摘? 要: 介紹了OFDM技術(shù)的基本原理;根據(jù)電力線傳輸環(huán)境的特殊性以及對(duì)所采用技術(shù)的要求,說(shuō)明OFDM在電力線通信" title="電力線通信">電力線通信應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì);討論了OFDM技術(shù)在實(shí)施中的幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。
關(guān)鍵詞: 正交頻分復(fù)用(OFDM)? 電力線通信? 多徑效應(yīng)" title="多徑效應(yīng)">多徑效應(yīng)? 峰平功率比
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電力線通信是將電力網(wǎng)應(yīng)用于通信需求,在電力線中傳輸各類信息。近年來(lái),隨著數(shù)字信號(hào)處理、糾錯(cuò)編碼、電子硬件和Internet的飛速發(fā)展,這些技術(shù)對(duì)于低壓電力線通信有著很大的幫助,所以通過(guò)低壓線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信也得到了研究和發(fā)展。
用于電力線通信的技術(shù)有擴(kuò)頻和正交頻分復(fù)用 OFDM(Orthogonal Frequency Division Modulation)兩種技術(shù)。其中,擴(kuò)頻技術(shù)早已在實(shí)際中應(yīng)用,OFDM特別適合在多徑傳播信道中進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。OFDM是頻分復(fù)用 (FDM)技術(shù)的一種,是多個(gè)正交子載波調(diào)制技術(shù)" title="調(diào)制技術(shù)">調(diào)制技術(shù),充分利用了帶寬資源。
1 OFDM的基本原理
在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,碼元是連續(xù)傳輸?shù)?每個(gè)碼元的頻譜占整個(gè)可用帶寬。在OFDM技術(shù)中,將高速串行數(shù)據(jù)分為成百上千路低速并行數(shù)據(jù),多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳輸,任何情況下,多個(gè)數(shù)據(jù)碼元都能夠及時(shí)傳輸。在這樣的系統(tǒng)中,每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)流的帶寬即子信道,只占用可用帶寬的一小部分。通過(guò)這樣的變換,寬帶傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成許多窄帶系統(tǒng)。這種并行傳輸體制大大地?cái)U(kuò)展了符號(hào)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(zhuǎn)移函數(shù)在每個(gè)子載波的帶寬中會(huì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的常數(shù),頻率選擇性信道就被分成了多個(gè)平衰減子信道。
在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個(gè)子載波的頻譜是互不重疊的,需要使用大量的發(fā)送濾波器和接收濾波器,大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。同時(shí),為了減少各子載波之間的相互串?dāng)_,需要保持足夠的頻率間隔,進(jìn)而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的OFDM系統(tǒng),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(wú)失真的復(fù)原。
在OFDM碼元前端附加上循環(huán)前綴,即使信號(hào)通過(guò)時(shí)散信道,也能保證子信道間的正交性。循環(huán)前綴是OFDM碼元后尾部分的復(fù)制,長(zhǎng)度等于或大于信道的最大延遲。盡管插入循環(huán)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(rèn)它是傳輸性能和效率的最好折衷。OFDM碼元的產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。
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串/并轉(zhuǎn)換器輸出的M位組,由信號(hào)映射表根據(jù)預(yù)定星座以復(fù)數(shù)的形式設(shè)置每個(gè)子信道的振幅和相位,然后IFFT把每個(gè)子信道帶有相位和振幅的頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域采樣值,這樣的采樣值經(jīng)過(guò)并/串轉(zhuǎn)換后加上循環(huán)前綴,最后轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),通過(guò)耦合器發(fā)送到信道中去;接收過(guò)程相反。在串/并過(guò)程中,載波數(shù)N越大,碼元周期就越長(zhǎng),系統(tǒng)越不易受突發(fā)誤碼和延遲的影響。然而在實(shí)際中,N受濾波過(guò)程、計(jì)算時(shí)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(duì)帶間距離也有所限制。
2 OFDM在低壓電力線通信中的應(yīng)用
電力網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)主要是為滿足電源供電,用于50Hz的電力傳輸,而不是專門(mén)為通信設(shè)計(jì)的。低壓線連接著柱上變壓器和多個(gè)個(gè)人用戶,距離很短,且有各種各樣的電器實(shí)時(shí)變化,導(dǎo)致線路阻抗不匹配,會(huì)產(chǎn)生多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)造成的頻率選擇性衰落會(huì)引起碼間干擾,產(chǎn)生誤碼,線路上的隨機(jī)噪音也會(huì)污染信號(hào),這些都阻礙了電力線通信的發(fā)展。因此必須對(duì)信息進(jìn)行處理,使傳輸?shù)拇a元具有強(qiáng)抗干擾性,適合在電力線這種惡劣環(huán)境中可靠傳輸。由于電力線傳輸環(huán)境的特殊性,用于電力線通信的調(diào)制技術(shù)必須具有以下功能:
·克服非線性信道特性:如果數(shù)據(jù)速率要達(dá)到10Mbps,電力線的非線性特性使得采用的均衡技術(shù)非常復(fù)雜且昂貴。所以用于電力線通信的調(diào)制技術(shù)應(yīng)該能夠克服信道的非線性,減少使用復(fù)雜的均衡技術(shù)。
·克服多徑延遲:電力線上的負(fù)荷變化隨機(jī)性很強(qiáng),造成阻抗不匹配,產(chǎn)生回聲信號(hào)。所以調(diào)制技術(shù)應(yīng)能克服多徑效應(yīng)。
·動(dòng)態(tài)適應(yīng):電力線特性隨著負(fù)荷的變化而動(dòng)態(tài)變化,調(diào)制技術(shù)應(yīng)該不很復(fù)雜或不大的開(kāi)銷就能夠跟蹤這種變化。
·屏蔽一定的頻率:電力線通信設(shè)備使用沒(méi)有注冊(cè)的頻帶,但是在不久的將來(lái),就會(huì)有關(guān)于此頻帶的不同規(guī)章制度。因此,調(diào)制技術(shù)應(yīng)能選擇性地屏蔽一定頻帶,這樣有助于增強(qiáng)產(chǎn)品的兼容性和競(jìng)爭(zhēng)力。
在眾多技術(shù)中,OFDM基本符合以上要求,因此它和其它相關(guān)技術(shù)結(jié)合起來(lái)在電力線通信中得以應(yīng)用,成為電力線高速通信的有效技術(shù)。它在無(wú)線通信中叫OFDM,在有線環(huán)境中叫DMT(Discrete Multi Tone)。OFDM作為一種抗多徑衰落的技術(shù),采用一組相互正交、重疊、形狀為sin(f)/f的頻譜信道,構(gòu)成無(wú)碼間干擾和無(wú)信道間干擾的傳輸。它采用IFFT和FFT技術(shù)實(shí)現(xiàn)信道的調(diào)制與解調(diào),而且信道數(shù)越多越能體現(xiàn)OFDM的優(yōu)越性。為了加強(qiáng)抗干擾性,用加有保護(hù)間隔的OFDM技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。總之,應(yīng)用OFDM主要具有以下優(yōu)點(diǎn):減輕時(shí)散影響,消除帶間干擾(ICI),充分利用帶寬資源,高速數(shù)據(jù)通信,彈性和自適應(yīng)性:不同的子信道、位負(fù)荷、帶寬/數(shù)據(jù)速率可用不同的調(diào)制方案,不需要信道均衡。
3 問(wèn)題
由上所述的OFDM基本原理可知,正交性很重要。OFDM的基礎(chǔ)是各個(gè)子載波必須滿足頻率正交性的特點(diǎn),如果正交性惡化,整個(gè)系統(tǒng)的性能會(huì)嚴(yán)重下降。只有子載波間滿足正交性時(shí),發(fā)送端和接收端的信號(hào)才能一致,否則會(huì)導(dǎo)致OFDM系統(tǒng)的錯(cuò)誤操作。這就要求IFFT具有精確的計(jì)算能力,它的一點(diǎn)誤差就會(huì)改變子載波的間隔,從而破壞整個(gè)系統(tǒng)的正交性。除了正交性,在具體實(shí)現(xiàn)OFDM時(shí),還會(huì)遇到其它一些關(guān)鍵問(wèn)題,下面簡(jiǎn)單闡述。
3.1 同步
OFDM調(diào)制的高速和良好性能是以提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價(jià)而獲得的。該技術(shù)的最大難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)子信道的精確同步。在接收器端,有一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題,那就是接收器能否準(zhǔn)確地采樣到來(lái)信號(hào)。如果采樣序列是錯(cuò)誤的,FFT就不能正確恢復(fù)載波上的接收數(shù)據(jù)。當(dāng)接收器一直源源不斷地接收信號(hào),問(wèn)題就變得更加難以處理,因此在接收器和發(fā)送器之間需要時(shí)間同步。如果傳輸?shù)男盘?hào)在時(shí)域上具有周期性,這是FFT能正常運(yùn)行的必要條件,則時(shí)間位移將會(huì)產(chǎn)生影響,它以一個(gè)已知量改變所有載波的相位。這用卷積轉(zhuǎn)換理論中的時(shí)移定理可以解釋。時(shí)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(yán)重降低了接收性能。
為了避免這些問(wèn)題,決定傳輸附加的時(shí)間序列,以增加時(shí)間包容度,這個(gè)附加的序列叫保護(hù)間隔。它重復(fù)原始序列中后段采樣值,長(zhǎng)度與信道記憶時(shí)間一樣長(zhǎng)或者更長(zhǎng)。保護(hù)間隙越長(zhǎng),系統(tǒng)就越穩(wěn)固,但是保護(hù)間隔沒(méi)有傳輸任何有用信息,卻導(dǎo)致傳輸功率損失。
另一項(xiàng)技術(shù)是在每個(gè)OFDM碼元之間加上一個(gè)空碼元(0采樣),通過(guò)這個(gè)空碼元,可以達(dá)到同步。這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)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(lái)形成很大的峰值時(shí),OFDM系統(tǒng)就出現(xiàn)了重要的復(fù)雜情況,這個(gè)問(wèn)題叫做PAPR。對(duì)每個(gè)碼元,在時(shí)間間隔[n，n+Ts]內(nèi),PAPR由以下公式定義:
在OFDM系統(tǒng)中,對(duì)于給定的輸入采樣序列{Xn[k]),PAPR可能有很大的值,會(huì)超出限定值,使系統(tǒng)呈非線性特性,引起不同載波之間的交叉調(diào)制和非預(yù)期的帶外輻射。PAPR另一個(gè)主要缺點(diǎn)可以被認(rèn)為是量化噪聲對(duì)系統(tǒng)OFDM性能的控制。如果數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最高等級(jí)設(shè)置得非常高,當(dāng)避免最高等級(jí)的削波影響時(shí),就激發(fā)了這種控制。
有多種方法可以減小PAPR,由于PAPR與SNR關(guān)系密切,都不是很有效。
3.3 OFDM信號(hào)中的削波影響
當(dāng)傳輸信號(hào)有很高的PAPR值時(shí),放大器可能會(huì)產(chǎn)生“削波”現(xiàn)象。在一些方法中,削波可以簡(jiǎn)單地被認(rèn)為:輸入信號(hào)的峰值被放大器削去。削波的結(jié)果是引起帶外輻射或子載波間的ISI,導(dǎo)致信號(hào)失真,影響傳輸質(zhì)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(dòng)態(tài)范圍的放大器;另一種是盡量降低PAPR。第一種方法相對(duì)來(lái)說(shuō)比較昂貴,所以經(jīng)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(huì)給OFDM信號(hào)增加相噪聲,這個(gè)相噪聲將有兩個(gè)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(hào)星座的旋轉(zhuǎn)引起,帶間干擾類似于加性高斯噪聲。BBC R&D對(duì)一個(gè)OFDM信號(hào)上的相噪聲影響進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:CPE在所有載波上同時(shí)遞增。通過(guò)仔細(xì)分析,的確如此。對(duì)所有的載波來(lái)說(shuō),一個(gè)給定碼元的星座受一個(gè)相同的旋轉(zhuǎn)影響,這種影響可以采用相同碼元內(nèi)的參考信息來(lái)糾正。但是,克服ICI卻很困難,因?yàn)樗鼘儆诩有栽肼?所以此干擾對(duì)所有載波是不同的,這是由于系統(tǒng)失去正交性引起的。
3.5 頻率誤差
OFDM系統(tǒng)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(shí)鐘頻率誤差。當(dāng)?shù)卣袷幤鞯娜莶?公差)有可能引起頻率偏值,也稱為固定的絕對(duì)頻率偏差;而接收器主時(shí)鐘頻率誤差則會(huì)引起解調(diào)的載波間隔與發(fā)送的載波間隔不一樣。在沒(méi)有解決這些問(wèn)題的方法之前,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要確定殘余頻率誤差的允許值,并且能準(zhǔn)確地知道誤差是如何影響接收信號(hào)的。
經(jīng)過(guò)分析,頻率偏置對(duì)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(tǒng)可用帶寬為常數(shù),由固定的絕對(duì)頻率偏差引起的ICI會(huì)隨著載波數(shù)目增加而增加。關(guān)于接收器時(shí)鐘頻率誤差,在沒(méi)有頻率偏置的情況下,它對(duì)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(cè),為了避免錯(cuò)誤的解調(diào),辨認(rèn)初始點(diǎn)很重要,要求同步非常精確。收發(fā)器的硬件設(shè)計(jì)也很重要,它決定了PAPR。OFDM對(duì)載頻偏差十分敏感,這取決于當(dāng)?shù)亟邮掌鞯恼袷幤?。總?這些問(wèn)題對(duì)于OFDM實(shí)施都非常重要,決定了性能和效率。
近幾年來(lái),隨著DSP和大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,OFDM調(diào)制已經(jīng)逐漸應(yīng)用到無(wú)線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域。對(duì)于超過(guò)10Mbps傳輸容量的系統(tǒng),OFDM技術(shù)更能體現(xiàn)其帶寬利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),是電力線通信中比較適宜的技術(shù)。在低壓電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸一直是電力通信和電力系統(tǒng)自動(dòng)化的一個(gè)熱門(mén)話題,同時(shí)也是一個(gè)棘手的難題。傳統(tǒng)的通信技術(shù)只能傳輸中低速數(shù)據(jù),而OFDM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钣行侄沃?。目前OFDM的理論基本成熟,國(guó)外一些公司還將OFDM調(diào)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(shù)正逐步向?qū)嵱没较虬l(fā)展。
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