基于OFDM技術(shù)電力通信系統(tǒng)的仿真研究

鄧杰，張學(xué)毅，周美琴，楊丹青，谷聚輝

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

基于OFDM技術(shù)電力通信系統(tǒng)的仿真研究

鄧杰，張學(xué)毅，周美琴，楊丹青，谷聚輝

(湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007)

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)是常用的電力通信調(diào)制技術(shù)。本文在深入研究OFDM基本原理和電力線信道特性的基礎(chǔ)上，建立電力通信系統(tǒng)模型，對(duì)該模型采用4QAM﹑16QAM﹑BPSK三種調(diào)制方式以及DTF﹑LS﹑MMSE三種信道估計(jì)算法進(jìn)行了MATLAB性能仿真，得出結(jié)論在一定條件下運(yùn)用QAM調(diào)制方式及LS算法更能體現(xiàn)了OFDM技術(shù)應(yīng)用于電力線通信的優(yōu)越性。同時(shí)，也為我們?cè)诓煌h(huán)境下為提高通信系統(tǒng)整體性能，信道估計(jì)算法的選擇提供了有力依據(jù)。

正交頻分復(fù)用；電力線通信系統(tǒng)；信道估計(jì)；MATLAB性能仿真

0 引言

電力線載波通信(power line communication, PLC)是利用電力線作為信息傳輸介質(zhì)，是將模擬或數(shù)字信號(hào)通過(guò)載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式，具有傳輸距離遠(yuǎn)﹑通道可靠性高﹑電網(wǎng)建設(shè)同步等優(yōu)點(diǎn)[1]。但由于通信信道不是專(zhuān)用信道，故其信道特性比較惡劣，具體表現(xiàn)為：噪聲干擾電平高﹑阻抗匹配變化大﹑多徑延遲效應(yīng)等[2-3]。

正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)最早是應(yīng)用于無(wú)線通信，其具有良好的抗多徑效應(yīng)和抗干擾能力且傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)，是電力線通信常用的調(diào)制技術(shù)之一。目前OFDM技術(shù)已在水聲通信﹑無(wú)線通信﹑電力線通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其性能研究的方法和結(jié)論對(duì)未來(lái)通信系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)具有重要的參考價(jià)值。

本文先簡(jiǎn)要介紹OFDM的基本原理，建立了系統(tǒng)仿真模型[4]。然后采用4QAM﹑16QAM﹑QPSK調(diào)制方式和LS﹑LMMSE﹑DFT信道估計(jì)方法，仿真分析了OFDM在低壓電力線載波信中整體性能[5-10]，最后得出仿真曲線并做分析。

1 OFDM技術(shù)

OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)，其原理是用N個(gè)子載波把整個(gè)信道分割成N個(gè)子信道，即將頻率上等間隔的N個(gè)子載波信號(hào)調(diào)制并相加后同時(shí)發(fā)送，實(shí)現(xiàn)N個(gè)子信道并行傳輸信息，這樣每個(gè)符號(hào)的頻譜只占用信道帶寬的1/N，且使各個(gè)子載波在OFDM符號(hào)周期T內(nèi)保持頻譜的正交性。

OFDM系統(tǒng)把數(shù)據(jù)流串/并變換為N路速率較低的子數(shù)據(jù)流，然后用它們分別去調(diào)制N路子載波后再并行傳輸，也就相當(dāng)于把一個(gè)寬帶頻率選擇性信道劃分成了N窄帶平坦衰落信道。這樣子載波傳輸速率就降低為原來(lái)的1/N，符號(hào)周期也擴(kuò)大為原來(lái)的N倍，遠(yuǎn)大于信道的最大延遲擴(kuò)展。

信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制和串/并轉(zhuǎn)換后﹑經(jīng)信道傳送至接收端，接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)后的信號(hào)表達(dá)式為：

圖1 OFDM系統(tǒng)仿真鏈路圖Fig.1 OFDM system simulation link plan

2 電力線通信信道建模

由于電力線低壓配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜﹑電力線通信環(huán)境惡劣，通信系統(tǒng)的性能受到制約。信道具有噪聲干擾強(qiáng)，信號(hào)衰減嚴(yán)重，阻抗不匹配引起的多徑效應(yīng)等特點(diǎn)[2-3]。本文中為了體現(xiàn)信道選擇性衰落和頻率衰減特性，故采用M.Zimmermann和K.Dostert自上而下建模思路的電力線多徑模型[4]，其頻率響應(yīng)公式為：

圖2 電力線信道模型Fig.2 Power Line Channel Model

其仿真部分參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 多徑信道模型部分仿真參數(shù)Table.1 part multipath channel model simulation parameters

從圖3看出信道路徑數(shù)越多其傳輸環(huán)境越惡劣，信號(hào)衰減越大。觀察信道的幅頻特性曲線，可以看出由于電力線上負(fù)載的隨機(jī)接入使得信號(hào)衰減也隨機(jī)地發(fā)生變化。從總體上看信號(hào)的衰減隨頻率增加而增加，在特定頻段衰減會(huì)迅速增加，符合實(shí)際的低壓電力線信道特性。通過(guò)對(duì)比四條信道幅頻特性曲線，增減信道路徑的數(shù)量可以控制電力線信道模型的精度。本文采用4徑道。

圖3 不同路徑信道衰減特性曲線Fig.3 different paths channel attenuation characteristic curve

3 信道估計(jì)

OFDM系統(tǒng)的信道估計(jì)算法主要可分為以下幾種，按照估計(jì)的準(zhǔn)則來(lái)分，可分為最小二乘估計(jì)（LS）[7]和最小均方誤差估計(jì)（LMMSE）[8]；按照是否插入導(dǎo)頻可分為盲信道估計(jì)和導(dǎo)頻輔助信道估計(jì)[9]；盲或半盲的信道估計(jì)算法利用傳輸符號(hào)的字符特性或統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行信道估計(jì)。對(duì)電力線載波通信信道的估計(jì)，常采用插入訓(xùn)練序列或?qū)ьl的方法，通過(guò)在發(fā)送的數(shù)據(jù)塊中插入一定的已知符號(hào)，接收端通過(guò)已知符號(hào)的大小和位置對(duì)信道狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。

3.1 最小均方誤差估計(jì)算法

最小均方誤差估計(jì)（MMSE）是以最小均方誤差為準(zhǔn)則的信道估計(jì)算法，對(duì)子載波間的干擾和噪聲有好的抑制作用，其信噪比要優(yōu)于LS算法10dB～15dB左右，但算法的復(fù)雜度隨著抽樣點(diǎn)指數(shù)增長(zhǎng)，需要知道或假設(shè)信道的統(tǒng)計(jì)信息。

在基于LS信道估計(jì)算法的基礎(chǔ)上，得出MMSE信道估計(jì)表達(dá)式為：

3.2 DFT算法

DFT算法復(fù)雜度低于MMSE，性能優(yōu)于LS，具有實(shí)用價(jià)值，可以去除循環(huán)前綴以外的噪聲，但只是消除了循環(huán)前綴以外的噪聲而對(duì)循環(huán)前綴以?xún)?nèi)的噪聲沒(méi)有任何抑制，所以需要設(shè)置合適的門(mén)限改進(jìn)性能。

DFT信道估計(jì)算法是先進(jìn)行最小二乘估計(jì)，然后經(jīng)過(guò)反離散傅里葉變換到時(shí)域，在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行線性變換，在經(jīng)過(guò)離散傅里葉變換進(jìn)入頻域。

設(shè)發(fā)送信號(hào)為xi(i=0,1,2…N)，H(·)為一個(gè)OFDM符號(hào)在電力線信道內(nèi)的沖激響應(yīng)，由式，可知，

進(jìn)一步可得：

則信道沖激響應(yīng)自相關(guān)矩陣可表示為：

3.3 基于訓(xùn)練序列的最小二乘估計(jì)算法

LS算法簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高，在高信噪比時(shí)，性能逼近MMSE,但是忽略噪聲的影響一起的估計(jì)誤差比較大，尤其是低噪聲比情況下。

式中：h為發(fā)送子載波信號(hào)沖擊響應(yīng)hi(i=0,1,…L)的矩陣集合。

OFDM系統(tǒng)將信道分為多路載波信號(hào)，對(duì)每一路載波信號(hào)進(jìn)行DFT變換后，可得系統(tǒng)接收信號(hào)Rs數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：F為DFT變換矩陣，其表示式為：

對(duì)發(fā)送的每一個(gè)數(shù)據(jù)包中插入一個(gè)m訓(xùn)練序列，其表達(dá)式為：

式中：p為參考長(zhǎng)度仿真時(shí)取16；L為保護(hù)長(zhǎng)度；m為雙極性元素

4 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)依據(jù)表2等設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行仿真研究，仿真都采用未編碼的OFDM系統(tǒng)方式，仿真結(jié)果如圖4﹑如圖5﹑圖6和圖7所示。

表2 OFDM系統(tǒng)仿真部分參數(shù)設(shè)置Table 2 OFDM system simulation section parameters

圖4 加入高斯白噪聲前后信號(hào)的功率頻譜曲線Fig.4 is added before the power spectrum curveGaussian white noise signal

圖5 多徑情況下3種不同調(diào)制方式誤碼率曲線Fig.5 multipath conditions under three different modulation error rate curve

從圖4可以看出，信號(hào)經(jīng)過(guò)電力線載波通信信道后出現(xiàn)了一定程度的衰減，一方面信號(hào)在信道中發(fā)生了折反射，即多徑效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致接收信號(hào)功率出現(xiàn)了衰減；另一方面，由于電力線信道存在噪聲干擾和頻率選擇性衰落。

由圖5可知，在3種調(diào)制方式都隨著信噪比的增加而減小，其中采用BPSK系統(tǒng)誤碼率最低，其次4QAM跟16QAM。且BPSK隨著信噪比的增加下降速率最快，在SNR=12時(shí)誤碼率幾乎為0，而4QAM與16QAM誤碼率下降速率接近。

從圖6中可以看出，無(wú)信道估計(jì)的系統(tǒng)誤碼率最高，而且隨著信噪比的增加保持不變，加入多徑信道估計(jì)較無(wú)多徑信道估計(jì)下的系統(tǒng)誤碼率變小，因?yàn)榍罢呖紤]到了電力線信道特點(diǎn)，跟蹤信道狀態(tài)變化，減小了信號(hào)間的干擾。

從圖7可以看出，有信道估計(jì)比無(wú)信道估計(jì)誤碼率低，說(shuō)明信道估計(jì)能改善系統(tǒng)性能；在SNR=0時(shí)，信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)的誤碼率改善約為0.05，在SNR=35時(shí)，信道估計(jì)的誤碼率改善約為0.18，性能提升三倍多，說(shuō)明信噪比越高，信道估計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能改善越明顯。圖7中LS算法較MMSE誤碼率高，說(shuō)明MMSE性能優(yōu)于LS，但LS算法復(fù)雜度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，獲取信道狀態(tài)信息容易，而且對(duì)設(shè)備要求較低，因此在滿足誤碼率的情況下一般選取LS算法。DFT算法雖然表現(xiàn)出較好的性能，但信道為非整數(shù)采樣時(shí)，信道功率仍然是集中的，衰落出現(xiàn)在所有子載波上，會(huì)導(dǎo)致信道惡化。

圖6 多徑信道估計(jì)前后的誤碼率曲線Fig.6 error rate curves of the multipath channel estimation

圖7 3種算法誤碼率比較Fig.7 3 Comparison of algorithms BER

5 結(jié)論

本文運(yùn)用MATLAB語(yǔ)言編寫(xiě)出完整的OFDM系統(tǒng)并其進(jìn)行了仿真研究。詳細(xì)分析了多徑情況下OFDM系統(tǒng)性能，采用了三種不同的子載波調(diào)制方式以及三種不同的信道估計(jì)算法對(duì)OFDM系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究，并比較其性能，得到以下結(jié)論：

（1）OFDM系統(tǒng)具有有效對(duì)抗多徑效應(yīng)的能力，但并不能完全消除其對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響，另外，噪聲干擾與頻率選擇性衰落對(duì)OFDM系統(tǒng)性能也有很大影響。

（2）OFDM系統(tǒng)采用不同的調(diào)制方式其系統(tǒng)的性能也不同，其中多徑情況下采用QPSK的誤碼率最低，其次是4QAM與16QAM。但由于QAM調(diào)制方式的頻譜利用率一般要比QPSK好，且調(diào)制的制數(shù)較高時(shí)，其信號(hào)的星座圖分布更為合理，故在滿足誤碼率要求時(shí)，可考慮QAM調(diào)制方式。

（3）OFDM系統(tǒng)中加入信道估計(jì)可以明顯提高系統(tǒng)性能，且隨著信噪比的增大，信道估計(jì)對(duì)系統(tǒng)性能的改善越為明顯；LS與LMMSE為兩種常用的信道估計(jì)算法，仿真結(jié)果表明LMMSE的性能優(yōu)于LS，但考慮到實(shí)際可行性，一般情況下，仍?xún)?yōu)先考慮LS算法；DFT算法因其會(huì)惡化信道而很少被采用。

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Simulation of OFDM Communication System Based Power

DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin, YANG Danqing, Gu JuHui
(Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou, 412007, China)

Orthogonal frequency division multiplexing technology is a common power communication modulation technology.This paper points in the study of orthogonal frequency multiplexing principle and the basis of power line channel characteristics to establish the communication model of power system, the model have 4QAM, 16QAM, BPSK three types of modulations, as well as DTF, LS, MMSE, three kinds of channel estimation algorithm MATLAB simulation is the conclusion.Under certain conditions, the use of QAM modulation mode and LS algorithm can reflect the superiority of OFDM technology in power line communication.At the same time, it also provides a strong basis for the selection of the channel estimation algorithm for improving the overall performance of the communication system under different conditions.

orthogonal frequency division multiplexing; power line communication systems; channel estimation; MATLAB Simulation

鄧杰，張學(xué)毅，周美琴，等．基于OFDM技術(shù)電力通信系統(tǒng)的仿真研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(5)：33-39

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.05

:DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin,et al.Simulation of OFDM Communication System Based Power [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 33?39.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61203019）

鄧杰（1987-），廣西桂林人，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)；張學(xué)毅（1966-），湖南益陽(yáng)人，教授，主要研究方向：電工理論與新技術(shù)。