由于国内的电力网 相比于欧、美、日，在电磁兼容的控制上非常的不力，电网非常的“脏”，这加 大了电力线通信的难度，到目前为止，还没有性能稳定的成熟产品出现，仅仅在 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 试点小区进行实验运行。 2 0 0 0 年4 月由思科、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 o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ，简称h p a ) ，致力于创造共同的家 用电线网络通信技术标准。此后，“家庭插电联盟”发布了该标准的第1 个版本 h o m e p l u g1 0 。在电力线家庭网络中，只需在事先安装好的万能插座上插入电 源插头即可构筑起l a n 。2 0 0 1 年5 月7 日，h o m e p l u g 电力线联盟结束了为期半年的 大规模p l c 现场试验，在美国和加拿大共进行了5 0 0 户室内联网试验和1 万次插座 至插座连接测试，取得了圆满成功。 德国电力公司r w e 电力线通信公司，2 0 0 1 年在巴西建立p l c 实验网络，测试 i n t e r n e t 接入和语音功能。2 0 0 0 年5 月2 0 0 1 年6 月，其p l c 试验用户数量为2 0 0 ， 还有一个学校参与试验。该公司宣布于2 0 0 1 年7 月1 日起开始进行p l c 商用化。2 0 0 1 年3 月德国电力工业巨头r w e 公司和它的合作伙伴瑞士的a s c o m 发起一项名 p o w e r n e t 的计划。根据这项计划，两家公司将向大约2 0 ，0 0 0 用户提供这种利用 电源线路的互联网接入服务。 1 3 基于o f d m 技术的超窄带抄表系统的特点 自动抄表系统，相对于其它的数据采集系统有不同的性能需求，并不需要 一味的追求高速，从而提高了设备的成本，占用了过多的频率资源。大部分自动 抄表系统性能要求如下： ( 1 ) 数据传输速率要求都不是很高。 ( 2 ) 数据量比较小。 ( 3 ) 读表的频率低，基本上一天读一次数据已足够了。 每个仪表的数据速率很低，数据量很小，所以只占用很窄的带宽。超窄带 ( u n b ，u l t r a n a r r o wb a n d w i d t h ) 数据传输技术正是应这种需要而产生的。每个 仪表只占用0 0 2 4 4 h z 的频率，即可完全性能要求，甚至可以再低到0 0 0 1 5 h z ， 在5 - - l o h z 的频带内可容纳3 0 0 0 个仪表终端发送数据。 电力线的频带资源也很有限，很宝贵。对于载波系统来说，低于1 0 0 h z 的 频谱范围是一个待开发的区域。几h z 的超低频率从用户到工作站传送的异常顺 畅，线路长短和电容种类几乎没有影响。这一波段对于别的应用毫无用处，对于 抄表系统非常合适，有数千个频道可供使用。 窄的频带允许载波低频操作。低频率可以通过变压器和电容到达电能所能 到达的任何地方，由于距离不是问题，基于这一技术的系统尤其适用于农村和遥 远的郊区。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 o f d m 技术是一种特殊的多载波传输方案，也可以被看作是一种调制技 术，也可以看作是一种复用技术。o f d m 把数据流分解成若干子比特流，用这 样的低比特流去调制相应的子载波( 这些子载波相互正交) ，构成多个低速率符 号并行发送的传输系统。 o f d m 技术有以下优点： ( 1 ) 、通过采用循环前缀的方法消除了符号间干扰( i s i ，i n t e rs y m b o l i n t e r f e r e n c e ) 。 ( 2 ) 、传统的频分多路传输方法是把频带分为若干个不相交的子频带来并 行传输数据流，各个子信道之间要保留足够的保护频带。而o f d m 系统各个子 载波之间存在正交性，允许予信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统 相比，o f d m 系统可以最大限度地利用频谱资源。 ( 3 ) 、各个子信道的正交调制和解调可以通过采用离散傅立叶反变换 ( i d f t ，i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 和离散傅立叶变换( d f t ，d i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ) 的方法来实现。在子载波数很大的系统中，采用快速傅立叶 变换( f f t ，f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) 和快速傅立叶反变换( i f f t ，i n v e r s e f a s t f o u r i e r t r a n s f o r m ) 来实现，随着大规模集成电路技术与d s p 技术的发展，i f f t 与f f t 都是非常容易实现的。 o f d m 系统由于存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道的 叠加，因此与单载波系统相比，存在一个很大的缺点：容易受到频率偏差的影响。 由于予信道的频谱相互重叠，从而对子载波之间的正交性提出了严格的要求。如 果o f d m 子载波之间的正交性遭到破坏，将导致子信道间干扰( i c i ，i n t e r - c h a n n e l i n t e r f e r e n c e ) ，这种对频率偏差的敏感性是o f d m 系统的主要缺点。 使用u n b 技术，就要求保持发送器和接收器使用精确的同一频率。而采 用o f d m 技术也对精确的频率提出了要求。电力线恰恰能够提供解决的办法。 尽管5 0 h z 的频率不够精确，但好在发送器和接收器两处都是相同的。参考通常 的5 0 h z 频率，可以轻而易举的获得精确的载波频率。 1 4 本文主要的研究工作 设计了基于o f d m 技术超窄带自动抄表系统模型，并用m a t l a b 软件对 模型仿真、分析、论证。在证明了其可行性后，应用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 实现该系统的接收端，并设计了接收的软件系统。进行了相应的调试工作。该系 统的发送端由另一位同学设计完成。 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道特性 第二章电力线信道特性 2 1 低压电力线的阻抗特性 输入阻抗特性是研究低压电力线信道特性的重要参数，研究输入阻抗对于 发送信号的功率要求有着重要的意义。 使用电力线网络来传输信息时，存在于网络中( 比如两线之间) 的阻抗大 小至关重要，一般来说，阻抗越小，信息传输需要的馈电越多。在供电频率附近， 电力线网络的阻抗取决于电流负载，因此阻抗是随时间不断变化的，它受到电压、 负载密度及用户群体行为的影响。 - i i i l l q i i t i i 图2 - 1 输入阻抗频率图 由上图可见，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大 而减小的变化规律，甚至有相反的结论。为说明这一现象，可以将电力线看作是 一条传输线，上面接有各种复杂的负载，这些负载以及电力线本身组合成许多共 振电路，在共振频率及其附近频率上形成许多阻抗低谷区。这些低谷区组合起来， 就形成图2 1 所示的图形，并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的 一般规律。同时，正是由于负载会在电力线上随机的联上或断开，所以在不同的 时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、 电容和电感组成的网络中，从不同的点看进去，输入阻抗显然是不同的。从图2 1 中可以看出，信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。同样，电力线上 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道特性 同一位置在不同时刻的输入阻抗，也随着接入负载的不同而发生变化。 由上图还可以看出，在低频带( i o o h z 以内) 阻抗很小，这也是5 一l o h z 的信 号只需要很小的功率，不需要中继器和线路调节就可以在低压电力线上传输几百 公里远。 低压电力线输入阻抗的剧烈变化，这一点使得发送端功率放大器的输出阻 抗和接收端的输入阻抗难以与之保持匹配，从而给电路设计带来困难，设计藕荷 器时，需要特别的考虑这个问题。 2 2 低压电力线的衰减特性 信号的衰减特性是反映信道通信特性的又一个重要参数，它代表了通信从 发送端到接收端的信号能量损失，在实践中为了方便表示，通常以其对数形式d b 表示，其中p 1 、p 2 分别代表发送信号功率和接收的信号功率。 a d b = l o l o g ( p 1 p 2 ) 一般来说，信号的衰减受到以下几个因素的影响： - 载波频率 电力线电缆类型及铺设位置 蕾地线的材料、长度及位置 传输方式及接入位置 t 天气条件 总的来说，信号传输的距离越远，衰减就越厉害。但是，由于电力线是非 均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会产生反射、 驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非 常复杂，有可能出现近距离点衰减比远距离点还大的情况。对于民用电网，其三 相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相上的衰减也 不同。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变，接在不同相上，通信 的误码率不同的结果 低压电力线对信号的衰减特性相当复杂，很难找出一个简单的计算公式来 计算信号的衰减，目前还只能定性的分析其特点，找出它的规律： 叠信号的衰减大小与时间密切相关，既具有很强的白天夜晚敏感性例 如，工业区，白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上1 8 ：0 0 到22 ：o 0 的衰减是最大的 信号的衰减与信号的频率大小有关，一般来说，信号的衰减相对于频率 天津大学硕士学位论文第二章电力线信道特嵯 0 2 0 - 4 0 6 0 - 8 0 51 01 5 2 02 53 0 频率撇 图2 - 2 低压电力线的衰减特性 的增加而增加，尽管这种增加并不是单调的。对于频率大于1 0 0 k hz 的信 号，m 1 c h e n l j r w d on a d l s o n 得出频率每增) j i 1 k h z 信号衰减增加o 2 5 d b 信号的衰减与信号的传输距离有关，一般情况下，信号传输的距离越 远，信号的衰减越大。 2 3 低压电力线的噪声特性 低压电力线上的噪声分为白噪声、周期性噪声、突发性噪声和由驻波造成 的频域窄带脉冲噪声四类。各种噪声的特性分析如下： 白噪声，在所有频率上具有相同功率密度的噪声成为白噪声。在低压电 力线上，无论任何时候，都会有白噪声存在，噪声大小与电力线材料的 温度成f 比。白噪声始终存在，将对电力线载波通讯产生很大影响。 与工频同步的谐波噪声，这种噪声的特点是周期性出现，且与工频同步， 其频率为工频5 0 h z 的整数倍。产生这种噪声的噪声源主要是电力电子设 备，如开关电源、变频设备等。 脉冲噪声，在低压电力线路中，来自空问和负载的干扰将产生噪声， 一般为脉冲噪声，如雷电影响、具有高频干扰的负载、导线接头接触不 良等。脉冲噪声随外界干扰而产生，较白噪声易于处理。 冲击噪声，冲击噪声的特点是很短的电压峰值，可能持续约0 o l 一0 1 m s ， 并且峰值会比较高。一般说来，这些冲击噪声是很少出现的单个事件， 它们通常由开关切换引起，且与周期性发生的事件不同。这种噪声发生 频率很低，因而对传输系统的影响不是很大。 窄带嗓声，这类噪声是由广播电台广播信号和电视台发射信号侵入电力 天津大学硕士学位论文 第二章电力线信道特性 线中造成的，还包括是电视机行频产生的1 5 7 34 k h z 噪声这种噪声在 一天时间中变化较大，通常在晚间要比白天要严重，这是由于晚间短波 信号强度较强造成的。由于窄带嗓声的来源固定，频谱恒定，功率变化 的时变性也不强，因此可以将其归入背景噪声。 本系统应用了超窄带技术，仅仅使用5 h z 的带宽，相当于提高了信噪比， 使其抗噪声的能力大大提高，且减少了发送端的功率，节约了成本，对电力线上 其它设备造成干扰的机会也更小。 另外，在系统设计中还应用了纠错编码技术，从而进一步提高了系统的抗 噪声能力，提高了系统的可靠性。 天津大学硕士学位论文 第三章o f d m 原理简介 第三章o f d m 原理简介 o f d m ，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 l e x i n g ) ， 是一种多载波传输系统。o f d m 技术与频分复用( f d m ，f 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 ) 技术很相似，与f d m 基本原理相同，o f d m 把高速的数据流通过串 并变换，分配到速率相对较低的若干个频率子信道中进行传输，不同的是，o f d m 技术中各子载波正交，使频谱利用率有所提高。 o f d m 与f d m 的差别如下： ( 一) 、对传统的f d m 系统来说，为了防止传输的信号之间产生干扰，两 个信道之间有较大的频率间隔作为保护频带。而在o f d m 系统中，子载波正交复用 技术大大减少了保护频带，提高了频谱利用率( 见图3 一1 ) 。 ( 二) 、f d m 系统中对各个信道没有同步要求。但使用o f d m 传播技术例如 d a b 系统中，各个子载波在时间和频率上同步，使子载波之间的干扰被严格控制。 这些复用的子载波在频域中交错重叠，但因为正交性且采用循环前缀作为保护间 隔，所以不会发生载波间干扰( i c i ，i n t e r c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ) 。 信道i 23 4 5678 9 1 0 3 1 0 f d m 基本原理 图3 一l 传统的f d m 与o f d m 的信道分配 3 1 1 0 f d m 的产生和发展 频率 o f d m 思想在2 0 世纪6 0 年代就已经提出 1 ，当时使用模拟滤波器来实现， ! 虹 天津大学硕+ 学位论文 第二章o f 删原理简介 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 一1 0 ( k a t h r y n ) 系统均采用了o f d m 技术，系统很 复杂，所以没有发展起来。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 将离散傅罩叶变换( 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需要的子 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调过程，从此以后，o f d m 技术应用得到了 飞快的发展。 o f d m 系统的典型框图如图3 2 所示。发送端将被传输的数字信号转换成子 载波幅度和相位的映射，并进行离散傅立叶反变换把数据的频谱表达式变换到时 域上。i f f t 变换与i d f t 变换的作用相同，只是计算效率更高。其中上半部分是 接收机链路，下半部分是发射机链路。 3 1 2 子载波正交原理 图3 - 2o f d m 系统框图 一组完备的正交信号集是： f 1 ，c o s q t ，c o s 2 q t c o s m q t ，s i n q t ，s i n 2 q t s i n n q t ， ， 它们在 0 ，t ，t = 2j i q 内组成完备正交函数集，满足如下条件： 埘甩 肌= h 0 ，拧= 以= 0 彪 m 汀f = 出rq鲫ms p p 天津大学硕士学位论文 第三章o f 咖原理简介 弦s m m 仅如疵r 衍= 协2 脚矗 1 1 1 = 丑0 r os i n n n t e o s t g 1 t d t = o ，对所有的m ，n 0 f d m 所发送的信号就是由不归零方波作为基带码型的比特流对上面的这 样一组正交信号副载波，调制而成的。接收机解调器也是由这样一组正交信号在 0 ，t 内分别与发送信号进行相关运算而解调的。 单个子载波的频谱是一个中心频率为f 的s i n c 函数，见图3 3 。 图3 - 3 单个子载波的频谱 图3 - 4 为包含4 个子载波的一个o f d m 符号。其中，四个子载波具有相同 的幅值和相位，当然，在实际应用中，根据数据符号的调制方式，各个子载波具 有不同的幅值和相位。从图3 4 还可以看出，每个子载波在一个o f d m 符号周 期内都包含整数倍个周期，而且各个相邻的子载波之间相差一个周期。 天津大学硕士学位论文 第三章0 f i ) m 原理简介 o i d m 子载波 图3 - 40 f d m 符号内包含四个予载波的情况( 时域) o f d m 系统子载波之间的正交性还可以从频域角度来解释。o f d m 系统中 的调制后子载波频谱可以看作是周期为t 的矩形脉冲的频谱与一组位于各个子 载波频率上的6 函数的卷积。矩形脉冲的频谱为s i n c ( f t ) 函数，见图3 5 ，这 种函数的零点出现在频率为1 厂r 的整数倍的位置上。图3 5 所示为相互覆盖的各 个子信道内经过矩形波形成型得到符号的s i n c 函数频谱。在每个子载波频率最大 值处，所有其他子信道的频谱值正好为零。 天津大学硕士学位论文 第三章o f 聊原理简介 o f d m 了载波频谱 图3 - 5o f d m 系统中符号的频谱图( 频域) 3 1 3 子载波调制 一个o f d m 符号之内包含多个经过相移键控( p s k ) 或正交幅度调制( q a m ) 的子载波。其数学表达式如下： 文d = 鼬 篓，- r e c t ( t 一舀一“2 ) e 冲【口撒卜回】 t s t t s 啊c s 一- ) 文d = r e 甜-一舀一“2 ) e x p 【口撒卜回】 t s t t s + t ( 3 一1 ) i 岛oj 奠f ) = 0 t t + t s f e e t ( t ) = 1 ，l t l 一 t 2 n 表示子载波个数，t 表示o f d m 符号的持续时间( 周期) ，d i ( i = o ，l ， 2 n - 1 ) 是分配给每个子信道的数据符号，f i 是第i 个子载波的频率。 把待传输的比特分配到各个子载波上后，根据选择的调制方式把它们映射 为子载波的幅值和相位。o f d m 系统输出信号的等效基带信号数学表达式如下： 天津大学硕士学位论文 第三章o f 蕊原理简介 n - i 力= 茁r e c t ( t t s 一2 ) e x p ( 口石号( r 一固) t s t t s + t( 3 2 ) 扫0 文力= o t t + t s 其中s ( t ) 的实部和虚部分别对应于o f d m 符号的同相分量和正交分量， 在实际系统中可以分别与相应子载波的c o s 分量和s i n 分量相乘，构成最终的子 信道信号和合成o f d m 符号。o f d m 系统基本模型框图见图2 - 6 ，图中f i = 佬“厂r 。 如 别竺卜 扣 1 卜日并7 审 枣 岳 且如 亘卜 一鼍。 啦叫扛母 图3 - 6o f d m 系统基本模型框图 3 1 4 用i d f t d f t 实现o f d m 的调制和解调 直接产o f d m 信号的方法，当n 很大的时候需要很多载波发生器、滤波器、调 制器和相干解调器，系统的复杂度是难以想象的。s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 在1 9 7 1 年发表的论文中指出o f d m 的调制解调可以利用n 点的i d f t d f t 来快速实 现，大大降低了系统实现的复杂度。 假设式( 3 2 ) 中的t s = 0 ，并且忽略矩形函数，这样的假设只是为了叙述简 洁。对信号0 以t n 的速率进行抽样： 即把t = k t n( k 卸，i ，2 ，n 1 ) 代入式( 3 - 2 ) 中得到下式： - 1 & = s ( k t a o 岩d i e x p ( j 2 j r i k l q ) ( o 七n 一1 ) ( 3 - 3 ) 0 可以看到s k 等效为对d i 进行i d f t 运算。在接收端为了解调出原始的数据 符号d i ，可以对s k 进行逆变换，即d f t ： 天津大学硕士学位论文 第三章0 f d m 原理简介 n - 1 d i = e x p ( - j 2 z i k i v ) ( o ，n 一1 ) ( 3 - 4 ) 0 由以上分析可见，o f d m 的调制和解调可以分别由i d f t 和d f t 来代替。 通过n 点的i d f t 运算，把频域数据符号d i 变换为时域数据符号s k 。 在o f d m 系统的实际运用中，可以采用更高效的d f t i d f t 算法即 i f f t ，f f t ，把运算量降低一个数量级。 3 1 5 保护间隔和循环前缀技术 o f d m 的一个重要特点是它可以有效地对抗多径时延扩展。串并变换后， 每一个调制子载波的数据周期扩大为原数据符号周期的n 倍，从而时延扩展与 符号周期的比值也同样降低n 倍。为了更好的消除符号间干扰，在每个o f d m 符号之间插入保护间隔( g i ，g u a r di n t e r v a l ) ，要求保护间隔的长度大于信道最 大时延扩展，这样一个符号的多径分量就不会对下一个符号产生干扰。可以采用 全零前缀，但是这种前缀只能消除符号间的i s i ，不能消除载波间的i c i 。为此 a p e l e d 和a ru i z 于1 9 8 0 年发明了循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 技术，解决 了这一问题。他们不是在符号间插入另外设计的保护间隔，而是插入o f d m 符号 的周期扩展。循环前缀有效地将信道与发送信号之间的线性卷积近似成循环卷 积，从而消除了载波间干扰( i c i ) 。图3 7 显示了保护间隔的插入。 # ， ， 保护 l f 卜1 输出 保护 、i f f t间隔 m 隔 咿阿 ， 时同 晶一 耳f t 图3 7 加入循环前缀的o f d m 符号 天津大学硕士学位论文 第三章o f d m 原理简介 3 2o f d m 中的关键技术 如前所述，o f 删系统具有很多的优点。但它也有一些缺点，在进行系统设 计时，必需采取措施，弥补这些缺陷。 1 、峰值平均功率比问题 在o f d m 调制系统中，输出信号峰值平均功率比( p a p r ) 大，与系统中载波个 数成正比。如果在大的峰值功率时出现非线性，会产生子载波间的交调干扰和带 外辐射因此，要求功率放大器的线性范围大，这样功放的效率就低。关于研究 和解决该问题的文献有许多，并提出了许多方法。一种简单的方法是编码前将原 始二进制数据进行随机化，避免有过长的连续“1 ”或“0 ”出现。本文对该问题 没有进行深入研究。 2 、同步问题 在o f d m 系统中，和其他数字通信调制系统一样，同步是一个最重要的问题 之一，需要可靠的同步技术。对同步错误非常敏感是对0 f d m 性能影响非常大的一 个缺点。频率漂移造成了信号的幅度较低以及带来了载波间的干扰。目前许多学 者都该领域潜心研究并取得了一定的成果。这才使得o f d m 技术能真正由理论走向 实用。 在单载波系统中，载波频率的偏移只会对接收信号造成一定的幅度衰减和 相位旋转，对于它的影响可以通过均衡等方法加以克服。而对于o f d m 系统来说， 载波频率的偏移会导致子信道之间产生干扰。如果不采取措施对这种i c i n g 以克 服，会对系统性能带来非常严重的“地板效应”，即无论怎样加大信号的发送功 率，也不能显著改善系统的性能。 3 2 1o f d m 系统同步技术的概述 o f d m 系统的同步技术包括时间同步和载波频率同步。 由于发送端和接收端的载波频率存在偏差，每一个在时间t 的信号样本都 包含未知的相位因子扩“。由于在本设计中并不需要把d a 转换后的信号再调 制到一个频率较高的载波上，所以对于载波频率的偏差所造成的影响及载波同步 的技术在此一笔带过。 发送端和接收端之间的采样时钟的偏差，导致每个信号样本都会一定程度 的偏离它正确的采样时间，这个偏差随着样本数量的增加而线性增大。举个例子， 对于l o o p p m 的晶体偏差，每1 0 0 0 0 个样本之后就会有一个样本大小的时问偏离。 如果一个符号包括1 0 0 个样本，那么在每个o f d m 符号里，一个采样的最大偏差就 天津大学硕士学位论文 第三章o f i ) m 原理简介 会达到1 。尽管时间偏差会破坏子载波之间的正交性，但是通常情况下可以忽略 不计。在本系统的设计中，当采样偏差超过一定的限度时，予以调整。 符号定时偏差和载波频偏会引入i s i 和i c i ，造成系统性能下降，因此在接 收端解调信号之前要对接收到的信号进行处理，即采用同步算法估计它的符号定 时偏差和载波频偏值，补偿偏差，尽可能使它们对系统性能造成的负面影响降到 最小。 目前己有多种o f d m 同步问题的解决方法，根据其原理基本上可分为两大方 向：基于数据符号的方法和非基于数据符号的方法，前者已在o f d m 系统中得到广 泛应用，根据采用的符号不同，它又可以分为两子类：基于训练符号的方法和基 于循环前缀的方法，这两种方法基本原理不同，在应用中各有优劣。非基于数据 符号的同步方法又称为盲同步技术，它不利用数据符号来进行同步，而是基于另 外一种思想。例如，基于虚子载波的同步技术，即利用实际o f d m 系统中存在的一 些空负载的子载波信道来实现同步。 同步过程通常分为两步：捕获和跟踪。捕获又称粗同步或初始同步，是对输 入信号的同步信息进行搜索，使收发双方的定时误差小于一个采样周期或相位偏 差小于子载波间隔：跟踪又称细同步或精同步，它是在捕获的基础上使收发双方 的定时误差或相位偏差进一步减小。 3 2 2 基于数据符号的同步算法 实际的o f d m 系统中，一般会在即将传输的数据帧中插入一些参考符号来标 记数据帧的起始位置。参考符号由一些易被接收端识别的符号序列组成，其作用 通常是用于信道估计或同步估计，如导频符号、循环前缀等。基于数据符号的同 步技术就是利用这些参考符号来实现符号定时偏差和载波频偏估计的。 1 、基于导频的同步算法 在基于导频信息的时域同步方法中，o f d m 用调频方式发送，系统中保留 了一些子信道作为传送导频之用。这些子信道的相位与幅度都是己知的。在执行 算法时将对这些子信道进行编码。算法包括三部分：功率检测、粗同步( 又称捕获) 和精同步( 又称跟踪) 。 在功率检测中，接收端将检测接收到的信号功率，并将之与门限相比较， 从而判断o f d m 信号是否己经到达接收端。在粗同步阶段，将实现定时误差控 制在士0 5 个抽样值以内。这时的性能还远不够，但这一步将有助于精同步( 即跟 踪) 的实现，因为精同步算法的前提是定时错误很小。粗同步是通过将接收信号 天津大学硕士学位论文 第三章o f 删原理简介 与储存在本地的复制的同步信号做相关运算来实现的。为了足够精确的找到相关 峰，可以采用数字滤波器，以几倍于原始数据的速率来提供以内插值替换的数据 值。在精同步阶段，每个子信道都有其导频信息，每个子信道都由导频信息 提供的信道特征进行均衡。由于粗同步已经保证定时错误在士0 5 个符号持续时 间以内，信道中的冲激响应就应己经落在c p 以内。导频子信道上剩下的相位错误 是由定时错误引起的，可以通过线性回归来估计。 2 、基于循环前缀的同步算法 为了减小或消除i s i ，在o f d m 符号中插入保护间隔( c p ) 。保护间隔取符号尾