摘? 要: 介紹了OFDM技術(shù)的基本原理;根據(jù)電力線傳輸環(huán)境的特殊性以及對所采用技術(shù)的要求,說明OFDM在電力線通信" title="電力線通信">電力線通信應(yīng)用中的優(yōu)勢;討論了OFDM技術(shù)在實施中的幾個細節(jié)問題。
關(guān)鍵詞: 正交頻分復(fù)用(OFDM)? 電力線通信? 多徑效應(yīng)" title="多徑效應(yīng)">多徑效應(yīng)? 峰平功率比
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電力線通信是將電力網(wǎng)應(yīng)用于通信需求,在電力線中傳輸各類信息,。近年來,隨著數(shù)字信號處理,、糾錯編碼、電子硬件和Internet的飛速發(fā)展,這些技術(shù)對于低壓電力線通信有著很大的幫助,所以通過低壓線進行數(shù)據(jù)通信也得到了研究和發(fā)展,。
用于電力線通信的技術(shù)有擴頻和正交頻分復(fù)用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)兩種技術(shù),。其中,擴頻技術(shù)早已在實際中應(yīng)用,OFDM特別適合在多徑傳播信道中進行高速數(shù)據(jù)傳輸,。OFDM是頻分復(fù)用 (FDM)技術(shù)的一種,是多個正交子載波調(diào)制技術(shù)" title="調(diào)制技術(shù)">調(diào)制技術(shù),充分利用了帶寬資源,。
1 OFDM的基本原理
在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,碼元是連續(xù)傳輸?shù)?每個碼元的頻譜占整個可用帶寬,。在OFDM技術(shù)中,將高速串行數(shù)據(jù)分為成百上千路低速并行數(shù)據(jù),多個連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時傳輸,任何情況下,多個數(shù)據(jù)碼元都能夠及時傳輸。在這樣的系統(tǒng)中,每個獨立數(shù)據(jù)流的帶寬即子信道,只占用可用帶寬的一小部分,。通過這樣的變換,寬帶傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成許多窄帶系統(tǒng),。這種并行傳輸體制大大地擴展了符號的脈沖寬度,提高了抗多徑衰落的性能。如果子載波間隔比信道固有帶寬小得多,則信道轉(zhuǎn)移函數(shù)在每個子載波的帶寬中會簡化為簡單的常數(shù),頻率選擇性信道就被分成了多個平衰減子信道,。
在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的,需要使用大量的發(fā)送濾波器和接收濾波器,大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本,。同時,為了減少各子載波之間的相互串?dāng)_,需要保持足夠的頻率間隔,進而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號處理技術(shù)的OFDM系統(tǒng),各子載波頻譜互相重疊,但必須加以特殊的正交限制,以便在接收端能保證無失真的復(fù)原,。
在OFDM碼元前端附加上循環(huán)前綴,即使信號通過時散信道,也能保證子信道間的正交性,。循環(huán)前綴是OFDM碼元后尾部分的復(fù)制,長度等于或大于信道的最大延遲。盡管插入循環(huán)前綴損失了傳輸功率和可用帶寬,但是,由于存在碼間干擾" title="碼間干擾">碼間干擾(ISI),公認它是傳輸性能和效率的最好折衷,。OFDM碼元的產(chǎn)生過程如圖1所示,。
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串/并轉(zhuǎn)換器輸出的M位組,由信號映射表根據(jù)預(yù)定星座以復(fù)數(shù)的形式設(shè)置每個子信道的振幅和相位,然后IFFT把每個子信道帶有相位和振幅的頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時域采樣值,這樣的采樣值經(jīng)過并/串轉(zhuǎn)換后加上循環(huán)前綴,最后轉(zhuǎn)換成模擬信號,通過耦合器發(fā)送到信道中去;接收過程相反。在串/并過程中,載波數(shù)N越大,碼元周期就越長,系統(tǒng)越不易受突發(fā)誤碼和延遲的影響,。然而在實際中,N受濾波過程,、計算時間、易變信道的可用傳輸帶寬和多普勒頻率的局限性的限制,多普勒頻率對帶間距離也有所限制,。
2 OFDM在低壓電力線通信中的應(yīng)用
電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計主要是為滿足電源供電,用于50Hz的電力傳輸,而不是專門為通信設(shè)計的,。低壓線連接著柱上變壓器和多個個人用戶,距離很短,且有各種各樣的電器實時變化,導(dǎo)致線路阻抗不匹配,會產(chǎn)生多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)造成的頻率選擇性衰落會引起碼間干擾,產(chǎn)生誤碼,線路上的隨機噪音也會污染信號,這些都阻礙了電力線通信的發(fā)展,。因此必須對信息進行處理,使傳輸?shù)拇a元具有強抗干擾性,適合在電力線這種惡劣環(huán)境中可靠傳輸,。由于電力線傳輸環(huán)境的特殊性,用于電力線通信的調(diào)制技術(shù)必須具有以下功能:
·克服非線性信道特性:如果數(shù)據(jù)速率要達到10Mbps,電力線的非線性特性使得采用的均衡技術(shù)非常復(fù)雜且昂貴。所以用于電力線通信的調(diào)制技術(shù)應(yīng)該能夠克服信道的非線性,減少使用復(fù)雜的均衡技術(shù),。
·克服多徑延遲:電力線上的負荷變化隨機性很強,造成阻抗不匹配,產(chǎn)生回聲信號,。所以調(diào)制技術(shù)應(yīng)能克服多徑效應(yīng)。
·動態(tài)適應(yīng):電力線特性隨著負荷的變化而動態(tài)變化,調(diào)制技術(shù)應(yīng)該不很復(fù)雜或不大的開銷就能夠跟蹤這種變化,。
·屏蔽一定的頻率:電力線通信設(shè)備使用沒有注冊的頻帶,但是在不久的將來,就會有關(guān)于此頻帶的不同規(guī)章制度,。因此,調(diào)制技術(shù)應(yīng)能選擇性地屏蔽一定頻帶,這樣有助于增強產(chǎn)品的兼容性和競爭力。
在眾多技術(shù)中,OFDM基本符合以上要求,因此它和其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來在電力線通信中得以應(yīng)用,成為電力線高速通信的有效技術(shù),。它在無線通信中叫OFDM,在有線環(huán)境中叫DMT(Discrete Multi Tone),。OFDM作為一種抗多徑衰落的技術(shù),采用一組相互正交、重疊,、形狀為sin(f)/f的頻譜信道,構(gòu)成無碼間干擾和無信道間干擾的傳輸,。它采用IFFT和FFT技術(shù)實現(xiàn)信道的調(diào)制與解調(diào),而且信道數(shù)越多越能體現(xiàn)OFDM的優(yōu)越性。為了加強抗干擾性,用加有保護間隔的OFDM技術(shù)對信號進行處理,?？傊?應(yīng)用OFDM主要具有以下優(yōu)點:減輕時散影響,消除帶間干擾(ICI),充分利用帶寬資源,高速數(shù)據(jù)通信,彈性和自適應(yīng)性:不同的子信道,、位負荷、帶寬/數(shù)據(jù)速率可用不同的調(diào)制方案,不需要信道均衡,。
3 問題
由上所述的OFDM基本原理可知,正交性很重要,。OFDM的基礎(chǔ)是各個子載波必須滿足頻率正交性的特點,如果正交性惡化,整個系統(tǒng)的性能會嚴重下降。只有子載波間滿足正交性時,發(fā)送端和接收端的信號才能一致,否則會導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的錯誤操作,。這就要求IFFT具有精確的計算能力,它的一點誤差就會改變子載波的間隔,從而破壞整個系統(tǒng)的正交性,。除了正交性,在具體實現(xiàn)OFDM時,還會遇到其它一些關(guān)鍵問題,下面簡單闡述。
3.1 同步
OFDM調(diào)制的高速和良好性能是以提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價而獲得的,。該技術(shù)的最大難點是如何實現(xiàn)各個子信道的精確同步,。在接收器端,有一個至關(guān)重要的問題,那就是接收器能否準確地采樣到來信號。如果采樣序列是錯誤的,FFT就不能正確恢復(fù)載波上的接收數(shù)據(jù),。當(dāng)接收器一直源源不斷地接收信號,問題就變得更加難以處理,因此在接收器和發(fā)送器之間需要時間同步,。如果傳輸?shù)男盘栐跁r域上具有周期性,這是FFT能正常運行的必要條件,則時間位移將會產(chǎn)生影響,它以一個已知量改變所有載波的相位。這用卷積轉(zhuǎn)換理論中的時移定理可以解釋,。時間的影響不僅引起相位位移,也增加相鄰碼元的碼間干擾(ISI),這種干擾嚴重降低了接收性能,。
為了避免這些問題,決定傳輸附加的時間序列,以增加時間包容度,這個附加的序列叫保護間隔。它重復(fù)原始序列中后段采樣值,長度與信道記憶時間一樣長或者更長,。保護間隙越長,系統(tǒng)就越穩(wěn)固,但是保護間隔沒有傳輸任何有用信息,卻導(dǎo)致傳輸功率損失,。
另一項技術(shù)是在每個OFDM碼元之間加上一個空碼元(0采樣),通過這個空碼元,可以達到同步。這項技術(shù)應(yīng)用在DAB中,。
3.2 峰平功率比(PAPR)
不同子載波的相位也不同,如果所有的子載波加起來形成很大的峰值時,OFDM系統(tǒng)就出現(xiàn)了重要的復(fù)雜情況,這個問題叫做PAPR,。對每個碼元,在時間間隔[n，n+Ts]內(nèi),PAPR由以下公式定義:
在OFDM系統(tǒng)中,對于給定的輸入采樣序列{Xn[k]),PAPR可能有很大的值,會超出限定值,使系統(tǒng)呈非線性特性,引起不同載波之間的交叉調(diào)制和非預(yù)期的帶外輻射,。PAPR另一個主要缺點可以被認為是量化噪聲對系統(tǒng)OFDM性能的控制,。如果數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最高等級設(shè)置得非常高,當(dāng)避免最高等級的削波影響時,就激發(fā)了這種控制。
有多種方法可以減小PAPR,由于PAPR與SNR關(guān)系密切,都不是很有效,。
3.3 OFDM信號中的削波影響
當(dāng)傳輸信號有很高的PAPR值時,放大器可能會產(chǎn)生“削波”現(xiàn)象,。在一些方法中,削波可以簡單地被認為:輸入信號的峰值被放大器削去。削波的結(jié)果是引起帶外輻射或子載波間的ISI,導(dǎo)致信號失真,影響傳輸質(zhì)量,降低OFDM性能,。有兩種方法可以避免這種影響:一種是使用具有動態(tài)范圍的放大器;另一種是盡量降低PAPR。第一種方法相對來說比較昂貴,所以經(jīng)常使用第二種方法,。
3.4 相噪聲
在接收器端,本地的振蕩器會給OFDM信號增加相噪聲,這個相噪聲將有兩個方面的影響:共同相差CPE(Common Phase Error)和帶間干擾ICI(即子載波間干擾),。共同相差是因信號星座的旋轉(zhuǎn)引起,帶間干擾類似于加性高斯噪聲。BBC R&D對一個OFDM信號上的相噪聲影響進行了分析,結(jié)果表明:CPE在所有載波上同時遞增,。通過仔細分析,的確如此,。對所有的載波來說,一個給定碼元的星座受一個相同的旋轉(zhuǎn)影響,這種影響可以采用相同碼元內(nèi)的參考信息來糾正。但是,克服ICI卻很困難,因為它屬于加性噪聲,所以此干擾對所有載波是不同的,這是由于系統(tǒng)失去正交性引起的,。
3.5 頻率誤差
OFDM系統(tǒng)受兩種頻率誤差" title="頻率誤差">頻率誤差影響:頻率偏置和接收器主時鐘頻率誤差,。當(dāng)?shù)卣袷幤鞯娜莶?公差)有可能引起頻率偏值,也稱為固定的絕對頻率偏差;而接收器主時鐘頻率誤差則會引起解調(diào)的載波間隔與發(fā)送的載波間隔不一樣,。在沒有解決這些問題的方法之前,系統(tǒng)設(shè)計師需要確定殘余頻率誤差的允許值,并且能準確地知道誤差是如何影響接收信號的。
經(jīng)過分析,頻率偏置對大部分載波的影響是相同的,只有非常邊緣的載波受的影響很小,。如果能保證系統(tǒng)可用帶寬為常數(shù),由固定的絕對頻率偏差引起的ICI會隨著載波數(shù)目增加而增加,。關(guān)于接收器時鐘頻率誤差,在沒有頻率偏置的情況下,它對不同的載波影響也很不均等,一般中心載波受的影響較小,而邊緣載波受的影響最大。
在接收側(cè),為了避免錯誤的解調(diào),辨認初始點很重要,要求同步非常精確,。收發(fā)器的硬件設(shè)計也很重要,它決定了PAPR,。OFDM對載頻偏差十分敏感,這取決于當(dāng)?shù)亟邮掌鞯恼袷幤鳌,？傊?這些問題對于OFDM實施都非常重要,決定了性能和效率,。
近幾年來,隨著DSP和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,OFDM調(diào)制已經(jīng)逐漸應(yīng)用到無線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域,。對于超過10Mbps傳輸容量的系統(tǒng),OFDM技術(shù)更能體現(xiàn)其帶寬利用率高,、抗多徑干擾能力強的優(yōu)勢,是電力線通信中比較適宜的技術(shù)。在低壓電力線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸一直是電力通信和電力系統(tǒng)自動化的一個熱門話題,同時也是一個棘手的難題,。傳統(tǒng)的通信技術(shù)只能傳輸中低速數(shù)據(jù),而OFDM技術(shù)是實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钣行侄沃?。目前OFDM的理論基本成熟,國外一些公司還將OFDM調(diào)制的核心部分固化在芯片中形成專用集成電路,目前該技術(shù)正逐步向?qū)嵱没较虬l(fā)展。
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