基于OFDM的電力載波數據傳輸模塊研究與設計

張禮，劉橋

（長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410004）

電力載波通信技術[1]（PLC）利用現有的電力線通過載波技術進行數據傳輸的技術。由于低壓電力線載波傳輸信道的干擾問題是制約低壓電力線載波通信發展和普及的主要障礙，而正交頻分復用（OFDM）調制技術具有抗干擾、抗衰落能力強的特點，采用正交頻分復用（OFDM）調制技術的芯片設計電力載波數據傳輸模塊，能更好的克服電力線的強干擾、強衰減等缺陷。因此，文中提出一種基于OFDM的電力線載波數據傳輸模塊設計方案，利用現有的電力線實現載波通信。

1 載波通信信道特性

利用電力線載波進行數據傳輸，可以充分發揮電力資源優勢，從而推動電力線載波通信的廣泛應用，電力載波的數據傳輸系統框圖如圖1所示。

但在電力線上的數據傳輸，還未達到令人滿意的水平，這在一定程度上限制了電力載波通信的廣泛應用。主要原因有：電力線上的負載接入較多，電器頻率特性各不相同，阻抗時變大，很難做到阻抗匹配。電力線上存在高噪聲，各種用電設備經常頻繁開閉，就會給電力線上帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。電力線對載波信號造成高削減。當電力線上負荷很重時，造成對載波信號的高削減。因此，利用電力線載波的方式傳輸數據時，需要進行以下幾方面[2]考慮：

圖1 電力載波的數據傳輸系統框圖Fig.1 Electric power carrier data transmission system

1）較高的頻譜利用率，以適應電力線信道有效帶寬窄的特點。

2）較好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失。

3）較強的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。

4）載波頻率的選取，盡可能使電力線呈現較高的輸入阻抗，減小對載波信號的衰減。

2 OFDM技術

2.1 OFDM介紹

OFDM（正交頻分復用）技術實際上是MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調制）的一種。 其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關技術來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。

2.2 OFDM技術的特點

1）有效降低衰減對通信質量的影響

低壓電力線上普遍存在著頻率選擇性衰落，而且這種衰減還具有時變性。電力線網絡中的各種不確定性因素使得網絡中經常發生突發性的衰減。OFDM系統將突發性的衰減造成的誤碼分散到了各個互不相關的子信道上，從而變為隨機性的誤碼。這樣就可以利用編碼糾錯技術恢復出所傳輸的信息[3]。

2）抗碼間干擾（ISI）能力強

在電力線信道中，由于存在多徑效應，多個信號在不同的路徑傳輸，所以到達接收機時會有一定時延，這就造成ISI。OFDM將高速的串行數據分割為Ⅳ個子信號.這樣分割后碼元的速率降低了Ⅳ倍。周期延長Ⅳ倍。同時再在碼元間加入保護間隙和循環前綴，這樣只要數字碼元周期大于最大延時時間就可以有效抑制ISI干擾[4]。

3）頻譜利用率高

OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統的利用保護頻帶分離子信道的方式，提高了頻率利用效率。

4）OFDM對頻率偏移比較敏感。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。由于信道的時變性，在傳輸過程中出現的信號頻譜偏移或發射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會使 OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，導致載波間干擾（ICI）[5]。

因此，采用正交頻分復用（OFDM）調制技術的芯片設計的電力載波數據傳輸系統能很好的解決數據傳輸過程中信號衰減大、碼間干擾嚴重、頻譜利用率不高的應用難題。

3 電力載波通信模塊的設計

為了設計穩定、可靠、誤碼率低的電力載波數據傳輸模塊，本課題采用力合微電子有限公司生產的電力載波芯片LME2980作為模塊的核心芯片。LME2980是國內首款OFDM低壓電力線載波芯片，針對國內電網環境及低壓電力線載波通信應用需求而優化設計，具有國際領先的技術及性能。芯片具有以下特點：

1）抗干擾能力強，對電網信道具有自適應能力，通信可靠、穩定。這主要是由于OFDM采用多個正交子載波（通常數百個甚至上千個）同時傳輸數據。

2）通信速率高，因而通信效率高，實時性強。OFDM典型的通信速率在幾十kbps。

電力載波數據傳輸模塊[6]由LME2980芯片電路，信號耦合和接收濾波電路，信號放大濾波電路，過零檢測電路和接口電路組成。數據傳輸模塊系統框圖如圖2所示。

圖2 電力載波數據傳輸模塊的系統框圖Fig.2 System block diagram of electric power carrier data transmission module

3.1 LME2980電力載波電路

LME2980內置MCU，可運行用戶定義的通信協議及應用軟件。同時，LME2980內置模擬接收前端電路，大動態范圍自動增益接收放大器等，外圍電路簡單，應用方案成本低，使用方便。 LME2980電力載波電路如圖3所示。

圖3 LME2980電力載波電路Fig.3 Electric power carrier circuit of LME2980

3.2 信號放大濾波電路

信號放大濾波電路的功能是把從LME2980芯片輸出的模擬信號進行放大，進行簡單的濾波后，由信號耦合電路耦合到電纜線上，滿足電力線傳輸的要求。信號放大濾波電路如圖4所示。

3.3 信號耦合和接收濾波電路

由信號耦合變壓器T1和C11組成的高通濾波電路，用于隔離高電壓的工頻交流電，F1是12V的TVS管，用于消除來自電力線上的高頻高強度干擾，從而保護內部電路。信號耦合和接收濾波電路如圖5所示。

圖4 信號放大濾波電路Fig.4 Signal amplification filter circuit

圖5 信號耦合和接收濾波電路Fig.5 Signal coupling and receive filter circuit

3.4 過零檢測電路

過零檢測電路的功能是把工頻交流電的過零時刻以 脈沖的方式告知載波芯片，從而為分時通信以及相位判斷提供依據。過零檢測電路如圖6所示。

3.5 接口電路

接口電路的主要作用是為載波模塊與外界提供接口，提供電源并建立通信。接口電路如圖7所示。

圖6 過零檢測電路Fig.6 Zero crossing detection circuit

圖7 接口電路Fig.7 Interface circuit

4 測 試

將設計好的電力載波數據傳輸模塊分別安裝在電力線的兩端，利用串口助手進行收數據測試（串口的設置為：波特率為115200、起始位為1b、數據位8b、停止位1b和無流控制協議），模塊一發送數據：WHAT IS NAME?模塊二接收后發送：CSUST ZHangLi測試過程中沒有亂碼和無碼產生，系統正常工作，系統測試如圖8所示。

圖8 系統測試Fig.8 System test

5 結束語

文中通過分析電力載波傳輸信道特性和OFDM調制解調技術基本原理，選用OFDM低壓電力線載波芯片設計電力載波數據傳輸模塊，通過對模塊進行測試，模塊正常收發傳輸數據。

利用現有的電力線作為傳輸媒介，通過電力線傳輸數據，節省普通通信所需要的數據傳輸媒體，對于推動電力載波通信在物聯網的應用具有積極的意義。

[1]奇淑清.電力線通信技術與應用[M].北京：中國電力出版社，2005：3-8.

[2]Ferreira H C，Lampe L，Newbury J，et la.Power Line Communications:Theory and Applications for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines.NY:Wiley&Sons，2010.

[3]ZHANG You-bing，CHENG Shi-jie，NGUIMBIS J，etla.Analysis and simulation of a low-voltage powerline channel using Orthogonal Frequency Divisio Multiplexing[J].Multiplexing.Istanbul University-Journal of Electrical&Electronics Engineering，2003，3（1）:154-177.

[4]Tonello A M， D’Alessandro S，Lampe L.Cyclic Prefx Design and Allocation in Bit-loaded OFDM overPowerLine Communication Channels[J].IEEE Trans.on Commun.，2010，58（11）：3265-3276.

[5]顧威.基于 OFDM的高速電力線載波通信系統設計[D].北京：清華大學，2005.

[6]Galli S，Scaglione A，Wang Z.For the Grid and Through the Grid:The Role of Power Line Communications in the Smart Grid[J].Proc.IEEE，2011，99（6）：998-1027.