硕士论文-低压电力线宽带通信的自适应OFDM调制研究.pdf

重庆大学 硕士学位论文 低压电力线宽带通信的自适应OFDM调制研究 姓名 孔召贤 申请学位级别 硕士 专业 信号与信息处理 指导教师 朱冰莲 20050501 重庆大学硕士学位论文中文摘要 I 摘要 低压电力线宽带通信具有传输速率高 使用方便 建设成本低等优点 但低 压电力线信道噪声干扰大 时变性强 信道特性的恶劣制约了其性能和可靠性 随着现代信号处理技术的发展和硬件条件的改善 OFDM 技术受到重视并得到了广 泛的应用 自适应技术与 OFDM 也进一步融合 已成功应用于无线及有线通信领域 低压电力线信道特性差 加之电力线通信往高速宽带方向发展 自适应技术的应 用可以有效地改善 OFDM 系统的性能 进一步提高传输效率和信息通过率 准确的信道估计和高效的自适应调制方案是自适应 OFDM 技术的两个关键 本 文首先较为详细地分析了低压电力线信道特性和干扰噪声特性 通过实验测量验 证了其衰减特性 给出了低压电力线信道的等效表示方法 针对信道估计 本文分析了基于训练序列和基于导频的信道估计方法 详细 讨论了信道估计流程 给出了基于导频的最大似然估计和最小均方估计的信道响 应估计表达式 并对二者的性能及实现复杂度进行了分析比较 自适应系统的构建和参数选择是本文研究的重点 结合 OFDM 原理和电力线 通信的特点 对双工模式 信令传递方式 自适应结构 帧结构等方面进行详细 的分析后 给出了低压电力线宽带通信的自适应 OFDM 系统框图 调制参数的选择是自适应 OFDM 调制的重点 结合电力线通信的特点 对 固定速率自适应和变速率自适应进行分析后选择变速率自适应作为论文方案 在此基础上研究了固定门限法变速率自适应调制以及功率和调制联合优化的 自适应调制 固定门限法首先在假设信道估计完全准确的理想情况下 推导出 门限的设定方法 在此基础上分析由于信道估计误差给自适应调制带来的影 响 给出实际情况下切换门限的设定方法 功率和调制方式联合优化方法采用 拉格郎日乘数法进行求极值优化 给出了调制方式和功率分配的最优解 利用零 比特分配 不传 排除衰落大的子载波组并重新分配的方法解决了正功率和正比特 分配的实际约束条件 最后使用连续调制离散化近似的方法逼近基于连续调制优 化的分配结果 论文最后对采用的方案进行仿真 比较传统 OFDM 调制和固定门 限自适应调制以及功率和调制联合优化自适应调制的性能差别 结果表明自适 应 OFDM 调制比传统 OFDM 调制有更高的信息通过率 同时可以满足系统的 BER 要求 论文中的功率 调制联合优化的自适应 OFDM 调制方案 在给定目标 BER 要求的情况下 实际达到的 BER 性能可以满足目标 BER 要求 在固定 SNR 的情 况下实际达到的 BER 性满足目标 BER 要求 同时系统信息通过率比传统 OFDM 调制也获得了提升 关键词 电力线通信 信道特性 信道估计 OFDM 自适应调制 重庆大学硕士学位论文英文摘要 III ABSTRACT The advantages of power line communication including high transmitting speed convenience and low cost but its bad channel characteristics restrict its performance As the development of modern digital signal processing technology OFDM applied in extensive range especially wireless communications OFDM developed with adaptive technology gradually Due to the advantages of OFDM and the speed demand of broadband PLC adaptive OFDM technology applied to PLC in order to improve its performance The key aspect of adaptive OFDM includes accurate channel estimation and efficient adaptive modulation schemes Firstly the thesis discusses power line channel characteristics in detail and then an experiment of measuring its attenuation is implement in the lab As for channel estimation firstly the thesis discusses the estimation methods based on training series and pilot then a comparison of these two methods in performance and calculation complexity is given The thesis studies on how to establish the adaptive OFDM system emphases on how to select the suitable modulation parameters of the system A whole model of adaptive OFDM modulation for broadband communication based on low voltage power line is introduced after a detail analysis of the system The method of modulation parameter selecting is the key content of the thesis Firstly the thesis discusses the adaptive modulation system based on SNR threshold introduces the methods of SNR threshold setting Then based on it an optimize scheme considering both the transmitting power and modulation mode selecting is introduced Performance emulation shows that the optimize scheme enhances the data throughput of the system in the same BER restrict comparing to the traditional OFDM modulation system Keywords Power Line Communication Channel Characteristic Channel Estimation OFDM Adaptive Modulation 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 1绪论 1 1 引言 随着社会信息化程度的提高 人们对信息的需求己从单纯的数据信息向交互 式多媒体信息发展 迫切希望获得大容量和高速率的数据 视频 图像等宽带业 务 电力线通信 Power Line Communication PLC 最初应用于话音信号及低速 率数据传输 如利用高压电力线载波通信进行电力系统继电保护 控制 调度 载波电话 远程抄表等 传输速率只有几 Kbps 至几十 Kbps 1 随后国际上对高速 电力线通信的研究普遍认为 1MHZ 30MHZ 的频带可以用来进行高速 PLC 传输 传输 速率可达上百 Mbps 使得电力线通信的应用范围扩展到了宽带接入 家庭网络应 用等方面 正交频分复用 Orthogonal Frequency Division Multiplex OFDM 具有传输速率高 频带利用率高 抗码间干扰和信道衰减能力强的特点 已经成 为高速 PLC 的一项主流技术 1 2 高速 PLC 系统的结构及应用 高速 PLC 可用于宽带接入及家庭网络的构建 典型系统结构如图 1 1 所示 按地理范围可分为户内和户外两大部分 户内 PLC 系统为从家庭网关 Home Gateway HG 到用户电源插座的部分 包括用户驻地设备 Customer Premise Equipment CPE 及无线接入点 Access Point AP 通过建筑物内现有的电力 线可以组成一个 智能家庭 Smart Home 局域网 户外 PLC 系统包括头端 Head End HE 单元 耦合单元 Coupling Unit CU 中继器 Repeater 等 在 HE 的位置 通常是配电变压器低压侧耦合接入交换机 最后接入 PSTN 和 IP 骨干 网 由此通过电力线就可以实现数据 话音 视频 电力的传输 也就是通常所 说的 四网合一 1 2 1 PLC 的优势 PLC 的接入方式与传统方式相比没有大的区别 主要在于传输媒介不同 PLC 通过现成的分布极为广泛的电力线作为信道进行数据传输 将信号注入电力线后 通过任何一个电源插座都可以实现宽带接入 即所谓的 电通百通 其最大的优 势就是不需要重新铺设信道 具有建设成本低 周期短 使用灵活方便 传输速 度快等优点 光纤到户 Fiber To The Home FTTH 是宽带接入的发展趋势 但成本较高 在国内实现还需要较长的时间 特别在偏远地区 PLC 优势更为明显 重庆大学硕士学位论文1 绪论 2 基于 PLC 的宽带接入和家庭联网与 XDSL LAN HFC 等方式比较也有组网方便 施 工简单等优势 比如采用 XDSL 完成宽带接入 但在家庭组网上还是需要重新布线 或其他方式来完成 可见 FTTX PLC 的接入方式 即用 PLC 完成宽带入户是一种 很好的选择 图 1 1 PLC 宽带接入及家庭网络系统 Fig1 1 Broadband access and home network applications based on low voltage power line 1 2 2 PLC 存在的问题 电力线不是为通信而设计的 通信环境更为恶劣 所以低压宽带 PLC 与专用 宽带通信方式相比较还不够完善 技术上和实际应用中都还有一定的差距 总体 说来 PLC 需要解决好以下几个关键问题 1 噪声干扰及系统稳定性 电力线信道具有噪声干扰大 时变性强的特点 PLC 性能容易受到配电结构 周边用电设备的使用状况等环境因素的影响 这些因素随时随地都在变化 所以 PLC 稳定性问题是一个挑战 2 电磁兼容性和载波频段的选取 由于电力线是非屏蔽的传输信道 高频载波会对周边环境造成电磁污染 PLC 的电磁兼容 Electro Magnetic Compatibility EMC 标准涉及到载波频段选取 和发送功率约束两方面 载波频段的选取必须考虑与现有的无线电频段共存的问 题 而发送功率约束要求载波发送功率不超过某一限值 3 安全性 由于电力线是一种共享的传输媒介 用电力线组建的网络结构十分类似于以 太网的树型结构 涉及到众多用户共享信道 同时网络用户具有很强的隐私性 与外部网络连接后 安全性就成为 PLC 系统必须考虑的一个重要问题 重庆大学硕士学位论文1 绪论 3 1 3 PLC 及自适应调制的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 在 PLC 产品研发及其商用方面 国外主要有欧洲和美国两大阵营 欧洲的科 研机构和厂商主要研究 PLC 在 INTERNET 高速接入网上的 最后一公里 从配电 变压器到用户 应用 2 2001 年德国 MW 公司在德国曼海姆为 3000 个用户安装了 德国 RWE 公司的 PLC 接入设备 正式向用户提供服务 成为全球第一个商用的 PLC 网络 2004 年底西班牙的 DS2 公司开发出了 200Mbit s 的 PLC 芯片 美国的众多 厂商则侧重于基于 PLC 的智能家庭网络技术 信息家电联网等方面的研究 2000 年 3 月 由 3COM AMD CISCO INTEL TI 日本松下等 13 家国际知名公司成立 了 Homeplug 国际电力线通信联盟 并于 2001 年 7 月首次推出了国际上第一个 PLC 标准 Homeplug1 0 3 主要面向家庭及小型办公室的电力线宽带联网 户外仍然采 用传统的通信接入方式 物理层速率可达 14Mbit s 采用 OFDM 调制技术 现在 正在致力于制定新的标准 Homeplug AV 力求进一步融合与信息家电 如高清晰 度电视 HDTV 的应用 在美国 采用电力线方式的家庭网络已经成为现实并且呈 现高速增长的态势 在自适应数据通信理论研究方面 国外已经有比较长的时期 自适应传输的 思想是 60 年代末由 J K cavers 提出的 他提出了自适应反馈通信的概念 70 年 代初他又提出了变速率传输的概念 4 但由于当时硬件条件受限制而未得到重视 90 年代后 随着计算机技术和数字信号处理技术的高速发展和人们对多媒体通信 业务的需求剧增 自适应调制重新受到关注 目前自适应调制的思想已广泛地应 用到各类通信系统中 尤其是移动通信系统 1992 年 W T Webb 发表了 QAM 调制能否用作未来移动无线通信的文章 首 次提出了变速率 QAM 的概念 将 QAM 高效调制方式应用到移动无线通信中 1995 年 W T Webb 和 R Steele 提出了对移动无线系统进行可变速率传输的自适应调 制思想 5 对自适应调制下的移动速率 帧长的选择进行了分析 1996 年 T Ue S Sampei 和 N Morinaga 提出了在高延时扩展环境下高速率 传输系统的自适应调制思想 6 H Matsuoka S sampei 和 Y Kamio 提出的自适应 调制系统的编码速率 符号率和调制电平都可以随瞬时衰落信道条件自适应变化 当信道条件较好时 在保证一定传输质量时可以达到较高的数据速率 当信道条 件较差时 为保证一定传输质量可以降低系统的数据速率 甚至于不传数据 计 算机仿真结果表明系统的误码率性能可以从 10 2 提高到 10 6 自适应调制的效果 重庆大学硕士学位论文1 绪论 4 非常明显 7 1997 年 A J Goldsmith 和 S G Chua 提出了对衰落信道进行可变速率 可 变功率控制的自适应调制思想 8 通过对衰落信道香农信道容量的分析 得出了 自适应功率控制和自适应 QAM 星座改变是如何改善系统的频谱效率的结论 提出 了功率控制的 注水 算法 可变速率 可变功率自适应调制比可变功率固定速 率系统将增加 5 10dB 的功率增益 而比非自适应调制系统将增加 20dB 的功率增 益 1999 年 T Xiaoyi 和 A J Goldsmith 又发表了衰落信道下同时进行话音和数 据进行自适应调制的文章 9 将 I 和 Q 路信道的功率进行动态分配 其中 Q 路信 道为固定的 BPSK 调制 用作话音的传输 而 I 路信道为变速率的 MQAM 调制 进 行高速率的数据传输 当信道情况好的情况下 大部分功率都分配给高速率的数 据传输 而将其余的功率分配给话音传输 在信道情况较恶劣的情况下 将系统 的吞吐量降下来 主要的功率都分配给话音信道以满足话音传输的实时性及质量 的要求 美国斯坦佛大学的 A J Goldsmith 领导的研究组一直致力于无线信道的 自适应调制和编码的研究 自适应 CDMA 技术的研究以及自适应无线网络协议的研 究 10 11 12 13 14 15 2000 年 T Ikeda S Sampei 和 N Morinaga 提出了大容量蜂窝系统中具有动 态信道分配的自适应调制思想 16 K Hamaguchi Y Kamio 和 E Moriyama 提出了 陆地移动通信系统中 QAM 电平可控的自适应调制思想 17 T Ue S Sampei 和 N Morinaga 提出了无线个人通信系统中符号率可控的自适应调制思想 18 这些论 文都阐述了自适应调制在无线通信中的应用 自适应调制的思想在无线局域网中 也得到了广泛的应用 2003 年 Xiaobo Zhou 和 Xiaodong Wang 提出了一种多径 衰落信道下的自适应 OFDM 系统的信道估计方法 与传统方法比较性能更佳 19 2004 年 S Chatterjee 和 W A C Fernando 就自适应 OFDM 系统的信道盲估计进 行了研究并对其性能进行了分析 20 可见 自适应技术在无线及移动通信中吸引了众多研究人员的关注 并取得 了很多成果 但在 PLC 上的应用研究还不多 随着 PLC 朝着高速率的方向发展以 及 OFDM 的应用 自适应技术得到了重视 K L Heo 和 S M Cho 等人在 2002 年提 出的一种电力线调制解调器设计方案引入了自适应调制的方法 其中包括了信道 估计模块以及映射控制模块 21 Y H Ma 和 P L So 在对 PLC 系统进行性能仿真分 析中提出了优化保护间隔的思想 22 1 3 2 国内研究现状 在国内 1997 年开始中国电科院开始了对 PLC 的研究工作 福建省电力试验 研究院 南京大学 PLC 研究组等针对我国低压配电网的特性 对高速数字信号在 低压电力线上通信的关键技术做了很多研究和试验 并获得很大的突破 在产品 重庆大学硕士学位论文1 绪论 5 研制方面 目前国内主要有福建亿力 深圳国电通信 云电信通等公司在进行 PLC 产品的研制并推出了各自的产品 产品都采用了 Intellon 公司或者 DS2 公司生产 的专用 PLC 芯片组 在 OFDM 的自适应算法方面国内也有不少研究 如魏克军等人提出的基于比特 信噪比最大标准的算法 钱学荣等提出了一种最佳比特分配算法 周小林等对 OFDM 的自适应编码调制做了频带利用率仿真分析等等 基本上都是面向无线应用 的研究 国内针对 PLC 的自适应 OFDM 调制研究尚处于起步阶段 张旭辉等人对信 道自适应均衡 自动中继等方面进行了相关研究 23 吕海峰等对 PLC 自适应 OFDM 系统的实时信道估计进行了仿真 可作为自适应技术应用的基础 24 1 3 3 问题的提出 从需求方面来说 一方面人们对宽带接入的速率以及智能家庭网络组建的需 求与日俱增 如上文所述 PLC 在这方面有其独特的优势 而 OFDM 技术可以说是 保障接入速率的一项必需的技术 另一方面 电力线信道特性复杂 信道噪声大 时变性强 难以建立准确的信道模型 为了保障通信质量 自适应技术是一个必 然的出路 本文将应用于无线系统的自适应技术应用到 PLC 系统中并研究其性能 根据 PLC 系统的自身特殊性研究适合它的自适应 OFDM 调制方案 而从产品技术方面来说 由于国内外电网结构的差异 我国的电力系统配电 规范性比国外差 国外研发的 PLC 产品不能很好的直接应用于我国 这就必须自 主研发适合国内配电网的 PLC 产品 目前国内尚无自主研发的高速 10M 以上 PLC 专用芯片 使得国内生产的 PLC 产品成本较高 据向国内的 PLC 厂家了解得 知 其设备成本的一半以上都是进口的芯片组 其终端 电力猫 与 LAN XDSL CABLE MODEM 等终端相比存在价格上的劣势 这也是目前阻碍 PLC 在我国大规模 商用的主要原因之一 可见研制具有自主知识产权的专用 PLC 芯片是降低 PLC 成 本的出路所在 而对 PLC 自适应 OFDM 调制的研究是其必需的一个前提 自适应技术可应用的范围很广泛 本文的重点研究内容是分析电力线信道特 性 研究信道估计方法 分析自适应调制参数的选择对系统性能的影响 提出适 合于高速电力线通信的自适应调制方案 至于本文前面提到的有关 PLC 电磁兼容 性 安全性等方面则不作为本文的主要研究内容 1 4 本文的主要研究内容及章节安排 1 4 1 主要研究内容 自适应技术可以应用到众多方面 本文主要研究自适应调制部分 自适应调 重庆大学硕士学位论文1 绪论 6 制解调技术的主要思想是通过研究无线信道的衰落程度 信道流量等参数动态地 改变调制方式 使信道容量达到最大或者使系统性能达到最佳 从而能得到较高 的频谱利用率 有效地提高信息传输速率 自适应调制技术包括各种调制信号的 产生 信道估计和检测以及接收方面的问题 其中对发送信号的优化成形 优化 信道估计算法以及优化调制参数都是自适应调制技术的主要难点 本文的主要研 究重点包括 1 分析电力线信道特性 在此基础上针对自适应调制系统中不可缺少的信 道估计部分 比较各种信道估计方法的性能和实现的复杂度 研究在实际应用中 的快速算法或简化算法 3 结合电力线通信的特点和要求 对自适应调制系统的双工方式 信令传 递模式 帧结构等方面进行分析 确定系统的选择方案 最后给出适合于低压电 力线宽带通信的完整的自适应 OFDM 系统设计 4 自适应调制方案是本文研究的重点 结合电力线通信的要求和各种自适 应调制的特点 研究适合的自适应调制方式 重点分析固定门限法和功率 调制方 式联合优化方法的可变速率自适应调制 对固定门限法中的门限确定进行了详细 分析 在此基础上提出适合电力线宽带通信的功率 调制方式联合优化自适应调制 方案 最后对系统方案进行仿真分析 验证系统性能改善情况 1 4 2 章节安排 第一章首先介绍目前国内外 PLC 及其应用的状况 结合国内状况说明自适应 调制技术应用于 PLC 的必要性 随后对自适应调制技术的研究状况和发展趋势以 及在 PLC 的应用状况作了简要的介绍 第二章对电力线信道的时变特性 衰减特性 延迟特性 相移特性 多径传 输特性以及干扰噪声特性进行分析 通过实验进行简单验证 最后给出电力线信 道的简化模型 第三章介绍 OFDM 的原理及其实现方法 对 OFDM 与扩频通信在 PLC 上应用的 优缺点进行比较 突出 OFDM 在高速 PLC 应用上的优势 结合电力线宽带通信的要 求以及 OFDM 的特点引出将自适应调制应用到电力线宽带通信的必要性和可行性 第四章分析自适应系统中不可缺少的信道估计问题 结合电力线信道特性 重点分析基于训练序列和导频的信道估计方法 分析比较各种信道估计方法的性 能和实现复杂度 第五章是本文研究的重点 首先对自适应 OFDM 系统中涉及到的双工模式 信 令传递方式 数据帧结构等问题进行分析 根据 PLC 自身的特点选择相应的适合 的方式 综合后给出低压电力线自适应 OFDM 系统整体设计方案 自适应调制的关 键在于选择适合需要的高效的自适应调制方案 重点分析固定门限法和功率 调制 重庆大学硕士学位论文1 绪论 7 方式联合优化方法的可变速率自适应调制 对固定门限法中的门限确定进行了详 细分析 在此基础上提出适合电力线宽带通信的功率 调制方式联合优化自适应调 制方案 最后对系统方案进行仿真分析 验证系统性能改善情况 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 9 2 低压电力线信道特性 2 1 引言 低压电力线本身是设计用于传输电力而不是用于数据通信的 并不是十分理 想的通信信道 要在低压电力线上可靠地传输高速数字信号 首要的前提就是详 细地分析低压电力线的信道特性 电力线网络根据电压等级可分为高压 中压 低压三种 常用的低压电力线 通信网络是指民用的 38OV 及 220V 电力线网络 本文只涉及低压电力线通信系统 高压电经过输电线路送到变电站后 在配电变压器输出端得到线电压为 380V 相 电压为 22OV 的可直接供给民用的低压电 众多的用电设备并联在配电网上组成了 一个复杂的低压电力线网络 图 2 1 所示即为低压电力线配电结构及其 PLC 宽带 接入的一种典型模式 图 2 1 典型低压配电结构及 PLC 接入 Fig2 1 Structure of low voltage power grid and broadband access based on PLC 通常 配电网拓扑结构是不固定的 不断有新的用电设备接入或切除使其不 断地变化 对低压电力线高频段 如 1MHZ 30MHZ 特性 在信道参数的测量中普 遍存在以下问题 25 26 1 每个小区配电网络拓扑分布各不相同 不易找出有代表性的线路进行测 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 10 量 2 用户的周边环境不同 造成不同地区或同一地区的不同用户的衰减特性 均不相同 无法为通信终端提供大致相同的发射 接收条件 3 每个网络节点的电气特性随着时间而变化 同一地点不同时间测量的大 多数参数都有明显的变化 4 不同负载的随机开关操作产生不同的噪声脉冲 从而对通信信号产生严 重干扰 很难找到一个通用的统计特性 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 扰进行分析 以下对信道特性进行详细分析 2 2 低压电力线信道特性 2 2 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 20dB 同时信噪比的变化也可达到 1OdB 左右 27 具体对通信系统表现为突 发脉冲干扰 2 2 2 衰减特性 PLC 信道对各种频率信号的衰减程度是 PLC 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 信道在 1s 内对某一频率信号的衰减变 化可达到 20 dB 在 1s 内信噪比的变化也可达到 10 dB 左右 载波信号一般在单 相电力线上传输 不同的耦合方式导致 PLC 信号的损失也不同 线 地耦合比线 线 耦合少损失 10 dB 左右 跨相传输比同相传输衰耗大 10 dB 左右 此外 配电变 压器会严重阻碍信号的通过 在配电变压器原 副两边的信号衰减可达到60 dB 100 dB 次级间也会有 20 dB 40 dB 的衰减 总体上说 PLC 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 20 dB 以上 但一 般不会超过 55 dB 28 研究表明 电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关 29 输入阻抗 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 11 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 为电力线是连接有各种复杂负载的传输线 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 因此 发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗均难以匹配 从而给通信系统的设计带来相当的困难 综上所述 低压配电网衰减的一般规律如下 30 1 除短距离传输外 即使收发信机均位于同相的电力线 信号衰减仍可高 达 20dB 或以上 2 同相耦合时的衰减一般小于跨相耦合时的衰减 但在一些频率点上会有 例外 3 当频率上升时 信号衰减随之增大 但这种变化并不是单调的 4 在某些特定的频率点上 有可能发生窄带衰减 5 配电网上的电力负载将极大地影响信号的衰减 由于负载情况随着时间 变化 因此在任何给定的频率点上衰减都会随着时间而变化 其变化范围可达 20dB 或更高 2 2 3 干扰噪声特性 电力线噪声可分为非人为噪声和人为噪声 非人为噪声是如雷电等自然现象 在电力线上引起的噪声 人为噪声则是由连接在电力线上的用电设备产生的 人 为噪声对低压电力线通信有着严重的影响 低压配电网的噪声水平取决于居民家 中的电器设备以及在同一台配电变压器下其它居民家中的电器设备的使用状况 居民家中的主要噪声源有电视机 冰箱 空调 电风扇 洗衣机等 为便于分析 可近似地将其分为 4 类 31 32 如图 2 2 所示 1 背景噪声 具有平滑功率谱的背景噪声 这种类型的噪声的功率谱密度是频率的减函数 其功率谱密度参数和时间及发送接收的位置有关 白天一般数秒到数分钟保持不 变 夜晚可达数小时不变 该噪声时时存在 因其频谱占据了整个通信带宽 因 此采用扩频通信技术对其几乎没有明显改善 有利的是背景噪声很少能够达到最 高功率水平 同时它们将与传输信号一样被用户配电网络所衰减 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 12 图 2 2 低压电力线噪声分类 Fig2 2 Noise category of low voltage power line 2 随机脉冲噪声 在低压电力线路中 不超过 0 lms 就会有一次非常强的噪声产生 它大致具 有泊松分布 参数 取值范围为 5 1050 脉冲噪声的特点如下 a 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高 10dB 有时甚至高达 40dB 其强度取决 于噪声源及其距离接收机的远近 b 由于噪声和信号都要受到衰减 所以靠近接收机的噪声源对信号的接收影 响最大 特别是当衰减很大的时候 c 脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关 一般幅度增加时脉宽减小 3 与电力系统频率同步的谐波噪声 主要指由可控硅器件和一些电源电路产生的 50Hz 的倍频谐波 因其开关频率 与电源频率同步 故产生了一系列不同幅度的谐波噪声 4 非同步周期噪声 主要指与电力系统无关的谐波噪声 一般由电视机和计算机显示器产生 重 复频率依赖于电视机和显示器的扫描频率 随着通信技术的发展 对高分辨率要 求越来越高 使得其频率也越来越高 电力线衰减随频率增大而增大 实际上在 1M 30MHZ 的频带上的噪声远低于 50HZ 及其倍频段的低频噪声 而且低频噪声 如图 2 2 中的 3 4 两类可以 通过 PLC 的耦合电路滤除 这样实际对系统有影响的噪声就只剩下图 2 2 中的 1 2 两类 在分析中就可以用高斯白噪声加窄带脉冲干扰来模拟电力线信道的全 部噪声 甚至可以认为噪声均值为零 方差等于定值 2 24 这是后面信道估计章 节将用到的一个重要性质 以上各种噪声对电力线通信构成的干扰如图 2 3 所示 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 13 2 2 4 相移特性 测量表明 通过 25Om 左右的电力线 正弦波的相移小于 10 30 图 2 3 低压电力线通信干扰模型 Fig2 3 Interference model of power line communication 2 2 5 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 2 6 实验测量 为了验证低压电力线的衰减特性 通过实验在重庆大学中心实验大楼 703 实 验室进行了实地测量 测量方式如图 2 4 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 10 米 电力线负载情况包括本实验室 的运行中的计算机 6 台 饮水机 日光灯 空调等 测量时间处于上午用电高峰 期 测量过程如下 信号发生器产生的频率为 3 30MHZ 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 10 米的传输后耦合取出送 入示波器通道 2 由图 2 5 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 表 2 1 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 3dB 的固有衰减 40 并不是单调变化的 载波 频率在接近 PLC 频段上限 30MHZ 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 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 14 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 4 信道特性测量实验图 Fig2 4 Scheme of channel character measurement a b 图 2 5 信道特性测量结果 Fig2 5 Measurement result of channel attenuation characteristic 2 3 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 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 15 率选择性衰落和脉冲干扰将会影响系统的性能 表 2 1 信道衰减测量数据 Table 2 1 Measurement result of channel attenuation characteristic 载波频率 MHZ 发送信号 dB 接收到的信号 dB 信号衰减 dB 35 2 37 3 55 3 88 8 65 4 79 7 75 8 313 3 85 611 95 712 105 3 58 5 115 9 614 6 155 5 117 1 205 9 521 5 305 17 429 4 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 31 提出了一个简单的电力线通信信道模型 如图 2 6 所示 图 2 6 低压电力线信道模型 Fig2 6 Channel model of low voltage power line 信道滤波频率响应 tfH 随电气负荷的改变表现为时变性 衰减 tA常常具 有电网频率 50Hz 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为B 这些参数与具体线路和负荷有关 文献 33 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 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 16 传递特性 实际上是将图 2 6 中的 tA并入到 tfH 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 L j v d fj djaa j p j j k eegfH 1 2 10 2 1 式中 j 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 j g为路径 j 的加权系数 第二项为衰减部分 其中 0 a 1 a k为电力线的 衰减参数 j d为路径 j 的长度 第三项为时延部分 p v为波在电力线上的传播速 度 pjj vd j 表示路径 j 的时延 作者通过在 500kHz 到 20 MHz 频率范围进 行测试 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 j d可以由测得的路径时延 j 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 OFDM 在电力线上应用的难题 Intellon 公司通 过实验得到的低压电力线的噪声电平特性如图 2 7 及图 2 8 所示 34 通过对图 2 8 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 15 分钟不变 夜间甚至可达数 小时不变 24 这是后面信道估计章节将用到的另一个重要性质 对于低压电力线网络的干扰特性 人们分别在不同的地域做了大量的试验 结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模 型 35 1 0 L k k twtath k 2 2 th代表基带信号的脉冲响应 随参数t变化 L为多径数 tak表示第k个 多径信号的幅度 如果实际信道在某个时间点 k上不存在多径信号 则 tak 0 从而使这个模型具有通用性 适合任意长度多径延时 电力线信道的干扰噪声可近似为频谱平坦的白噪声和窄带干扰的叠加 如式 2 3 所示 35 tjtgtw 2 3 其中 tw为信道等效干扰噪声 tg为等效白噪声 tj为等效窄带干扰 从信道频谱图 2 8 中可以看出低压电力线信道具有典型的慢衰落信道特征 结合 式 2 2 和 2 3 可将低压电力线信道模型等效表示为式 2 4 WHSR 2 4 重庆大学硕士学位论文2 低压电力线信道特性 17 其中 S为通过低压电力线系统的信号 ts的傅立叶变换 H为信道传递 函数的频域表示 W为信道干扰噪声的傅立叶变换 图 2 7 低压电力线噪声时域特性 Fig2 7 Time domain characteristic of low voltage power line interference 图 2 8 低压电力线噪声频域特性 Fig2 8 Frequency domain characteristic of low voltage power line interference 2 4 本章小结 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 最后给出低压电力线的信道模型 信道模型是后面 章节讨论信道估计和自适应调制的基础 重庆大学硕士学位论文3 OFDM及其在PLC上的应用 18 3 OFDM 及其在 PLC 上的应用 3 1 引言 OFDM 是由多载波调制 Multi Carrier Modulation MCM 发展而来 美国 军方早在上世纪五六十年代就创建了世界上第一个 MCM 系统 在 1970 年衍生出采 用大规模子载波和频率重叠技术的 OFDM 系统 1971 年 S B Weinstein 和 P M Ebert 提出使用 DFT 来实现 OFDM 的基带调制和解调技术 43 为实现 OFDM 的全数 字化方案做出了理论上的准备 80 年代 随着大规模集成电路及数字信号处理 Digital Signal Processing DSP 技术的迅速发展 出现了价格低廉的高阶 数 FFT Fast Fourier Transformation FFT 专用芯片和 DSP 通用芯片 使 FFT 的运算变得方便 高效 OFDM 逐步迈入高速 Modem 和数字移动通信的应用领域 90 年代 OFDM 开始被欧洲和澳大利亚广泛用于广播信道的宽带数据通信 数字音 频广播 Digital Audio Broadcast DAB 高清晰度数字电视和无线局域网 Wireless LAN WLAN 通信 后来 OFDM 又成为了 IEEE 制定的无线局域网标准 802 11 的核心技术 在电力线通信方面 也已经出现了使用 OFDM 技术的电力线调制解调专用芯 片 如 Intellon 公司的 Power Packet 产品 DS2 公司的 DSS9000 系列芯片组等 3 2 OFDM 基本原理 OFDM 调制是一种正交多载波调制方式 在传统的数字通信系统中 符号序列 被调制到一个载波上进行串行传输 每个符号的频率可以占有信道的全部可用带 宽 OFDM 调制方式是将可用的频谱分成 N 个频带较窄 相对低速率传输的子载波 子载波的幅频响应相互重叠和正交 每个子载波可以使用不同的调制方式 也可 以使用相同的调制方式 比较常用的有 BPSK QPSK 和 QAM 等 串行传输的符号序 列也被分成长度为 N 的段 每段内的 N 个符号分别调制 N 个子载波 一起发送 也就是说 OFDM 是把一组高速传输的串行数据转化成相对低速的并行数据来传 输 虽然每个子载波的传输速率并不高 但是所有子信道加起来就可以获得很高 的数据传输速率 为了提高频带利用率 OFDM 调制中各子载波上的信号频谱互相重叠 但载波 间隔的选择要满足这些子载波在整个符号周期上是正交的 即在一个符号周期内 重庆大学硕士学位论文3 OFDM及其在PLC上的应用 19 任何两个子载波的乘积等于零 这样即使各载波上的信号频谱间存在重叠 也能 无失真的复原 显然 当载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时 即可 以满足正交条件 为实现最大频谱效率 一般取载波最小间隔等于符号周期的倒 数 一组串行数字信号可以用一系列的矩形脉冲发送 当脉冲被用来调制某个频 率的载波时 就得到一个以载波频率为中心的对称频谱 频谱的形状可以用函数 sinx x 来描绘 每个子载波的频谱相互交叠 其峰值对应于其它子载波的频谱中 的零点 如图 3 1 所示 a 单个子载波频谱 b OFDM 频谱示意 图 3 1 OFDM 信号频谱示意图 Fig3 1 Frequency spectrum of OFDM signal 从图中可以看出 当载波数较多时 所有子载波组合在一起 总的频谱非常 接近矩形 频带利用率理论上可达 Shannon 信息论的极限值 这一点与单载波系 统相比有明显的优越性 3 3 OFDM 的实现 由于 OFDM 系统中的载波数量很多 在实际应用中不可能像传统的频分复用处 理的方法一样 用大量的振荡器和锁相环进行相干解调 因此 Weinstein 提出 了用离散傅立叶变换 DFT Discrete Fourier Transformation DFT 实现 OFDM 的方法 图 3 2 和 3 3 分别示出了 OFDM 调制器和解调器的实现原理图 设 N 个串行数据序列的传输速率为 S f 码元间隔为 S fT1 在发送端 N 个 串行数据经过基带调制映射为复数序列 110 N ddd