低压电力线ＯＦＤＭ载波通信系统的试验研究

摘要：文章结合低压电力线载波通信的特点，介绍了基于OFDM技术的低压电力线载波通信试验平台的设计，简要说明了软件模块中各部分的算法和实现方法，阐述了系统平台中的硬件模块的实现方法，给出了宽频带放大器、耦合器的设计思想。

关键字：试验平台；OFDM；耦合器；放大器

中图分类号：TN914.4 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）01-0112-03

已有的研究表明，电力线是一种复杂的通信媒体——无处不在的噪声、负荷变化及一些不可预测的干扰都会严重影响信号传输的质量。要保证通信质量，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。多载波频分复用（OFDM—Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术，以其抗干扰能力强、带宽利用率高、结构简单、成本低等优点，为实现高速低压电力线载波通信提供了一个有效的解决方案。

一、OFDM定义

正交频分复用是一种正交多载波调制技术。传统的数字通信系统中，符号序列被调制到一个载波上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM调制方式是将可用的频谱分成N个频带较窄、相对低速率传输的子载波，子载波的幅频响应相互重叠和正交。串行传输的符号序列也被分成长度为N的段，每段内的N个符号分别调制到N个子载波上一起发送。也就是说，OFDM是把一组高速传输的串行数据流化为低速的并行数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以获得很高的传输速率。

二、OFDM系统的技术优势

采用OFDM实现高速低压电力线载波通信主要有以下的技术优势:

（一）OFDM的结构简单，成本低

与一般均衡器相比，利用离散傅立叶变换（DFT）对并行数据进行调制、解调，大大降低了系统实现的复杂程度。随着超大规模集成电路（VLSI）和数字信号处理（DSP）技术的不断进步，用DFT实现OFDM已付诸实用。

（二）能够有效地消除ISI及子载波间的串扰

正交频分复用OFDM本质上是一种通过延长传输符号的周期来克服多径干扰的并行数字调制技术。它将高速串行数据分解为多个并行的低速数据，这样每路数据码元宽度加长，从而减少了ISI的影响。例如，一个10Mbps的BPSK码元的长度只有100ns，而一般电力线中的时延扩展为1μs，这样接收到码元会受到10个延时码元的干扰；OFDM将信道频带划分为100个子载波，每个子载波的单位码元的长度为10μs，从而大大提高了抗ISI的能力。

（三）有效地降低电力线的衰减特性对载波通信的影响

作为一种信息传输媒介，低压电力线亦具有射频信道的多径效应，从而带来信号的频率选择性衰减。OFDM将频率选择性衰减引起的突发性误码分散到不相关的子信道上，从而变为随机性误码。这样可利用一般的前向纠错(ECE)有效地恢复所传信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰减，各子载波在频域内的位置不同，受到不同程度的衰减影响。OFDM可以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。

（四）频谱利用率高

OFDM使用正交函数系列作为子载波，子载波的频谱正交且相互重叠，可使载波间隔达到最小，从而提高了频带的利用率。如图1所示，OFDM信号的频谱非常接近矩形，因此频带利用率可接近香农信息论的极限。在低压电力线载波通信中，单载波系统的频带利用率很少超过80%，而OFDM系统的效率则可接近100%。

三、低压电力线OFDM 通信系统平台总体设计

在低压电力线载波通信中，将OFDM 技术与信道编码、均衡、同步、解码等技术相结合，可以组建一个比较稳定可靠的高速通信系统。为了建成一个基于OFDM 的低压电力线载波通信实验平台，考虑软件模块和硬件模块相结合的总体方案。采用软件模块在PC 机上实现发送信息的编码、调制、解调、解码过程，由硬件模块实现信号的数模和模数转换、信号的放大耦合以及信号的上下变频。发送信号经过宽频带功率放大器后由耦合器耦合到低压电力线中进行传递。本文中设计的低压电力线OFDM 系统平台如图2所示，主要由两大模块组成，软件模块实现信号的处理，硬件模块实现信号的转换和传递。

（一）OFDM系统设计

从信源发出的信号首先经过级联编码，在本系统中，级联编码由卷积码和RS码级联而成。经过编码的信号进入映射模块，采用DQPSK将信号调制成复信号。将这些复信号送入串并转换模块后变成N个子数据流进入到IFFT模块进入OFDM调制，得到OFDM码元。为了进一步抑制由信道的多径性引起的ISI，我们在得到OFDM码元之后在OFDM码元中插入保护间隔，实际的做法通常是将OFDM码元中最后的数据复制到OFDM码元前，然后形成一个新的OFDM码元滤波成形，最后发送到模拟前端。

将接收到的信号变成为数字信号，然后经过同步模块，得到整个系统的时间同步和频率同步后得到正确的OFDM码元组，将这些OFDM码元组中的循环前缀去除，然后送入FFT模块进行OFDM解调。然后将通过发射端插入的已知的导频符号进行信道估计和均衡，然后进行解映射和解码的步骤，得到相应的数据流。

为了达到高速数字通信的要求，系统的数据为2M，电力线信道的延时为2μs，则一般考虑取整个OFDM码元符号的保护间隔为6μs，取整个OFDM符号的时间为30μs，则每个OFDM符号所携带的bit数为数据速率和符号的有效时间之积，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷积码的编码效率为1/2，则经过编码之后每个符号对应了96bit，而系统采用QPSK的调制方式，也就是2bit调制成一个复数信号，则每个OFDM符号必须携带48路复数信号，也就是在进行OFDM调制时需要将信号串并转换为48路并行的子数据流分别加载到48个子载波上，子载波的间隔为1/（30-6）μs =41.7kHz。系统除使用48个子载波加载数据之外，还使用8个子载波插入导频符号，作为信道估计和频率跟踪用，同时在两端流出8个子载波，一共使用64个子载波，则所使用的带宽为41.7k*64，约为2.67M的带宽。

（二）高频宽带功率放大器的设计

由于低压电力线网络是为了传送50Hz 工频电功率而设计的，它对于1MHz 以上的信号的输入阻抗很小。这意味着发送器需要提高发送功率，或者设计输出阻抗很小的放大器，才能达到将一定功率水平的信号发送到电力网络中去的目的。已有的试验结果表明，低压电力线网络的输入阻抗在几欧至几十欧之间。因此设计的放大器输出阻抗必须尽可能的小。

为了实现阻抗匹配，设计输入匹配变压器；使用耦合电容来传输高频信号，阻隔工频电流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 实现宽带功率放大，通过直流电源外围电路来驱动 BLF177，同时采用去耦阻隔器阻隔来自电源的高频信号干扰，由于是高频信号，因此在设计中除了排除外来频率信号干扰外，还要考虑电路本身各个元件的高频特性的影响。

（三）低压电力线OFDM 系统的耦合电路设计

设计一个有效的低压电力线高速通信耦合电路，主要应该解决以下几个问题：

1.能够适应低压电力网开放式的网络结构及其动态多变的网络特性，保证以较低的介入损耗传输高频信号，同时阻止电力线50Hz 的工频电流进入通信终端。

2.提供足够宽的带宽，以及良好的阻抗特性和较小的工作衰减。

3.应考虑到实际应用，装置应尽量简易、经济，便于现场的安装使用。

低压电力线载波通信系统中，载波信号耦合方式主要有电容耦合和电感耦合。本文选用电容耦合，属于直接耦合，电路简单，传输特性较电感耦合更理想，工作衰减小。电容耦合采用耦合电容器为主要元件，其电路图如图4所示。该耦合电路将高频载波信号直接注入到电网，同时从电力线上接收高频载波信号。

高频电容C00一端接入低压电力线，另一端与耦合变压器相连。C00采用高压电容，其耐压值大于275 V。C00一方面用来耦合高频载波信号，另一方面起到高压工频隔离的作用，这里建议耦合电容C00选用0.0047F。

耦合变压器T00不仅具有隔离作用，同时也实现了信号线平衡―不平衡的变换及其阻抗的变换作用。T00的初级线圈与C00组成高通滤波电路，阻止了50 Hz的工频电流，并尽可能削弱低频的电力线电压信号，减少衰减低频噪声及干扰信号；同时保证高频信号的通过，并为其提供尽可能小的衰减及线性幅频、相频特性。

四、结语

本章给出了低压电力线OFDM 载波通信系统的结构框图，分别描述了试验平台中各个环节的算法以及具体实现方法；具体阐述了模块中宽频带功率放大器、耦合器的设计，给出了详细的原理说明、实现方法等。论文对基于 OFDM 技术的低压电力线载波通信实验平台整体设计方案给予了说明。整套实验平台的成功研制表明将OFDM 技术应用于低压电力线载波通信，以实现高速数据通信是可行的。

参考文献

[1]虞华艳，毛德样．基于正交频分复用调制的低压电力线高速数据通信[J]．电子技术，2003，(3).

[2]佟学俭，罗涛．OFDM 移动通信技术原理与应用[M]．北京:人民邮电出版社，2003．

[3]刘华玲，张保会，刘海涛．扩频通信、OFDM 调制技术及其在电力线通信中的应用分析[J]．继电器，2001，29(11).

[4]熊兰．低压电力线OFDM 通信系统的实现及其均衡与同步技术的研究．硕士学位论文．武汉：华中科技大学，2004．

[5]张有兵．低压电力线多载波通信系统及其相关技术研究：博士学位论文．武汉：华中科技大学，2003．

[6]T．M．Schmidl，D．C．Cox．Low-complexity burst synchronization for OFDM．IEEE International Conference on Communications．1996．Vol．3，1301-1306．

[7]T．M．Schmidl，D．C．Cox．Robust frequency and timing synchronization for OFDM．IEEE Trans．on Communications，1997，45(12)．

作者简介：周庆华，女，黑龙江哈尔滨人，供职于黑龙江科技学院，研究方向：电力线载波通信。