基于OFDM的電力線載波通信的研究

引言
    電力線載波通信是以電力線為傳輸媒介，通過(guò)載波方式傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的技術(shù)，而且無(wú)外架通信線路。介紹正交頻分復(fù)用的基本原理，根據(jù)利用正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)能夠較好調(diào)制解調(diào)信號(hào)
的特性，提出一種基于OFDM的電力線載波通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，利用電力線實(shí)現(xiàn)載波通信。

2 電力線載波通信
    電力線載波通信是電力系統(tǒng)特有的一種通信方式，可用于傳輸電話、遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)方保護(hù)等信號(hào)，是確保電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)調(diào)度自動(dòng)化和管理現(xiàn)代化的重要通信方式。它以電力線路為傳輸通道，具有通道可靠性高，投資少見(jiàn)效快，與電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)。
    圖1為電力線載波通信系統(tǒng)組成圖。其基本原理是將載有信息的高頻信號(hào)施加到電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，再通過(guò)電力線調(diào)制解調(diào)分離出電力線信道的高頻信號(hào)，然后傳送到終端設(shè)備。

    各種成熟的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已應(yīng)用到電力線載波通信系統(tǒng)，針對(duì)適應(yīng)高速率傳輸，正交頻分復(fù)用調(diào)制解調(diào)技術(shù)是解決傳輸頻帶利用率的有效方法。電力線載波通信技術(shù)在高、中、低壓3個(gè)電壓等級(jí)的應(yīng)用技術(shù)、線路狀況和應(yīng)用要求都有所不同，高壓電力線載波是指應(yīng)用于35 kV及以上電壓等級(jí)的載波通信設(shè)備。載波線路狀況良好，主要傳輸調(diào)度電話、遠(yuǎn)動(dòng)、高頻保護(hù)及其他監(jiān)控系統(tǒng)的信息。

3 OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)
    OFDM是一種將若干個(gè)彼此獨(dú)立的信號(hào)合并為一個(gè)可在同一信道上傳輸?shù)膹?fù)合信號(hào)的方法。其數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹硎前汛袛?shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成N路速率較低的并行數(shù)據(jù)流，用它們分別調(diào)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(qiáng)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。[!--empirenews.page--]
3．1 OFDM調(diào)制原理
    圖2為OFDM調(diào)制的基本原理圖。設(shè)OFDM符號(hào)周期為T(mén)，在一個(gè)周期內(nèi)傳輸N個(gè)碼元為復(fù)數(shù)，Xn調(diào)制第n個(gè)子載波exp(j2πfnt)，則合成的OFDM復(fù)信號(hào)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(hào)。
    從式(4)看出，它與發(fā)送端的第k路子載波信號(hào)相等，這樣可正確解調(diào)出該載波的原信號(hào)X0,X1,…XN-1。

3．2 OFDM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)
    OFDM采用數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)亩噍d波技術(shù)，將高速串行數(shù)據(jù)分解為多個(gè)并行的低速數(shù)據(jù)，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。[!--empirenews.page--]
    這樣每個(gè)子載波上只傳輸少量的數(shù)據(jù)，每路數(shù)據(jù)的碼元寬度加長(zhǎng)，從而減少碼間串?dāng)_影響。又由于每路采用窄帶調(diào)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(duì)抗頻率選擇性衰落通過(guò)分配OFDM的子信道實(shí)現(xiàn)。如果信號(hào)在某些子信道衰落嚴(yán)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(shù)據(jù)的完整性。
    (2)技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)使用OFDM技術(shù)。子信道采用M-PSK或M-QAM調(diào)制方式，調(diào)制使用IFFT，而解調(diào)使用FFT，硬件直接使用DSP或FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)復(fù)雜度大大降低。
    (3)頻譜利用率較高在相同帶寬的情況下，當(dāng)子載波數(shù)目增加時(shí)，由于OFDM子載波之間無(wú)像FDM的保護(hù)頻帶，而采用正交函數(shù)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(dá)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(qiáng)在電力線信道中，由于存在多徑效應(yīng)，多個(gè)信號(hào)在不同的路徑傳輸，所以到達(dá)接收機(jī)時(shí)會(huì)有一定時(shí)延，這就造成ISI。 OFDM將高速的串行數(shù)據(jù)分割為N個(gè)子信號(hào)，這樣分割后碼元的速率降低了N倍。周期延長(zhǎng)N倍。同時(shí)再在碼元問(wèn)加入保護(hù)間隙和循環(huán)前綴，這樣只要數(shù)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(duì)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(tǒng)性能；(2)OFDM信號(hào)的峰值平均功率比往往很大，使其對(duì)放大器的線性范圍要求高，同時(shí)也降低放大器的效率。

4 基于OFDM的電力線載波系統(tǒng)
    圖4為高壓電力線載波系統(tǒng)組合。整個(gè)系統(tǒng)由電力線載波裝置、電力線路和耦合裝置組成。

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。電力線載波裝置的作用是調(diào)制解調(diào)原始信號(hào)，使其滿足通信質(zhì)量要求。耦合電容器和結(jié)合濾波器組成一個(gè)帶通濾波器，通過(guò)高頻載波信號(hào)，并組織電力線上的工頻高壓和工頻電流進(jìn)入載波設(shè)備，以確保人身、設(shè)備安全。線路阻波器串接在電力線路和母線之間，是對(duì)電力系統(tǒng)一次設(shè)備的“加工”，故又稱為“加工設(shè)備”，是通過(guò)電力電流、組織高頻載波信號(hào)漏到電力設(shè)備(變壓器或電力線分支線路)，以減小變電所或分支線路對(duì)高頻信號(hào)的介入衰減，以及同母線不同電力線路上高頻通道之間的相互串?dāng)_。需要注意的是：耦合電容器應(yīng)接接地刀閘，以便于高壓載波通信裝置的檢修。
4．2 電力線載波模塊
    電力線載波模塊是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心．圖5為基于OFDM的調(diào)制解調(diào)模塊框圖。

    該模塊是基于DSP設(shè)計(jì)，其數(shù)據(jù)傳輸流程：在發(fā)送端，二進(jìn)制數(shù)據(jù)首先通過(guò)PC機(jī)串口傳送到UART器件，通過(guò)UART器件串并轉(zhuǎn)換，并行數(shù)據(jù)由UART并口輸出給DSP并口，DSP再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制算法處理，然后數(shù)據(jù)通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并發(fā)送到信道中；在其接收端，A／D轉(zhuǎn)換器輸入端接收信道中傳輸?shù)哪M信號(hào)，首先將模擬信號(hào)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，然后，將轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)通過(guò)DSP進(jìn)行解調(diào)的算法處理，數(shù)據(jù)再由DSP并口傳送給 UART，從而實(shí)現(xiàn)并串轉(zhuǎn)換，再由PC機(jī)串口發(fā)送給PC機(jī)。

5 結(jié)束語(yǔ)
    介紹了OFDM技術(shù)的基本原理，理論研究并實(shí)現(xiàn)以高壓電力線為媒介的信號(hào)傳輸，給出硬件框架圖。隨著通信技術(shù)的進(jìn)一步完善，以及相應(yīng)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。