摘  要: 介绍了OFDM技术的基本原理;根据电力线传输环境的特殊性以及对所采用技术的要求,说明OFDM在电力线通信" title="电力线通信">电力线通信应用中的优势;讨论了OFDM技术在实施中的几个细节问题。

　　关键词: 正交频分复用(OFDM)  电力线通信  多径效应" title="多径效应">多径效应  峰平功率比

　　电力线通信是将电力网应用于通信需求,在电力线中传输各类信息。近年来,随着数字信号处理、纠错编码、电子硬件和Internet的飞速发展,这些技术对于低压电力线通信有着很大的帮助,所以通过低压线进行数据通信也得到了研究和发展。

用于电力线通信的技术有扩频和正交频分复用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)两种技术。其中,扩频技术早已在实际中应用,OFDM特别适合在多径传播信道中进行高速数据传输。OFDM是频分复用 (FDM)技术的一种,是多个正交子载波调制技术" title="调制技术">调制技术,充分利用了带宽资源。

1 OFDM的基本原理

　　在传统的串行数据传输系统中,码元是连续传输的,每个码元的频谱占整个可用带宽。在OFDM技术中,将高速串行数据分为成百上千路低速并行数据,多个连续的数据流可以同时传输,任何情况下,多个数据码元都能够及时传输。在这样的系统中,每个独立数据流的带宽即子信道,只占用可用带宽的一小部分。通过这样的变换,宽带传输系统转换成许多窄带系统。这种并行传输体制大大地扩展了符号的脉冲宽度,提高了抗多径衰落的性能。如果子载波间隔比信道固有带宽小得多,则信道转移函数在每个子载波的带宽中会简化为简单的常数,频率选择性信道就被分成了多个平衰减子信道。

　　在传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的,需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器,大大增加了系统的复杂程度和成本。同时,为了减少各子载波之间的相互串扰,需要保持足够的频率间隔,进而降低了频率利用率。而采用数字信号处理技术的OFDM系统,各子载波频谱互相重叠,但必须加以特殊的正交限制,以便在接收端能保证无失真的复原。

　　在OFDM码元前端附加上循环前缀,即使信号通过时散信道,也能保证子信道间的正交性。循环前缀是OFDM码元后尾部分的复制,长度等于或大于信道的最大延迟。尽管插入循环前缀损失了传输功率和可用带宽,但是,由于存在码间干扰" title="码间干扰">码间干扰(ISI),公认它是传输性能和效率的最好折衷。OFDM码元的产生过程如图1所示。

　　串/并转换器输出的M位组,由信号映射表根据预定星座以复数的形式设置每个子信道的振幅和相位,然后IFFT把每个子信道带有相位和振幅的频域数据转换为时域采样值,这样的采样值经过并/串转换后加上循环前缀,最后转换成模拟信号,通过耦合器发送到信道中去;接收过程相反。在串/并过程中,载波数N越大,码元周期就越长,系统越不易受突发误码和延迟的影响。然而在实际中,N受滤波过程、计算时间、易变信道的可用传输带宽和多普勒频率的局限性的限制,多普勒频率对带间距离也有所限制。

2 OFDM在低压电力线通信中的应用

　　电力网络的设计主要是为满足电源供电,用于50Hz的电力传输,而不是专门为通信设计的。低压线连接着柱上变压器和多个个人用户,距离很短,且有各种各样的电器实时变化,导致线路阻抗不匹配,会产生多径效应。多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰,产生误码,线路上的随机噪音也会污染信号,这些都阻碍了电力线通信的发展。因此必须对信息进行处理,使传输的码元具有强抗干扰性,适合在电力线这种恶劣环境中可靠传输。由于电力线传输环境的特殊性,用于电力线通信的调制技术必须具有以下功能:

　　·克服非线性信道特性:如果数据速率要达到10Mbps,电力线的非线性特性使得采用的均衡技术非常复杂且昂贵。所以用于电力线通信的调制技术应该能够克服信道的非线性,减少使用复杂的均衡技术。

　　·克服多径延迟:电力线上的负荷变化随机性很强,造成阻抗不匹配,产生回声信号。所以调制技术应能克服多径效应。

　　·动态适应:电力线特性随着负荷的变化而动态变化,调制技术应该不很复杂或不大的开销就能够跟踪这种变化。

　　·屏蔽一定的频率:电力线通信设备使用没有注册的频带,但是在不久的将来,就会有关于此频带的不同规章制度。因此,调制技术应能选择性地屏蔽一定频带,这样有助于增强产品的兼容性和竞争力。

　　在众多技术中,OFDM基本符合以上要求,因此它和其它相关技术结合起来在电力线通信中得以应用,成为电力线高速通信的有效技术。它在无线通信中叫OFDM,在有线环境中叫DMT(Discrete Multi Tone)。OFDM作为一种抗多径衰落的技术,采用一组相互正交、重叠、形状为sin(f)/f的频谱信道,构成无码间干扰和无信道间干扰的传输。它采用IFFT和FFT技术实现信道的调制与解调,而且信道数越多越能体现OFDM的优越性。为了加强抗干扰性,用加有保护间隔的OFDM技术对信号进行处理。总之,应用OFDM主要具有以下优点:减轻时散影响,消除带间干扰(ICI),充分利用带宽资源,高速数据通信,弹性和自适应性:不同的子信道、位负荷、带宽/数据速率可用不同的调制方案,不需要信道均衡。

3 问题

　　由上所述的OFDM基本原理可知,正交性很重要。OFDM的基础是各个子载波必须满足频率正交性的特点,如果正交性恶化,整个系统的性能会严重下降。只有子载波间满足正交性时,发送端和接收端的信号才能一致,否则会导致OFDM系统的错误操作。这就要求IFFT具有精确的计算能力,它的一点误差就会改变子载波的间隔,从而破坏整个系统的正交性。除了正交性,在具体实现OFDM时,还会遇到其它一些关键问题,下面简单阐述。

3.1 同步

　　OFDM调制的高速和良好性能是以提高系统复杂性为代价而获得的。该技术的最大难点是如何实现各个子信道的精确同步。在接收器端,有一个至关重要的问题,那就是接收器能否准确地采样到来信号。如果采样序列是错误的,FFT就不能正确恢复载波上的接收数据。当接收器一直源源不断地接收信号,问题就变得更加难以处理,因此在接收器和发送器之间需要时间同步。如果传输的信号在时域上具有周期性,这是FFT能正常运行的必要条件,则时间位移将会产生影响,它以一个已知量改变所有载波的相位。这用卷积转换理论中的时移定理可以解释。时间的影响不仅引起相位位移,也增加相邻码元的码间干扰(ISI),这种干扰严重降低了接收性能。

　　为了避免这些问题,决定传输附加的时间序列,以增加时间包容度,这个附加的序列叫保护间隔。它重复原始序列中后段采样值,长度与信道记忆时间一样长或者更长。保护间隙越长,系统就越稳固,但是保护间隔没有传输任何有用信息,却导致传输功率损失。

　　另一项技术是在每个OFDM码元之间加上一个空码元(0采样),通过这个空码元,可以达到同步。这项技术应用在DAB中。

3.2 峰平功率比(PAPR)

　　不同子载波的相位也不同,如果所有的子载波加起来形成很大的峰值时,OFDM系统就出现了重要的复杂情况,这个问题叫做PAPR。对每个码元,在时间间隔[n，n+Ts]内,PAPR由以下公式定义:

　　在OFDM系统中,对于给定的输入采样序列{X_n[k]),PAPR可能有很大的值,会超出限定值,使系统呈非线性特性,引起不同载波之间的交叉调制和非预期的带外辐射。PAPR另一个主要缺点可以被认为是量化噪声对系统OFDM性能的控制。如果数模转换器的最高等级设置得非常高,当避免最高等级的削波影响时,就激发了这种控制。

　　有多种方法可以减小PAPR,由于PAPR与SNR关系密切,都不是很有效。

3.3 OFDM信号中的削波影响

　　当传输信号有很高的PAPR值时,放大器可能会产生“削波”现象。在一些方法中,削波可以简单地被认为:输入信号的峰值被放大器削去。削波的结果是引起带外辐射或子载波间的ISI,导致信号失真,影响传输质量,降低OFDM性能。有两种方法可以避免这种影响:一种是使用具有动态范围的放大器;另一种是尽量降低PAPR。第一种方法相对来说比较昂贵,所以经常使用第二种方法。

3.4 相噪声

　　在接收器端,本地的振荡器会给OFDM信号增加相噪声,这个相噪声将有两个方面的影响:共同相差CPE(Common Phase Error)和带间干扰ICI(即子载波间干扰)。共同相差是因信号星座的旋转引起,带间干扰类似于加性高斯噪声。BBC R&D对一个OFDM信号上的相噪声影响进行了分析,结果表明:CPE在所有载波上同时递增。通过仔细分析,的确如此。对所有的载波来说,一个给定码元的星座受一个相同的旋转影响,这种影响可以采用相同码元内的参考信息来纠正。但是,克服ICI却很困难,因为它属于加性噪声,所以此干扰对所有载波是不同的,这是由于系统失去正交性引起的。

3.5 频率误差

　　OFDM系统受两种频率误差" title="频率误差">频率误差影响:频率偏置和接收器主时钟频率误差。当地振荡器的容差(公差)有可能引起频率偏值,也称为固定的绝对频率偏差;而接收器主时钟频率误差则会引起解调的载波间隔与发送的载波间隔不一样。在没有解决这些问题的方法之前,系统设计师需要确定残余频率误差的允许值,并且能准确地知道误差是如何影响接收信号的。

　　经过分析,频率偏置对大部分载波的影响是相同的,只有非常边缘的载波受的影响很小。如果能保证系统可用带宽为常数,由固定的绝对频率偏差引起的ICI会随着载波数目增加而增加。关于接收器时钟频率误差,在没有频率偏置的情况下,它对不同的载波影响也很不均等,一般中心载波受的影响较小,而边缘载波受的影响最大。

　　在接收侧,为了避免错误的解调,辨认初始点很重要,要求同步非常精确。收发器的硬件设计也很重要,它决定了PAPR。OFDM对载频偏差十分敏感,这取决于当地接收器的振荡器。总之,这些问题对于OFDM实施都非常重要,决定了性能和效率。

近几年来,随着DSP和大规模集成电路技术的飞速发展,OFDM调制已经逐渐应用到无线通信、高清晰度广播电视等领域。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。在低压电力线上实现数据的可靠传输一直是电力通信和电力系统自动化的一个热门话题,同时也是一个棘手的难题。传统的通信技术只能传输中低速数据,而OFDM技术是实现高速数据传输的最有效手段之一。目前OFDM的理论基本成熟,国外一些公司还将OFDM调制的核心部分固化在芯片中形成专用集成电路,目前该技术正逐步向实用化方向发展。

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