基于OFDM的電力線通信仿真研究

1、 基于OFDM的電力線通信仿真研究 馮葵摘 要：電力線通信系統(tǒng)是指釆用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，具有分布廣、不需要重新布線等優(yōu)點，在通信領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。然而，由于電力線信道環(huán)境非常惡劣，存在著時變復(fù)雜和不穩(wěn)定噪聲，對電力線傳輸質(zhì)量影響比較大，嚴(yán)重制約著電力線載波技術(shù)的普及和發(fā)展。不過，OFDM技術(shù)以其抗干擾、抗多徑、抗衰減能力強的特性很好的克服了電力線信道的惡劣環(huán)境，對電力線通信的發(fā)展具有非常重要的意義。所以，我們可以利用OFDM技術(shù)來輔助研究低壓電力線通信。Key：電力線通信；OFDM技術(shù)；電力線信道；我們可以通過對低壓電力線信道的特性進行分析，對低壓電力線進行信道建模，最終

2、建立低壓電力線載波系統(tǒng)模型。然后，我們可以仿真分析在存在時延的多徑信道上，插入保護間隔的方式及長度對系統(tǒng)抗ICI和抗ISI能力的影響。仿真分析傳統(tǒng)模擬調(diào)制與IFFT調(diào)制的特點與聯(lián)系。我們可以在OFDM系統(tǒng)的設(shè)計中，插入保護間隔、交織/解交織、信道估計和信道均衡等，搭建了一個基于IFFT/FFT的動態(tài)OFDM系統(tǒng)。最終結(jié)合這兩個系統(tǒng)模型完成PLC-OFDM系統(tǒng)模型的建立，然后，對PLC-OFDM系統(tǒng)進行MATLAB仿真，得出一系列有意義的結(jié)論。一、電力線通信（一）電力線通信概述電力線通信系統(tǒng)是指采用電力線傳輸數(shù)據(jù)的一種通信方式，具有用戶多、分布廣、不需要重新布線等優(yōu)點，在通信領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要

3、的作用。這種技術(shù)是利用電力線調(diào)制器將攜帶信息的數(shù)據(jù)信號添加到電力線上進行傳輸，在接收端利用解調(diào)器將電力線上的數(shù)據(jù)分離出來，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號在電力線信道上進行傳輸?shù)倪^程。對于PLC技術(shù)的分類，國內(nèi)外己經(jīng)有了很多不同的類別，對于占用頻帶帶寬的不同可將其分為窄帶PLC（NB-PLC）和寬帶PLC（BB-PLC）。在不同國家和地區(qū)，使用的頻率范圍也是不一樣的。根據(jù)通信速率的不同，可將電力線載波分為低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HS-PLC）。一般而言，低速PLC被認(rèn)為是窄帶PLC而高速PLC被認(rèn)為是寬帶PLC，它們的分界速率為2Mbps。根據(jù)作為信道的電力線電壓等級的不同，35KV以上的屬于高壓

4、電力線通信，10-30KV的屬于中壓電力線通信，低于380V的屬于低壓電力線通信。本文主要研究的是低壓環(huán)境下的電力線載波技術(shù)。（二）電力線信道特性分析1.時變特性：低壓電力線上由于入網(wǎng)設(shè)備的開、關(guān)，電機啟動、停止等各種隨機事件，使表現(xiàn)出來的信道特性具有很強的時變特性。使用單載波技術(shù)將無法實現(xiàn)信號傳輸，而多載波技術(shù)將一段頻帶劃分為若干個子載波，當(dāng)個別的子載波衰減到無法傳輸時，其它子載波傳輸不會因此受到影響。2.衰減特性：低壓電力線系統(tǒng)的復(fù)雜衰減特性是由接入的各種類型的電器設(shè)備直接引起的。尤其是電器中用來調(diào)制功率系數(shù)的大電容，對某些載波信號來說相當(dāng)于短路，這是造成信號衰減的原因之一。衰減特性：時間

5、不同，衰減幅度也不同；信號頻率不同衰減幅度也不同；距離不同，衰減幅度也不同。3.多徑特性：低壓配電網(wǎng)中眾多的T型分支，線徑、材質(zhì)的變化都會引起信號的反射產(chǎn)生多條路徑到達接收端，多徑時延造成了數(shù)據(jù)符號之間相互重疊產(chǎn)生碼元之間的串?dāng)_。由于多徑的存在，電力線信道建模時，多徑的因素必須考慮進去。4.噪聲特性：低壓電力線信道噪聲和干擾十分復(fù)雜，根據(jù)文獻，電力線信道的噪聲可以分為五類，即有色背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲、與工頻異步的周期性脈沖噪聲、異步非周期的突發(fā)噪聲。5.輸入阻抗特性：低壓電力線載波通信的輸入阻抗是指在信號發(fā)送端和接收端的電網(wǎng)的等效阻抗，它的大小直接影響到信號藕合的效率

6、，是低壓電網(wǎng)用于信號傳輸?shù)囊粋€重要參數(shù)。（三）電力線信道建模根據(jù)以上對低壓電力線信道特性進行的分析與了解，可以建立出低壓電力線信道傳輸模型，包括MK模型、AR模型、FIR模型等等；最終建立起低壓電力線載波系統(tǒng)模型，由于各模型建立的具體分析與操作過程比較繁雜，這里對各模型的建立不作詳細闡述，可自行在文章后的Reference中詳細了解。二、OFDM技術(shù)（一）OFDM技術(shù)概述OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)，這種技術(shù)通?？梢员徽J(rèn)為是一種調(diào)制技術(shù)或者是復(fù)用技術(shù)。從OFDM的原理特性來看，它是一種基于多

7、載波系統(tǒng)的通信傳輸方案。然而，區(qū)別于其他的多載波技術(shù)，OFDM在傳輸過程中子載波之間的相位是彼此相互正交的，目的在于減少傳輸過程中子載波之間的相互干擾，并且提高頻譜利用率。在信道環(huán)境惡劣的情況下，OFDM技術(shù)可以通過使用糾錯編碼，幫助接收端恢復(fù)一些處于惡劣信道環(huán)境的子載波上攜帶的信息，通過這種手段，使整個OFDM多載波系統(tǒng)呈現(xiàn)出很好的頻率選擇性。（二）基于OFDM技術(shù)的低壓電力線載波通信系統(tǒng)將信道編（解）碼、信道交織（解交織）、串并（并串）轉(zhuǎn)換、數(shù)字調(diào)制（解調(diào)）、信號的IDFT（DFT）變換、循環(huán)保護間隔、信號同步、信道估計與電力線信道環(huán)境一起構(gòu)成了一個低壓電力線通信系統(tǒng)。信道編解碼將采用卷積

8、編碼、維特比特譯碼方案。用BPSK或QPSK作為數(shù)字調(diào)制方案，降低系統(tǒng)復(fù)雜性，也能有效降低系統(tǒng)的誤碼率。通過以上的分析與建立的模型，最終實現(xiàn)PLC-OFDM系統(tǒng)的MATLAB仿真，得出一系列有價值的仿真結(jié)果。（三）仿真結(jié)果分析1.接收信號在FFT變換之前，將負頻率信號對稱后共扼，再與正頻率信號求平均，這一過程稱為共扼平均處理。仿真條件：信道模型統(tǒng)一使用FIR模型，導(dǎo)頻估計采用LS法，信道補償采用線性插值。得出采用了平均共扼能夠降低系統(tǒng)誤碼率。2.在信噪比較低的情況下使用信道編碼，反而出現(xiàn)誤碼率增高的現(xiàn)象。而在信噪比大于8dB時，可以看出使用信道編碼的方法誤碼率下降很快。分析原因，在低信噪比情況

9、下，大量的誤碼已經(jīng)超出了Viterbi的譯碼能力，不僅不會糾正誤碼，反而會因為譯碼導(dǎo)致更多的誤碼。另外在使用信道編碼時需增加冗余碼元，進一步降低系統(tǒng)的傳輸效率，因此得出結(jié)論，信道編碼、譯碼應(yīng)該在高信噪比（8dB）情況下使用。3.另外還可以得出使用信道補償能明顯改善系統(tǒng)性能；在BPSK調(diào)制情況下，無須使用信道補償，但是通過導(dǎo)頻來對信號的相位做修正還是有意義的等一系列結(jié)論。Reference1付芳琪.基于MATLAB的OFDM系統(tǒng)設(shè)計與仿真D.陜西科技大學(xué)，2016.2陳宜文，許斌，郝建華，張子傅.基于OFDM技術(shù)的電力線通信系統(tǒng)建模與仿真J.國外電子測量技術(shù)，2015，34（02）：21-26.3鄒宏運.OFDM技術(shù)的研究及系統(tǒng)仿真D.吉林大學(xué)，2010.4曹一.基于Simulink的OFDM通信系統(tǒng)仿真分析D.天津大學(xué)，2009.5王志楊