扩频通信_OFDM调制技术及其在电力线通信中的应用分析

1、2001年11月第29卷 第11期 继电器RELAY17扩频通信、OFDM调制技术及其在电力线通信中的应用分析刘华玲,张保会,刘海涛(西安交通大学电气工程学院,陕西西安710049)摘要:扩频通信和OFDM调制技术均具有一定的抗干扰和抗多径效应能力,是电力线通信中比较理想的调制方式。文中介绍了两种调制技术的基本原理,分析了其在电力线通信中应用的优越性。最后从通信可靠性和实现经济性角度对两种技术进行比较分析,指出在1Mbps通信系统中选用扩频通信,10Mbps系统中选用OFDM调制技术比较适宜。关键词:电力线通信;扩频通信; OFDM中图分类号:TN914.4 文献标识码:A 文章编号:1003

2、-4897(2001)11-0017-041 引言以电力线为媒介,在传输能量的同时进行通信具有悠久的历史,早在上个世纪人们已经成功地在高压电力线上传输语音、继电保护、远动控制信号。随着数字化时代的到来,利用高速率传输的数字语音、数字图像、internet数据来获取信息的需求迅猛增长。由于电力线可靠性高,具有天然的拓扑结构,电力线数字载波通信在配电网自动化、家用网络、internet接入网中获得了越来越多的关注14。电力线不是专门用于通信的,所以电力线具有恶劣的信道特性,主要表现在:噪声电平高、阻抗变化大、信号电平衰减剧烈、多径延迟效应5。实现高速率的数据传输需要至少1Mbps的传输速率,利用传

3、统的低带宽(欧洲9148.5kHz,美国100450kHz)无法达到这样的传输速率。目前人们普遍认为电力线高速数字通信的可用频带为130MHz,对于30MHz以上频带的信号,因衰减过大在接收端无法检测。事实上在此频带电力线上运行设备的噪23声电平要远远低于传统频带。扩展频谱和OFDM(正交频分复用)调制技术,是近几年迅速发展起来的数字通信技术,最早应用于无线通信系统。由于这两种技术都具有一定的抗干扰和抗多径效应能力,因此被认为是电力线通信中比较理想的调制方式,国外许多厂家宣称采用这两种技术研制了高速电力线通信产品6,而在国内还没有厂家进行较为深入的研究开发。本文介绍了这两种调制技术的基本原理,

4、并针对电力线特性对两者进行了比较分析,最后对两种调制技术在电力线通信应用中的选取原则进行了探索。2 扩频通信概述2.1 扩频通信的基本原理及其实现扩频通信按照扩展频谱的方式不同可分为直序(DS)方式,跳频(FH)方式,跳时(TH)方式,和Chirp方式,在电力线通信中主要应用的是DS方式,该方式频谱的扩展是直接由高码率的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的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(PN码)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

5、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,频谱扩展,图1 扩频通信的原理及其实现18扩频通信、OFDM调制技术及其在电力线通信中的应用分析度减小,经过窄带滤波后噪声功率减小很多。扩频通信是以扩展频谱换取信噪比要求的降低,其传输信号所占用的频带宽度(W)远大于原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽($F),其比值称为处理增益(G),G=W/$F。处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。如图1所示,接收机经过解调、解扩、滤波,只提取伪随机编码相关处理后的带宽为$F的信息,而排除掉宽频带W

6、中的外部干扰、噪音和其它用户的通信影响。扩频通信系统处理增益越高,抗干扰能力越强。其抗干扰容限(Mj)定义为:Mj=G-(S/N)out+Ls其中:(S/N)out)信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比;Ls)接收系统的工作损耗例如,一个扩频系统的处理增益为35dB,要求误码率小于l0-5的信息数据解调的最小的输出信噪比(S/N)out<10dB,系统损耗Ls=3dB,则干扰容限Mj=35-(10-3)=22dB。说明该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高22dB的范围内正常工作,也就是该系统能够在接收输入信噪比大于或等于-22dB的环境下正常工作。2.2 扩频通信应用于电力

7、线通信的优越性¥频谱密度低,电磁辐射小限制电力线通信传输速率提高的一个主要因素是使用一般的调制技术电力线载波通信的可利用频带和传输功率受到严格的限制,以防止对无线通信的辐射干扰。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,使信号能量不再集中在一个很窄的频带,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。在美国及世界绝大多数国家,无线扩频通信不需申请频率,只要将发射功率限制在辐射干扰容限值以下,任何个人与单位可以无执照使用。¦抗干扰性强,误码率低扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信息信号恢复

8、成窄带信号,对于各种形式随机干扰或其他窄带或宽带(扩频)系统的干扰,只要波形、时间和码元稍有差异,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§可以实现码分多址由于在扩频通信中存在PN码序列的扩频调制,充分利用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,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。¨安装简便,易于维护扩频通信设备是高度集成的,采用了现代电子科技的尖端技术,因此,十分可靠、小巧,大量运用后成本低,安装便捷,易于推广应

9、用。3 OFDM调制技术概述3.1 OFDM的基本原理及实现OFDM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。OFDM可通过IDFT/DFT变换对来实现。如图2所示,一个周期内传送的串行序列(d0,d1,.,dn-1),每个符号是经过编码的复信号di=ai+jbi,串行序列的符号周期为$t=1/fs(fs为系统符号传输码速),经过

10、串并转换后分别调制N个子载波(f0,f1.fn-1),相邻子载波间的频率间隔为1/T,符号周期T从$t增加到N$t,合成的传输信号D(t)可以用其低通复包络表示:D(t)=iE(ai+jbi)(cosXit+jsinXit)=0n-1i=0n-1Edi#exp(jXit)Xi=2P#$f#i, $f=1/N$t若以符号传输速率fs为采样速率对D(t)进行采样,在一个周期之内,共有N个采样值。令t=m$t,采样序列D(m)可以用符号序列(d0,d1,.,dn-1)的离散付氏逆变换表示。即D(m)=iEdi#exp(j2iPm/N)=IDFTdi,=00mN同理,在接收端通过离散付氏变换可将采样序

11、列变换为原始的信息序列。因此,OFDM系统的调制解调过程等效于离散付氏逆变换和离散付氏变换n-12001年11月第29卷 第11期 继电器RELAY193.2 OFDM技术应用于电力线通信的优越性¥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Naquist滤波器,带宽利用率很少超过80%,限制了信道的传输容量。OFDM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型,其峰值所在处为其它子载波x的零点。OFDM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Shannon

12、信息论的极限。该干扰所在的子信道就可避免干扰。OFDM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。4 扩频通信和OFDM在电力线通信应用中性能的比较使用传统调制技术(如FSK)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OFDM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:¥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。OFDM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,在

13、宽带信道中存在潜在的辐射干扰问题。¦调制效率OFDM中各子载波信号的功率谱重叠,所有子载波的功率谱叠加后具有很高的频谱利用率。在一定的带宽要求下,采用OFDM调制可以最大限度地利用频带,提高传输速率。因此OFDM比扩频通信具有更高的频谱利用率,适宜带限信道的传输。§抗干扰能力OFDM的抗干扰能力是通过子信道分配来实现的,电力线是时变信道,为了自适应分配信道,OFDM方式中必须采用预适应装置来划分子信道,这使得OFDM的实现比较困难,使用成本上升。扩频通信利用相关解扩来接收信号,对于各种干扰信号,因其在收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成份,提高了信噪比。因此扩频系

14、统的抗干扰能力是由其调制原理决定的,不需增加额外的装置。¨抗多径能力OFDM本身由于其码元周期长,多径效应的影响就小,加之采用保护间隔和循环前缀,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1Mbps以上的传输速率,由于码速很快要实现Rake接收难度很大,电力线扩频通信对多径效应的抑制和抵抗噪声干扰的原理是一样的,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。©用户容量图2 OFDM的基本原理及其实现¦抗ISI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IS

15、I(IntersymbolInterference)。OFDM将高速串行数据分割为N个子信号,分割后码元速率为R串/N,周期延长了N倍。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,只要保护间隙大于最大的传播延迟时间,码间串扰就可以完全避免,但这样会降低调制效率。§抗信道衰落电力线信道是一种时变衰落信道,存在着由于多径传播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OFDM中由于并行数据码元周期很长,一般大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

16、某一个频率上(或者OFDM的某个子信道中),加入纠错编码就可以恢复,这通常被叫做codedOFDM(COFDM)。¨抗噪声干扰OFDM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OFDM信,20扩频通信、OFDM调制技术及其在电力线通信中的应用分析合,用于多用户系统,分别称为DS-CDMA和MC-CDMA。对DS-CDMA系统,尽管通过精心选择具有良好自相关特性的扩频序列可有效地降低多址干扰,但由于扩频序列相互间非正交,多址干扰将始终存在。对于MC-CDMA系统,各子载波间相互正交,在带宽相同的情况下,MC-CDM

17、A系统的容量较DS-CDMA系统高。码间串扰变得严重,传输速率越高这种干扰就越大,同时接收同步也难以实现。而对于相同的传输速率要求,OFDM技术采用并行传输,码元周期较长,具有较好的抵抗码间串扰的能力,因此在10Mbps及以上传输速率采用OFDM调制技术更能保障通信的可靠性,是一种比较可行的方案。6 结论通过比较扩频通信和OFDM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OFDM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)宽带网络中,对于1Mbps数量级的传输容量要求,采用扩频技术方便经济,适合在电力线通信中应用推广。3)

18、对于超过10Mbps传输容量的系统,OFDM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。参考文献:1 张保会,陈长德,刘海涛.电话、电脑、电力的/三网合一0概念与实现技术(一).继电器,2000,(9).2 张保会,陈长德,刘海涛.电话、电脑、电力的/三网合一0概念与实现技术(二).继电器,2000,(10).3 张保会,陈长德,刘海涛.电话、电脑、电力的/三网合一0概念与实现技术(三).继电器,2000,(11).4 张保会,刘海涛,陈长德.电话、电脑、电视和电力网/四网合一0的概念与关键技术.中国电机工程学报,2001,(2).5 刘海涛,陈长德,张保

19、会.低压电力线载波通信传输环境研究综述.电力自动化设备,2001,(9).6 陈长德,张保会.宽带电力线载波的最新进展.中国电力,2001,(4).7 JohnGProakis.DigitalCommunications.北京:电子工业出版社,1998.8 Intellon.OFDMCommunicationsPrimer.1999,3.收稿日期: 2001-06-03; 改回日期: 2001_06_26作者简介: 刘华玲(1976-),女,硕士研究生,研究方向为电力线通信; 张保会(1953-),男,教授,博士生导师,中国电机工程学会高级会员、IEEE高级会员,主要研究电力系统安全稳定紧急控

20、制、新型继电保护、电力系统自动化和电力通信; 刘海涛(1976-),男,博士研究生,研究方向为电力。5 扩频通信和OFDM应用于电力线通信的初步探索电力线通信系统是一个复杂的系统,调制方式的选取不单纯是两种技术的比较,还依赖于系统信道特性、通信方式的选取和系统对信息容量的要求。电力线网络是一种总线型网络,电力网络上用户众多,通信方式为点对多点方式,我们要求处于网络底层的数据链路层协议必须具有简便性和灵活性。在无线数据通信中广泛使用的IEEE802.11协议就是这样一种协议,数据的传输是通过一个一个的数据包来完成。每个数据包到达接收机的时间是随机的,接收机不可能预先知道数据包的来源。由于某些数据

21、包要传送给所有节点,每个节点必须清楚通道中是否有该信息,这就意味着每个节点的接收机必须对收到的数据包进行解码。也就是说我们不可能要求发送机根据某个特定节点接收机的反馈来自适应地选择合适的发送频率。电力线通信中传统窄带调制技术有两个重要的缺陷,第一就是当某一频带衰减剧烈,会严重影响通信质量;其次就是窄带调制的功率密度要远远高于将发送功率扩展到整个信道频带。使用OFDM技术自适应频率选择能够解决第一个问题,但由于利用类似IEEE802.11这样的简单协议无法自适应选择频率,所以采用OFDM技术会增加系统和协议的复杂程度。采用扩频通信可以解决第二个问题,但当传输速率很高时,某一频带的严重衰减会使误码

22、率增大。在电力线通信中扩频调制和OFDM技术具有不同的特点,具体应用时应根据不同系统的要求来选取。对于1Mbps及其附近容量的系统,应用扩频技术就可以完全满足传输容量的要求,且其设备简单;OFDM虽然具有更高的调制效率,但是设备复杂,要求的协议复杂,所以选择扩频调制方式较为经济。当传输速率要求在10Mbps及以上时,若扩频增益为20,要求的信道宽度可达到GHz数量级,对于这样宽的频带简单的直序扩频技术很难实现。由于传输,2001年11月第29卷 第11期 继电器RELAY21基于短时网格分形维数的电能质量扰动检测赵瑞娜,齐泽锋,陈允平,钱珞江(武汉大学电气工程学院,湖北武汉430072)摘要:

23、随着微处理器和电力电子等智能器件越来越多地在工业过程控制中的应用,诸如电压上升、电压下降等电能质量扰动问题已成为近年来各方面关注的焦点。对电能质量进行有效地分析和检测不仅必要而且十分迫切。为此提出用短时网格分形维数来检测电能质量扰动,并给出了短时网格分形维数的计算方法。仿真结果表明,该方法能准确有效地检测到电能质量扰动,并能精确地确定电能质量扰动的发生、恢复时刻。关键词:电能质量扰动;短时网格分形维数;检测中图分类号:TM711 文献标识码:A 文章编号:1003-4897(2001)11-0021-031 前言近年来,电能质量问题逐渐引起了人们的重视。这一方面是由于系统中发生短路故障、大容量

24、电动机启动、电容器组投切引起电能质量扰动,造成了电能质量的恶化。另一方面是由于工业自动化水平的提高,微处理器和电力电子等智能器件越来越多地应用于工业过程控制,而这些精细过程控制更容易受到电力系统扰动的影响。因此,电能质量扰动问题已成为近年来各方面关注的焦点,对电能质量进行有效地分析和检测不仅必要而且十分迫切。分形是80年代初期数学家曼德尔布罗特(Mendelbrot)首先提出来的3。分形是对没有特征长度但具有一定意义下的自相似图形和结构的总称。其研究对象是自然界和非线性系统中出现的不光滑和不规则的几何形体,其分形度量为分形维数。分形维数反映的是分形集的复杂性,分形集越复杂,分形维数越大。对于离散化的数字信号,我们可以把它看成数字化离散空间点集;对不同的信号,其分形维数一般不同,因而分形维数能用于信号的识别4。分形维数已被应用于电力系统中的高阻抗故障分析,并取得良好的效果5。基于此,本文提出用短时分形维数来检测电能质量扰动。仿真结果表1,2明,该方法能准确有效地检测到电能质量扰动。2 网格分形维数的计算分形维数的定义有很多,对不同定义的分形维数,其计算也不同,这里所讲的分形维数为网格