（通信与信息系统专业论文）基于ofdm的dsp电力线调制解调器的研究.pdf

华北电力入学硕十学位论文摘要 摘要 随着网络技术及多媒体技术的发展，利用电力线来实现高速i n t e r n e t 接入 及多媒体信息传输是当前的研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很 大进展。本文介绍了电力线通信的国内外研究的历史及现状，研究了正交频分 复用( o f d m - - o 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 ) 的原理及其关键技术， 并探讨了其应用于电力线通信中的优缺点。重点研究了o f d m 系统的信道估计 算法，并用m a t l a b 对其中的主要算法进行仿真，根据仿真结果分析了信道估 计算法的性能。给出了基于o f d m 的宽带电力线调制解调器传输方案，建立了 宽带电力线调制解调器的系统硬件结构和系统软件结构，实现了系统软件结构 中的主要算法，并用c c s 进行了仿真。 关键词：宽带电力线通信，o f d m ，信道估计，d s p 。电力线调制解调器 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r ka n dm u l t i m e d i at e c h n o l o g i e s ，h o wt oa c h i e v e h i 曲s p e e di n t e r n e t a c c e s sa n dm u l t i m e d i at r a n s m i s s i o nu s i n gp o w e rl i n e si st h e c u r r e n th o tt o p i cr e s e a r c h m a n yf o r e i g nc o u n t r i e sh a v em a d eg r e a tp r o g r e s si n r e l e v a n tr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nf i e l d t h i sp a p e rp r e s e n t sas t u d yo ft h eh i s t o r y a n dc u r r e n ts i t u a t i o no fp l ca th o m ea n da b r o a d ，r e a s e r c h st h ep r i n c i p l e sa n dk e y t e c h n o l o g yo fo f d m ，a n de x p l o r e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fi t s a p p l i c a t i o ni n p l c t h ep a p e re m p h a s e so nt h er e a s e r c ho fc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h m so fo f d ms y s t e m ，a n ds i m u l a t e si tu s i n gm a t l a b a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ta n a l y z e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ec h a n n e le s t i m a t i o na l g o r i t h m s t h ep a p e ra l s og i v e st h et r a n s m i s s i o np r o g r a mo ft h eb r o a d b a n dp o w e rl i n em o d e m b a s e d0 no f d m ，e s t a b l i s h st h eh a r d w a r e a n dt h es o f t w a r es t r u c t u r e so ft h e b r o a d b a n dp o w e rl i n em o d e ms y s t e m ，r e a l i z e st h em a i na l g o r i t h m so ft h es o f i w a r e s t r u c t u r e ，a n ds i m u l a t e st h e mu s i n gc c s w a n gm i n g ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f h o us i z u 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 f d m ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，d s p ，p o w e r l i n em o d e m 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于o f d m 的d s p 电力线调制解调 器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 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。+ 、1 学位论文作者签名：盘衅 日 期：趋2 f ：f 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：坳 日 期：迦i 也 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章引言 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 ，简称p l c ) 技术，从广义上讲包含 用于高压输电网和中压、低压配电网的窄带电力线通信，以及在中、低压配电线路 上实现的宽带数据通信。利用中、低压配电线路作为通信介质，实现数据、话音、 图像等综合业务传输的通信技术，也称为高速p l c 技术。高速p l c 按应用的配电 网电压等级可分为低压p l c 和中压p l c 。低压p l c 利用低 i , ( 2 2 0 v 3 8 0 v ) 电力线作 为传输媒介，为用户提供i n t e r n e t 接入、家庭局域网、远程抄表、智能家居等应用。 中压p l c 利用中压( i o k v ) 电力线作为通信链路，为接入骨干网、配电自动化、用 户需求侧管理及农村电话等应用提供传输通道。 电力线通信的发展历史可追溯到2 0 世纪2 0 年代【1 】【”，当时的应用主要集中在 l l o k v 以上的高压远距离输电线路上，工作频率在5 0 0 k h z 以下，后来该频段成为 欧洲电工标准化委员会( c e n e l e c ) 电力线通信的正式频段。到2 0 世纪5 0 年代，低 频高压电力线通信技术已经广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领 域。但是由于受到某些技术水平的限制，利用电力线传输高速数据的通信产品及服 务领域在当时没有得到发展。近1 0 年，特别是2 0 0 0 年以来，随着全球信息化进程 的加快，i n t e m e t 技术得到飞速发展，上网人数成倍增长，各种宽带接入技术在网 络实现成本、技术先进性及接入方便性上不断提高自身的竞争优势，出现了百花齐 放的新局面。采用何种通信方式将用户终端连接至最近的宽带网络设备，成为宽带 网络运营商们不断探索和关注的问题，也是i n t e r n e t 普及的瓶颈之一，被业内人士 成为宽带网络接入的“最后一百米”问题。p l c 技术能够充分利用最为普及的电力 线网络资源，建设速度快、投资少、室内无需布线，用户通过遍布各个房间的电源 插座能进行高速上网，实现“有线移动”，具备了其他接入方式不可比拟的优势， 再次成为国内外广泛关注的焦点。 1 1 1p l c 技术在国内外的发展和应用 电力线是每个家庭最为普及、覆盖范围最为广泛的一种物理媒介，远远超过有 线电视网络甚至电话线路的覆盖面。因此，利用电力线实现高速数据通信的技术得 到了国内外许多大公司的青睐。 英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年开始对高速电力线通信 进行研究【3 l 【4 】。1 9 9 5 年，该公司又与加拿大n o r t e l ( 北电网络) 公司联手，共同开 华北电力大学硕斗= 学位论文 发这项新技术。1 9 9 5 1 9 9 7 年的两年间，n o r w e b 和n o r t e l 公司已经成功地在英国 曼彻斯特对2 0 个居民用户进行了p l c 上网试验，其中还包括话音服务。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司声称已经解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大 突破，利用新开发的数字电力线d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ) 载波技术，实现了在低压 配电网上进行1 m b i t s 速率数据传输的远程通信，欲将四通八达的电力线转化为信 息高速公路，并在1 9 9 8 年3 月2 5 日，成立合资公司n o r w e b ，进行该技术的市 场推广。 随后，许多国家的研究机构也纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发， 如美国的i n t e l l o n 、i n a r i ( i n t e l o g i s ) 公司，以色列的i t r a n 、m a i n n e t 公司，韩国的 x e l i n e 公司，瑞士的a s c o m 公司，德国的p o l v t a x 公司，西班牙的d s 2 公司等， 产品的传输速率也从1 m b i t s 发展到2 、1 4 、2 4 m b i t s ，甚至2 0 0 m b w s 。 目前，国际上专用的p l c 调制解调芯片主要有以色列i t r a n 公司2 5 m b i f f s 的芯 片、美国i n t e l l o n 公司的1 4 、5 4 、8 5 m b i t s 芯片、西班牙d s 2 公司4 5 m b i f f s 和2 0 0 芯片。其中美国i n t e l l o n 公司的1 4 m b i t s 应用最为普遍，大部分p l c 系统都是基于 该芯片开发的，法国s p i d c o m 公司也开发了2 2 4 m b i f f s 芯片，正在测试之中。 欧盟为了促进p l c 技术的发展，从2 0 0 4 年1 月1 日开始，启动了一个称之为 o p e a r ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c ha l l i a n c e ) 的计划，旨在联合欧洲的主要p l c 研究开发力量，致力于制定欧洲的p l c 统一技术标准、推动大规模商业化应用，并 将p l c 作为实现“e e u r o p e ”( 信息化欧洲) 的重要技术手段。美国联邦通信委员会 ( f c c ) 一直在鼓励启用新的基于现有设施的宽带平台，促进美国的宽带业务。2 0 0 4 年2 月1 2 日，f c c 批准对某些技术规则修改的意见，目的是通过促进电力线宽带 接入技术的推广应用，把美国电力网的巨大潜力利用起来。美国、欧洲许多大的电 力企业也积极进行中压及低压p l c 试验，美国的c i n c r g y 等1 7 家电力企业、德国、 奥地利、西班牙等1 5 个欧洲国家的3 2 个电力企业建立了p l c 试验网络，有的还进 行了p l c 商业化运营。亚洲开展p l c 研究和试验的国家和地区除中国大陆外，还 有日本、韩国、新加坡、中国香港、中国台湾等，日本p l c 的态度，经历了从初期 怀疑否定、到开放试验、再到今天的积极推动三个阶段。目前日本的东京电力、新 加坡电力、香港中华电力等建立了一定规模的试验网络。根据不完全统计，截至2 0 0 4 年年底，p l c 的试验网络已遍及欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、非洲、以及大洋洲 的4 0 多个国家和地区。 1 1 2 正交频分复用应用于电力线通信领域 电力线信道上存在的各种噪声、衰减和多径传播等问题，提高了通信的难度。 正交频分复j 喟( 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 n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术被认为是一 2 华北电力大学硕士学位论文 种能有效削弱电力线信道上各种不良影响的理想调制技术，而引入到电力线通信的 研究之中。目前很多公司的高速电力线通信产品使用了o f d m 调制技术。比较著 名的是i n t e l l o n 公司。i n t e l l o n 公司在其p o w e r p a c k e t 产品中使用了o f d m 调制技术， 分8 4 个子载波，信道自适应调节，采用前向纠错( f e c ) 。接入方式为c s m a c d ( 具 有冲突检测功能的载波检测多路访问) ，符合f c c l 5 的射频标准。数据速率为 1 4 m b i t s ，使用频带为4 3 m h z 一2 0 9 m h z i 5 1 。h o m e p l u g 联盟在2 0 0 0 年6 月5 日宣布 采用i n t e l l o n 公司的1 0m b i t s 高速电力线网络技术为基准，来制定该联盟的第1 代 电力线网络技术规范。使用o f d m 调制的公司还有o n e l i n e ，s i e m e n s 等。 c h a n g r w 在1 9 6 6 年就首先提出了o f d m 的概念模型，不过解决o f d m 技术工 程实现问题的却是w e i n s t e i n 和e b e r t ，他们在1 9 7 1 年提出了利用动态傅立叶变换( d f t ) 和逆傅立叶变换( i d f t ) 实现基带信号的调制解调的思想，使得o f d m 的技术实现难度 大幅度降低。o f d m 技术采用多路窄带正交子载波，同时传输多路数据，每路信号的 码元时间较长，可以避免码元间干扰。通过动态选择可用的子载波，该技术可以减少窄 带干扰和噪声干扰的影响。自2 0 世纪8 0 年代以来，正交频分复用技术不但在广播式数 字音频和视频领域以及数字用户线x d s l 序列等领域得到了广泛的应用。而且已经成为 无线局域网标准( 例如i e e e 8 0 2 1 1 a 和h y p e r l a n 2 ) 的一部分。o f d m 由于其频谱利用 率高、成本低、有效的消除信号多径传播造成的符号间串扰( i s i ) 等原因越来越受到人 们的关注。 电力线作为通信介质不同于其它类型，电力线上存在不同的系统噪声和随机噪 声，而且由于线路上一般都会有很多电力电气设备，形成不可预测的干扰源。另外， 电力电气设备的使用、关闭都是无法规定的，这使得电力线的特性常常处在变化中， 因此，电力线传输特性难以用准确的数学模型来描述，电力线信道在时域上不恒定， 不可控。随着数字通信、d s p 、i n t e r a c t 等技术的发展，可以采用抗干扰、抗阻抗失 配、抗多径衰落的o f d m ( 多载波正交频分复用) 技术逐渐克服电力线上传输特性的 一些缺点，0 f d m 技术还可以提高电力线网络传输质量，即便是在配电网受到严重 干扰的情况下，o f d m 也可提供高带宽并且保证传输效率，采用适当的纠错技术可 以确保可靠的数据传输。在o f d m 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们 的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利 用率。 1 1 3d s p 技术的发展及t i m $ 3 2 0 c 5 4 x 用数字信号处理的手段实现m o d e m 需要极高的运算能力和极高的运算速度， 在高速d s p 出现之前，数字信号处理只能采用普通的微处理器，如z 8 0 、6 8 0 0 、 i n t e l 3 0 0 0 、m c s 5 1 等操作型处理器。对于数字信号处理的一些常用算法如乘、 3 华北电力大学硕士学位论文 乘累加、除等需花费大量时间，由于速度的限制，所实现的m o d e m 最高速度一般 在2 4 0 0 b s 。 自7 0 年代末i n t e l 公司推出第一代d s p 芯片i n t e l 2 9 2 0 以来【6 】【7 1 ，近2 0 年 来涌现出一大批高速d s p 芯片；如n e c 公司的u p d 7 7 2 0 、7 7 3 2 0 ，m o t o r o l a 公 司的d s p5 6 0 0 0 系列，t e x a s 公司的t m s 3 2 0 系列，a d 公司的a d s p2 1 0 0 系列等， 从而使话带高速d s p m o d e m 的实现成为可能。 目前用于电话线的m o d e m 的传信率己高达3 3 6 k b s ，且普遍使用d s p 技术， 并推出了多种符合c c i t tv 系列协议的专用m o d e m 芯片及o e m 产品，如 r o c w e l l 半导体公司生产的固定程序d s pm o d e m 、p h y l o n 通信公司可编程 d s pm o d e m 、以及富士通公司的产品等，用这些o e m 产品外配单片机很容易实 现智能m o d e m ，由于电话线m o d e m 用量很大，因此这类m o d e m 的发展很快， 传信率已接近极限、且价格相当便宜。 当前常利用调频电台与话带m o d e m 配合进行无线数据通信，如车辆自动定位 监控系统，无线分组网等。这里的m o d e m 常采用m s k 及g m s k 芯片，传信率已 达到4 8 0 0 b t s ，需采用其它的高效调制方式，但在目前还没有比较成熟的方案。因 此，使用通用的d s p 芯片，灵活采用针对无线信道特点的调制解调算法可以实现较 高性能价格比的无线m o d e m 。 t m s 3 2 0 系列性能价格比高，国内现有开发手段齐全，自t e x a s 公司8 0 年代初 第一代产品t m s 3 2 0 1 0 问世以来，正以每两年更新一代的速度，相继推出 t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 、t m s 3 2 0 c 3 0 、t m s 3 2 0 c 4 0 、至第五代产品t m s 3 2 0 c 8 0 处理速度由5 m i p s 到2 5 0 m i p s ( m m s 为1 0 6 条指令秒) 。功能也得以大幅度提高， 具有较强的开发前景，正广泛应用于声音、图像处理、数字滤波、频谱分析、通信 等密集型数字信号处理领域。 根据o f d m 调制解调器实现所需要的信号处理能力，选择以t m s 3 2 0 c 5 4 x 进 行数据处理完成f f t 等各种算法，充分利用其软件、硬件资源实现具有高性能价格 比的o f d m 高速电力线调制解调器。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 是t i 公司针对通信应用推出的中高档1 6 位定点d s p 系列器件。 该系列器件功能强大、灵活，较之t m s 3 2 0 c 2 x x ，具有以下突出优点： ( 1 ) 速度更快：4 0 1 0 0 m i p s ； ( 2 ) 指令集更为丰富； ( 3 ) 更多的寻址方式选择； ( 4 ) 两个4 0 位的累加器； 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 5 ) 硬件堆栈指针； ( 6 ) 支持块重复和环型缓冲区管理。 t m s 3 2 0 c 5 4 x 的应用一般较为复杂，因此，完全采用汇编语言进行编程将是一 件很困难、也很低效的事情。而c 语言以其灵活性、易移植性，已成为单片机开发 的一种趋势，对于更为复杂的d s p 应用来说，更是如此。t 1 公司为t m s 3 2 0 c 5 4 x 提供了功能强大的c 编译器，支持优化功能。 1 2 课题内容概述 本论文主要研究基于o f d m 的d s p 电力线调制解调器系统；在介绍了o f d m 的基本原理及其应用到电力系统中的优缺点之后，对o f d m 系统的信道估计算法 进行了研究；给出了用d s p 实现电力线调制解调器的结构框图；最后对调制解调器 的软件主要算法进行了实现与仿真。 论文分为六章介绍课题工作： 第一章为引言部分，阐述了论文的研究背景及研究意义，介绍了国内外的研究 动态。 第二章简要介绍了正交频分复用的基本原理及其系统实现，阐述将o f d m 技 术应用到电力系统通信中的优缺点。 第三章对o f d m 系统的信道估计问题进行了研究，分析了m m s e 算法，l s 算 法和l m s 算法，并对其中重要部分进行了仿真。 第四章给出了用d s p 实现电力线调制解调器的系统结构，并对其中的主要功能 模块进行了分析和介绍；设定了系统参数，给出了调制解调器的软件系统结构和实 现流程。 第五章对o f d m 调制解调系统中的主要算法包括信道编解码、1 6 q a m 调制解 调、i f f t f f t 、串并转换等模块进行了编程实现和c c s 仿真。 第六章为结论部分，对课题所完成的工作进行了全面的总结，并对课题的后续 研究提出了看法。 5 华北电力人学硕士学位论文 2 1 引言 第二章o f d m 技术原理 正交频分复用( o r t h o g o n a lf 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 ) ，简称为o f d m ，是 一种特殊的多载波信号调制技术，同时也可以看作一种复用技术。它把可用频带分 成许多相互独立的窄带子载波信道，同时把串行的高速码流转换成低速的并行码 流，用并行码流调制各个子载波后同时发送，各个子载波可以用相同或者不同的数 字基带调制方法( b p s k 、q p s k 、q a m 等) 。该技术的一个显著优势是能够有效地 对抗多径传播造成的频率选择性衰落或窄带干扰，且与传统并行数据传输相比频谱 利用率高。 o f d m 技术最早起源于2 0 世纪5 0 年代中期【8 1 ，6 0 年代形成了使用并行数据传 输和频分复用的概念。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出了利用离散傅立叶反变换 ( i d f t ) 实现基带信号的调制和解调，使得o f d m 技术变得简单，解决了o f d m 技 术工程可实现问题。2 0 世纪8 0 年代以来，o f d m 在数字音频广播、数字视频广播、 基于i e e e 8 0 2 1 1 标准的无线本地局域网以及有线电话网上基于现有铜双绞线的非 对称高比特数字用户线技术( 例如a d s l ) 中得到了应用。它们大都利用了o f d m 可 以有效地消除信号多径传播所造成的符号间干扰这一特性。1 9 9 5 年欧洲电信标准协 会( e t s i ) 制定了d a b 标准，这是第一个使用o f d m 的标准。在a d s l 的应用中， o f d m 被当作离散多音调制( d m tm o d u l a t i o n ) 而成功应用于有线环境中，可以在 1 m h z 带宽内提供高达8 m b i t s 的数据传输速率。1 9 9 8 年7 月，i e e e 8 0 2 1 1 标准组 经过多次修改之后，决定选择o f d m 作为w l a n ( i 作于5 g h z 波段) 的物理层接入 方案，目标是提供6 m b i f f s 5 4 m b i f f s 的数据速率，这是o f d m 第一次被用于分组业 务通信当中。 近年来，o f d m 技术在电力线高速数字通信中的应用成为热点。美国i n t e l l o n 等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 a l l i a n e e ) ，旨在推动以 电力线为传输媒介的数字化家庭。2 0 0 1 年7 月，该联盟宣布确立了高速电力线网络 通信协议h o m e p l u 9 1 0 版本，该协议中采用的关键调制技术就是正交频分复用 ( o f d m ) 技术，可在配电网电力线上实现1 4 m b i t s 的数据传输。 2 2o f d m 技术的基本原理 o f d m 是一种多载波并行传输技术【9 】【1 0 1 ，同时也是一种特殊的频分复用技术。 其基本思想是将高速串行数据转换成低速并行数据，调制到等频率间隔的相互正交 6 华北电力大学硕十学位论文 的子载波上进行并行传输。 在串行传输中，数据是按照时间顺序依次发送的。当传输速率很高以至于使符 号周期大于信道最大延时的时候，信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性将对系 统造成严重的影响。而并行传输实现了把高速串行数据转化为低速并行数据。设并 行传输的数据路数为，那么，传输的符号周期就成为串行传输的倍，因此，可 以有效抵抗信道多径干扰。 频分复用是典型的并行传输技术，但是，在传统的频分复用中，接收端采用多 个带通滤波器进行解调。为了能够用带通滤波器将各路信号分离，各载波上信号频 谱不能重叠，并且为了避免子信道之间的干扰，各个子信道之间还要划分一定的保 护频段，( 如图2 1 ) ，从而使得频带利用率很低。o f d m 技术正是为解决这一问题 而提出的。在o f d m 调制中，允许各载波上的信号频谱相互重叠。为了使各路信 号在接收端可以得到解调，要求各载波在整个符号周期中相互正交( 这一点在后续 分析中可以看出) 。图2 2 给出了o f d m 子载波的频谱图。可以看出，o f d m 的各 子载波频谱有1 2 的重叠，较之传统频分复用，对信道带宽的利用率提高了1 倍左 右。 合耸咎， 图2 - 1 传统频分复用的频带划分图2 - 2o f d m 子载波频谱 士 如上所述，要使o f d m 符号在接收端得到解调，需各子载波在整个o f d m 符 号周期内相互正交，即在一个符号周期内选择一纽子载波基 e j 2 巧 k - = 0 ，1 ，2 ，各子 载波之间满足( 2 - 1 ) 式的正交性条件。其中t 为一个o f d m 符号的周期，v 为相邻 子载波的频率间隔。向、尼分别为第k l 和第k 2 个子载波的频率。 r e ，2 叽，。2 叽“，西= r e j 2 f ( n _ 2 ) 妒出= 吾等i 笔 c z t ， 7 华北电力人学硕士学位论文 显然，相邻子载波的频率| 日j 隔厂的合理选择是保证子载波正交性的关键。下 面我们将推导如何选择子载波间隔，才能保证各子载波问相互正交。 分析式( 2 1 ) ： 当k l = k 2 时，eb ，2 础“) 掣出= e 1 d t ：t 显然满足； 由由 当| i 1 k 2 时，若z 1 为c o s ( o r 和s i nc o t 的周期的整数倍，即叫( 2 州c o ) = a , r 2 x 为整数，则有r e j “d t = r ( c o s c o t + j s i n r _ 曲t ) d t = 0 。又 ( re 似d t ) i 。椰。：，可= l e j 2 n ( t l - k 2 ) 6 # d t ( 2 - 2 ) 所以， 2 x ( k l k 2 ) a f t 2 z = ( k l - k z ) a f r 为整数时，r e 2 哪。“够出= 0a 若我们选择鲈= , r ( 为整数) ，则有( k l k 2 ) 可t = ( k l k 2 ) n 为整数。再结合 ，可以得出结论：只要选择缈= n r ，就可以保证子载波间相互正交。 为了达到频谱的最大利用率，一般取a f = 1 r ，此时，子载波频谱如图2 - 2 所 示。图中，虽然各个予信道的频谱有相互覆盖的部分，但是在每个子载波频谱幅度 的最大值的地方，所有其他子载波的频谱幅值恰好为零。在对o f d m 符号进行解 调的过程中，要计算这些点上所对应的每一个子载波频率的最大值，因而可以从多 个相互重叠的子信道信号的频谱中提取出每个子信道的信号，而不会受到其它子信 道的干扰。此外，由图2 2 还可以看出，o f d m 符号频谱实际上可以满足奈奎斯特 准则，各个子载波频谱之间不存在相互干扰，因此可以避免子信道间干扰( i c i ) 的出 现。 在o f d m 系统的发送端，选取了合适的子载波正交基后，将经过p s k 、q a m 或d p s k 调制映射的信息数据加载到正交基上，得到o f d m 符号形式。设串行数 据流经过p s k 、q a m 或d p s k 调制映射后的符号信息为x ( k ) ，则将其调制到正交 基后的表达式为： x ( f ) = x ( k ) d a ( 2 3 ) k = o 在接收端，可以通过积分进行解调。设第r 1 个o f d m 符号为 ( f ) = 以( t ) p 柳 ( 2 - 4 ) t t 0 其中以( _ j ) 是第k 路子信道的输入信号。从数学函数分解的角度来看，矗( f ) 可 8 华j 匕电力大学硕十学位论文 看作是由n 个正交分量 一q k t ) i c = - o ，1 ，2 构成的，这n 个分量的系数依次为以( t ) ， j i = o l 一2 n 一1 。解调方法即是通过内积运算得到x 。( f ) 的各分量的系数爿，( 尼) ，计算 式为 q ( f ) e i c o t = 扣薹耶f ) e 脚】( 出 = fk 孰 l - o 一出 ( 2 - ；) = 熟，拇“吲出 可见，通过积分得到了各路子信道的输入信号以 ) ，k = 0 , 1 2 n 一1 ，这里利 用了正交性条件：当七露时，积分r 8 “吼一疵= 0 ，只当：七时积分为r 。 经过以上分析，可得到图2 - 3 的o f d m 基本原理图。 q a m 发送b i t 流p s k 坦0 ) ，, x ( n - 1 )串并 d p s k 转换 调制 ( a ) o f d m 调制 k笋年弘 一：h 积分器卜乳 星 并串 牙( o ) ，受( 1 ) q a m ， p s 科 ! “ 转换 d p s k 解调 s 牵 ( b ) o f d m 解调 图2 - 3o f d m 基本原理图 9 华北电力火学硕士学t ：7 ：论文 2 3o f d m 系统的实现 2 3 1i d f t d f t 在o f d m 系统中的应用 从图2 3 可以看到，串并转换后的符号加载到一组正交基上，接收端分别积分 解调。实际中，可用正交滤波器组来实现调制解调，但实际的o f d m 通信系统中 子载波的数目一般都会有几十、上百个，如此庞大的正交滤波器组的设计非常复杂， 难以应用。经过对o f d m 符号的仔细分析研究，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出采用离散傅 立叶逆变换( i d f t ) 的方法来实现式( 2 4 ) 的o f d m 复等效基带信号及该信号的解调， 即基于i d f t d f t 的o f d m 系统。 通过对o f d m 符号的分析发现，o f d m 复等效基带信号x m ( f ) 可通过对输入信 号z 。( 七) 进行离散傅立叶反变换( i d f t ) 得到。 对j 。( f ) 以a = z n 的速率进行采样，即令 t = n r n ，n = 0 ，l ，- 1( 2 6 ) 得到离散采样值 柏) ：芝以( k ) e x p ( j 等) ，弹_ o ，1 ，州( 2 - 7 ) 可见，x 。( n ) 等效为对离散序列x 。( 后) 进行i d f t 运算。对序列工。( ，1 ) 进行d a 就可以得到模拟信号x 。( f ) 。同样，在接收端，接收信号曼。( f ) 经a d 得到离散序列 曼，( n ) ，对其进行逆变换i d f t ，即恢复出原始的数据符号舷( 七) 。 戈。( = 专篓h ( n ) e x p ( j 1 2 z r n k ) ，t = o ，1 ，一1 ( 2 8 ) 所以，o f d m 系统的调制解调部分可以分别由点的i d f t d f t 来代替。实际 中通常采用d s p 芯片由快速傅立叶算法( i f f t f f t ) 来实现，这样就大大降低了运算 的复杂度。点i d f t 运算需要2 次的复数乘法( 为了方便，只比较复数乘法的运 算量) ，而对于常用的基2i f f t 算法来说，其复数乘法的次数为( n 2 ) i 0 9 2 ( n ) ，图2 - 4 是二者运算量的比较。 从图中可以看出，i f f t 的采用使计算量大大下降，而且子载波数越多，下降效 果越明显，在子载波数大于2 0 0 以后，计算量与i d f t 相比已经下降了2 3 个数量 级。 1 0 华北电力火学硕士学位论文 2 3 2 循环前缀的加入 图2 4 i d f t 与i f f t 运算量的比较 由于信道的时延扩展特性，在连续传输的o f d m 符号之间将产生符号问干扰 o s i ) ，并且由于o f d m 多个正交载波符号并行传输，信道时延扩展还会带来额外的 影响，这就是子信道间干扰( i c i ) 。这种信道时延扩展带来的i s i 和i c i 影响如图2 5 所示。 n 八 j 吐 f f t 积分区问 图2 - 5 信道时延扩展带来的i s i 和i c i 一般来说，由于o f d m 的并行传输，使得o f d m 符号周期远大于信道时延扩 展，因此，信道时延扩展造成的o f d m 符号i s i 相对来说比较小。而为了最大限度 地消除i s i ，一般要在每个o f d m 符号前插入一段保护间隔( g u a r di n t e r v a l ，简称g i ) ， 且该保护间隔的长度要大于信道的最大时延扩展 m a x 。这样一来，前一个o f d m 符号的多径分量就不会对下一个符号产生干扰。但如果这段保护间隔是空闲的传输 时段，则由于多径传播的影响，当接收器的f f t 窗口发生移位时，会产生i c i ，从 而使子载波之间的正交性受到破坏。因此，一般要在o f d m 符号之前的保护间隔 华北电力夫学硕士学位论文 内填入循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，简称c p ) 信号，即将o f d m 符号内的后时间中的 波形拷贝到o f d m 符号的前面，然后经多径信道传输，接收端经过同步后去掉循 环前缀内的数据，只对有用符号时间内的o f d m 符号进行采样并用f f t 变换回频 域，这样循环前缀可以完成对前一个o f d m 符号的隔离作用，消除i s i ，又可以保 证在一个f f t 周期内，带有延时的o f d m 符号内所包含的各个子载波波形的周期 个数仍然是整数，从而保持了o f d m 符号内各子载波之间的正交性，消除i c i 。 加入循环前缀的o f d m 的符号周期为 l = r o + r ( 2 9 ) 其中r 为有用码元周期。 循环前缀的离散长度，即c p 所包含的o f d m 符号样点个数为 胞降j 陋 这样加入循环前缀的o f d m 符号表达式为 “加j 芝k = o x m ( k ) e x p ( j 警) o n _ n - 1( 2 1 1 ) 【x 。( n + 捍) 一m n 0 图2 - 6 是加入循环前缀的o f d m 符号结构。 图2 - 6 加入循环前缀的o f d m 符号结构 图2 7 是加入循环前缀的o f d m 系统结构框图。发送端进行调制并添加循环 前缀，接收端去掉循环前缀，然后解调。 c p q a m _ 串 并 p s k x ( o ) ，x ( n - 1 ： 发送b i t 流 石( f ) d p s k 并巧w 审 d a 映射 转 转 换换 文 i 信 1 一 q a m 并寓 p s 刚 接收b i t 流 z ( o ) ，x ( n 一1 1 d p s k 富 f 丌 ： 并 a ，d 解调 王( f ) 转 转 换 换 图2 7o f d m 系统基本实现框图 1 2 华北电力人学硕士学位论文 2 4o f d m 系统参数的设计 以上我们论述了0 f d m 的技术原理和基本实现方法。为建立o f d m 通信仿真 系统，我们需要确定以下参数：符号周期、保护间隔、子载波的数量。这些参数的 选择取决于给定信道的带宽、时延扩展以及所要求的信息传输速率。下面将对此进 行分析。一 ( 1 ) 确定保护间隔：根据经验，一般选择保护间隔的时间长度为时延扩展均方 根值的2 到4 倍。 ( 2 ) 选择符号周期：考虑到保护间隔所带来的信息传输效率的损失和系统的实 现复杂度以及系统的峰值平均功率比等因素，在实际系统中，一般选择符号周期长 度至少是保护间隔长度的5 倍。 ( 3 ) 确定子载波的数量：子载波的数量可以直接利用一3 d b 带宽除以子载波间隔 ( 即去掉保护间隔之后的符号周期的倒数) 得到。或者，可以利用所要求的比特速 率除以每个子信道的比特速率来确定子载波的数量。每个子信道中传输的比特速率 由调制类型、编码速率以及符号速率来确定。 2 5o f d m 技术应用于电力线通信的优缺点 2 5 1 存在的优点 ( 1 ) 高的传输速率 o f d m 技术将信道可用带宽划分为若干相对窄的子带，其传输速率接近系统的 设计容量。如果子站之间的功率分配及每个符号包含的比特位的选择遵循保证每个 子信道的误码率均衡的原则，那么实现总速率最大化是可能的。对于较低s n r 的 子信道，采用较低的调制电平，对较高s n r 的子信道，采用较高的调制电平。在 自适应o f d m 系统中，根据信道条件，采用最优化的调制电平的功率分配可实现 1 0 m b i t s ，甚至1 0 0 m b i t s 以上的数据传输。 ( 2 ) 抗衰减性 电力线上信号的衰减是不断变换的，在衰减较大的区域无法有效传输信号，只 能利用曲线中衰减较小的区域。o f d m 为保证信号的有效传输，在设置载波时，设 定两个或多个不同的载波传输相同的数据，根据信道情况自动选择某个衰减比较小 的载波进行有效数据传输。在任何失真的信道中都可以采用o f d m 技术，特别是 在具有频率选择特性的衰减信道中，效果尤其明显。o f d m 可以通过对信道的预测， 通过自适应信道处理技术实现较高速率的数据传输。 1 3 华北电力人学硕十学位论文 ( 3 ) 抗干扰性 o f d m 可以自动选择噪声干扰较小的载波进行数据传输。当某个载波受到强干 扰影响致使接收信号的信噪比达不到正确接收信号的要求时，则放弃使用该载波传 输数据，以此来达到正确传输数据的目的。o f d m 还可以有效地抑制副载波干扰。 0 f d m 的子载波之间是相互正交的，不存在串扰。但是实际信道中存在的各种 噪声、多径失真、衰减等都会对信号产生影响。而由于实际的o f d m 信号频谱并 不是严格的带宽受限的抽样函数，信号的线性失真往往导致每个子信道的能量向邻 近子信道扩散，从而破坏子载波间的正交性。在传统的载波调制中，为了减少这些 影响，需要在接收端使用复杂的多级均衡器，同时还存在着不易收敛的问题。o f d m 在码元间插入保护间隔，并使保护间隔大于信道最大多径时延，则所有时延小于保 护间隔长度的符号，其多径分量都不会对下一个符号产生影响。在保护间隔中填入 符号的循环前缀能够保证在一个f f t 周期内每个子载波都有完整的波形周期，从而 避免子载波之间的串扰i c i 。 ( 4 ) 频谱利用率高 电力线通信由于受到电力线介质的特性以及电磁兼容方面要求的限制，其可利 用的通信频带不可能很宽。所以通信带宽和频谱利用率也是低压电力线通信商业应 用必须要考虑的因素。传统的多载波传输为避免各个载波之间的相互干扰，要求各 个载波之间在频谱上相互隔离，并且需要使用一定的保护频带来保证，在接收端， 用一组滤波器来分离各个子信道，这种方法的优点是简单、直接。缺点是频谱利用 率低，予信道之间要留有足够的保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。 o f d m 的子载波相互正交，这一特性决定了即使在子载波之间的频谱间隔a f 很小， 子载波频谱相互重叠的情况下，子信道间也没有相互干扰。因此与以往的频分复用 系统相比，o f d m 系统频带利用率大为提高，从而节省了通信频带资源。 ( 5 ) o f d m 系统实现简单，成本较低 o f d m 系统各个子信道中的调制和解调可以采用i d f t 和d f t 方法来实现，大 大降低了系统在实现中的复杂程度。对于很大的系统，我们可以采用快速傅立叶 算法( i f f t f f t ) 来实现。随着现代大规模集成电路( v l s l ) 和数字信号处理( d s p ) 技术 的不断发展，o f d m 系统的载波数可以做到很大，如8 0 9 6 ，而传统的多载波系统 由于设备的复杂度而无法实现载波数很大的系统。