（电力电子与电力传动专业论文）ofdm技术研究及其在电力线高速数据通信中的应用.pdf

武汉大学硕士学位论文a b s l 姒c t a b s t r a c t o f d mi sa l le f f e c t i v ew a yt oc o m b a tt h en e g f l t i v ee f f e c t so ff a d i n g ， m l l l t i - p a 也a n dn o i s e t h ei d e a lo fo f d mi st os p l i tt h ed a ms t r e a mt o b e t r a n s m i t t e di n t onp a r a l l e ls l l e a m so fr e d u c e dd a t ar a t ea n dt ot r a m m i te a c ho f t h e mo na s e p a r a t e s u b - c a r r i e r t h e s ec a r r i e r sa r em a d eo r t h o g o n a lb y a p p r o p r i a t e l yc h o o s i n gt h ef r e q u e n c ys p a c i n gb e t w e e nt h e m t h e r e f o r e ，s p e c t r a l o v e r l a p p i n ga m o n gs u b c a r r i e r si sa l l o w e d , g i v i n gab e t t e rs p e c t r a le f f i c i e n c y o f d mi sab r o a d - b a n dh i g h - s p e e dt e c h n o l o g yi nf u t u r ew i r e l e s sa n dm o b i l e c o m m u n i c a t i o n i ti sa l s ot h em o s ta t t r a c t i v ew a yi nh i g h - s p e e dp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e li np o w e rl i n ea n d t w op o s s i b l es o l u t i o n so fh i g h - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o ni np o w e rl i n e - s p r e a d f r e q u e n c ym o d u l a t i o na n do f d m t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o ft w os o l u t i o n sa r ec o m p a r e d o f d mi so n l yt h ew a yi nh i g h - s p e e dp l c w h o s es p e e di sb e y o n d1 m b s t h ep r i n c i p l eo fo f d ma n dt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o no fo f d m a l ed e s c r i b e d t h e n ，t h ek e yt e c h n i q u e so fo f d ma r ed i s c u s s e d o n ei sp e a k t 0 - a v e r a g ep o w e rr a t i o ( p a p r ) t h es o l u t i o n so fr e d u c i n gp a p ra r eb r o u g h t f o r w a r d ，o n eo fw h i c hi sm s e q u e n c em o d u l a t i o nu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co f m s e q u e n c e t h eo t h e ri ss y n c h r o n i z a t i o n t h ee m p h a s e sa r et h a te x p a t i a t e so n t i m e o m e ns y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c y d o m a i ns y n c h r o n i z a t i o nm a k i n g u s eo ft h ec o r r e l a t i o no fc y c l ep r e f i x ，a n di t sa r i t h m e t i c sa r ef i g u r e d t h e p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e mi ss i m u l a t e di nm u l t i p a t hc h a n n e la n dg a u s s c h a n n e lu s i n gs y s t e m v i e w s o m eq u e s t i o n si nt h i ss i m u l a t i o np r o c e s sa r es e t t l e & ah a r d w 扣- et e s t i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e di no r d e rt ot e s t i f yo f d m i t sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d f f ta r i t h m e t i ca n dc o n s t e l l a t i o nm a p p i n gp r o g r a m a r et e s t i f i e di ni t t h ec h a r a c t e r i s t i co f p o w e rl i n ec h a n n e li ss i m u l a t e du s i n gt h e i i 武汉大学硕士学位论文 a b s t r a c t m o d u l ew h i c hs i m u l a t e sp o w e rl i n ec h a n n e l - - n o i s e 、c h a n g i n gi m p e d a n c ea n d f a d i n g r a n d o md a t ai st r a n s m i t t e dt h r o u g ht h ec h a n n e li no r d e rt ot e s t i f yt h e t e s t i n gs y s t e mi s f i tf o rt h eb a dp o w e rl i n ec h a n n e l f i n a l l y , i n t e g r a t e dc h i p i n t 5 1 3 0b a s e do i lo f d m i si n t r o d u c e d t h ep r i m a r yd e s i g ni np o w e rl i n ei s c o m p l e t e dw i t hi n t 5 1 3 0a n di n t l 0 0 0 k e y w o r d ： o f d mf f r s y n c h r o n i z a t i o n p a p rs i m u l a t i o n t e s t i f y i - 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 y1 0 0 7 0 3 0 本人郑重声明：所呈交的申请硕士学位的论文是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：物渗裘 日期：3 簟；年s 月倍日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密匹z 在a 年解密后使用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 作者签名： 导师签名： 杨旋晃日期：幻吗年歹月偌日 日期：如哆年，月了日 敞 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代通信技术的发展正在使人类进入一个新的信息化时代。近年来， 数字信号处理技术和射频电路制造技术取得了显著的进步，通信技术在这 些进步的推动下获得了巨大的发展。无论是在易实现性上还是在数据传输 能力上，许多新技术都将占据更多的优势。多载波调制便是其中的一种新 技术。 传统的数字传输方式属于串行通信方式，传输数据只对单个载波进行 调制，即数据只有一个传输信道。传输的速率越高，符号持续的时间就越 短，也就更容易受到多径延迟的干扰。而并行传输是把传输的信息分配给 许多基本的子信道，使每个子信道的传输速率变低，这样就把高选择性的 宽带信道变成了许多非选择性的窄带信道，窄带信号间进行频分复用。由 于可以通过增加信道数来增加符号周期，所以可以解决符号间干扰问题。 多载波调制实质上是一种并行传输方式。 应用在有线传输环境中的多载波技术通常被称为d m t ( d i g i t a i m u l t i t o n e ) ，在无线传输环境中，多载波技术的典型代表是o f d m ( o r t h o l o g o n mf r e q u e n c yd i v i m o nm u l t i p l e x i n g ) ，本文对多载波技术的讨论 集中于o f d m 。o f d m 属于并行传输方式，其独有的特点是各信道信号频 谱互相重叠，无需传统数字传输系统所需的谱成型滤波器，频谱利用率达 到奈奎斯特无码间干扰传输理论的极限值2 波特赫。o f d m 子信道的频谱 虽然相互重叠，但每个子信道的频谱在其他子信道频率中心点处却为0 ，这 样就保证了各个子信道的中心频率点不存在任何其他子信道的频谱干扰。 但是偏高中心频率点，就会发生信道频谱间干扰。因此，o f d m 系统的传 输性能对收发载波间的频率偏差很敏感。只有收发频率偏差保持在一个很 小的范围，信道频谱间干扰才不会对系统性能产生明显的不利影响。 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2o f d m 的历史和国内外技术发展状况 频分复用( f d m ) 技术早在上个世纪5 0 、6 0 年代就已经被应用到军事上， 而正交频分复用技术的发展历史可追朔到上个世纪6 0 年代1 5 】。对o f d m 技 术发展贡献最大的是w e i n s t e i n 和e b e t t ，他们于1 9 7 1 年提出了利用离散傅 氏正反变换( i d f t 和d f t ) 实现基带信号的调制和解调，使得实现o f d m 技 术变得简单，解决了o f d m 技术的工程可实现问题。但是，由于当时实现 该技术的费用非常高，因此，一直未被人们所关注。接着，s a l t z b e r g 研究 了在多载波系统中子载波信道之间干扰问题，分析了将正交幅度调制 ( o q a m ) 应用于多载波系统中的性能。今天，随着数字信号处理和微电子技 术的高速发展，o f d m 技术已受到人们的高度重视。 进入八十年代，随着集成电路工艺技术的迅速发展，开始研究o f d m 高速调制解调器在移动通信领域中的应用。用于电话网的不同速率的 o f d m 调制解调器相继研究出来，不过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 开始应用于宽带通信和广播领域。o f d m 已成功 用于欧洲数字音频广播，信道数据率z 4 1 v i b s ，子载波调制方式为q p s k ， 信道带宽1 6 m h z 。目前欧洲数字电视的地面广播系统己把o f d m 作为传 输方式，有效数据率4 9 8 m b s - - 一3 1 6 7 m b 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 其中之一或者任意组合，信道带 宽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，多家科研院所正在加紧开发。 o f d m 技术也应用于电力线高速数字通信，虽然o f d m 技术在电力线 高速数字通信应用刚刚开始【3 6 1 。下面重点介绍o f d m 技术在电力线通信领 域的研究状况。目前，采用o f d m 技术的公司有美国i n t e l l o n 公司 3 4 1 , w l l a n 公司【3 3 1 、德国p o l y t r a x 公司和i n a r i 公司 3 s l 的第三代1 0 m b s 芯片组等。美 国i n t e l l o n 等6 1 家公司组成家庭插座电力线联盟( t h e h o m e p l u g p o w e r l i n e 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 a l l i a n c e ) ，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭( d i g i t a lh o m e ) 。最近， 该联盟研究附中、低压配电网高速数据通信的关键技术一多载波正交频 分复用技术( o f d m ) 取得了突破，于2 0 0 0 年1 月4 日进行了组网实验，研 究实验结果表明，可以在配电网电力线上实现1 4 m b s 的数据传输，相应的 基于o f d m 技术韵p l c 产品也已推出。 美国i n t e u o n 公司在采用扩频技术( s s c p 3 0 0 ) 实现了电力线上的高速数 据传输率之后，为了进一步提高数据传输率，采用正交频分复用( o f d m 】 技术作为新一代电力线高速数字通信专用集成电路的核心技术，推出了基 于o f d m 技术的d r r 5 1 3 0 芯片集，这项技术利用o f d m 技术，实现多载 频传送数据，解决了多重反射问题，而多重反射一直是电力线通信的主要 干扰源。德国p l o y t r a x 公司一直致力于电源线连网技术研究，将d s p 技术 作为实现电力线数字通信的核心技术。该公司的第一代产品采用传统的 f s k 调制技术，仅适合在c e n e l e c 标准的d 频段工作，最大数据传输率 为2 5 k b s 。它的第二代产品采用了q a m - - o f d 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，该产品在信 噪比( s n r ) 等于2 5 d b 时，数据传输率能够达到1 5 0 k b s 。近来，为了满 足市场对高速数据传输率的需求，该公司开始第三代产品的研究，第三代 产品仍然采用o f d m 技术，但是，其工作频段突破了c e n e l e c 标准的限 制，在5 0 0 k h z 以上的频段工作，数据传输率可以达到2 5 m b s 。 除了上面介绍的几家公司，还有许多公司正在发展基于o f d m 技术的 电力线数字通信研究。如美国w i l a n 公司发展的w o f d m 和i n a r i 公司 正在发展的多通道o f d m 技术。在理论研究方面，“电力线通信及应用国 际研讨会”( i s p l c ，i n t e m m i o n a ls y m p o s i u mo np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a n di t sa p p l i c a t i o n s ) 展现了一些令人兴奋的成果。例如，l a m p e 、h u b e r 等 研究了o f d m 技术应用于电力线通信的带宽效益问题p ”。他们假设了发送 端不知道信道特性，而接收端采用相干和不相干接收技术，然后，在此前 提下，研究了在动态信道传输函数的情况下，不同调制方法的带宽效益。 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 p a t r i c k 等研究了o f d m 技术应用于电力线通信的同步问题 3 8 1 。他们讨论了 引起o f d m 符号不同步的各种原因，将不同步的错误分为静态和动态两种， 相应地提出了两阶段同步算法，即捕获和跟踪算法。m a r i a n a 等提出了一种 适合p l c 网络的，且针对基于o f d m 技术物理层的m a c 层协议结构，讨 论了面向连接盼服务一电路交换和面向非连接服务包交换的m a c 层结 构特性口9 1 。从i s p l c 发表的论文上，适合电力线高速数字通信的主流技术 是扩频通信技术和o f d m 技术。相对扩频技术，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，是非常适合电力线高速数字通信，且具 有发展前景的- - 1 7 新兴技术。目前，o f d m 技术应用于电力线高速数字通 信还刚刚开始，还存在许多问题，其中最主要的问题是到目前为止还没有 制定出相应的标准规范。 1 3 低压电力线信道和p l c 通信 1 g 1 低压电力线信道的特性 低压电力线信道特性十分恶劣 9 1 。对数字载波通信影响严重的干扰源主 要有：信道噪声、信道衰耗，多径效应和阻抗变化较大。 已有的研究结果表明，噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优 质传输的主要障碍之一。一般来说，影响电力通信质量的噪声主要有以下3 种：背景噪声一分布在整个通信频带；周期性噪声包括周期性的连续干 扰和周期性的脉冲干扰；突发性噪声一用电设备的随机接入或断开而产生。 研究表明，脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。有文献统计 出，脉冲干扰的强度最大可达4 0 d b m ，如此强的干扰将给通信带来致命的 伤害，以致于在接收端根本无法识别出发送的信号。 低压电力网所连接的设备数量巨大、种类众多，整个网络的阻抗处于 动态变化之中，这必然会造成许多用电设备工作在阻抗不匹配的状态下。 如果某些设备阻抗不匹配，信号到达该处时必然会产生反射，这样一来， 有用信号就可能经过若干条不同的路径到达接收点。由于信号在每条路径 武汉大学硕士学位论文第一章绪论 上经历的时间不同，在接收点就会发生多径效应，信号的延迟对有用信号 形成干扰。当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略：如果延迟较长， 就会对有用信号产生严重前码间干扰( i s o 。 同时，由于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不 匹配，所以信号会产生反射、谐振等现象，使得信号的衰减变得极其复杂。 总的说来，信号的衰减随着传输距离的增加而增加。同时，信号的衰减与 频率、工频电源的相位有关，一般来说，随着频率的增加，信号的衰减也 将增加，而在某些特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响， 衰减会出现突然剧增。衰减值通常为2 0 d b 一3 0 d b ，最高不超过5 5 d b 。 低压电力线直接面向用户的特点导致其干扰具有随机性和时变性，这 是低压载波通信面临的又一挑战。由于用户负荷的随机接入和切除，网络 结构的变化以及不可抗拒的自然因素使得其干扰表现出很强的随机性和时 变性，从而难以找到一个准确的数学模型来加以描述。 1 3 2p l c 技术的发展 电力线通信是通过电力线载波方式来传送网络信息。其历史可追溯到 2 0 世纪2 0 年代。那时，主要集中在l l 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。到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 显示、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 中，电力线通信开始应用在中压和低压电力网络。 低压电力线载波通信的研究，在美、德、英等国家已取得了突破性的 进展。最早提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻 斯特的一家地区性供电公司n o r w e b ，n o r w e b 公司在完成世界上首次 配电网上的2 5 个终端用户的电话与数据通信试验后( 1 9 9 2 一1 9 9 3 年) ，己 开发出2 m h z 带宽内传输速率为l m b s 的系统。1 9 9 3 年，英国s w e b 公 司成功地在一地区性有限遥测系统( 砌“s ) 中采用中、低压配电网进行两 路数字载波通信，将已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 水、天然气、电能的自动抄表等功能。 目前电力线载波主要采用2 种技术( 8 j ，即扩频通信( s s c ：s p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 技术和正交频分复用( o f d m ) 技术。在英、美 等国，扩频技术的使用已有现场试验的报告，a b b 公司已成功开发出基于 跳频方式的低压电力载波通信系统d a r t n e t ( 1 9 9 9 年) ，其信号传输速率为 1 2 k b s 。至于扩频芯片，据i n t e l l o n 公司最新报道，其p o w e rp a c k e t t e c h n o l o g y 信号传输速率已达1 4 m b s 。以此为背景，其o f d m 技术也取 得了突破性进展，组网试验中己可实现速率为1 4 m b s 的数据传输。在我国， 清华大学已研制成功基于s s c 技术的配电网通信实验平台，可在两台计算 机之间通过2 2 0 v 低压电力线实现文件或数据的传输，速率为1 0 k b s 。美、 德、法等国家已提出家庭插座( h o m e p l u g ) 计划，旨在推动以电力线为传 输媒介的数字化家庭( d i g i t a l ) 。可以预见，低压电力线载波通信技术必将 成为新的研究热点，它已经引起了世界各国的广泛关注。 1 3 3p l c 的两种解决方案和比较 l 、扩频( s s c ) 技术 扩频通信就是用伪随机编码将待传送的信息数据进行调制，实现频谱 扩展后再传输，在接收端则采用同样的解码进行解调及相关处理。其基本 原理图如图1 1 所示： 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 扩频通信中频谱的扩展是直接由高码率自每扩频码序列进行调制而得到 的。发送端输入的数字信息，经过信息编码形成数字基带信号，然后由扩 频码发生器产生阿扩频码序列去调制以展宽信号的频谱，再经过载波调制 发送到电力线通道上。扩频码序列多采用伪随机码g n 码1 序列，该序列有 较优良的自相关和互相关特性。在接收端收到的含有噪声的宽带信息信号， 先经过解调，然后通过本地产生的与发送端相同的扩频码序列进行相关解 扩，再经过窄带滤波、信息解码，恢复成原始信息输出。而信息中含有的 噪声经过解扩后，频谱扩展，功率密度减小，经过窄带滤波后噪声功率减 小很多。 香农公式c = v 旷i 0 9 2 ( i + s n ) ( 其中：c 为信道容量，w 为频带宽度，s n 为信噪比) 指出，频带w 和信噪比s n 是可以互换的，这意味着如果增加 频带的宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的 差错概率来传输信息。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通 信的核心所在。 就低压电力载波通信而言，应用扩频通信的主要优点如下： ( 1 ) 频谱密度低，电磁辐射小 由于扩频通信在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功 率谱密度，降低了电磁辐射的发射功率，削弱了对其他通信系统的干扰。 ( 2 ) 抗干扰性强，误码率低 扩频通信在收端采用相关检测的办法解扩，使有用宽带信息信号可恢 复成窄带信号，而各种形式随机干扰，解扩后仍然保持其宽带性。这样， 通过窄带滤波技术提取有用信号时，各种干扰信号只有很微弱的成份，信 号的信噪比很高，抗干扰性增强。 ( 3 ) 可以实现码分多址 可充分利用了各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互 相关特性，来区分不同用户的信号，实现同时通信。 ( 4 ) 安装简便，易于维护 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 2 、正交频分复用( o f d m ) 技术 o f d m 的原理是将编码后的串行数据转换为并行数据，采用频率上等 间隔的n 个载波分别进行调制，调制后的n 个子载波的信号相加后同时发 送，这样每个符号的频谱只占可用信道带宽的一小部分。通过选择载波间 隔，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性，各子载波上的信 号在频谱上相互重叠，接收端利用载波之间的正交性可以无失真的恢复发 送信息。o f d m 的基本原理将在第二章详细提到。 o f d m 技术应用于电力线通信的优越性表现在以下方面： c i ) 频带利用率高 常用的并行传输系统采用频分复用调制方式，由于在实际应用中难以 制作适当的奈奎斯特滤波器，带宽利用率很少超过8 0 ，限制了信道的传 输容量。o f d m 系统中，各子载波频谱在一个码元周期上具有正交性。当 码元由矩形脉冲组成时，每个子载波的频谱为s i n x x 型，其峰值所在处为 其它子载波的零点。o f d m 所有子载波信号叠加到一起时，信号频谱接近 于矩形频谱，因而其频谱利用率理论上可以达到香农( s h a n n o n ) 信息论的 极限。 ( 2 ) 抗i s i 干扰能力强 在电力线信道中，由于多径效应的存在，将有多个信号经过不同路径 并有着不同的时延到达接收机，造成符号间干扰。o f d m 将高速串行数据 分割为n 个子信号，分割后码元速率降低，周期延长。当数字符号周期大 于最大的延迟时间就可以有效地减弱多径传播的影响。必要时可以在码元 间插入保护间隙，只要保护间隙大于晟太的传播延迟时间，这样就可以避 免码间串扰。 ( 3 ) 抗信道衰落 电力线信道是一种时变衰落信道，存在着由于多径传输所引起的频率 选择性衰落。高速串行传送码元时，深衰落会导致邻近的一串码元被严重 破坏，造成突发性误码。在o f d m 中由于并行数据码元周期很长，一般大 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 于深衰落的延续时间，并行码元只是轻微的受损。在电力线信道中，衰落 通常发生在某一个频率上，加入纠错编码就可以恢复，这通常被叫做 c o f d m 。 ( 4 ) 抗噪声干扰 o f d m 对电力线信道噪声干扰的克服是通过子信道分配来实现的。干 扰信号耦合到电力线信道中时，干扰的幅值可能足够大以至于超过了 o f d m 信息的信号，当信噪比低于系统要求的门限值时，关闭该干扰所在 的子信道就可避免干扰。o f d m 通过开启或关闭子载波来重新分配子信道， 因而数据可以仅在能够传输的频谱内传输，从而保持合适的误码率。 3 、扩频通信和o f d m 在电力线通信应用中性能的比较 使用传统调制技术应用于电力线载波通信中主要存在的问题是各种噪 音和干扰对通信质量的影响和带宽限制对传输速率的制约。扩频通信和 o f d m 技术都具有抗干扰能力强，通信速率高的优点。然而由于他们的调 制原理不同，在实际应用中又存在一定的差异： ( 1 ) 发射功率 扩展频谱方式的发射功率小，频谱密度低，对其他通信方式的污染小。 o f d m 技术中为防止误码信噪比必须达到一定的门限，因此发射功率相对 较高。 ( 2 ) 调制效率 o f d m 中各子载波信号的功率谱重叠，所以具有很高的频谱利用率。 在一定的带宽要求下，采用o f d m 调制可以最大限度地利用频带，提高传 输速率。因此o f d m 比扩频通信具有更高的频谱利用率，适宜带限信道的 传输。 ( 3 ) 抗干扰能力 0 f d m 的抗干扰能力是通过子信道分配来实现的，o f d m 方式中必须 采用预适应装置来划分子信道，这使得o f d m 的实现比较困难，使用成本 上升。扩频系统的抗干扰能力是由其调制原理决定的，不需增加额外的装 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 置。 ( 4 ) 抗多径能力 o f d m 本身由于其码元周期长，多径效应的影响就小，加之采用保护 间隔，从而可以有效克服多径效应引起的码间干扰和信道衰落。在电力线 扩频通信要达到1 m b s 以上的传输速率，由于码速很快，要实现r a k e 接收 难度很大，电力线扩频通信对多径效应的抑制主要靠相关解扩来削弱多径 干扰，并采用一定纠码技术来克服多径效应的影响。 ( 5 ) 用户容量 因o f d m 各子载波间相互正交，在带宽相同的情况下，o f d m 系统的 容量较扩展频谱系统的容量高。 通过比较扩频通信和o f d m 两种调制方式的特点，并分析电力线通信 应用中的要求我们得到以下几点结论： ( 1 ) 在频带严格限制的系统中，采用o f d m 调制技术并结合适当的编码 技术可以得到最大的传输容量。 ( 2 ) 对于超过1 m b s 传输容量的系统，o f d m 技术更能体现其带宽利用 率高、抗多径干扰能力强的优势，是电力线通信中比较适宜的技术。 1 4 论文的研究范围及内容的安排 1 4 1 本论文的实际工作 因为o f d m 技术具有频谱利用率高，可以有效的克服多径干扰和高噪 声的特性，所以o f d m 技术得到越来越多的关注。本论文主要的工作如下： 1 、查阅了大量的国内外有关文献资料，论述了o f d m 技术的发展和 现状，特别在电力线通信中应用的情况。 2 、全面介绍了应用于电力线高速数字通信中的两种技术一一扩频技术 和o f d m 。在深入研究的基础上，比较了这两种技术应用于电力线通信的 优缺点，提出用o f d m 技术实现电力线高速数字通信是最适合的选择。 3 、着重论述了o f d m 技术的两大难题一一峰均功率比和同步技术。 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 根据m 序列的自相关性和1 、0 比特出现的统计概率为1 2 这两个特性，提 出运用m 序列来降低峰均功率比。对于同步技术，着重论述了符号同步， 提出利用循环前缀带来的相关性在时域内进行时域同步和采用导频在频域 内完成同步调整的频域同步，并推导了同步算法。 4 、用s y s t e m v i e w 通信仿真软件搭建了一个o f d m 仿真系统，对多径 传播条件下o f d m 系统的同步和子载波调制采用不同技术的方案进行了仿 真，并解决了在仿真中遇到的有关问题。 5 、设计了一个o f d m 验证硬件平台，并完成其软件的编写。利用此 验证平台，验证设计中的f f t 算法程序和星座映射程序，并通过模拟低压 电力线信道的某些特性，对o f d m 技术是否适应于恶劣信道进行了验证。 6 、采用基于o f d m 技术的集成芯片i n t 5 1 3 0 ，完成了低压电力线 o f d m 通信系统的初步设计。 1 4 2 本论文的内容安排 本论文主要深入研究了o f d m 技术及其关键技术，并利用s y s t e m v i e w 通信软件自行建立了一个计算机仿真系统，为此建立了一个d s p 硬件验证 系统，最后介绍了基于o f d m 技术的集成芯片矾t 5 1 3 0 ，完成了低压电力 线o f d m 通信系统的初步设计。 第一章首先介绍了o f d m 技术的历史和国内外技术发展的情况，然后 重点分析了电力线信道的特点和阐述了当今用于电力线高速数字通信的两 种方案一一扩频技术和o f d m 调制，并且比较了这两种方案。 第二章论述了o f d m 的基本原理和o f d m 的调n 解调实现方案，以及 o f d m 系统的性能。 第三章重点阐述了o f d m 中的关键技术。峰均功率比较高是o f d m 技 术实用化的一大障碍。本文中首先给出了峰均功率比的定义，然后提出用 m 序列降低峰均功率比这一方法。同步技术是o f d m 技术中的另一大难点， 在本文中主要推算了基于循环前缀的符号同步算法，包括时域同步和频域 同步。 武汉大学硕士学位论文 第一章绪论 第四章主要利用s y s t e m v i e w 通信软件搭建o f d m 仿真系统，进行计算 机仿真。首先介绍了s y s t e m v i e w 通信软件的基本情况及其优点，然后利用 s y s t e m v i e w 搭建了一个o f d m 仿真系统，给出了经过仿真得到的误码曲线 图，并解决了仿真中遇到的有关问题。 第五章设计o f d m 的模拟验证系统。分析了在此设计中的硬件结构和 软件流程，介绍了部分模块的程序，最后模拟电力线信道的噪声、阻抗失 配和衰减大的特性进行调试以此来验证所设计的系统。 第六章介绍了i n t e l l o n 公司提出的基于o f d m 原理的p o w e r p a c k e t 技术； 提出了利用电力线载波通信芯片i n t 5 1 3 0 、i n t l 0 0 0 完成了低压电力线通信 系统的初步设计。 第七章是总结和应进一步考虑的问题。 武汉大学硕士学位论文 第二章o f d m 的基本理论 第二章q f 蹦的基本理论 正交频分复用o f d m 的概念源自频分复用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 ) 及多载波通信m c ( m u l t i - c a r r i e rc o m m u n i c a t i o a ) 技术。f d m 在电话网中应用十分普遍，它用不同的频率信道携带不同的用户信息，每 个信道由传输的中心频率来识别，为保证相邻信道的信号不相互干扰，在 不周的信道闫常插入保护间隔。m c 与f d m 基本思想一致，采用多个载波 信号，将要传输的数据流分解成多个比特流，每个子数据流具有低的多的 传输比特速率，并且用这些数据流去并行调制多个载波。显然，在多载波 调制的子信道中，数据传输速率降低，信号波形加长。多载波调制可以通 过多种技术途径来实现。如o f d m 、多音实现( m u l t i - t o n er e a l i z a t i o n ) 、 m c c d m a 、编码m c m ( c o d e dm u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ) 等等。 其中的o f d m 就是在m c 的基础上，使不同的子载波间相互正交，有 利于克服f d m 中频谱效率低的不足。 2 1o f d m 基本原理 o f d m 是一种高效调制技术，其基本原理是将发送的数据流分散到许 多个子载波上，使各子载波的信号速率大大降低，从而能够提高抗多径和 抗衰落的能力。为了提高频谱利用率，o f d m 方式中各子载波频谱有1 2 重叠。但保持相互正交，在接收端通过相关解调技术分离出各子载波，同 时消除码间干扰的影响。 0 f d m 信号可以用复数形式表示为： m - i j o ( f ) = 艺如o ) p “ ( 2 1 - 1 ) t 0 式中w 。= w c + m a w 为第m 个子载波角频率，d m ( t ) 为第m 个子载 波上的复数信号。如( ，) 在一个符号期间上为常数，则有 d 。( t ) = d 。 ( 2 1 2 ) 武汉大学硕士学位论文第二章o f d m 的基本理论 若对信号s o f d m ( f ) 进行采样，采样间隔为t ，则有 s o f o m ( 七乃= d ，p “”= d 。g 鹏”“”7 ( 2 1 3 ) 假设一个符号周期t 内含有n 个采样值，即 t = n t ( 2 1 0 ) o f d m 信号的产生是首先在基带实现，然后通过上变频产生输出信号。 因此，基带处理可令w c = 0 ，则式( 2 1 3 ) 可简化为 s ，( t r ) = d 。p 。” ( 2 1 5 ) 将上式与离散傅立叶反变换( i d f t ) 形式 g ( k r ，= 羹g c 寺”( 2 1 - 6 ) 相比较可以看出，若将以0 ) 看作频率采样信号，贝i js o f t z x ，( k t ) 为对应的时 域信号。比较式( 2 1 5 ) 和式( 2 1 6 ) n - i 以看出，若令 ，：l ：上( 2 1 7 ) ? ，： 则式( 2 1 - 5 ) 和式( 2 1 6 ) 相等。 由此可见，若选择载波频率间隔v = ，则o f d m 信号不但保持各 i j 子载波相互正交，两且可以用离散傅立叶变换( d f t ) 来表示。 在o f d m 系统中引入d f t 技术对并行数据进行调制和解调，其子带频 谱是垩坚函数，o f d m 信号频谱结构如图2 - l 所示。o f d m 信号是通过基 带处理来实现的，不需要振荡嚣组，从而大大降低了o f d m 系统实现的复 杂性。 武汉大学硕士学位论文第二章o f d m 的基本理论 飒 c b 】 图2 - 1o f d m 信号频谱结构 ( a ) 单个o f d m 子带频谱( b ) o f d m 信号频谱 2 2o f d m 信号调制与解调 o f d m 信号的产生是基于快速离散傅立叶变换实现的，其产生原理如图 2 - 2 所示。图中，输入信息速率为r 。的二进制数据序列先进行串并变换。 根据o f d m 符号间隔t ，将其分成c 。= r 。正个比特一组。这c 个比特被分 配到n 个子信道上，经过编码后映射为n 个复数子符号五，其中子信道k 对应的子符号_ ，k 代表钆个比特，而且 c i2 b 。 ( 2 2 1 ) 图2 2o f d m 信号产生原理图 在h e r m i t i a n 对称条件： x k = j ：一，o k 2 n k ( 2 2 - 2 ) 的约束下，2 n 点快速离散傅立叶反变换( i f f t ) 将频域内的n 个复数子符 号噩变换成时域的2 n 个实数样值x 。( k = o ，1 ，2 ，2 n 一1 ) ，加上循 环前缀= x 2 n + k ( k l ，一j ) 之后，这2 n + j 个实数样值就构成了实 武汉大学硕士学位论文 第二章o f d m 的基本理论 际的0 f d i 发送符号。屯经过并串变换之后，通过时钟速率为厂l = 兰羔的 。 l j d a 转换器和低通滤波器输出基带信号。最后经过上变频输出o f d h i 信号。 o f d m 信号接收端的原理图如图2 - 3 所示，其处理过程与发送端相反。 接收端输入0 f d m 信号首先经过下变频变换到基带，a d 转换、串并变换后 的信号去除循环前缀，再进行2 n 点快速离散傅立叶变换( f f t ) 得到一帧 数据。为了对信号失真进行校正，需要对数据进行单抽头或双抽头时域均 衡。最后经过译码判决和并串变换，恢复出发送的二进制数据序列。 出 图2 - 3 0 f d m 信号接收原理图 由于o f d m 采用的基带调制为离散傅立叶反变换，可以认为数据的编 码映射是在频域进行的，经过i f f t 变换为时域信号发送出去。接收端通过 f f r 恢复出频域信号。 为了使信号在i f f t 、f f t 前后功率保持不变，d f t 和 d f t 应满足以 下关系 = 丽i 缶n - 1 柿x p ( 一，等肌。姚- 1 ( 2 2 - 3 ) z 。) = 丽i 磊n - 1 石) e 印( 7 可2 ：d c 订) ，。九一1 ( 2 2 4 ) 在o f d m 系统中，符号周期、载波间距和子载波数应根据实际应用条 件合理选择。符号周期的大小影响载波间距以及编码调制迟延时间。若信 号星座固定，则符号周期越长，抗干扰能力越强，但是载波数量和f f t 的 规模也越大。各子载波间距的大小也受到载波偏移及相位稳定度的影响。 一般选定符号周期时应使信道在一个符号周期内保持稳定。子载波的数量 根据信道带宽、数据速率以及符号周期来确定。o f d m 系统采用的调制方 式应根据功率及频谱利用率的要求来选择。常用的调制方式有q p s k 武汉大学硕士学位论文第二章o f d m 的基本理论 和1 6 q a m 方式。另外，不同的子信道还可以采用不同的调制方式，特 性较好的子信道可以采用频谱利用率较高的调制方式，而衰落较大的子信 道应选用功率利用率较高的调制方式，这是o f d m 系统的优点之一。 2 3 0 f d m 系统性能 1 、抗脉冲干扰 o f d m 系统抗脉冲干扰的能力比单载波系统强很多。这是因为对 o f d m 信号解调是在一个很长的符号周期内积分，从而使脉冲噪声影响得 以分散。事实上，对脉冲干扰有效的抑制作用是最初研究多载波系统的动 机之一。提交给c c i t t 的测试报告表明，能够引起多载波系统发生错误的 脉冲噪声的门限电平比单载波系统高1 i d b 。 2 、抗多径传播与衰落 o f d m 系统把信息分散到许多个载波上，大大降低了各个子载波的信号 速率，使符号周期比多径迟延长，从而能够减弱多径传播的影响。若再采 用保护间隔和时域均衡等措施，可以有效降低符号间干扰。保护间隔原理 如图2 - 4 所示。 保护有效符号_ f 刮期 间