基于OFDM技術的多頻段電力載波通信裝置研究

郭義輝，彭石，王承民，邢志坤，宋桂賢，王朋朋

（1.國網河北省電力公司滄州供電公司，河北滄州061000；2.上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海200240；3上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引 言

電力系統的快速發展及智能配電網的優化升級，給電力線載波通信技術帶來巨大的挑戰。眾所周知，電力線的設計主要是傳輸電能，相對信息數據通信，電力線中充斥著各種如噪音、震動、選擇性頻率衰減等干擾，且信道特性也隨著系統參數、時間、頻率、地點等變化而時刻變化［1］。因此，為了滿足配電網智能化的需要，必須要找到一種適合電力線傳輸的合理技術手段。目前，電力線載波通信技術標準主要有：G3-PLC標準、PRIME標準、HomePlug標準、G.9960標準、IEEE P1901標準［2－8］。

G3-PLC是由EDF電力公司于2011年10月發起，為電力線載波通信技術定義的標準。該標準的工作頻率35.9 kHz～90.6 kHz。G3-PLC采用OFDM（正交頻分復用技術），并內置糾錯機制和高效信道編碼技術，通過電力線智能電網傳輸數字信息等，實現在電力線上進行通信數據的傳輸。具有低速率、局部范圍內高可靠性特點，并級聯了多種前向糾錯碼和交織等技術，目前被應用在小區域配電網中［2-4］。

PRIME標準是在2006年由西班牙的Iberdrola公司發表聯合倡議而提出，其核心技術以及帶寬標準與G3-PLC基本一致，但相比之下，其實現機理卻有很大的不同。

首先，在糾錯機理上，PRIME與G3-PLC最大的不同在于，如圖1與圖2所示，PRIME采用CRC編碼器，而G3-PLC采用RS編碼器。前者是利用多項式除法得出余數，經過模2除法計算得到一個CRC的值，隨信息數據發往接收端。接收端重復發出端的計算過程，并將計算得到的CRC的值與發出端的CRC的值進行比較，若值相同，則表示正確；不同，則表示錯誤。其次，G3-PLC采用糾錯能力較強的RS編碼器，可以有效的糾正在傳輸中的隨機符號錯誤和突發錯誤。另外，對數據進行擾碼和卷積處理上，前者先經卷積處理，再進行擾碼處理，后者則與之相反。但兩者最大的不同就是G3-PLC在卷積和交織中間引入RC重復編碼器。RC重復編碼器主要作用是把每個信息比特重復編碼4次，從而保證了信息在傳輸過程中正確性，這就是G3-PLC為什么在信道環境十分惡劣的情況下，仍能確保通信數據仍然可以正確性的原因。但也正是因為RS和RC編碼器的存在，就使得系統信息的傳輸速率也所下降［5-8］。

圖1 PRIME前向糾錯編碼器Fig.1 Forward error correction encoder of PRIME

圖2 G3-PLC前向糾錯編碼器Fig.2 Forward error correction encoder of G3-PLC

HomePlug標準由HPA公司成立于2000年4月，核心技術依然采用OFDM技術，它的工作頻率在2 MHz～28 MHz。由于電力線的惡劣情況，HomePlug前向糾錯編碼器采用的是Viterbi算法和RS編碼器進行前向糾錯。顯然，HomePlug前向糾錯中的Viterbi算法相對G3-PLC的RC重復編碼器，其系統的計算速度要慢得很多，這就需要增加它的工作頻率來進行彌補，所以HomePlug的工作頻率定義在2 MHz～28 MHz，在單位時間內增加傳輸速率。但是，因其寬帶載波通信技術傳輸距離較近，所以一般應用于智能家居以及家庭自動化等應用［9-10］。

G.9960標準與IEEE P1901標準，兩個標準都是在2010年確立。G.9960標準前身為G.hn，而IEEE P1901標準是將G.hn標準納入其自身標準當中。G.9960標準的核心技術依然采用OFDM技術，其特點可以在短時間內同時兼容電力線、同軸電纜與電話線。但是，G.9960卻不能定義可支持頻段數量，其工作頻率一般在860 MHz～2159 MHz，但在電力線上卻在50 MHz以下。盡管G.9960的工作頻率存在一定的不穩定，但其巨大的通信速度卻成為業內技術性發展最看好之一［11-13］。IEEE P1901標準由P1901工作組在2005年提出，標準核心采用快速傅里葉變換（FFT）和離散小波變換正交頻分復用調制機制。該標準主要考慮到，當信道特性遭到破壞，使得各個子載波不能實現正交，導致數據傳輸失敗時，利用時域和頻域滿足緊支撐特性的小波函數來克服FFT的OFDM系統的缺陷［15-17］。該原理如圖3所示。

圖3 IEEE P1901標準原理圖Fig.3 Principle diagram of IEEE P1901 technical standard

如圖3所示，顯然，IEEE P1901標準相對其他標準增加IDWT和DWT（小波變換），這樣雖然使得整個系統運行時更加穩定、有效，但這也是系統整體運行速度變得緩慢。而且，IEEE P1901的工作頻率定義7.5 MHz～30 MHz，實現電力線寬帶載波技術。由于電力線寬帶載波的技術的固有缺陷，也就使得該標準在配電網中很少使用。

綜上所述，無論哪個電力線載波技術標準都以其固定的工作頻率來定義其使用范圍，這就使得上述標準只有在規定范圍內才可達到通信的可靠性。但配電系統的設計十分復雜多變，單一的標準是無法滿足配電網通訊可靠性的要求。因此，本文以OFDM技術為依托，針對電網環境復雜，不同區域、不同線路信道特性差異性大以及市場上以寬帶、窄帶分類的PLC產品適應環境變化能力差、應用不靈活的現狀，自主研究以多頻帶、認知為主要特征的電力線載波技術，進行系統研究。自主研制電力載波機，測試效果良好。

1 OFDM系統多頻帶原理分析

電力線與光纖、同軸電纜等其他傳輸介質相比，電力線的載波通道特性十分復雜而又多變。影響信道的兩大特性中，除噪聲特性外，最主要就是衰減特性。

電力線信道衰減特性主要分為耦合衰減和線路衰減［18］。耦合衰減主要因為阻抗不匹配，因此采取減小耦合電路中阻抗或改變耦合方式等方法進行解決。線路衰減因存在線路阻抗、延時，距離等參數的不同成為衰減的主要問題，如圖4所示。

圖4 不同信道下電力載波通信衰減Fig.4 Attenuation curve of power line carrier communication under different channels

圖4給出2種載波頻率不同的信道模型下的不同傳輸距離，工作頻率分別定義在9 kHz～500 kHz、2 kHz～12kHz。若不考慮噪聲干擾，可以看出，工作頻率為9 kHz～500 kHz在250 m中等質量信道和信道模型兩種情況下均能可靠通信，在350 m信道下卻通信失敗。而工作頻率為2 kHz～12 kHz只有在信道模型下通信。由此可見，對于已工作頻率已定義的 G3-PLC標準、PRIME標準、HomePlug標準、G.9960標準、IEEE P1901標準只能在固定傳輸距離下進行工作。但配電網系統站與站之間分部并不固定。因此，針對配電系統的距離不同情況，本文設計一種可認知性載波機，可有效的實現配電網的通訊。

由OFDM技術可知，一個OFDM（正交頻分復用技術）符號包括多個經過調制的子載波的合成信號［19］。如果用N表示子載波個數，T表示OFDM的寬度，di（i＝0，1，…，N）是分配給子載波的數據符號，fc是第 0個子載波頻率，rec（t）＝1，｜t｜≤T／2，則從 t＝ts開始的OFDM符號可以表示為：

采用等效基帶信號進行表示：

圖5中可知，OFDM系統中每個子載波在一個OFDM符號周期內包含整數倍個周期，而且各個相鄰子載波之間相差一個周期。這一特性可以用來解釋子載波之間的正交性，即：

由上述理論可知，OFDM技術主要將信號源將其離散變換成為可以相鄰波形進行正交的子載波。根據仙農信息論，離散信道的容量定義為信道傳輸和輸出之間的互信息量的最大值，該信息量是根據輸入符號概率密度計算［20］。而對于帶寬標準已固定的OFDM技術，其信道容量顯然不是最大化。因此，若將數據傳輸帶寬由窄帶到寬帶依次進行，以增加信道容量，進而增加數據傳輸的可靠性。

如圖5和圖6所示，將傳統的發送端數字端增加多級可配置的插值濾波器和一個中心頻率混頻器。再通過快速傅里葉反變換和時域加窗技術產生一個新的基帶的信號源。然后為了滿足能夠匹配ADC轉換器頻率，將新基帶信號的采樣頻率經插值濾波器倍頻，最后通過混頻器將基帶信號變頻到系統要求的頻段。

多級插值濾波器的個數及變頻倍數可根據具體系統需要進行配置，設低通濾波器變頻系數為a，M個低通濾波器串聯，變頻系數為aM。同樣，根據系統要求可選擇不同的插值濾波器個數及變頻系數，可以獲得多種不同的帶寬選擇。混頻器的中心頻率fc也可配置，也可將基帶信號搬遷到任何頻段。

圖5 OFDM基本模型框圖Fig.5 Basic model block diagram of OFDM

圖6 發送端數字前段結構圖Fig.6 Digital front-end structure diagram of the transmitter

同理，如圖7所示，根據發送端數字前端產生機理，接收端數字前段也同樣配置多級抽值濾波器和一個中心頻率的混頻器，完成數據接收功能。首先，中心頻率為fc的混頻器將DAC轉換器接收信號變頻成基帶信號，再由多級可配置抽取濾波器將該基帶信號進行采樣，用于接收端加窗和快速傅里葉變換，將傳輸數據進行還原。這時不同的信道接收信息量是不同的，系統根據已獲得數據信息進行判定，哪一個信道傳輸的信息量多就由哪一信道來進行傳輸。

圖7 接收端數字前段結構圖Fig.7 Digital front-end structure diagram of the receiver

假設基帶采樣頻率為fs，經過M個a倍頻的插值濾波器后變為aMfs，如果設變頻系數為2，那么最后的頻率為：

設DAC／ADC的采樣頻率為f0，此時：

可解得基帶采樣頻率為：

式中f0是DAC／ADC的采樣頻率；2M為系統的總倍頻系數。

在OFDM系統中，一個信息源正交出所有的子載波中，只有比例為α的子載波用于傳輸有效信號，此時系統的實際帶寬為：

通過調整M的數值，即可以獲得不同的系統寬帶。當α＝0.2，M＝9，f0＝100 MHz時，系統存在30種不同的帶寬，OFDM信號帶寬最窄為7.8 kHz，最寬為10 MHz。

2 載波裝置模型構建與實現機理

如圖8所示，電力載波通信系統主要包括數據接收發終端、調制解調設備、耦合器、電力線以及被測裝置（QS）與變電站站內監控系統組成。其收發裝置原理結構如圖9所示。

圖8 電力載波通信系統結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of power line carrier communication system

圖9 新型PLC系統原理結構圖Fig.9 Frame work of the novel PLC system

圖9主要包括耦合電路、模擬前端、收發前端、物理層處理單元、媒體接入控制（Medium Access Control，MAC）／匯聚層處理單元等五個部分組成。其中耦合電路和模擬前端位于系統硬件平臺模擬板上；收發前端和物理層處理單元在FPGA芯片中實現，MAC／匯聚層處理單元在ARM芯片中實現，FPGA和ARM芯片均位于系統硬件平臺數字板上。

耦合前端完全由模擬電路組成，實現市電電壓的安全隔離，并且對高頻載波信號進行提取和注入。其對于局端設備，需要負責三相電上的高頻載波信號提取和注入。模擬前端負責數模信號轉換、信號濾波以及信號放大功能。對于發送通路，實現數模轉換、發送濾波、以及線性驅動。對于接收通路，實現接收濾波、模擬自動增益控制及模數轉換。模擬前端是由模擬電路以及數模轉換IC組成。

收發前端由數字電路實現。對于發送通路，利用可配置的多級數字插值濾波以及數字上變頻模塊將基帶信號轉換為期望的跨頻帶PLC載波信號。對于接收通路，其利用可配置的多級數字抽取濾波以及數字下變頻模塊將跨頻帶PLC載波信號轉換為基帶信號。跨頻帶收發前端還包括時間同步功能，對接收到的基帶信號進行前導卷積運算，以確定物理幀的起始位置。

物理層算法處理單元也由數字電路實現。對于發送通路，其對MAC層數據幀進行信道編碼、交織、數字調制、以及加循環前綴后形成物理層幀，然后加前導并發送到數模轉換器上。對于接收通路，其對同步后的物理層幀進行去循環前綴、數字解調、解交織、以及解碼后還原出MAC層數據幀。物理層算法處理單元也同時記錄數據包的子載波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）、數據幀誤碼率（Bit Error Rate，BER）為MAC層提供跨頻帶認知功能的支持。

MAC層協議棧處理單元由基于處理器的軟件方式實現。其控制物理層算法處理單元實現數據收發，另外也實現多址接入方式的選擇，流量控制，快速組網策略，業務感知及對軟實時業務的支撐。匯聚層協議棧處理單元同樣由基于處理器的軟件方式實現。其主要操控MAC層和處理其反饋，提供分幀組幀功能，以及快速的協議轉換功能。

3 載波裝置實物與仿真

可用頻率測試是針對新型PLC通信系統裝置樣機可用頻段的測試，測試的預期目標為：新型PLC通信系統裝置樣機的可用頻段為150 kHz至12 MHz；頻點可在150 kHz至12 MHz范圍內靈活調整；帶寬可在7.8 kHz至10 MHz范圍內靈活調整。可用頻段測試的技術要求及測試結果如表1所示。

表1 可用頻段測試的技術要求及測試結果Tab.1 Technical requirements and test results available of available frequency band test

發射功率測試是針對新型PLC通信系統裝置樣機發射功率的測試，測試的預期目標為：在發射端端接50歐姆電阻的情況下，發射信號在150 kHz至500 kHz時，發射功率譜密度不小于 －35 dBm／Hz；端接50歐姆電阻的情況下，發射信號在0.5 kHz至10 MHz時，發射功率譜密度不小于－53 dBm／Hz。發射功率測試技術指標及測試結果如表2所示。

圖10 可用頻段測試結果（中心頻點6 MHz、帶寬10 MHz）Fig.10 Available frequency band test results（center frequency 6 MHz，bandwidth 10 MHz）

圖11 可用頻段測試結果（中心頻點500 kHz、帶寬7.8 kHz）Fig.11 Available frequency band test results（center frequency 500 kHz，bandwidth 78 kHz）

表2 發射功率測試技術指標及測試結果Tab.2 Specifications and test results of transmit power test technology

圖12 發送功率測試結果（發送信號功率譜密度大于35 dBm／Hz）Fig.12 Transmission power test result（transmission power spectral densityp is higher than 35 dBm／Hz）

圖13 發送功率測試結果（發送信號功率譜密度大于 －53 dBm／Hz）Fig.13 Transmission power test result（transmission power spectral density is higher than－53 dBm／Hz）

最高物理層速率測試是針對新型PLC通信系統裝置樣機最大物理層速率的測試，測試的預期目標為：裝置樣機支持基于TCP／IP通信協議的遠程監控和配置；支持雙向通信；物理層最高通信速率為10 Mbps。

如圖14所示，根據10 M帶寬，6 M中心頻點，一幀時長：222μs可知：

一幀承載比特數：2×189×8bit；

物理層速率為：2×189×8 bit／（222×10－6）s＝13.62 Mbps。

業務通信實驗是針對新型PLC通信系統裝置樣機承載電網業務時通信時間延遲的指標測試，測試的預期目標為：采集業務數據通信時延≤5 s（100%），自動化控制業務數據通信時延≤500 s（95%），分布式電源接入控制業務數據通信時延≤200ms（95%）。

如圖15所示，丟包率≤5%的情況下，數據通信時延≤100 ms，符合預期成果要求。

測試樣品及測試實物連接圖如圖16所示。

圖14 最高物理層速率測試結果Fig.14 Test results of the highest physical layer speed rate

圖15 業務通信測試結果Fig.15 Business communications test results

4 結束語

本文所設計的電力載波機，帶寬可在7.8 kHz～10 MHz靈活調整，數據進行通信時的信號功率衰減及信號失真率均符合數據通信進行傳輸的相關要求。測試表明，所研制的新型PLC系統滿足物理層支持的最大通信速率為10 Mbps，采集業務數據通信時延≤5 s（100%），自動化控制業務時延≤500 ms（95%），分布式電源接入控制業務時延 ≤200 ms（95%）的性能指標，有效實現電力線進行數據傳輸的目標。