低压输电线上高中速数据的传输.docVIP

采用OFDM技术实现低压输电线上高速数据的传输  HYPERLINK /upload/2005/04/1113833470.gif \t _blank 【摘　要】　从OFDM的原理入手，在分析低压输电线干扰源特征的基础上，阐述了OFDM调制技术抵御这些干扰的原因和能力。??? 关键词：OFDM，噪音，多径效应，衰落，子载波　　 1　引　言　　电力线已经走进千家万户，如果能够在电力线上进行可靠的数字传输，不仅可以方便地实现电力系统的配电自动化，而且可以通过电力线进行通信，省去了通信线路的架设，大大降低通信的成本，从而对网络普及起到重要作用。　　由于电力线固有的高噪音、多径效应和衰落等特点，人们通常采用扩频技术进行数据传输。扩频通信虽然抗干扰能力较强，却受到其原理的制约，传输速率最高只能达到1Mbps。随着人们对通信传输速率的要求越来越高，一种采用正交频分复用（OFDM）技术在低压输电线上高速、可靠传输数据的通信方式出现了，该技术具有抗噪音、抗多径效应和抗衰落的特性，其传输速率可以超过10Mbps。2　低压输电线上的数字传输特性　　低压输电线信道环境十分恶劣，对数字载波通信影响严重的干扰源主要有：信道噪音、信道衰耗和多径效应。　　噪音是低压输电线上最大的干扰源。其来源很多，主要是设备开关切换产生的脉冲干扰、发电机中电刷生成的火花、用电设备产生的噪音以及电力线耦合的外界电磁波等。其中，对通信影响最大的是脉冲干扰，其频谱范围很宽且幅度较高。　　载波信道的衰耗也严重影响了信号的传输。研究表明，变电站的介入是电力载波信道衰耗的主要原因〔1〕，衰耗值通常为20～30dB，最高不超过55dB。由于低压电力网中负载的不断投入和切除，信道的衰耗处于动态变化中，1s内某一频率的衰耗可达20dB〔2〕。这一现象在通信中称为信道衰落，采用均衡技术可以消除信道衰落引起的误码，但是当传输速率很高时快速均衡难以实现。　　多径效应是数字通信中特有的一种干扰，是指信号经过不同路径到达目的地时由于信号的延迟而相互干扰的现象。低压电力网所连接的设备数量巨大、种类众多，整个网络的阻抗处于动态变化之中，这必然会造成许多用电设备工作在阻抗不匹配的状态。如果某些设备阻抗不匹配，信号到达该处时必然会产生反射，这样一来，有用信号就可能经过若干条不同的路径到达接收点。由于信号在每条路径上经历的时间不同，在接收点就会发生多径效应，延迟信号对有用信号形成干扰。当多径信号延迟较小时，这种干扰可以忽略；如果延迟较长，就会对有用信号产生严重的码间串扰（ISI）。3　OFDM的基本原理和组成结构　　OFDM的思想早在70年代初期就有人提出，但是直到80年代后期随着数字信号处理（DSP）技术的发展和人们对高速数据通信需求的增长，才逐渐为人们所重视。现在它已被欧洲地面广播标准（EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards）中DAB（数字音频广播）和DVB－T（数字视频广播）所采纳。3．1　OFDM的基本原理　　OFDM技术把所传的高速数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。　　图1和图2给出了OFDM的基本原理。假设一个周期内传送的码元序列为（d0，d1，．．．，dN－1），它们通过串／并转换器分别调制在N个子载波（f0，f1，．．．，fN－1）上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交是指两个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率fs，在传统的频分复用（FDMA）系统中，相邻两个子信道的中心频点至少相差码元传输速率的3～5倍以防止邻道干扰，而OFDM的相邻子载波十分接近，大大提高了谱利用率，其频谱分布如图3所示，它们在频域上是相互交叠的。研究表明，只要子载波之间满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号〔3〕。 　　如图1所示，在发送端的串行码元序列（d0，d1，．．．，dN－1）首先实现基带调制，而后进行串并转换。经过分路之后的N路子信道码元的周期T从△t增加到N△t，分别调制在N个子载波（f0，f1，．．．，fN－1）上。f0为最低子载波频率，相邻子载波相差1／T，所以，N个子载波可以表示为： 　　如图2所示，在接收端N路信号分别用各子载波混频和积分恢复出子信号。由于子载波的正交性，混频和积分电路可以分离出各个子信道的信号，如式（4）所示：其中，d（m）是接收机中第m路子信道的输入信号，从式（4）可以看出它与发送端的第m路子信道相等。如果每个子信道都可以正确解调出源信号，将其合并后就能够恢复出发送端高速串行码元序列（d0，d1，．．．，dN－1）。 3．2　OFDM调制的具体实现　　OF