基于OFDM低壓電力線通信技術研究＊

（海軍指揮學院信息戰研究系 南京 211800）

1 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）是利用電力網絡傳輸語音、圖像、視頻以及數據信息等高頻信號的一種通信方式［1］，源于其連接方便、覆蓋區域廣、不用布線等優點，成為解決“最后一公里”問題，是接入寬帶網絡最具優勢的技術之一。

電力線載波通信開始主要應用于中低壓電力網絡的智能抄表、遠程控制及EMS（能源管理）等方面。隨著網絡技術和信息技術迅猛發展，利用電力線來實現高速Internet接入及多媒體信息傳輸成為研究熱點，以期實現有線電視網、計算機網、電話網及電力網的“四網合一”。但是，電力線只是為了實現傳輸電能而設計的，電力線信道還存在阻抗小、變化大、信號衰減強、干擾大且時變性大、存在著多徑時延等問題［2］。為此必須選擇一種合適的電力線信號傳輸技術，尤其是選擇合適的調制方式尤為重要［3］。

OFDM 技術具有抗多徑時延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術簡單的優點［4］，特別適用于電力線通信。但是同無線信道中的OFDM 系統一樣，峰均功率比（PAPR）過高也限制了其在電力線通信中的應用，本文簡要介紹了OFDM 技術原理及其實現過程，提出了改進的OFDM 調制解調技術并進行了仿真分析，使信息傳輸的安全性和可靠性有了很大的提高。

2 OFDM 技術的原理及實現過程

正交頻分復用（OFDM）技術基于并行數據傳輸的多載波通信技術，主要思想是在頻域內將給定信道分成N個正交子信道，同時將串行數據轉換為許多個并行數據，在每個子信道上使用一個子載波調制一路獨立的數據信息，最后將調制之后的子載波的信號相加同時發送，N取值越大，每個子信道越接近理想信道特性。由于每個子載波信號只占據帶寬的1／N，有利于消除碼間干擾，同時提高了頻譜利用率［5］。在接收端，根據各個子載波相互正交，可以很好地恢復原始信號。

OFDM 信號表示成并行傳輸的正交調制子載波集合，其數學表達式如下：

式中，fi＝f0＋iΔf，i＝0，1，…，n-1；f0一般為1／T的整數倍；Δf為各頻率子載頻間的最小間隔，一般取Δf＝1／T，此時剛好滿足各子載波正交條件。為了求得s（t）的系數ai和bi，可以借助FFT 和IFFT 來實現。下面予以簡單說明，記：

以fs＝1／Ts為采樣頻率，t＝kts

則：

由上式可以知道，借助離散傅氏變換可以計算出OFDM 信號。正是由于借助離散傅氏變換快速算法，才使得原本復雜的OFDM 技術得以簡單地實現。

另外，OFDM 技術可以充分利用了頻帶，提高了頻譜利用率，由于各個符號子載波間頻譜可以相互重疊，通過計算可以算出OFDM 調制系統，可以實現近100%的頻譜效率，這里就不再計算［6］。

OFDM 通信系統基本實現框圖如圖1所示。

圖1 OFDM 基本實現框圖

如圖1所示，信號源產生的數字信號（串行數據）經串／并轉換，變為許多路子載波并行信號，各路子載波信號通過常規的QPSK、QAM、FSK 等方式進行調制，子載波信號調制方式可以分別采用各自的方式，接著利用快速傅立葉反變換（IFFT），插入循環前綴后，有時還要加窗等操作，再將并行信號恢復為串行信號；最后通過模數轉換，通過發射功放電路將信號加載到低壓電力線信道上；接收端將模擬信號轉換為數字信號，通過一系列逆變換將子載波信號解調出來，完成整個通信過程。

3 改進的OFDM 技術

3.1 OFDM 峰均值功率比問題

OFDM 信號在時域上為N個子載波的疊加，而各個子載波間相互獨立。根據統計學理論我們知道其時域波形將是一個高斯隨機過程。因此，在某些極限時刻，即當子載波信號在相位和時間上以峰值相加時，OFDM 信號就會產生很大的峰均值功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）值。

在通信系統非線性帶限信道中特別不希望出現上述現象，因為PAPR越高，功率放大器的線性區域越大，否則，當信號峰值進入功率放大器的非線性區域時，就會造成信號失真，而信號畸變失真就會導致子載波之間的互調干擾和帶外輻射，破壞子載波間的正交性；假如需要不失真地傳輸這些高PAPR 的OFDM 信號，就需要線性度很高的高功率放大器。但通常OFDM 信號的幅值又遠遠低于這個峰值，這樣就使得設計這樣一個功率放大器得不償失，增加系統成本，利用效率低下［7］。因此，解決這一問題，對復雜的低壓電力線信道的意義更加重大。

3.2 相位干涉的OFDM 技術

PAPR是指信號的瞬時最大功率和均值功率的比值，通常取對數形式［8］，可用如下數學表達式表示：

其中x（t）表示OFDM 基帶信號，其平方則為其功率。通過推導可以得出，假定N個子載波均以相同的相位求和，則OFDM 信號的峰值功率就會是平均功率的N倍。比如，當N＝128時，則PAPR（dB）＝10log10N＝21dB，當然，這是極限情況，但從式（4）中我們可以看到，隨著子載波數N的增加，必然使得PAPR跟著線性增大，從而加大對功率放大器的要求以避免非線性失真以及諧波帶來的子信道間的相互干擾。因此，必須采取一定方法降低OFDM 的高PAPR值，降低OFDM 通信系統的成本。

本文采取在快速傅立葉反變換前通過相位干涉來降低PAPA 值。當傳統OFDM 系統和經過相位干涉的OFDM 均值功率相同時，經過相位干涉OFDM 系統，其峰值功率maxn｛｜xn｜2｝更低，通過這種方法就可以有效地降低OFDM 信號的PAPR值。不管是傳統OFDM 系統還是經過相位干涉的OFDM 系統，信息序列都要采取串并轉換，使每個比特數據都調制到其載波上，然后通過所采取的調制方式發送到電力線信道。而采取相位干涉法區別在于需要添加一個相位補償，從而改變信息序列的相位。OFDM 信號數學表達式為

采取相位干涉OFDM 信號的數學表達式為

3.3 仿真與分析

采用相位干涉方法可以更好地利用不同信道的頻率特性，其不僅可以使OFDM 信號的PAPR值降低，而且對通信系統的要求沒有增加。

圖2Matlab 仿真圖，仿真參數：IFFT 點數為128，4倍過采樣，采用QPSK 調制方式。

圖2 相位干涉法CDDF圖

圖2中的Y軸稱為互補累積分布函數（CCDF，它是指PAPR 超過PAPR0這一門限值的概率），用來描述OFDM 信號的PAPR 特性［9］。從圖中可以看出，當CCDF 等于10-4時（即相當于系統可能出現的最大PAPR 值），采用相位干涉法的PAPR＝7.6dB，而原始OFDM 信號的PAPR＝11.2dB，PAPR值降低了3.6dB。可見，相位干涉法明顯改善了OFDM 系統的PAPR 特性。

4 結語

目前，利用電力線傳輸高速數據在世界范圍內取得了很大的進步，其傳輸速率也有了很大的提高。然而，為了解決在電力線上進行高速信息傳輸受到的噪聲干擾、多徑時延以及信號衰減的影響，必須選擇一種有利于減少誤碼率、增加數據傳輸速率的調制解調方式［10］。

隨著DSP 技術的迅速發展，OFDM 技術也越來越容易實現。OFDM 技術具有抗多徑時延、抗信號衰減、頻帶利用率高等優點［11］，很好地解決高速PLC通信遇到的信道環境惡劣的問題。但傳統的OFDM 信號PAPR 過高，本文提出的相位干涉法OFDM 對降低PAPR 有很好的作用，在電力線通信技術研究方面具有一定的應用前景。

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［3］戚佳金，陳雪萍，等.低壓電力線載波通信技術研究進展［J］.電網技術，2010，34（5）：161-163.

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［5］彭軍.基于PLC 的家庭網絡技術研究［D］.廈門：廈門大學，2007：14-15.

［6］俞慶.低壓電力線載波通信技術的研究及應用［J］.電力系統通信，2002，3（1）：17-20.

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