摘? 要: 介紹了OFDM技術的基本原理;根據電力線傳輸環境的特殊性以及對所采用技術的要求,說明OFDM在電力線通信" title="電力線通信">電力線通信應用中的優勢;討論了OFDM技術在實施中的幾個細節問題。
關鍵詞: 正交頻分復用(OFDM)? 電力線通信? 多徑效應" title="多徑效應">多徑效應? 峰平功率比
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電力線通信是將電力網應用于通信需求,在電力線中傳輸各類信息。近年來,隨著數字信號處理、糾錯編碼、電子硬件和Internet的飛速發展,這些技術對于低壓電力線通信有著很大的幫助,所以通過低壓線進行數據通信也得到了研究和發展。
用于電力線通信的技術有擴頻和正交頻分復用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)兩種技術。其中,擴頻技術早已在實際中應用,OFDM特別適合在多徑傳播信道中進行高速數據傳輸。OFDM是頻分復用 (FDM)技術的一種,是多個正交子載波調制技術" title="調制技術">調制技術,充分利用了帶寬資源。
1 OFDM的基本原理
在傳統的串行數據傳輸系統中,碼元是連續傳輸的,每個碼元的頻譜占整個可用帶寬。在OFDM技術中,將高速串行數據分為成百上千路低速并行數據,多個連續的數據流可以同時傳輸,任何情況下,多個數據碼元都能夠及時傳輸。在這樣的系統中,每個獨立數據流的帶寬即子信道,只占用可用帶寬的一小部分。通過這樣的變換,寬帶傳輸系統轉換成許多窄帶系統。這種并行傳輸體制大大地擴展了符號的脈沖寬度,提高了抗多徑衰落的性能。如果子載波間隔比信道固有帶寬小得多,則信道轉移函數在每個子載波的帶寬中會簡化為簡單的常數,頻率選擇性信道就被分成了多個平衰減子信道。
在傳統的頻分復用方法中各個子載波的頻譜是互不重疊的,需要使用大量的發送濾波器和接收濾波器,大大增加了系統的復雜程度和成本。同時,為了減少各子載波之間的相互串擾,需要保持足夠的頻率間隔,進而降低了頻率利用率。而采用數字信號處理技術的OFDM系統,各子載波頻譜互相重疊,但必須加以特殊的正交限制,以便在接收端能保證無失真的復原。
在OFDM碼元前端附加上循環前綴,即使信號通過時散信道,也能保證子信道間的正交性。循環前綴是OFDM碼元后尾部分的復制,長度等于或大于信道的最大延遲。盡管插入循環前綴損失了傳輸功率和可用帶寬,但是,由于存在碼間干擾" title="碼間干擾">碼間干擾(ISI),公認它是傳輸性能和效率的最好折衷。OFDM碼元的產生過程如圖1所示。
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串/并轉換器輸出的M位組,由信號映射表根據預定星座以復數的形式設置每個子信道的振幅和相位,然后IFFT把每個子信道帶有相位和振幅的頻域數據轉換為時域采樣值,這樣的采樣值經過并/串轉換后加上循環前綴,最后轉換成模擬信號,通過耦合器發送到信道中去;接收過程相反。在串/并過程中,載波數N越大,碼元周期就越長,系統越不易受突發誤碼和延遲的影響。然而在實際中,N受濾波過程、計算時間、易變信道的可用傳輸帶寬和多普勒頻率的局限性的限制,多普勒頻率對帶間距離也有所限制。
2 OFDM在低壓電力線通信中的應用
電力網絡的設計主要是為滿足電源供電,用于50Hz的電力傳輸,而不是專門為通信設計的。低壓線連接著柱上變壓器和多個個人用戶,距離很短,且有各種各樣的電器實時變化,導致線路阻抗不匹配,會產生多徑效應。多徑效應造成的頻率選擇性衰落會引起碼間干擾,產生誤碼,線路上的隨機噪音也會污染信號,這些都阻礙了電力線通信的發展。因此必須對信息進行處理,使傳輸的碼元具有強抗干擾性,適合在電力線這種惡劣環境中可靠傳輸。由于電力線傳輸環境的特殊性,用于電力線通信的調制技術必須具有以下功能:
·克服非線性信道特性:如果數據速率要達到10Mbps,電力線的非線性特性使得采用的均衡技術非常復雜且昂貴。所以用于電力線通信的調制技術應該能夠克服信道的非線性,減少使用復雜的均衡技術。
·克服多徑延遲:電力線上的負荷變化隨機性很強,造成阻抗不匹配,產生回聲信號。所以調制技術應能克服多徑效應。
·動態適應:電力線特性隨著負荷的變化而動態變化,調制技術應該不很復雜或不大的開銷就能夠跟蹤這種變化。
·屏蔽一定的頻率:電力線通信設備使用沒有注冊的頻帶,但是在不久的將來,就會有關于此頻帶的不同規章制度。因此,調制技術應能選擇性地屏蔽一定頻帶,這樣有助于增強產品的兼容性和競爭力。
在眾多技術中,OFDM基本符合以上要求,因此它和其它相關技術結合起來在電力線通信中得以應用,成為電力線高速通信的有效技術。它在無線通信中叫OFDM,在有線環境中叫DMT(Discrete Multi Tone)。OFDM作為一種抗多徑衰落的技術,采用一組相互正交、重疊、形狀為sin(f)/f的頻譜信道,構成無碼間干擾和無信道間干擾的傳輸。它采用IFFT和FFT技術實現信道的調制與解調,而且信道數越多越能體現OFDM的優越性。為了加強抗干擾性,用加有保護間隔的OFDM技術對信號進行處理。總之,應用OFDM主要具有以下優點:減輕時散影響,消除帶間干擾(ICI),充分利用帶寬資源,高速數據通信,彈性和自適應性:不同的子信道、位負荷、帶寬/數據速率可用不同的調制方案,不需要信道均衡。
3 問題
由上所述的OFDM基本原理可知,正交性很重要。OFDM的基礎是各個子載波必須滿足頻率正交性的特點,如果正交性惡化,整個系統的性能會嚴重下降。只有子載波間滿足正交性時,發送端和接收端的信號才能一致,否則會導致OFDM系統的錯誤操作。這就要求IFFT具有精確的計算能力,它的一點誤差就會改變子載波的間隔,從而破壞整個系統的正交性。除了正交性,在具體實現OFDM時,還會遇到其它一些關鍵問題,下面簡單闡述。
3.1 同步
OFDM調制的高速和良好性能是以提高系統復雜性為代價而獲得的。該技術的最大難點是如何實現各個子信道的精確同步。在接收器端,有一個至關重要的問題,那就是接收器能否準確地采樣到來信號。如果采樣序列是錯誤的,FFT就不能正確恢復載波上的接收數據。當接收器一直源源不斷地接收信號,問題就變得更加難以處理,因此在接收器和發送器之間需要時間同步。如果傳輸的信號在時域上具有周期性,這是FFT能正常運行的必要條件,則時間位移將會產生影響,它以一個已知量改變所有載波的相位。這用卷積轉換理論中的時移定理可以解釋。時間的影響不僅引起相位位移,也增加相鄰碼元的碼間干擾(ISI),這種干擾嚴重降低了接收性能。
為了避免這些問題,決定傳輸附加的時間序列,以增加時間包容度,這個附加的序列叫保護間隔。它重復原始序列中后段采樣值,長度與信道記憶時間一樣長或者更長。保護間隙越長,系統就越穩固,但是保護間隔沒有傳輸任何有用信息,卻導致傳輸功率損失。
另一項技術是在每個OFDM碼元之間加上一個空碼元(0采樣),通過這個空碼元,可以達到同步。這項技術應用在DAB中。
3.2 峰平功率比(PAPR)
不同子載波的相位也不同,如果所有的子載波加起來形成很大的峰值時,OFDM系統就出現了重要的復雜情況,這個問題叫做PAPR。對每個碼元,在時間間隔[n，n+Ts]內,PAPR由以下公式定義:
在OFDM系統中,對于給定的輸入采樣序列{Xn[k]),PAPR可能有很大的值,會超出限定值,使系統呈非線性特性,引起不同載波之間的交叉調制和非預期的帶外輻射。PAPR另一個主要缺點可以被認為是量化噪聲對系統OFDM性能的控制。如果數模轉換器的最高等級設置得非常高,當避免最高等級的削波影響時,就激發了這種控制。
有多種方法可以減小PAPR,由于PAPR與SNR關系密切,都不是很有效。
3.3 OFDM信號中的削波影響
當傳輸信號有很高的PAPR值時,放大器可能會產生“削波”現象。在一些方法中,削波可以簡單地被認為:輸入信號的峰值被放大器削去。削波的結果是引起帶外輻射或子載波間的ISI,導致信號失真,影響傳輸質量,降低OFDM性能。有兩種方法可以避免這種影響:一種是使用具有動態范圍的放大器;另一種是盡量降低PAPR。第一種方法相對來說比較昂貴,所以經常使用第二種方法。
3.4 相噪聲
在接收器端,本地的振蕩器會給OFDM信號增加相噪聲,這個相噪聲將有兩個方面的影響:共同相差CPE(Common Phase Error)和帶間干擾ICI(即子載波間干擾)。共同相差是因信號星座的旋轉引起,帶間干擾類似于加性高斯噪聲。BBC R&D對一個OFDM信號上的相噪聲影響進行了分析,結果表明:CPE在所有載波上同時遞增。通過仔細分析,的確如此。對所有的載波來說,一個給定碼元的星座受一個相同的旋轉影響,這種影響可以采用相同碼元內的參考信息來糾正。但是,克服ICI卻很困難,因為它屬于加性噪聲,所以此干擾對所有載波是不同的,這是由于系統失去正交性引起的。
3.5 頻率誤差
OFDM系統受兩種頻率誤差" title="頻率誤差">頻率誤差影響:頻率偏置和接收器主時鐘頻率誤差。當地振蕩器的容差(公差)有可能引起頻率偏值,也稱為固定的絕對頻率偏差;而接收器主時鐘頻率誤差則會引起解調的載波間隔與發送的載波間隔不一樣。在沒有解決這些問題的方法之前,系統設計師需要確定殘余頻率誤差的允許值,并且能準確地知道誤差是如何影響接收信號的。
經過分析,頻率偏置對大部分載波的影響是相同的,只有非常邊緣的載波受的影響很小。如果能保證系統可用帶寬為常數,由固定的絕對頻率偏差引起的ICI會隨著載波數目增加而增加。關于接收器時鐘頻率誤差,在沒有頻率偏置的情況下,它對不同的載波影響也很不均等,一般中心載波受的影響較小,而邊緣載波受的影響最大。
在接收側,為了避免錯誤的解調,辨認初始點很重要,要求同步非常精確。收發器的硬件設計也很重要,它決定了PAPR。OFDM對載頻偏差十分敏感,這取決于當地接收器的振蕩器。總之,這些問題對于OFDM實施都非常重要,決定了性能和效率。
近幾年來,隨著DSP和大規模集成電路技術的飛速發展,OFDM調制已經逐漸應用到無線通信、高清晰度廣播電視等領域。對于超過10Mbps傳輸容量的系統,OFDM技術更能體現其帶寬利用率高、抗多徑干擾能力強的優勢,是電力線通信中比較適宜的技術。在低壓電力線上實現數據的可靠傳輸一直是電力通信和電力系統自動化的一個熱門話題,同時也是一個棘手的難題。傳統的通信技術只能傳輸中低速數據,而OFDM技術是實現高速數據傳輸的最有效手段之一。目前OFDM的理論基本成熟,國外一些公司還將OFDM調制的核心部分固化在芯片中形成專用集成電路,目前該技術正逐步向實用化方向發展。
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