ofdm用于低压电力线数据通信的仿真研究.pdf

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1、19力季仿通信2 0 0 3 年第1 期O F D M用于低压电力线数据通信的仿真研究杨玲君，殷小贡，黄红兵，张国珍(武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 4 3 0 0 7 2)摘要:在低压电力线上实现高速数据传输具有广阔的应用前景和经济价值，但是由于电力线信道存在着随机的高噪声、多径效应和信道衰落，严重制约了高速数据的传输o O F D M(正交频分复用)是解决这个问题的最有效手段之一。论文介绍了低压输电线上数据传输的特性、O F D M的基本原理和实现方法，以及用S y s t e m v i e w 仿真软件对其调制解调过程进行仿真的结果。关键词:正交 须分复用;低压电力线;S y s

2、t e m v i e w;仿真中圈分类号:T N 9 1 5.8 5 3文献标识码;A文章编号:1 0 0 5 一 7 6 4 1(2 0 0 3)0 1 一 0 0 2 8 一 0 30 引言 低 压电 力 线载 波通 信(P o w e r L in e C o m m u n ic a ti o n)是指利用已有的低压配电网络进行语音及数字信号传输的一项技术。它不但可为配电自动化提供方便的通信平台，还可利用电力线与外界通信，且不需要另外架设通信线路，从而可大大降低通信成本，故 P L C已经引起 f 业界广泛的关注，成为it 界许多科研机构和电气公司的研究热点。但是，已有的研究表明，低

3、压电力线是一种复杂的通信媒体，其无处不在的噪声、负荷变化以及一些不可预测的干扰都会严重影响信号传输的质量。欲保证通信质量，提高通信速率，选择合适的调制方式是 一 个关键问题。传统的单载波调制系统不适用于低压电力线的高速数据传输，因为需要对信道进行多级均衡，设备复杂且收敛性差。正交频分复用(O F D M,O rt h o g o n a l F re q u e n c y D i v i s io n M u l t i p l e x i n g)技术，则以其抗 扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为利用低压电力线实现高速数字通信提供了 一 个有效的解决方案。1 低压电力线的信

4、道特性 低压配电网直接面向用户，网络结构十分复杂，信号衰减大，负荷变化大而频繁，噪声干扰强，信道容量收稿 日期:2 0 0 2 一1 0一 2 9作者简介:杨玲君(1 9 7 8 一)，女，潮北部州人，硕士研究生，研究方向为电力通信技术;殷小贡(1 9 4 5 一)。男，湖南婆底人，教授 研究方 向为信号处理和电力通信网络技术;黄红兵(1 9 7 8 一)，男，湖北黄石人.硕士研究生，研 究方向为电力通信技术;张国 珍(1 9 7 9-).女，山西石楼人，硕士研究生，研究方向为电力系统运行与控制小。同时，低压电力线具有射频信道的两个特征:多径效应和时变性。“多径效应”指信号通过直射、反射、折射

5、等不同的多条路径到达接收机，造成信道的时间弥散 性(t i m e d i s p e rs i o n)，引起频率选择性衰落(f r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n g)。同时，信号的多路传输带来的时延扩展造成数据符号之间的相互交叠，产生码元之间的串扰O S I,I n t e r S y m b o l I n t e r f e r e n c e)o“时变性”是指信道的传递函数随时间的变化而变化，即在不同的时刻发送相同的信号，在接收端会因信道传递函数不同而收到不同的信号，引 起信道的频率弥散性(f r e q u e n c y d i

6、 s p e r-s i o n)，导致时间选择性衰落(t i m e s e l e c t i v e f a d i n g)。正因为低压配电线的这些恶劣的信道特性，使得利用低压电力线实现高速数字通信一直困难重重。2 O F D M的基本原理和实现方法2.1 O F D M的基本原理 正交频分复用的基本思想是将原信号分解为 N个子信号，再用 N个子信号分别调制 N个不同的子载波为了获得高的频谱利用率，使各子载波的谱分布相互重叠和正交，合成后一起发送。这样每个子载波的符号周期被延长了N倍，从而提高了抗多径干扰的能力。每个子载波可以使用不同的调制方式，比较常用的有B P S K,Q P S

7、K 和Q A M等。也就是说，O F D M实质上是将高速的串行数据流变成低速并行数据再进行传输。在发送端，一个周期内传送的码元序列 d o,d L,.，d,_ 通过串一并转换器分别调制在 N个子载波f汤，几，上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。A为最低子载波频率，相邻子载频相隔 I I T,所以N个子载波可以表示为 I二 I o+n/T n 二1，2，.，N一1 经过分路后的 N路子信道的码元周期T 从 t 增万方数据2 0 0 3 年第 1 期电力童佑通加到N O t.经过调制后的合成复包络传输信号h o)为D()=艺d(n)e i2 rtt-，道载波解调等几个模块的预处理后，由F

8、 F T恢复基带信号，并采用相应的解调方式解调出N路低速数据，最后通过并/串转换合成原始高速数据流。任 工 0,T (1)式中d(n)为第。个调制码元;T为码元周期。而 实际 输出的信号即为D(t)的实部，可以表示为D O)二 R,艺d(n)e 0f (2)式(1)恰好是d(n)以I为采样频率而得到的离散傅里叶反变换(I D F T 户，即 D(k)二力(t)=I D F T l d k i N,0 k,N一 1 将 D(k)序列经过D/A转换变成模拟信号后发送出去，接收端再经过 A/D转换恢复成数字信号，通过离散傅里叶变换(D F r)即可以实现 O F D M的解调过程。假设接收序列为 R

9、(k),经过 D F F 可以描述成。(、)二 D F T D(k)卜 艺D(.),-，0-kN一1 (3)即接收序列被正确还原出来 O F D M的另一个突出 特点是能够根据信道特性进行子信道分配，这样就能够保证信号只在误码率能够满足通信要求的频带范围内传输。2.2 O F D M的实现方法 O F D M调制之所以成功应用的一个重要原因是，它可以采)I I 数字信号处理(D S P)技术来实现调制和解调过程。系统通常采用。S P芯片通过快速傅里叶变换对(I F F r 和 F F T)实现上述过程，其组成框图如图 I所示。3 S y s t e m v ie w仿真 S y s t e m

10、 v i e w 是美国E l a n i x 公司设计开发的用于现代上 程与 科学系统设计、仿真的动态系统分析工具。它可以构造各种复杂的模拟、数字、数模混合及多速率系统，可用于各种线性、非线性控制系统的设计和仿真。尤具特色的是，它可以很方便地进行各种滤波器的设计，有多种专业库可供选择。该系统支持外部数据的输人和输出，支持用户自己编写代码(C/C 十+)，兼容 M a t l a b 软件。同时，提供了与硬件设计工具的接U，支持 X i l i。公司的 F P C A芯片和 T I 公司的 D S P芯片，是 一 个用于现代工程和科学系统设计与仿真的动态系统分析工具平台。S y s t e m

11、 v i e w 的 主要特点 包括:1)多速率系统和并行系统;2)设计组织结构图;3)丰富的功能模块;4)J、泛的滤波器和线性系统设计;5)先进的信号分析和块处理窗口。我们利用S y s t e m v i e w 对O F D M调制解调过程进行了仿真。为分析方便，这里设定较低的通信速率。仿真系统图如图2 所示。信 漓 薪 波电力线高倾通道1 rr低通悠波 人 j n肠面图 I O F D M的实现框图匾 发送部分由串/并转换器,I F F T、合路器(并/串)和D/A 转换器组成。工作过程如下:发送端将高速数据流通过串1 并转换器分解成 N个低速数据块，对每路低速数据进行基带调制(可采用

12、 B P S K,Q P S K,Q A M,T C M等)，然后通过 I F F T 将基带调制信号搬移到 N路子载波上合路并加人循环前缀后发出。发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的电力线信道传递到接收端。接收器由 A/D转换器、低通滤波器、F I T,基带解调模块等部分组成。其工作过程为:接收信号经过信图2 S y s t e m v ie w 仿真图 在此仿真图中，用两个伪随机P N序列作为I F F T的实部和虚部输人，它产生正负 I 脉冲，相当于 B P S K数字调制，如图3(a)(注意此图波形已经过延时环节，以 便于和输出波形相比较)。经过 I F F F 反变换，其实部波形如图3

13、(6)o O F D M信号经过电力线信道送人接收端。在仿真系统中，电力线信道由自定义的多径衰落信道模型来模拟，模型参数曾作了多种设定。当径万方数据2 0 0 3 年第、期一通一挽一.一.30一 一道数为4，时延为0.5 s,变换后的波形如图 3(c)衰落系数为I 时，经过傅立叶簧2.5 2.9 3.33.7 4呈1 1 t 间I s:牛:;牛牛:座联(H o m e P l u g)采 纳，成为 制定电力线数字通信规范的依据。月 前，该公司利用 l e O F D M，已经在低压电力线上实现 了1 1 M b l s 的高速率数据传输，其误码率小于1 0。H o m e P l u g 联盟

14、在2 0 0 0 年6 月5日 宣布采用l n t e l l o n 公司的 1 0 M b l s 高速电力线网络技术为基线，来制定该联v的第 1 代电力线网络技术规范。因此，O F D M可能成为高速P L C的标准。在第3 届 i S P L C(电力线通信及其应用国际会议)上，比利时学者提出使用D M T 调 制技术，德国、英国和以色列的学者(包括以色列的l t r a n 公司、英国的N o r W e b D P L 公司)介绍了O F D M调制技术在电力线通信中的应用。在第 4届i S P L C上 大多数论文也是关于O F D M技术的4 一。4.1 4.5 4，时间了 3

15、蓬时间j s 图3 仿真波形图 (8 l 经延时的输人信号波形;(b)经I F F T反变换后的实部信号波形 (c)电力线信道怕出集中波形 比 较s y s t e m v i e w 仿真波形(a)和(。)可见，除输出相对于输人有一些延时外，基本一致。可见O F D M抗多径干扰的性能很好。5 结束语 利用电力线进行高速数据传输的宽带 P L C技术已经并将不断获得突破和发展，它不但给电力企业带来了新的市场和商机，也给用户带来了低成本、高性能的服务。在低压电力线介质上，传统的通信、调制技术只能传输低速数据，而O F D M技术是实现高速数据传输的最有效手段之一。O F D M技术由于比其他调

16、制技术存在更多的优势，已引起 P L C生产商和研究机构的兴趣，并有望成为高速宽带 P L C的标准。参考文献:1 4 O F D M在 P L C中的研究应用情况 3 1目 前，欧、美的许多公司及科研机构正致力于O F D M方面的研究，包括加拿大的 P o w e r T r u b k,美国的i n t e l l o n和 A m b i e n t T e c h n o l o g i e s。其 中，I n t e l l o n公司提出的改进的O F D M 技术(I e O F D M)已被家庭插 5 1李引新，赵姚同.正交频分多路(O F D M)的实现方式及性能分析 J

17、.电讯技术 1 9 9 8(6):t 0 一 i 5李斯伟，张建超 正交频分复用(O F D M)的 原理及应用 J 1.中国民航学院学报，工 9 9 9(5):3 5 一 3 9下秉均，孙学军。工少勇，等.现代通信系统原理 M 天津:天津大学出版社，1 9 9 8陈长德 刘海涛，张保会.O F D M调制技术在宽带高速电力线通信中的 应用【i l.电力系统自动化,2 0 0 1,2 5(9):5 5-5 9L J C i m i n i.A n a l y s i s a n d S i m u l a t i o n o f a D i g i t a l M o b i l e C h

18、a n n e lU s in g O rt h o g o n a l F re q u e n c y D iv is i o n M u l t ip le x i n g J 1 一I E E ET r a n s.C o.T e c h n o l o g y,1 9 8 5.3 3(7):6 6 5 一 6 7 5T h e r e s e a r c h o f t h e O F D M s i mu l a t i o n o n p o w e r l i n e c o mmu n i c a ti o n Y A N G L i n g-j u n,Y I N X i

19、a o-g o n g,H U A N G H o n g-h i n g,Z H A N C C-z h e n(I n s t i t u t e o f E le c t r o n i c E n g i n e e r i n g o f W u h a n U n i v e rs i ty,W u h a n 4 3 0 0 7 2,C h i n a)A b s t r a c t:H i g h-s p e e d d a t a c o m m u n i c a t i o n o v e r l o w-v o l t a g e p o w e r l i n e i

20、 s a n a c t i v e Fi e l d w i th b ro a d a p p l i c a t i o n p e rs p e c t i v e a n d e c o n o m i c b e n e fi t s i nt h e w o r l d.B u t d u e t o t h e s to c h a s ti c h i g h n o i s e,m u l t i-p a t h e ff e c t a n d a t t e n u a t io n,p o w e r l i n e c h a n n e l i s d i f f

21、 i c u l t f o r t r a n s m i t t i n g h i g h-.p e e d s t re a m aO rt h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s io n m u l tip l e x in g(O F D M)is o n e o f th e te c h n o lo O e s fo r re s o l v in g th is p ro b l e m.T h is p a p e r p re s e n ts t h e c h a r a c te r is t ic s o f d a

22、-t a c o m m u n i c a t io n o v e r l o w-v o l t a g e p o w e r l i n e,t h e p r i n c i p l e a n d i m p l e m e n t i n g i n e t l m d o f O F D M a n d s i m u l a ti n g t h e p ro c e s s o f t h e m o d u l a t io n a n d d e-m o d u l a t io n o f O F D M w i t h S y s t e m v i e w.K e y w o r d s:O F D M O n w-v o l t a g e p o w e r l i n e;S y s t c m v i e w;s i m u l a t i o n万方数据