（通信与信息系统专业论文）基于低压电力线时变模型的ofdm信道估计的研究.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文重点研究o f d m ( 正交频分复用) 低压电力线通信信道估计算法。首先，分 析了o f d m 技术原理及其实现方法，建立了o f d m 传输系统模型：其次，在分析低压 电力线信道特性的基础上，建立了低压电力线信道的时变模型一一统计自回归模型 构建了o f d m 低压电力线通信系统并进行了仿真；然后，重点研究了两大类o f d m 低 压电力线通信信道估计算法：l m s 自适应信道估计算法和基于接收信号二阶统计特 性的盲信道估计算法，利用o f d m 低压电力线通信仿真系统对这两大类方法分别进 行分析和研究，并针对低压电力线特点对其进行了改进。 关键词：低压电力线通信，正交频分复用，自适应信道估计，盲信道估计 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , c h a n n e l e s t i m a t i o nf o r 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 ) s y s t e mi nl o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sr e s e a r c h e dc h i e f l y f i r s t ， t h ep r i n c i p l eo fo f d mt e c h n i q u ei sa n a l y z e da n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e mo fo f d mi s e s t a b l i s h e d s e c o n d ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h el o w v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e lp r o p e a i e s ， t h et i m e - v a r i a n tc h a n n e lm o d e lo fl o w v o l t a g ep o w e rl i n e ( s t a t i s t i ca u t o r e g r e s s i v em o d e l ) i s o f f e r e d ，a n dt h eo f d ms y s t e mi nl o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni sp r e s e n t e da n d e m u l a t e d t h e nt h er e s e a r c hi sf o c a s e do nt w ok i n d so fc h a n n e le s t i m a t i o nm e t h o d sf o r o f d ms y s t e mi nl o w v o l t a g ep o w e rl i n e ，i n c l u d i n gl m sa d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o na n d b l i n de s t i m a t i o no fc h a n n e lb a s e do ns e c o n d 0 r d e rs t a t i s t i c s t h e s em e t h o d sa r es i m u l a t e d s e p a r a t e l yi nt h eo f d ms i m u l a t i o ns y s t e mf o rl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e ，a n di m p r o v e m e n ta r e o f f e r e da c c o r d i n gt ot h ep r o p e r t i e so fl o w - v o l t a g ep o w e rl i n e m a y i n g h o 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 x i ez h i y u a n k e yw o r d s ：l o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，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 ，a d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n ，b l i n dc h a n n e le s t i m a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于低压电力线时变模型的o f d m 信道估计的研究，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。 学位论文作者签名：曼望曼垦 e t期： o 1 歹 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：墨墓丝 e t 期：堑! ： 导师签名：边盘逵 日期：旦! ! ：茎 华北电力人学硕十学位论文 1 1 课题的研究背景 第一章引言 近年来，电力线通信( p l c ) 作为一种廉价的通信方式受到人们极大的关注，并 且f 处于快速的发展之中。电力线网络具有覆盖面广、接入方便灵活等特点，作为 接入网使用具有独特的优势。但是电力线信道上存在的各种噪声、衰减和多径传播 等问题大大提高了通信的难度。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 n m u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术被认为是一种能有效削弱电力线信道上述各种不良影向 的理想调制技术，而引入到电力线通信的研究之中。基于o f d m 技术在低压电力线 上实现宽带数据通信成为一种具有强竞争力的通信方式。 1 1 1 电力线通信简述 电力线通信( p o w e rl i t i ec o m m u n i c a t i o n ) 技术，简称p l c ，是指利用已有的配r 乜 网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术 1 ，2 。显然，对于通信的 用户来说，利用电力线通信，无需另行敷设专用线，只要在每个通信终端安装一个 特制的调制解调器，调制解调器的一端与终端设备相连，另一端插入电源插座，就 可以享受因特网接入，电视频道接收节目，打电话或者是可视电话等高速数掘业务， 且用户可以将通信终端移动到任何电力线延伸到的地方，方便而灵活。 根据传输速率，可以将电力线通信分为低速和高速两种。低速p l c 传输速率” 般为1 2 0 0 b p s 或更低，主要用于负荷控制、远程抄表和家居自动化等。1 9 9 7 年以来， 国际上丌始兴起了传输速率在1 m b p s 以一卜的高速p l c 的研究，虽然受到电力线传输 特性和频带管制( 欧洲的e n 5 0 0 6 5 1 ，p a r t 6 3 2 ，美国的f c c c f r l 5 1 1 3 ) 的限制，但 国际一h 的研究普遍认为，1 m h z 3 0 m h z 的频带可以用来进行高速数据传输 3 。 根据使用对象，电力线通信又可以分成两大分支 4 ，一是面向配电网自动化 的，一是面向进户线路和户内线路的。这两者有着不同的技术特征。后者由于涉及 到家庭上网，使用面广，而更加引人瞩目。在2 2 0 3 8 0 v 线路上实现高速通信，包 括接入网和家庭网两个方面。它可以应用于户内计算机联网、智能家用电器控制、 电力增值服务等等。本课题的研究对象是在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上的通信。 1 1 2 低压电力线通信的研究概况 在信道特性方面，国内外对低压电力线信道的研究工作大部分还以测量为主。 文献 5 给出了德国几百k h z 至2 0 m h z 的脉冲噪声测量与分析结果；文献 6 对德困 华北电力人学硕十学位论文 典型的低压配电网在1 m b z 2 2 m b z 频段的噪声和衰减给出了测量结果并进行了分 析：文献 7 对新加坡的住宅低压配电网在1 m h z i o m h z 频率范围的噪声和衰减特 性给出了测量结果并进行了建模研究。国内在较低频段也有一些研究成果。文献 8 通过对典型低压电力线单频信号传输的测量，详细研究了低压电力线的窄带衰落特 性；文献 9 对我国某实验室环境下8 4 m h z 以下频率范围的电力线信道特性进行了 测量；文献 1 0 测量了我国低压配电网l o o k h z 3 m h z 频段的电力线信道特性。目 前，对低压电力线通信信道建模工作的研究主要包括以下两个方面： ( 1 ) 基于实测数据的低压电力线信道传输特性。通过对某段电力线在典型情况 下( f 常、最好、最差) 信道衰减和信道噪声的测量，得到该段电力线在相应情况下 的信道频率响应( 厂) 和噪声w ，用来作为研究数据通信系统的信道特性。其中信道 噪声w 视为加性噪声。 ( 2 ) 低压电力线多径信道模型。电力线网络具有节点众多、分支和节点不匹配 的特点，因此，决定了信号的多径传播特性，频域表现为频率选择性衰减。把由线 路本身造成的衰减以及山信道的多径特性造成的衰减综合考虑，建立下式的低压电 力线多径信道模型。a ( f ，一) 为路径f 的线路衰减，是信号频率厂和路径长度一的函 数：璺为路径j 的多径衰减系数，r ，为信号通过路径j 的延时，为最大路径数。 n l h ( f ) = 芝匆a ( f ，一) p 1 圳 ( 1 一1 ) 容易看出，这两种模型都仅仅是对信道某瞬时的频率响应进行了拟合，不能 反映出信道频率响应的随机变化规律，没能给出拙述信道随机变化的一些统计量表 述，因而不能通过仿真真实地再现低压电力线信道实时变化的频率响应。而且低压 电网信道的特性与不同的国家、不同的电力线环境有很大关系，所以有必要研究我 幽低压电力线的信道特性。同时，国内的工作仅仅局限于较低频段，要实现 i n t e r n e t 接入的目的，有必要在更宽的频带上研究低压电力线通信信道特性。通 过实际测量获得具体的信道参数，结合理论分析，提取统计模型，对实现通信系统 仿真及其关键技术的研究工作具有重要意义。 调制技术方面，目前用于低压电力线通信的调制方式主要有三类：单载波类、 扩展频谱类和o f d m 调制技术。单载波类调制方式只能应用于低速率的电力线数据 传输，在较高速率下，不可能建立可靠的电力线通信。扩展频谱类调制需要较高的 扩展频谱增益，因此在所使用的频率范围内，扩频技术不能满足传输更高速率的电 力线通信的要求。o f d m 不扩展频谱，且可以采用具有较高频率利用率的调制技术， 因此适应于较高速率要求的电力线通信，特别是1 0 m b p s 以上的数据传输。o f d m 适 用于低压电力线通信的另一个重要原因在于，它能够有效地对抗低压电力线信道存 华北电力人学硕十学位论文 在的各种噪声、衰减和多径传播等不良影响，并可以采用循环前缀有效地消除 i s i ( 码间干扰) 和i c l ( 信道间干扰) 。此外，在o f d m 系统中加入编解码，即编码o f d m 系统，能进一步对抗信道的干扰。所以，如果选择合适的编解码系统，调制参数和 解调方法，o f d m 系统十分适合电力线通信。因此，近几年来，o f d m 调制技术在宽 带、高速电力线通信中成为一种最具吸引力的技术。 1 1 3o f d m 低压电力线通信系统的信道估计问题 电力线通信的信道环境相当恶劣。大量实际测量结果表明，低压配电网一方面 具有噪声干扰强、线路衰减大、多径传输和频率选择性衰落严重的特点，另一方面， 由于电网上负载的不断接入、切出，电器有丌有关等各种随机事件，使得低压电力 网络成为一个复杂的时变系统。信号在这样的信道特性下传输必然发生严重的失真 和畸变。为了接收后f 确地实现判决，在接收端必须最大程度地抵消信道的影响，即 对接收信号进行均衡，在均衡过程中所需要的信道状态信息( c s i ) ，需要通过信道 估计获得。因此，o f d m 低压电力线通信的信道估计是保证系统通信性能的关键问题 之一。在o f d m 系统中，已有的信道估计方法主要有三种 1 2 2 1 ： ( 1 ) 基于导频的信道估计。这是目前最常用的信道估计方法。这种方法是在发 送符号处插入一定的导频符号，在接收端由接收的导频位置处的符号和导频符号联 合进行信道估计，然后对导频位置处的估计值运用插值、滤波、变换等方法进一步 估计数据位置的信道值。该方法性能好且实现复杂度低，但是导频符号的使用必然 占用一定的有效带宽，从而使系统的传输效率大犬降低。 ( 2 ) 基于训练序列的信道估计方法。主要是判决反馈信道估计方法和自适应信 道估计方法。在这种方法中，发送端先发送一个或两个训练序列，利用训练序列及 其接收值对信道值进行初始估计，然后通过一定的算法利用信道初始值进行信道值 的连续估计，无需发送导频符号，提高了系统的频带资源利用率。 ( 3 ) 盲信道估计方法。这是一种基于传输符号的字符特性及其统计特性的信道 估计方法。这种方法不需要发送导频或训练序列，只利用传输符号的统计信息来得 到信道估计值，故数据传输效率大大提高，在高速率的数据通信系统中，这种方法 就显现出很大优势。目前已提出的盲信道估计方法主要有基于二阶统计特性和基于 予空间的盲信道估计方法。 盲算法的计算量较大，收敛速度较慢。为了提高收敛速率，还可以考虑半盲算 法，即将基于训练序列的方法和盲算法之间做一个折衷，这样就可以在比较快的收 敛速度下保证较好的性能。 目前对信道估计方法的研究，主要是导频估计方法和判决反馈估计方法，对于 华，j e 电力入学硕七学位论文 自适应估计和盲估计的研究很少，而且主要应用在无线通信上，对基于电力线信道 的研究较少。文献 1 2 研究了o f d m 低压电力线通信系统中的导频估计方法和判决 反馈估计方法，本文将致力于l m s 自适应信道估计以及盲信道估计方法的研究。 1 2 本课题的主要工作及论文的组织结构 本课题完成的工作主要包括以下几个方面：分析o f d m 技术原理，建立了o f d m 传输系统模型；分析低压电力线通信信道特性，建立了低压电力线时变模型一一统 计a r 模型以及o f d m 低压电力线通信仿真系统；深入研究了o f d m 低压电力线通信 系统的信道估计方法，包括l m s 自适应信道估计方法和基于接收信号二阶矩的盲信 道估计方法，并针对低压电力线的特点进行了改进。 本论文的组织结构如下： 第二章介绍了o f d m 技术的发展背景，详细分析了该技术的基本原理以及实现 方法，并给出了o f d m 系统的参数设计步骤。然后，对o f l ) m 传输系统进行了初步仿 真实现。最后分析了在低压电力线信道环境中应用o f d m 通信的可行性和优势。 第三章首先对低压电力线信道的特点进行了分析，建立了低压电力线信道的统 计自回归模型。然后基于浚模型建立了o f d m 低压电力线通信仿真系统。最后通过 仿真分析了系统各部分与系统性能的关系。 第四章研究了l m s 自适应信道估计算法，并对其在o f d m 低压电力线通信中的 性能进行了仿真。然后，基于低压电力线的多径传输特性和慢变特性，对l m s 算法 的更新步长进行调整，得到一种改进算法。最后，还提出一种抗低压电力线信道突 变衰减的有效算法，并做了仿真验证。 第五章研究了o f d m 低压电力线通信系统中的盲信道估计。对基于接收信号二 阶矩的盲信道估计算法做了详细分析，并对其性能进行了仿真。针对盲算法收敛速 度较慢的特点，提出一种基于训练序列的半盲算法，并将盲估计与半盲估计的精确 度进行了仿真比较。 4 华北电力人学硕十学位论文 21 引言 第二章o f d m 技术原理 t f 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 is 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。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，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 ir l s t e i n 和e b e r t 提出了利用离散傅立叶反变换 ( r d f t ) 实现基带信号的调制和解凋，使得o f d m 技术变得简单，解决了o f i ) m 技术工 程可实现问题。2 0 世纪8 0 年代以柬，o f d 在数字音频广播、数字视频广插、基于 je e e 8 0 2 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 i 。) 中得到了应用。他们火都利用了o f d i 可以有效 地消除信弓多径传播所造成的符号问干扰这一特性。1 9 9 5 年欧洲电信标准掷会 ( 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 ，的应用巾，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 ) 而成功应用丁有线环境中，可以在i 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。e e e 8 0 2 i l 标准组经过多次修 改之后，决定选择o f d m 作为w e a n ( 工作于5 g h z 波段) 的物理层接入方案目标是提 供6 m b i t s 5 4 r b i t s 的数据速率，这是o f d m 第一次被_ j 于分组业务通信当。h 近年柬，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l l i t e l 】o n 等公司组成家庭插座电力线联盟( t h eh o m ep 1 u gp o w e rl i r ea l l i a n e e ) ，旨在推 动以电力线为传输媒介的数宁化家庭。2 0 0 1 年7 月，陵联盟宣斫i 确立了高速电力线 网络通信协议狗i 0 版本，浚协议中采用的关键调制技术就是f 交频分复用( o f d m ) 技术，可存配电网电力线上实现1 4 m b i t s 的数据传输。 22o 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，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，调制到等频率剧隔的相互正交的子 载波上进行并行传输。 在串行传输中，数据是按照时问顺序依次发送的。当传输速率很高咀至于使符 号周期大丁信道最大延时的时候，信道的多径时延扩展所产生的时叫弥散性将对系 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 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 华北电力人学硕十学位论文 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 yd i v is i o nm u l t i p le 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。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，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 l 3 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。他们大都利用了o f d m 可以有效 地消除信号多径传播所造成的符号问干扰这一特性。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 y i 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l 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，e e e 8 0 2 11 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 ( 工作于5 g h z 波段) 的物理层接入方案，日标是提 供6 m b i t s 5 4 m b i t 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q t 。 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 eh o m ep 1 u gp o w e rl i n ea 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。2 0 0 1 年7 月，该联盟宣布确立了高速电力线 网络通信协议狗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，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，调制到等频率问隔的相互正交的予 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 华北电力人学硕十学位论文 行传输的数据路数为n ，那么，传输的符号周期就成为串行传输的n 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f 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f 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。 一v w 锨瓜觥疚尸w 一 图2 - 1 传统频分复川的频带划分图2 - 2o f d mr 载波频曙 如上所述，要使o f d m 符号在接收端得到解调，须各予载波在整个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组子载波基 e 。碱) 。，各子载波之 问满足( 2 - 1 ) 式的正交性条件。其中r 为一个o f d m 符号的周期，为相邻予载波的 频率间隔。正，、以2 分别为第k l 和第k 2 个予载波的频率。 f ，e j 2 叽1 c e j 2 矾。，+ d r = e j 2 t ( k l - k 2 j 蛳1 d t = ：。k 。l = 。k ：2 c z 一， 显然，相邻子载波的频率间隔v 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，y j + 能保证各子载波间相互正交。 分析式( 2 1 ) ： k l = k 2 ，re m ( m 掣d t = r 1 d t = 丁显然满足； 当k l k 2 时，若丁为c o s i 和s i n c o t 的周期的整数倍，即叫( 2 万) = 叫2 z 为整数，则有rp ，“d t = r ( c 。s r o t + ，s i n c o t ) d r = 0 。又 6 华北电力人学硕+ 学位论文 ( p “击) k 。旷f ，e j 2 x ( k l - k 2 ) 硝t d t 所以，当【2 厅( k i k 2 ) a f t 2 z r = ( k i k 2 ) z x f 丁为整数时，le j2 = ( k t - k 2 a ! i d t = o 。 ( 2 2 ) 若我们选择= 挖t ( ”为整数) ，则有( k l k 2 ) 厂t = ( k l k 2 ) h 为整数。再结 合，可以得出结论：只要选择a f = y ，就可以保证子载波间相互诈交。 为了达到频谱的最大利用率，一般取厂= i t ，此时，子载波频谱如图2 2 所 示。图中，虽然各个子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 相互重叠的予信道信号的频谱中提取出每个子信道的信号，而不会受到其他子信道 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， 各个子载波频谱之闻不存在相互干扰，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。馈串行数据流经过 p s k ，q a m 或者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 ( ，) = x ( k ) e “ ( 2 3 ) k = 0 在接收端，可以通过积分进行解调。设第m 个o f d m 符号为 ( ，) = x 。( 女) p 川 ( 2 4 ) 其中以( 女) 是第七路子信道的输入信号。从数学函数分解的角度来看，x 。( ，) 可 看作是由个诈交分量扣。2 叽。) 。j ，2 。构成的，这n 个分量的系数依次为x 。( ) ， 七= 0 , 1 ，2 n l 。解调方法即是通过内积运算得到( f ) 的各分量的系数x 。( ) ，计算 式为 q ( f ) = 扣笔州1 心“丁出 = * 篡 m ”出 ( 2 _ 5 ) = 弘，拇舳r 。讲 = ，( ) 华北电力人学硕十学位论文 可见，通过积分得到了各路子信道的输入信号。( 七) ，k = 0 , 1 ，2 n 一1 ，这罩利 用了正交性条件：当七时，积分r 8 “1 崩衍= o ，只当女= 女时积分为r 。 经过以上分析，可得到图2 - 3 的0 f d m 基本原理图。 q a m 发送b i t 流 p s k ， ( o ) ，x ( n 1 1 d p s k 调制 图2 - 3 1o f d m 调制 1ie - ) z “i ix ( o ) 。u l 竺! ! l 。 q a m 量( ，) 土，一j 2 x j tr 厂= 了1j ( 1 ) x ( 0 ) ，x ( n 一1 ： p s l ( u l _ 二二二_ 二_ j 并串 转抉 d p s k 解调 点! ：! 竺i i 曼! 型二坚 b r 一l “w ”l 。 2 3o f d m 系统的实现 幽2 - 3 2 0 f d m 解调 幽2 - 3 0 f d m 基本原理圈 2 31i 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f 交滤波器组来实现调制解调，但实际的0 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f 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0 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0 f d m 系统。 通过对0 f d m 符号的分析发现，0 f d m 复等效基带信号x 。( f ) 可通过对输入信号 x 。( 七) 进行离散傅立叶反变换( i d f t ) 得到。 对h ( ，) 以正= 叫n 的速率进行采样，即令 三蠢意警巡邀7 2 胛珊，疗= 岷， ，1 得到离散采样值 ( 2 - 6 ) ( 哪2 荟n - i 以唧u 等，。：， 裂耋警一勰瀚( 2 - 7 ) 以似卜菇圳e x p o 等) ，k = o 饕鬻一, l 翥 l 囱 一 幽7 4 7 “n ”与i f f t 运算量的比较 麓糍出姗, i f f t 篓- 裟* a t , t 1 蠊磊运勰 3 于信道的对延扩展特性在连续孳输的。f 。m 符号之问将产生符号问干扰 华北电力人学硕十学位论文 ( i 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。 褰 厂u 7 脒 珏吐 f f t 积分区间 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 相对来说是比较小的。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 1 3 t e r v a l ，简称 g i ) ，且该保护间隔的长度1 要大于信道的最大时延扩展r 。这样来，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| 日j 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 p t 窗n 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 内填入循环前缀( c y c l icp r e f i x ，简称c p ) 信号，即将o f d m 符号内的后瓦，时问中的 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，从而消除i s i ，同时又可以 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 t o = + t 其中丁为有用码元周期。 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 m i 型l llj 这样加入循环前缀的o f d m 符号表达式为 o ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 华北电力人学硕士学位论文 “炉崖引k ) e x p o 等) 嘞 一 i x 。( + ”) 一m n l n 2 + 1 ( 2 1 2 ) 工2 厶】 因此，如果不采取特别的处理，点i f f t 实际上最多只能实现2 + 1 个子载 波的并行调制。如果调制n 个子载波，则有将近2 个子载波存在频率混叠而导致 不能由x 。( 片) 经d a 恢复出x 。( f ) 。 为分析方便，本文采用o f d m 基带传输系统。在基带传输系统中，不但子载波 数要符合上述要求，而且出于o f d m 信号以基带形式在信道中传输，还要求i f f t 的 结果必须是一个实序列。下面我们给出一种可同时满足以上两个条件的解决方案一 一通过对共轭对称序列做i f f t 完成o f d m 调制。也就是数据在做i f f t 之前首先做 共轭对称处理，据此我们对i f f t 的输入数据，即p s k q a m d p s k 编码后的符号 序列x ( 七) ，做式( 2 一1 3 ) 的规定，式中+ ( 一女) 是前一半载波的共轭对称数据，频 率中点k = n 2 处应设置为零。 x ( t ) = 口( o )k = 0 口( 女) + j 6 ( ) 1 s 尼，n 2 1 ( 2 - 1 3 ) 0k = n 2 x ( n k ) n 2 + 1 k n 二1 如= 8 ，则共轭对称数据序列的形式如表2 一l 所示。 表2 1 共轭对称序列 通过这样的共轭对称处理，亦即，只在其中n 2 个子载波上调制有用信息，另 外n 2 个子载波上调制的信息( 除第n 2 点取。外) 由前面相应的有用信息取共轭复 数得到。可以推导出i f f t i 矍j 输出信号为 “妒专篙1r e 咖x p ( 譬羚+ 可a a 0 ) 舻o ，l ，2 ，- 1 ( 2 _ 1 4 ) 显然，x 。( ) 是一个实序列，并且，其含有的最高频率为( n 2 1 ) t ，即点i f f t 调制的子载波数实际为l = n 2 r 。 ( 3 ) 确定t 的范围：t 4 正j 以下给出了参数设计步骤： 1 3 华北电力人学硕士学伉论文 ( 4 ) 测量得到信道频带范围， 】 ( 5 ) 确定，的范围：正2 l ( 6 ) 确定的范围：n = f t 2 4 t c j ( 7 ) 取值：适当选取符合( 6 ) 的n = 2 “( m 为整数) ( 8 ) 确定z ：正2 ( 9 ) 计算得到r ：t = 正 ( 1 0 ) 计算得到瓦：l = t + i j 0 d 计算得到：a f = 1 丁 利用式( 2 一1 7 ) 计算得到。 符号速率月：r = n 。l ( 1 4 ) 频带利用率卵：r l = r ( z 一z ) 若信道最大多径时延为1 5 p s ，则选择保护时问间隔死= 3 p s ，就可以基本上 消除信道多径干扰。出式( 2 - 1 7 ) 得到t 1 2 娜。如果信道频带为i o o k h z 2 m h z ， 则工2 l = 4 m h z ，n 4 m 1 2 u = 4 8 。用基2 i f f t 算法，则至少取n = 6 4 = 2 4 。若 取j ，：为4 m h z ，则有用码元周期t = z = 1 6 p s 。总的o f d m 码元周期 瓦= 丁+ i ；= 1 9 , u s ，相邻子载波问隔a f = t t = 5 2 6 3 k h z 。计算得到实际使用的予信 道数n 。= 3 0 ，符号速率r = n 。瓦= 1 5 8 m b i t s ，频带利用率 玎= r b = 1 5 8 m ( 2 m 一1 0 0 k ) = 8 3 1 6 a 需要指出的是，值应在符合( 6 ) 的条件下恰当选择。由式( 2 一1 7 ) 以及步骤( 9 ) 、 ( 1 0 ) 、( 1 3 ) 得 r 卫t o = 等硼一鹣n ，2 以 、 + i ，：。 ( 2 一1 9 ) 显然，当，：，无，e ，确定以后，符号速率r 随的增大而增大，图2 8 给出了 r 随值的变化曲线。在同一通信信道下，频带利用率f 比于r ，因此，也同样随 的增大而提高。而且，的增大也将使有用符号周期7 1 在总符号周期r + t ：中占 的比例增大，从而使系统的传输效率提高。因此，为了保证较高的信息速率、频带 利用率以及传输效率，必须选择足够大的子载波数。 但是，的增大会导致运算量的增加，如图2 4 所示。且当增加到一定数值 之后，系统的符号速率或频带利用率随的增加其效果已经不再明显，这可以从图 2 - 8 r 随j 值变化的趋势中看出。同时，采用过大的时，0 f d m 符号周期也会变得 华北电力人学硕士学位论文 过大，造成大的通信延时，这对于实时性要求较高的通信( 如语音通信) 可能是无法 忍受的。因此，必须考虑各方面的影响，在一定频带内选择合适的值。 一一1： 矿 ， f 4567b 91 01 图2 - 8r 随值的变化曲线 2 5o f d m 系统的初步仿真 对o f d m 系统的实现和参数设计进行分析后，下面对o f d m 传输系统进行初步仿 真实现。信道参数同2 4 2 节，其冲激响应值取h = 10 4 0 70 50 2 0 1 。， 并耿i f f t 点数n = 1 0 2 4 ，相对应的其他参数见表2 2 。发送端，仿真使用随机产生 的二进制比特流。进行1 6 q a m 基带调制后，再做i f f t ，得到一个周期7 1 内的o f d m 时域符号。图2 9 是连续产生的1 0 个未加入循环时缀的o f d m 时域符号数据。从图 中i i _ f 以看出，o f d m 符号数据均为实数，这与2 4 1 节对共轭对称调制方案的分析相 符。 表2 2 系统仿真参数 t ( , u s )a f ( k h z ) r ( p s )。 r ( m b i t s )，7 ( ) 1 0 2 4 2 5 63 9 6 0 2 52 5 94 8 61 8 7 6 4 4 89 8 7 6 对这1 0 个o f d m 符号分别进行功率谱估计，得到图2 1 0 。可以看到，o f d m 信 号除o i o o k h z ( 对应关闭的信道) 外，在整个仿真频段内，功率谱近似为一个常数。 因此，一般的o f d m 符号在时域上表现为方差为口2 的白噪声特性，而其平均功率即 为d 2 。 ” b 伯 巧 ” 皓 埔 f ； 协 磐盏，l，叱 华北电力人学硕士学位论文 图2 - 9 发送o f d m 符号波形图2 - 1 0 发送o f d m 符号功率潜估i 仿真中对一帧o f d m 符号( 这早取1 0 个o f d m 符号为一帧) 进行传输，即对上述 连续产生的o f d m 符号数据分别加入循环前缀后，组成串行的包含1 0 个完整o f d m 符号的一帧数据，再d a 转换后送入信道。同样，在接收端，对接收数据进行a d ， 串并转换，然后去掉c p ，则可以得到经多径信道衰落后的1 0 个o f d m 符号数据， 对其进行功率谱估计的结果如图2 - 1 l 所示。从图中可以看出，o f i ) m 信号经过信道 后，在某些频段处发生了衰减，反映了多径信道的频率选择特性。 图2 1 1 接收o f d m 符弓功率谱估讣 实际的o f d m 通信系统中，为了提高通信性能，还需要加入信道编解码以及接收 端的信道估计与均衡，以使信号更好地抵抗各种信道损伤的影响，例如噪声、干扰 以及衰落等，这将在后续章节中进行具体分析。 2 6o f d i i 在低压电力线通信中的应用 通过前文对o f d m 技术的分析可以看到，o f d m 技术作为一种多载波调制技术和 1 6 华北电力人学硕士学位论文 频分复用技术在通信的效率和可靠性方面都有着比较明显的优势，因此，采用o f d m 系统实现低压电力线通信成为目前研究的热点。 2 6 1 采用o f d m 系统实现低压电力线通信的优点 采用o f d m 系统实现低压电力线通信主要有以下几个优势： ( 1 ) 能够有效地消除电力线信道多径延时造成的符号阳j 干扰i s i 和子载波间干扰i c i o f d m 将高速的数据流通过串并变换，分配到个子信道中进行并行传输，从而 使得每个子信道中的符号周期相应地增加为原来的倍，因此可以有效地减少由于 信道的多径时延扩展所产生的时问弥散性带来的i s i 对系统所造成的影响。并且系 统还在相邻的两个o f d m 的符号之间插入保护间隔，当保护问隔大于信道的最大时 延扩展，就可以最大限度地消除由于多径传播所带来的i s i 。 o f d m 的子载波之间是相互