1 引言

　　電力線已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，如果能夠在電力線上進(jìn)行可靠的數(shù)字傳輸，不僅可以方便地實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的配電自動化，而且可以通過電力線進(jìn)行通信，省去了通信線路的架設(shè)，大大降低通信的成本，從而對網(wǎng)絡(luò)普及起到重要作用。

　　由于電力線固有的高噪音、多徑效應(yīng)" title="多徑效應(yīng)">多徑效應(yīng)和衰落等特點(diǎn)，人們通常采用擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。擴(kuò)頻通信雖然抗干擾能力較強(qiáng)，卻受到其原理的制約，傳輸速率" title="傳輸速率">傳輸速率最高只能達(dá)到1Mbps。隨著人們對通信傳輸速率的要求越來越高，一種采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)在低壓輸電線上高速、可靠傳輸數(shù)據(jù)的通信方式出現(xiàn)了，該技術(shù)具有抗噪音、抗多徑效應(yīng)和抗衰落的特性，其傳輸速率可以超過10Mbps。

2　低壓輸電線上的數(shù)字傳輸特性

　　低壓輸電線信道環(huán)境十分惡劣，對數(shù)字載波通信影響嚴(yán)重的干擾源主要有：信道噪音、信道衰耗和多徑效應(yīng)。

　　噪音是低壓輸電線上最大的干擾源。其來源很多，主要是設(shè)備開關(guān)切換產(chǎn)生的脈沖干擾、發(fā)電機(jī)中電刷生成的火花、用電設(shè)備產(chǎn)生的噪音以及電力線耦合的外界電磁波等。其中，對通信影響最大的是脈沖干擾，其頻譜范圍很寬且幅度較高。

　　載波信道的衰耗也嚴(yán)重影響了信號的傳輸。研究表明，變電站的介入是電力載波信道衰耗的主要原因〔1〕，衰耗值通常為20～30dB，最高不超過55dB。由于低壓電力網(wǎng)中負(fù)載的不斷投入和切除，信道的衰耗處于動態(tài)變化中，1s內(nèi)某一頻率的衰耗可達(dá)20dB〔2〕。這一現(xiàn)象在通信中稱為信道衰落，采用均衡技術(shù)可以消除信道衰落引起的誤碼，但是當(dāng)傳輸速率很高時快速均衡難以實(shí)現(xiàn)。

　　多徑效應(yīng)是數(shù)字通信中特有的一種干擾，是指信號經(jīng)過不同路徑到達(dá)目的地時由于信號的延遲而相互干擾的現(xiàn)象。低壓電力網(wǎng)所連接的設(shè)備數(shù)量巨大、種類眾多，整個網(wǎng)絡(luò)的阻抗處于動態(tài)變化之中，這必然會造成許多用電設(shè)備工作在阻抗不匹配的狀態(tài)。如果某些設(shè)備阻抗不匹配，信號到達(dá)該處時必然會產(chǎn)生反射，這樣一來，有用信號就可能經(jīng)過若干條不同的路徑到達(dá)接收點(diǎn)。由于信號在每條路徑上經(jīng)歷的時間不同，在接收點(diǎn)就會發(fā)生多徑效應(yīng)，延遲信號對有用信號形成干擾。當(dāng)多徑信號延遲較小時，這種干擾可以忽略；如果延遲較長，就會對有用信號產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間串?dāng)_" title="串?dāng)_">串?dāng)_（ISI）。

3　OFDM的基本原理和組成結(jié)構(gòu)

　　OFDM的思想早在70年代初期就有人提出，但是直到80年代后期隨著數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展和人們對高速數(shù)據(jù)" title="高速數(shù)據(jù)">高速數(shù)據(jù)通信需求的增長，才逐漸為人們所重視。現(xiàn)在它已被歐洲地面廣播標(biāo)準(zhǔn)（EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards）中DAB（數(shù)字音頻廣播）和DVB－T（數(shù)字視頻廣播）所采納。

3．1　OFDM的基本原理

　　OFDM技術(shù)把所傳的高速數(shù)據(jù)流分解成若干個子比特流，每個子比特流具有低得多的傳輸速率，并且用這些低速數(shù)據(jù)流調(diào)制若干個子載波。

　　圖1和圖2給出了OFDM的基本原理。假設(shè)一個周期內(nèi)傳送的碼元序列為（d0，d1，．．．，dN－1），它們通過串／并轉(zhuǎn)換器分別調(diào)制在N個子載波（f0，f1，．．．，fN－1）上，這些子載波滿足正交特性，其頻譜相互重疊。所謂子載波頻譜正交是指兩個相鄰子載波的頻率相差系統(tǒng)的碼元傳輸速率fs，在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDMA）系統(tǒng)中，相鄰兩個子信道的中心頻點(diǎn)至少相差碼元傳輸速率的3～5倍以防止鄰道干擾，而OFDM的相鄰子載波十分接近，大大提高了譜利用率，其頻譜分布如圖3所示，它們在頻域上是相互交疊的。研究表明，只要子載波之間滿足特定的正交約束條件，采用變頻和積分的手段就可以有效地分離出各個子信道信號〔3〕。

　　如圖1所示，在發(fā)送端的串行碼元序列（d0，d1，．．．，dN－1）首先實(shí)現(xiàn)基帶調(diào)制，而后進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換。經(jīng)過分路之后的N路子信道碼元的周期T從△t增加到N△t，分別調(diào)制在N個子載波（f0，f1，．．．，fN－1）上。f0為最低子載波頻率，相鄰子載波相差1／T，所以，N個子載波可以表示為：

　　如圖2所示，在接收端N路信號分別用各子載波混頻和積分恢復(fù)出子信號。由于子載波的正交性，混頻和積分電路可以分離出各個子信道的信號，如式（4）所示：

其中，d（m）是接收機(jī)中第m路子信道的輸入信號，從式（4）可以看出它與發(fā)送端的第m路子信道相等。如果每個子信道都可以正確解調(diào)出源信號，將其合并后就能夠恢復(fù)出發(fā)送端高速串行碼元序列（d0，d1，．．．，dN－1）。

3．2　OFDM調(diào)制的具體實(shí)現(xiàn)

　　OFDM調(diào)制的原理雖然是用N個相互正交的載頻分別調(diào)制N路子信道碼元序列，但是在實(shí)際系統(tǒng)中很難采用這種方式，因?yàn)槲覀儫o法防止子信道之間嚴(yán)重的鄰道干擾。OFDM調(diào)制之所以成功應(yīng)用的一個重要原因是，它可以采用數(shù)字信號處理技術(shù)來實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)過程。

　　由上述分析可知，OFDM調(diào)制后的輸出信號為式（2）所示，該式恰好是D（t）以碼元傳輸速率fs為采樣頻率而得到的離散傅利葉反變換，即：
 

　　如果將D（k）序列經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換，變成模擬信號后發(fā)送出去，接收端再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換恢復(fù)成數(shù)字信號，通過離散傅利葉變換同樣可以實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制與解調(diào)過程。假設(shè)接收序列為R（k），經(jīng)過離散傅利葉變換可以描述成：

將式（5）代入式（6）可得：R（k）＝d（n），即接收序列被正確還原出來。

　　實(shí)際上，系統(tǒng)常常通過DSP處理芯片采用快速傅利葉反變換（IFFT）實(shí)現(xiàn)上述過程，其組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

　　發(fā)送部分由串／并轉(zhuǎn)換器、基帶調(diào)制模塊、IFFT變換器、合路器和D／A轉(zhuǎn)換器等組成。工作過程如下：發(fā)送端將高速數(shù)據(jù)流通過串／并轉(zhuǎn)換器分解成N個低速數(shù)據(jù)塊，對每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制（可選二進(jìn)制相移鍵控BPSK、正交相移鍵控QPSK、正交調(diào)幅QAM、網(wǎng)格編碼調(diào)制TCM等），而后通過快速傅利葉反變換將基帶調(diào)制信號搬移到N路子載波上合路后發(fā)出。發(fā)送信號通過疊加了各種噪音和干擾的電力線信道傳遞到接收端。

 

　　接收器由A／D轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器、FFT變換器、解調(diào)模塊等部分組成。其工作過程為：采用快速傅利葉變換恢復(fù)基帶信號，并采用相應(yīng)的解調(diào)方式解調(diào)出N路低速數(shù)據(jù)，最后通過并／串轉(zhuǎn)換合成原始高速數(shù)據(jù)流。

4　電力線上OFDM抗干擾能力的分析

4．1　抗噪音性能

　　OFDM的抗噪音性能與各子信道的調(diào)制方式有關(guān)。根據(jù)理論分析和試驗(yàn)得出，系統(tǒng)若能可靠地傳輸BPSK調(diào)制信號需要信噪比" title="信噪比">信噪比為6～8dB，QPSK調(diào)制需要信噪比為10～12dB，16PSK調(diào)制需要信噪比大于25dB。圖5說明了幾種調(diào)制方式在不同信噪比環(huán)境下誤碼率的曲線分布。

　　為提高系統(tǒng)的抗噪音性能，OFDM系統(tǒng)一般都采用信道編碼技術(shù)，該方式又被稱為COFDM（CodedOFDM）。通過適當(dāng)引進(jìn)交織編碼、卷積碼、RS碼或BCH碼等糾錯編碼，系統(tǒng)可以消除脈沖干擾引起的突發(fā)誤碼，大大提高傳輸?shù)目煽啃浴U(kuò)頻通信具有較強(qiáng)的抗干擾能力，多載波擴(kuò)頻是將OFDM調(diào)制方式用于擴(kuò)頻通信中。二者的結(jié)合不僅保持了擴(kuò)頻系統(tǒng)原有的抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且大大提高系統(tǒng)的容量和性能〔4〕。

4．2　抗多徑干擾" title="多徑干擾">多徑干擾性能

　　多徑效應(yīng)對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴(kuò)展，造成接收碼元的前后重疊，即碼間串?dāng)_，嚴(yán)重影響傳輸質(zhì)量。碼間串?dāng)_與反射信號的延遲長短有關(guān)，當(dāng)延遲時間相對于一個碼元寬度很短時，通常不會對信號的接收產(chǎn)生影響。所以，碼間串?dāng)_對速率高的傳輸系統(tǒng)影響嚴(yán)重，但是隨著傳輸速率的下降，多徑干擾也隨之減弱，甚至可以忽略不計(jì)。例如速率為10Mbps的BPSK信號每個碼元寬度為100ns，假設(shè)多徑干擾的延遲為1μs就可以干擾10個接收信號。而采用OFDM調(diào)制后碼元寬度足夠長，10Mbps的OFDM信號分成100個子載波，每個子信號的碼元寬度是10μs，這樣，1μs的多徑干擾就不會對有用信號產(chǎn)生碼間串?dāng)_?？梢?，OFDM的頻率分集復(fù)用技術(shù)是解決多徑干擾的有效手段。

4．3　抗衰落性能

　　由于低壓輸電線上阻抗變化幅度較大，信號傳輸時會出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落。自適應(yīng)均衡是解決信道衰落的有效手段，但是當(dāng)系統(tǒng)傳輸速率很高時實(shí)現(xiàn)快速均衡其復(fù)雜性和成本都難以接受。采用OFDM調(diào)制，每個子信道的速率較低，實(shí)現(xiàn)均衡相對較為簡單。

　　OFDM通過打開和關(guān)閉某些子信道的方式防止信道衰落。如圖6所示，系統(tǒng)在最初工作時所有子信道上都發(fā)送數(shù)據(jù)，工作一段時間后如果某個頻段的信號衰落嚴(yán)重，超過規(guī)定的信噪比門限，發(fā)送端會自動關(guān)閉該頻段的子載波，避免了衰落引發(fā)的誤碼。

 

5　OFDM用于電力線載波的現(xiàn)狀和未來

　　近年來，隨著數(shù)字信號處理和大規(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)用到無線通信、高清晰度廣播電視等領(lǐng)域。采用OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力線上高速數(shù)據(jù)的傳輸是一個嶄新的課題，這方面Intellon公司率先在全球做了積極的探索。該公司經(jīng)過幾年的努力研制出了電力線高速數(shù)據(jù)的產(chǎn)品PowerPacket。該系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，將4．3 MHz～20．9 MHz的頻帶劃分成84個子信道，每個子信道可以采用DQPSK、DBPSK或ROBO調(diào)制方式，傳輸速率不小于14Mbps。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PowerPacket在有800個用電設(shè)備的環(huán)境下連續(xù)工作24小時，誤碼率小于10－7（參見Intellon公司技術(shù)手冊）。

　　OFDM調(diào)制的高速率和良好的性能是通過提高系統(tǒng)復(fù)雜性為代價獲得的。該技術(shù)的最大難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)各個子信道的精確同步。OFDM的基礎(chǔ)是各個子載波必須滿足頻率正交性的特點(diǎn)，如果正交性惡化，整個系統(tǒng)的性能會嚴(yán)重下降，即產(chǎn)生OFDM所特有的通道間串?dāng)_（ICI）〔5〕。隨著數(shù)字信號處理和鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人們可以精確跟蹤信道沖激響應(yīng)的實(shí)時變化，均衡ICI的影響。

　　今后，OFDM的發(fā)展方向主要是增加傳輸距離、進(jìn)一步提高傳輸速率以及與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容。