（物理电子学专业论文）基于ofdm的低压电力线通信系统的分析与研究.pdf

摘要 电力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是利用电力线作为通信媒介来传输 数据信息和语音信号的一种通信方式。由于电力线具有组网容易和成本低廉等优点，因 而具有很高的应用潜力。随着人们对网络传输速度的要求越来越高，如何提高电力线通 信容量和实现更高的传输速度是本文主要解决的问题。o f d m 调制技术具有频带利用率 高，传输速度快，抗干扰能力强等优点，能够有效提高频带利用率，缓解频带短缺矛盾。 基于o f d m 的低压电力线通信充分利用低压电力网现有线路和设备实现高速数据通信， 为人们提供了一种新的高速通信方式。因此，对o f d m 及其在低压电力线通信中的应 用进行深入研究具有非常重要的现实意义。 本文对传统数字调制技术性能特性进行简要分析，并对o f d m 调制技术，基本思 想，基本原理，实现方法，主要应用，性能特性等进行了较为全面的分析讨论。针对 o f d m 的均衡问题，在对电力线信道特性进行分析的基础上就时域均衡和频域均衡进行 了详细讨论，并对两种均衡算法( 基于导频算法和l m s 算法) 进行了分析对比。针对 o f d m 的p a p r 问题，对p a p r 问题的原理，p a p r 过高带来的危害，降低p a p r 的方 法及其实用性进行了详细讨论，并进行了m a t l a b 仿真试验，试验结果表明，改进算 法在付出p a p r 略微增大的条件下大大减小计算量，达到了实用化目的。 由于低压电力线作为通信信道存在很多问题，因此对其信道特性也作了详细的分 析。作为o f d m 的一个具体应用，本文在分析电力线信道的基础上，提出了一种基于 o f d m 技术利用低压电力线接入i n t e m e t 的解决方案。根据这个方案完成了p l cm o d e m 的设计制作调制试验工作，产品达到设计要求。 关键词：电力线通信，正交频分复用，均衡，功率峰均值比 a b s t r a c t p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) i sad a t a v o i c et r a n s m i s s i o nm e t h o db ym a k i n gu s eo ft h ep o w e r l i n e 罄t h ec o m m u n i c a t i o nm e d i ac o m p a r e dw i t ho t h e rw i r e dc o m m u n i c a t i o n s i n c ep l ch a st h e a d v a n t a g e so f l o w c o s ta n de a s yt os e tu pa n ds oo n ，i th a sh u g ep o t e n t i a la p p l i c a t i o n s w i t ht h ei n c r e a s i n g d e m a n do ft h en e tw o r ks p e e d ，i ti si m p o r t a n tp r o b l e mt oh o wt oe n h a n c et h ep l cc h a n n e lc a p a c i t ya n d r e a l i z et h eh i g h e rs p e e d o r t h o g o n mf 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 ( o f d m ) i sad i g i t a lm o d u l a t i o n t e c h n i q u ew h i c hh a s s om a n yf e a t u r e ss u c ha sh i 【g he f f i c i e n to fb a n d w i d t h ，f a s td a t at r a n s m i t t i n ga n dh i g h a n t i - j a m m i n gc a p a c i t y t h ec o m m u n i c a t i o no i ll o wp o w e rl i n eb a s e do no f d mc a nu s et h ee x i s t i n gl o w v o l t a g ep o w e rl i n en e t w o r ka n da d v a n t a g e de q u i p m e n t st or e a l i z eh i g e rd a t at r a f f i c i ti san e wm e t h o do f h i 曲s p e e dc o m m u n i c a t i o na n dt h er e s e a r c ho no f d ma n di t sa p p l i c a t i o no nl o wv o l t a g ep o w e rl i n eh a s g r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rm a k e sas i m p l ea n a l y s i so nc o n v e n t i o n a ld i g i t a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e ，a n dm a k e sa c o m p l e m e n ta n a l y s i so no f d m t h ep a p e ra n a l y z e st h ef e a t u r eo fp o w e rc h a n n e l ，a n dg i v e sad e t a i l d i s c u s so nt h eb a l a n c ei nt i m ef i l e da n df r e q u e n c ef i l e d ，a n dc o m p a r e st h et w ob a l a n c ea l g o r i t h m s a i ma t t h e p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a d i o ( p a p r ) ，t h ep a p e rg i v e sd e t a i la n a l y s i so ni t st h e o r y , t h eh a r mw h e n f a p ri st o oh i g ha n dt h ew a yt or e d u c ep a p r t h i sp a p e rp u r p o s ea l le f f e c t u a la l g o r i t h mo nt r a d i t i o n a l p a p r ，a n dg i v e so u tt h er e s u l to nm a t l a b t h er e s u l ts h o w st h ea l g o r i t h mc a nb ep r a c t i c a la n dr e a c h st h e p u r p o s et oa p p l y b e c a u s em a n ye x i s t e dq u e s t i o n so f p o w e rl i n ec h a n n e l ，t h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i ci sd o n et h ed e t a i l e d a n a l y s e a saa p p l i c a t i o no f o f d m ，t h i sp a p e rh a sp u r p o s e das o l u t i o nw h i c hu s e sl o wv o l t a g ep o w e rl i n e t oc o a n e c tw i t hi n t e m e t b a s e do nt h es o l u t i o n , t h ed e s i g na n di sa c c o m p l i s h e df a v o u r a b l y 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 ( p l c ) ，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 ( o f d m ) , b a l a n c e ，t h e - p e a k - t o - a v e r a g ep o w e rr a d i o ( p a p r ) i 独创声明和论文使用授权说明 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河南师范大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。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。 签名：宝壅叠 一日期：触巷趣! 盟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权河南师 范大学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，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 签名： 绪论 第一章绪论 1 1 低压电力线通信的理论与现实意义 1 1 1 研究p l c 的实际意义 近年来，i n t e r n e t 已经成为人们生活中不可缺少的一部分。然而，用何种通信方式 使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备，成为当前困惑人们的难点之一，这就是被 业内人士称为宽带网络接入“最后一公里”的问题。利用四通八达、遍布城乡用户的2 2 0 v 低压电力线传输高速信号的p l c 技术，以其不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著 特点，成为最具潜力的“最后一公里”的解决方案之一。作为通信技术的一个新兴应用 领域，电力线载波通信技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注。如果 高速p l c 能够应用于我们的实际生活中，并且能同时实现数据、话音、视频、电力“四 网合一”，将能够创造巨大的经济和社会效益。 1 1 2 电力线通信与其他通信方式的比较 蚬征晋j 题米用的通佰万式碉：绿合业务数子嘲【i s d n ，i n t e g r a t e ds e r v i c ed i g i t a l n e t w o r k ) 、非对称数字用户线路( a d s l ，a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 、有线电 视网c a t v 和本地多点分配业务( l m d s ，l o c a lm u l t i p o i u td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) “1 。 表1 - 1p l c 同其它通信方式的比较 通信方式速率( b ”s ) 幂嚣霍薯物理介质评价 嚣嚣篓制5 6 k 否电话线应用广泛、廉价但速度慢 i s d n1 2 8 k是电话线应用不广，较普通电话线稍责 a d s 。篇翟是电锻磊茗嚣塞量芋星嚣嚣磊嚣。篓觳酩酬坪舰 v d s l1 2 m 是 电话线蒿- 誓薹学詈篡董用，频带专用不共享频宽受距离限制，不能组 竽蝴用1 0 户m 数籽否同轴电缆翥纂襄囊兹嚣霎誓了龛z 嚣篙笋；树麟开办服务 w l a nl i m 是空气易受建筑物阻挡，对天气状况敏感，受其他无线电波干扰 高谊p l r 4 m 县由寸l # #手霭新姥井龠广汗椿入方倬 绪论 由表卜l 可知：与其他接入技术比较，电力线宽带接入网络具有以下优势：电力线是 最基础的网络，它的规模之大，是其他任何网络所无法比拟的。它充分利用现有的低压 配电网络基础设施，无需任何布线，无需挖沟和穿墙打洞，避免了对建筑物和公用设施 的破坏；它可以为用户提供价格低廉的高速互联网访问服务、l p 话音服务，从而使用户 上网和打电话增加了新的选择，有利于同其他电信服务商的竞争；为家庭联网提供支持， 使人们可以方便地尽享由p l c 技术带来的家庭音、视频网络；它是家居自动化的生力 军，通过遍布各个房间的墙上插座，将智能家电联网提前享用数字化家庭的舒适和便利； 利用p l c 的永久在线连接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控系统，让 上班族高枕无忧；构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和病人的家庭倍感方便；远 程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用，也方便了用户； 实现数据、话音、视频、电力“四网合一”，创造巨大的经济和社会效益。 1 2p l c 的国内外发展状况 近年来随着i n t e m e t 技术的飞速发展，登陆上网的人数成倍的增长，这使得各国政 府和企业加快了对p l c 的研究应用步伐。英国n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始进 行p l c 用于接入i n t e r n e t 的研究开发工作。1 9 9 8 年，美国i n t e l o g i s 公司也推出了p a s s p o r t 商业化p l c 产品，最高速率为3 5 0 k b p s 。由于技术不成熟，未能大规模商用，但这己使 p l c 技术在研究和改进中飞速发展。到本世纪初，p l c 技术的核心p l c 专用芯片的 指导技术的进展明显加速，p l c 芯片的传输速率从1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、 4 5 m b p s ；随之，许多国家的研究机构开展了p l c 技术的研究和开发，如美国的i n t e l l o n 、 i n t e l c - g i s 、i t r a n 等公司，韩国的x e l i n e 公司，瑞士的a s c o m 、p o l y t r a x 等公司。瑞 士a s c o m 公司近年来在欧洲、东南亚以及拉丁美洲的2 0 个大型企业或电信运行商联 合建设了实验系统，试验的用户数超过2 0 0 0 个，并全部取得了成功。德国r w e 电力线 通信公司与2 0 0 1 春季推出了r e wp o w e r n e t ( p l c 上网) 、r e wp o w e r s c h o o i ( p l c 学 校联网) 和r e we h o m e ( 智能家庭自动化) 三项业务及相应产品。自2 0 0 1 年7 月1 日 起正式开始商用化，开始时r e w 公司成为世界上首家实现p l c 接入系统商业化运营的 企业，同时德国也是迄今为止世界上唯一允许p l c 进入商业化运行的国家，并颁布了 有关法律。2 0 0 2 年r e w 推出i p 电话业务，并深入研究开展视频会议、视频点播、网 上电视、网上广播等业务。 2 绪论 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。福建省电力公司科技部2 0 0 0 年初 立项，研究利用p l c 技术控制家用电器的科技项目，2 0 0 1 年取得了一定进展，采用传 输速率为1 0 k b p s 的p l c 模块，可控制家用热水器、d v d 等家电的开启。目前，采用美 国i n t e l l o n 公司1 4 m b p s 芯片，正在研发传输速率达到1 0 m b p s 的p l c 户内家电控制产 品。 深圳国电科技有限公司是国家电力公司直属企业，2 0 0 0 年初就开始研制户内p l c 产品，目前，采用美国i n t e l l o n 公司的1 4 m b p s 芯片研制的用于户内联网的p l c 产品也 在小范围试验。下一步准备采用d s 2 公司的4 5 m b p s 芯片，研制传输速率达到2 0 m b p s 的户内p l c 联网设备。 国电通信中心于2 0 0 1 年9 月在国家电力公司宿舍区建立了p l c 实验室，组织国内 外p l c 厂商的产品，分别进行测试试验。首先采用韩国r e l i n e 公司研制开发的3 2 m b p s 芯片的p l c 组网设备，在北京居民小区进行i n t e m e t 的接入试验，在高层建筑( 1 6 层2 3 层) 的1 4 户居民家中安装了p l c 调制解调器，每户居民均实现了通过电力线上i n t e m e t 网，试验网络运行稳定。 随着p l c 技术的发展，相继成立了相关的国际性p l c 组织。3 c o m 、a m d 、c i s c o s y s t e m s 、c o m p a q 、i n t e l 、m o t o r o l a 、t i 等1 3 家公司组成了为家庭电力线联网产品提供 标准和服务的功业财团家庭电力线插座联盟( 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 o m e p l u g ) 。 第一代1 4 m b p s 联网技术说明书高速电力线家庭网络工业技术规范( 简称 h o m e p l u 9 1 o ) 是h o m e p l u g 于2 0 0 1 年6 月2 6 日颁布的技术标准，是基于正交频分复 用( o f d m ) 的一种利用电力线作为媒介的高速网络系统标准，是为在家庭环境下利用 交流电源进行数据通信设计的。h o m e p l u 9 1 0 有以下特点： ( 1 ) 具有可与1 0 b a s e t 以太网媲美的1 3 m b p s 的最大的物理层负载率，并可以 扩展到更高的速率。 ( 2 ) 自适应速率收发器可以根据对等连接基础的最小包错误率优化数据传输率， 也就是可以根据线路情况动态调节数据传输率。 ( 3 ) o f d m 多音频调制可以在线路存在延时和高频选择信道的情况下，不使用均 衡器就提供强劲的通信。 ( 4 ) 音频屏蔽功能可用来和其他电力线服务兼容或符合国际调整的要求。 绪论 ( 5 ) m a c 层自动重复请求( a r q ) 可以保证在高噪音情况下的可靠性。 ( 6 ) 类似于i e e e 8 0 2 11 的带优先级信号的信道存取确保了高优先级帧的优先级。 ( 7 ) 可选用与i e e e 8 0 2 3 c l a u s e 2 2 媒介独立借i z ( m i i ) 兼容的接口。 同时，在国际上还有其它三个组织，分别是美国电子工业联合会( e i a ，e l e c t r o n i c i n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ) ，c e a 消费电子协会田( c e a ，c o n s u m e re l e c t r o n i c sa s s o c i a t i o n ) ，p l c f o m m l 3 1 ( 它的7 2 个成员来自三大洲的1 8 个国家) 。 1 3 高速p l c 应用模式 当前高速p l c 技术主要有两种应用模式：其一为以美国为代表的家庭联网模式。这 种模式的高速p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使用其他传统的通信方式。这一方 面是由于美国a d s l 、h f c 等技术和产品已经比较成熟和普及，更重要的是由于美国的 低压配电变压器一般为单相，平均只为5 6 个用户提供供电服务，推广电力线上网成 本过高的缘故。 另一种模式是面向欧洲和亚太市场的电力线上网，因为这些地区的低压配电网结构 比较类似，一般一台配电变压器为2 0 0 3 0 0 个住宅用户提供供电服务，推广电力线上 网服务平均成本较低。 1 4 本课题具体的实施方案 第一章绪论，主要介绍了实现电力线通信理论与现实意义，并介绍了当前国内外的 发展情况；第二章主要讲述低压电力线通信的特性；第三章，将详细论述本文用到的调 制技术旬f d m ：在第四章，主要介绍o f d m 技术中所存在缺陷的改进方法；在第五 章中设计并验证了p l cm o d e m ，收到良好的效果；第六章主要说明全文的工作和文章 中所存在有待改进的问题。 4 低压电力线载波通信 第二章低压电力线载波通信 2 1 电力线通信概述 电力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是电力线系统特有的、基本的通信 方式。电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速 传输的技术。电力线通信已经有几十年的发展历史，在中高压输电网( 3 5 k v 以上) 上通 过电力载波机，利用较低的频率( 9 , - - 4 9 0 k h z ) 以较低速率传送数据或话音，这是电力线通 信技术应用的主要形式之一。在低压( 2 2 0 v ) 领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程 抄表和家居自动化，其传输速率一般在1 2 0 0 b p s 或更低，称为低速p l c 。近几年国内外 开展的利用低压电力线传输速率在1 m b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。 2 1 1 通信原理 电力宽带在传送数据信息时，会通过专门的o f d m 或g m s k 调制技术，将计算机 数据信号调制成特殊的电力信号，该信号可以在频宽范围在1 6 m 3 0 m 之间的电力线上 正常传输；在数据信号的接受端，需要借助专业的信号滤波器，将电力信号过滤一下， 然后再通过调制器将信号还原成原来的数据信号。电力宽带上网的速度根据网络设备的 不同，可以达到5 m - 4 5 m 。用户端在使用电力宽带上网时，往往需要用专业的p l c 电 力调制解调器，将计算机信号转换成电力信号，然后电力信号再通过电力线传送到i s p 的局端设备中，利用该设备电力信号就能转换成数据信号，以后数据信号就能通过交换 机、光收发器等设备直接进入i n t c m e t ，从而实现电力上网的目的，如图2 - 1 所示( 4 1 。 2 1 2 频率范围 高速p l c 使用的频率范围可以扩展至1 6 m h z 3 0 m h z 【5 1 ，这个频段上信道噪声低得 多，对信号传输影响小。电力线上的衰减随着信号频率的增加而增加，在一定距离上， 该频段内信号的衰减要低于噪声的衰减，因此，就可以利用调制技术将高频信号从电力 线中分离出来。 5 低压电力线载波通信 图2 - 1 电力线上网实际图 2 2 限制低压电力载波通信的主要因素 低压电力线是给用电设备专门传送5 0 h z 电能的，本身不是为通信设计，因此其特性 在很多方面难以直接满足载波通信的要求。从通信角度来说，电力线对数据的传输还有 一系列技术上的难点。限制低压电力载波通信的主要因素如下： ( 1 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用 配电变压器主要实现5 0 h z 电能的变换，对高频电力载波信号起阻断作用，通常电力 载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送信号。 ( 2 ) 三相电力线问有很大的信号损失( 1 0 3 0 d b ) 通信距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线 上传输。 ( 3 ) 不同信号耦合方式对电力载波信号的损失 不同耦合方式有线一地耦合和线中线耦合，线一地耦合方式与线中线耦合方式相 比，电力载波信号少损失十几分贝，但线一地耦合方式不是在所有地区电力系统都适用。 ( 4 ) 电力线存在本身固有的脉冲干扰 目前使用的交流电为5 0 h z ，则周期为2 0 m s 。在每一交流周期中，出现两次峰值， 两次峰值会带来两次脉冲干扰。 6 低压电力线载波通信 ( 5 电力线上存在高噪声 电力线上接有各种各样的用电设备，有阻性的、感性的、容性的。各种用电设备经 常频繁开闭，就会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅度较大。用耦合电感从电力线上 耦合下来的噪声一般就在l o m v 以上，而一般传输的数据信号会削减至l j l m v ，如不采用 电力线专用的m o d e m 芯片来解调数据信号，通信距离会相当短。 ( 6 ) 电力线对载波信号造成高削减 当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达l q 以下，造成对载波信号的高削减。实际应 用中，当电力线空载时，点对点的载波信号传输可达几公里。但当电力线上负荷很重时， 只能传输几十米。 ( 7 ) 电力线引起数据信号变形 电力线是一个分布参数网络，不同点、不同时间对数据信号的影响是不一样的。同 时电力线是时刻动态变化的，不同时间对数据信号的影响也不一样，这就使发出的规则 数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号。 ( 8 ) 阻抗、信号衰减和干扰是决定通信信道性能的基本参数 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。在理想的情况下，当没有负载时， 电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗随着 载波信号的频率增大而减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不 同，甚至不可预测。图2 2 用对数绘出了实测的输入阻抗与频率的关系数据”1 。 图2 2 输入阻抗一频率关系图 注：两曲线是在同一个低压电力线王的不f 鼋地点测得的 从图2 2 中可以看出，电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关【3 】输入阻 抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从0 1 q 变化到l o o f l ，变化范围超过了1 0 0 0 倍。输入 阻抗的变化并不一定符合随频率增大而减小的单调变化规律，甚至与之相反。这是因为 电力线连接有各种复杂负载，这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频 低压电力线载波通信 率及其附近频率上形成低阻抗区。另外电网负载随机地接入与切出导致电力线的输入阻 抗发生较大幅度的改变，还会造成电力线上不同位置的输入阻抗不同。 ( 9 ) 载波信号的频率是影响电力线特性参数的主要因素 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。对 高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线。高频信号在低压电力线上传输 必然存在衰减，而这种衰减与通信的距离、信号频率等有密切的关系。 图2 3 是白天与晚上在同一地点测得的衰减曲线。从i 曲线可以看出，晚间同相传输 的衰减基本上比白天要小，在某些频率，衰减甚至可以小于2 0 d b ，这主要是因为晚间的 负载较轻。在跨相传输中，衰减的波动较大，在某些频率上的衰减比白天还要大于2 0 d b ， 这可能是电抗性负载、反射、多经传输或驻波等现象造成的影响。 频率l d - i z t 实验时间为白天 葛 鳝 懈 图2 - 3 频率衰减曲线圈 2 3 电力线的噪声特性与建模 2 3 1 电力线的噪声特性与分类 电力线具有同其他通信信道不同的噪声特性，因此电力线噪声模型不能用高斯白 噪声( a w g n ) 模型来描述【7 1 。根据存在噪声干扰的不同性质，m z i m m e 咖锄和 k d o s t c r t 8 】【9 】将电力线噪声分为下面五种类型( 如图2 4 ) ： ( 1 ) 有色背景噪声 它是电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是- - e e 随时间缓慢变化的随机干扰，其 功率谱密度随频率增加而减小。 ( 2 ) 窄带噪声 它是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其干扰强度在一天里 s 低压电力线载波通信 变化不定。一般情况下，由于大气层的反射夜间干扰比较严重，而白天干扰较小。 ( 3 ) 与工频异步的周期性噪声 这类噪声主要由于大功率电器设备( 如电视机或电脑) 开关的开闭产生，功率谱是 离散的谱线，重复率在5 0 , - - 2 0 0 k h z 范围内。 发送机( s ( 0 噪声n ( t ) 信道h ( t ) ，h ( f ) 、。 图2 - 4 线噪声分类示意图 m ) 】接收机 ( 4 ) 与工频同步的周期脉冲噪声 这类噪声主要也是电力设备按5 0 h z 频率工作的脉冲，其重复频率一般为工频或工 频的整数倍。持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。它主要是由可控硅整流器 件造成的。 ( 5 ) 异步脉冲噪声 这类噪声主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也可归类为这种噪声。 由于这类噪声的持续时间小到芦级，大到m s 级，而且幅度达到d b 数量级，因此，被 认为是电力线通信的最大障碍。 前三种噪声都持续时间较长，短到几秒、几分钟，长到几小时，而且又具有重复 性，可把它们归类为稳态的背景噪声；后两类噪声则随时间( 微秒或毫秒) 而变化，一 旦这两类脉冲噪声产生，噪声功率谱密度( p s d ) 很高，就可能产生数据通信的位错误 或突发性错误。电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立， 故理论上这五类噪声的叠加可看作是电力线噪声。 2 。3 2 背景噪声模型 图2 - 5 背景噪声的生产模型 9 低压电力线载波通信 如图2 5 所示，可用白噪声源经过整形滤波生成，噪声整形滤波器可用传递函数( z 变化) 来描述f 9 】： = 筹= 筹 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中函数的分子部分b ( z ) 表示的是移动平均( m a ，m o v i n g a v e r a g e ) 部分， 其分母爿( z ) 表示的是自回归( a v ，a u t or e g r e s s i v e ) 部分。模型参数由噪声源的方差盯2 和滤波器系数组成。通过使用a r 处理模型，即：b ( z ) = 1 ，参数可以由用a r 频谱分析 仪测量的噪声信号确定。由于背景噪声的功率谱密度随时间缓慢变化，所以一般只有在 改变模拟的噪声环境时，该参数才需要变更。 2 3 3 窄带噪声模型 对于窄带噪声进行仿真，应该建立一个窄带噪声模型。窄带噪声珂。( f ) 可通过n 个独立的正弦信号叠加而成1 9 】1 1 0 1 ： ，( f ) = 爿( ，) s i n ( 2 须，+ 纪) ( 2 2 ) 式( 2 - 2 ) 中每一个分量由它的频率z 、幅值爿。( f ) 和相角仍来表征，载波相位可以 在区间【o ，2n 】上用随机数选择，并独立于时间。载波即可独立地在时域内合成，亦可 先在频域中合成，然后借助反向快速傅立叶变换( i f f t ) 而得到。 2 3 4 脉冲噪声模型 一般而言，脉冲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。时域分析已证明对于供电网络中的脉冲噪声进行详细地、全面地 描述很有意义【l l 】。 1 0 低压电力线载波通信 幅度 l 蔓= ：土 l t 。， 4 i h r a h i r t 一 f ， f 。时间 图2 6 脉冲嗓芦包络梗型 图2 - 6 中所示1 2 1 ，脉冲噪声可用三个有意义的参数表示【s j f 9 】13 1 ，脉冲宽度：t ，。， 脉冲到达时间：r 。j ，脉冲幅度：4 ；两个脉冲到达间隔时间：t l r a = t 。+ 0 = t ar 川一r 。， 两个脉冲的间隔时间：。 i m p ( t ) 是通用的脉冲函数，拥有单位的脉冲宽度和脉冲的幅度，因此脉冲序列能用 下面的公式表示： ，一， 行唰。= a ，i m p 学) ( 2 - 3 ) 公式( 2 - 3 ) 中参数彳，t w ，f 。均为随机变量，可以通过测量来确定它们的统计特 性。考虑到脉冲为随机在时间上发生的事实，其特性可以用随机变量来描述，并以一随 机模型来表示，马尔可夫模型符合这种要求。这里，通过一个分群的马尔可夫链对脉宽 和脉冲间隔时间进行模拟。假定把噪声状态分为两组a ( i = l ，v ) 和b ( i = v + 1 ，”) ，a 中的j i ，个状态表示没有脉冲时间发生的情况，b 中的w = 胛一v 个状态表示有脉冲时间发 生的情况。输出函数妒( ”为： ( 七) = 庐( z ( t ) = t ) = 一 ?；i 三 ( 2 4 ) u = i 1 0 ： 0 u v + i 1 00 4 1 “2 。2 ： “2 , v _ - - i o! 0 ”l ru t i “，+ l 。2 “ l ，0 ( 2 5 ) 低压电力线载波通信 g = g i ，l 00 0 9 2 2 ； ：+ 0 00 g ， g l l g w + i ，2。一g w + 1 ， ( 2 6 ) 互补概率分布函数，表示随机变量x 大于j 的概率： c p f ( x ) = p ( x x ) ( 2 7 ) 则脉冲宽度大于某个宽度的概率f 。，用离散时间k 表示为： c p f w ( k ) = 1 畈2 扣。声f o 舡r k = l 协。， g ，+ 1 ，表示从b 中的某个状态j 向临界状态w + l 过渡( 脉冲开始消失) 时的转移概 率，g 。表示b 中的某个状态不发生状态转移( 脉冲保持) 的概率。 脉冲间隔时间超过某一时问跨度的概率，用离散时间k 表示为： c p f a ( k 、= 1f o r k = 0 f o r k = 1 , 2 ， ( 2 9 ) 材。l f j 表示从a 中的某个状态j 向临界状态1 ，+ i 过渡( 脉冲开始发生) 时的转移概率， 甜，。表示a 中的某个状态不发生状态转移( 无脉冲保持) 的概率。 2 4 低压电力线信道特性分析 2 4 1 时变特性 由于电网上众多负载的不断接入、切出等各种随机事件，使得表现出来的电力线信 道特性具有很强的时变性。低压电力线在1 秒内对某一频率信号的衰减变化可达2 0 d b ， 同时信噪比的变化也可达到1 0 d b 左右【1 4 】，具体对通信系统表现为突发脉冲干扰。 1 2 。 ，一 = 毗 低压电力线载波通信 2 4 2 衰减特性 p l c 信道对各种频率信号的衰减程度是p l c 选择载波频率的主要依据。信号的衰 减主要决定于信号通过的路径和网络上所连接的负载。用于电网中调整功率的电容以及 各种具有电容特性的电器对高频载波信号来说相当于短路，对信号造成极大的衰减；网 络中的一些负载会对某些频率构成谐振电路，产生谐振；当网络上负荷很重时会造成载 波信号的高衰减。总的说来，信号传输距离越远，衰减越严重，但是也存在由于负载阻 抗的不匹配，信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象，导致近距点比远距点衰 耗大。总体上说，p l c 信号衰减随频率上升、距离增大而增加，但并不是单调的。通常 情况下，信号衰减在2 0 d b 以上，但一般不会超过5 5 d b i l ”。 2 。4 3 多径传输特性 多径效应是数字通信中特有的一种干扰，是指信号经过不同路径到达目的地时由于 信号的延迟而相互干扰的现象。低压配电网所连接的设备数量大、种类众多，整个网络 的阻抗处于动态变化之中，这必然会造成许多设备工作在阻抗不匹配的状态。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，信号就可能经过若干条不同的路径 到达接收点。由于这些反射信号到达接收点的时间、相位不同，在接收端叠加后形成干 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 严重的码间干扰。 2 4 4 实验测量 为了验证低压电力线的衰减特性，通过实验在学院实验大楼5 0 2 实验室进行了实地 测量。测量方式如图2 8 所示，测量的电力线环境为普通单相电力线，收发端均为线- 地耦合，传输距离约1 0 米，电力线负载情况包括本实验室的运行中的计算机6 台、日 光灯、空调等。测量过程如下：信号发生器产生的频率为3 3 0 m h z 的高频载波直接送 入示波器通道1 ，同时将该载波耦合送入电力线传输，通过近l o 米的传输后耦合取出送 入示波器通道2 。由图2 - 9 ( a ) 、( b ) 可以看出，信号通过电力线传输后受到噪声干扰和多 径时延的影响产生了畸变和延迟，但变形并不是很严重，延迟也比较小，这与传输距离 比较近、电力线负荷较稳定有关。 低压电力线载波通信 表2 2 是一组信道衰减的实验测量数据。从该表可以看出，信号的衰减和载波频率 有关( 实验测得的信号衰减其实还包括了耦合衰减，并不是完全是信道衰减特性造成的， 耦合设备一般有1 - 3 d b 的固有衰减1 1 6 1 ) ，并不是单调变化的，载波频率在接近p l c 频段 上限3 0 m h z 附近信号衰减增大较多。衰减和各个频段的噪声强度有关，衰减随频率的 增大而增大，但并不是严格单调增加的。实验测得的波形和数据表明电力线信道特性较 好，衰减较小，这与传输距离小有关，还与实验室的电力线负荷环境有关，实验室中的 负荷相对稳定，没有大的波动。实验结果和上文中所述的相关特性基本上是一致的。 图2 - 7 信道特性测量实验图 图2 - 8 信道特性测量结果 表2 _ 2 信道衰减测量数据 载波频率( m h z )发送信号( d b )接收到的信号( d a ) 信号衰减( d b ) 352 3 7 3 553 88 8 654 79 7 7 58 31 3 3 85- 61 1 1 4 低压电力线载波通信 9 57 1 2 1 053 58 5 1 i59 6 1 4 6 1 555 11 7 1 2 059 52 1 5 3 05一1 7 42 9 4 2 5 信道模型 综上所述，低压电力线信道的传输特性特点是负载情况复杂、噪声干扰强、具有时 变性、信号衰减大等。因此对电力线通信系统很难提出一个通用的信道模型，只能针对 主要的干扰予以分析。当用于高速数据通信时，多径传输造成的频率选择性衰落和脉冲 干扰将会影响系统的性能。 低压电力线信道尽管无法建立一个通用的精确模型来模拟所有的低压配电网信道 情况，但是建立一个能反映信道基本特征的近似模型却是可能的，也是有必要的，这对 于研究低压电力线载波通信的调制、编码、传输和解调有很重要的意义。文献【1 7 】提出 了一个简单的电力线通信信道模型，如图2 - 9 所示。 信号 t ) 图2 - 9 低压电力线信道模型 信道滤波频率响应h 驴，) 随电气负荷的改变表现为时变性，衰减彳o ) 常常具有电网 频率5 0 h z 及其倍频，也包括其它周期分量，其对噪声也有衰减作用，噪声衰减和信号 衰减的相对比值b ，这些参数与具体线路和负荷有关。文献【1 8 】采用自顶向下的方法， 把通信通道看作一个黑匣子，并用一个传递函数来描述它的传递特性，实际上是将图2 - 9 中的爿( f ) 并入到c 厂，f ) 中。考虑到低压配电网实质上是由无数个“t ”型结构组合而成， 作者通过推导得到的低压电力线传递函数的多径信号传播模型如式( 2 。1 0 ) ： n t r ) ：壹即一k w v 2 矿吾( 2 - 1 0 ) 低压电力线载波通信 式中- ，为路径号，也表示信号经过不同路径到来的先后次序，1 即为最短路径。第 一项g ，为路径，的加权系数；第二项为衰减部分，其中0 0 ，口。k 为电力线的衰减参数，d ， 为路径，的长度；第三项为时延部分，v ，为波在电力线上的传播速度，- ，= d ，v p ，t 表示路径i 的时延。通过在5 0 0 k h z 到2 0m h z 频率范围进行澳4 试，验证了该模型能够反 映低压电力线的信号传播特性。在对未知结构的实际系统的测量中，路径的长度d i 可以 由测得的路径时延- i 求得。 通过以上分析和实际应用情况表明对高速数据信号影响最严重的是窄带噪声干扰， 而且对窄带噪声的估计也是o f d m 在电力线上应用的难题。i n t e l l o n 公司通过实验得到 的低压电力线的噪声电平特性如图2 1 0 及图2 1 1 所示。通过对图2 ，l l 的研究不难 看出在整个频带内窄带噪声有很高的噪声电平，并且可以看出信道衰落是典型的慢衰 落。电力线信道特性在白天可保持1 5 分钟不变，夜间甚至可达数小时不变【”】，这是后 面信道估计章节将用到的另一个重要性质。 3 5 0 n 皇s ； - - a2 0 l o - e c 箸黜 k 船吩 ；m 主秘埘 0 5 l o强2 0筇 箱 4 。4 二 s 9 图2 - 1 0 低压电力线噪声时域特性 ：；：芒03 竽笋蕃鍪警釜互罨乏圣嚣笺蛊嚣嚣 碗幸铒 7 图2 - 1 1 低压电力线噪声频域特性 本章详细分析了低压电力线的信道特性和干扰噪声特性，研究影响电力线信道特性 的各种因素，通过实验实地测量了低压电力线的衰减特性，实验结果与文中分析的情况 是基本一致的。 1 6 o f d m 调制技术 第三章o f d m 调制技术 3 1o f d m 调制技术介绍 3 1 1o f d m 的提出 o f d m 的历史始于1 9 6 6 年，当时r w c h a n g 在( ( b e l l 系统技术月刊上发表了 有限带宽正交信号用于多路传输的分析论文。1 9 7 1 年s b w e i n s t e i n 和p m e b e r t 采用了 d f t 处理基带信号的调制与解调。他们在o f d m 码间增加了警戒区间用来遏制多径反 射引起的i s i 。1 9 8 0 年a p e l e d 和a r u i z 引入了警戒区间中的c p ，解决了保持正交的 最后一个难题i c i 问题。 3 1 2o f d m 的基本思想 o f d m 的基本思想是将可用