基于OFDM的電力線(xiàn)載波通信的研究

各種成熟的調制解調技術(shù)已應用到電力線(xiàn)載波通信系統，針對適應高速率傳輸，正交頻分復用調制解調技術(shù)是解決傳輸頻帶利用率的有效方法。電力線(xiàn)載波通信技術(shù)在高、中、低壓3個(gè)電壓等級的應用技術(shù)、線(xiàn)路狀況和應用要求都有所不同，高壓電力線(xiàn)載波是指應用于35 kV及以上電壓等級的載波通信設備。載波線(xiàn)路狀況良好，主要傳輸調度電話(huà)、遠動(dòng)、高頻保護及其他監控系統的信息。

3 OFDM調制解調技術(shù)

OFDM是一種將若干個(gè)彼此獨立的信號合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸的復合信號的方法。其數據傳輸的基本原理是把串行數據流轉換成N路速率較低的并行數據流，用它們分別調制N路子載波后并行傳輸，子載波相互正交其頻譜相互重疊，從而具有很強的抗信道衰落能力和較高的頻譜利用率，并能很好地抑制碼間干擾。

3．1 OFDM調制原理

圖2為OFDM調制的基本原理圖。設OFDM符號周期為T(mén)，在一個(gè)周期內傳輸N個(gè)碼元為復數，Xn調制第n個(gè)子載波exp(j2πfnt)，則合成的OFDM復信號為：

其中第n個(gè)子載波頻率選擇為：

式中，X(k)是接收端第k路子載波的輸出信號。

從式(4)看出，它與發(fā)送端的第k路子載波信號相等，這樣可正確解調出該載波的原信號X0,X1,…XN-1。

3．2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

OFDM采用數據并行傳輸的多載波技術(shù)，將高速串行數據分解為多個(gè)并行的低速數據，使用N個(gè)子載波把整個(gè)信道分成N個(gè)子信道，這些子信道并行傳輸信息。

這樣每個(gè)子載波上只傳輸少量的數據，每路數據的碼元寬度加長(cháng)，從而減少碼間串擾影響。又由于每路采用窄帶調制，可以減小頻率選擇性衰減的影響。OFDM技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗頻率選擇性衰落對抗頻率選擇性衰落通過(guò)分配OFDM的子信道實(shí)現。如果信號在某些子信道衰落嚴重，低于信噪比門(mén)限，只需關(guān)閉這些子信道，由其他子信道完成傳輸任務(wù)。這樣可減小傳輸中的誤碼率，保證數據的完整性。

(2)技術(shù)上容易實(shí)現使用OFDM技術(shù)。子信道采用M-PSK或M-QAM調制方式，調制使用IFFT，而解調使用FFT，硬件直接使用DSP或FPGA實(shí)現，系統復雜度大大降低。

(3)頻譜利用率較高在相同帶寬的情況下，當子載波數目增加時(shí)，由于OFDM子載波之間無(wú)像FDM的保護頻帶，而采用正交函數序列作為副載波，相鄰子載波的頻譜主瓣互相正交并重疊，載波間隔達到最小，這使得OFDM技術(shù)在使用相同頻帶時(shí)具有更高的頻譜利用率。

(4)抗碼間干擾(ISI)能力強在電力線(xiàn)信道中，由于存在多徑效應，多個(gè)信號在不同的路徑傳輸，所以到達接收機時(shí)會(huì )有一定時(shí)延，這就造成ISI。 OFDM將高速的串行數據分割為N個(gè)子信號，這樣分割后碼元的速率降低了N倍。周期延長(cháng)N倍。同時(shí)再在碼元問(wèn)加入保護間隙和循環(huán)前綴，這樣只要數字碼元周期大于最大延時(shí)時(shí)間就可以有效抑制ISI干擾。而OFDM技術(shù)的缺點(diǎn)如下：(1)對頻率與定時(shí)的要求特別高，同步誤差不僅造成輸出信噪比下降，還會(huì )破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影響系統性能；(2)OFDM信號的峰值平均功率比往往很大，使其對放大器的線(xiàn)性范圍要求高，同時(shí)也降低放大器的效率。

4 基于OFDM的電力線(xiàn)載波系統

圖4為高壓電力線(xiàn)載波系統組合。整個(gè)系統由電力線(xiàn)載波裝置、電力線(xiàn)路和耦合裝置組成。

4．1 耦合模塊

耦合裝置包括阻波器、耦合電容器、組合濾波器。電力線(xiàn)載波裝置的作用是調制解調原始信號，使其滿(mǎn)足通信質(zhì)量要求。耦合電容器和結合濾波器組成一個(gè)帶通濾波器，通過(guò)高頻載波信號，并組織電力線(xiàn)上的工頻高壓和工頻電流進(jìn)入載波設備，以確保人身、設備安全。線(xiàn)路阻波器串接在電力線(xiàn)路和母線(xiàn)之間，是對電力系統一次設備的“加工”，故又稱(chēng)為“加工設備”，是通過(guò)電力電流、組織高頻載波信號漏到電力設備(變壓器或電力線(xiàn)分支線(xiàn)路)，以減小變電所或分支線(xiàn)路對高頻信號的介入衰減，以及同母線(xiàn)不同電力線(xiàn)路上高頻通道之間的相互串擾。需要注意的是：耦合電容器應接接地刀閘，以便于高壓載波通信裝置的檢修。

4．2 電力線(xiàn)載波模塊

電力線(xiàn)載波模塊是系統設計的核心．圖5為基于OFDM的調制解調模塊框圖。

該模塊是基于DSP設計，其數據傳輸流程：在發(fā)送端，二進(jìn)制數據首先通過(guò)PC機串口傳送到UART器件，通過(guò)UART器件串并轉換，并行數據由UART并口輸出給DSP并口，DSP再對數據進(jìn)行調制算法處理，然后數據通過(guò)D／A轉換器，將數字信號轉換為模擬信號，并發(fā)送到信道中；在其接收端，A／D轉換器輸入端接收信道中傳輸的模擬信號，首先將模擬信號進(jìn)行A／D轉換，然后，將轉換的數字信號通過(guò)DSP進(jìn)行解調的算法處理，數據再由DSP并口傳送給 UART，從而實(shí)現并串轉換，再由PC機串口發(fā)送給PC機。

5 結束語(yǔ)

介紹了OFDM技術(shù)的基本原理，理論研究并實(shí)現以高壓電力線(xiàn)為媒介的信號傳輸，給出硬件框架圖。隨著(zhù)通信技術(shù)的進(jìn)一步完善，以及相應器件產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā)，電力載波通信將會(huì )有更好的發(fā)展。