摘要：文章結合低壓電力線載波通信的特點，介紹了基于OFDM技術的低壓電力線載波通信試驗平臺的設計，簡要說明了軟件模塊中各部分的算法和實現(xiàn)方法，闡述了系統(tǒng)平臺中的硬件模塊的實現(xiàn)方法，給出了寬頻帶放大器、耦合器的設計思想。

關鍵字：試驗平臺；OFDM；耦合器；放大器

中圖分類號：TN914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）01-0112-03

已有的研究表明，電力線是一種復雜的通信媒體——無處不在的噪聲、負荷變化及一些不可預測的干擾都會嚴重影響信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。要保證通信質(zhì)量，提高通信速率，選擇合適的調(diào)制方式是一個關鍵問題。傳統(tǒng)的單載波調(diào)制系統(tǒng)不適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，因為需要對信道進行多級均衡，設備復雜且收斂性差。多載波頻分復用（OFDM—Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，以其抗干擾能力強、帶寬利用率高、結構簡單、成本低等優(yōu)點，為實現(xiàn)高速低壓電力線載波通信提供了一個有效的解決方案。

一、OFDM定義

正交頻分復用是一種正交多載波調(diào)制技術。傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，符號序列被調(diào)制到一個載波上進行串行傳輸，每個符號的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM調(diào)制方式是將可用的頻譜分成N個頻帶較窄、相對低速率傳輸?shù)淖虞d波，子載波的幅頻響應相互重疊和正交。串行傳輸?shù)姆栃蛄幸脖环殖砷L度為N的段，每段內(nèi)的N個符號分別調(diào)制到N個子載波上一起發(fā)送。也就是說，OFDM是把一組高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)流化為低速的并行數(shù)據(jù)流，再將這些并行數(shù)據(jù)調(diào)制在相互正交的子載波上，實現(xiàn)并行數(shù)據(jù)傳輸。雖然每個子載波的傳輸速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以獲得很高的傳輸速率。

二、OFDM系統(tǒng)的技術優(yōu)勢

采用OFDM實現(xiàn)高速低壓電力線載波通信主要有以下的技術優(yōu)勢:

（一）OFDM的結構簡單，成本低

與一般均衡器相比，利用離散傅立葉變換（DFT）對并行數(shù)據(jù)進行調(diào)制、解調(diào)，大大降低了系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜程度。隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號處理（DSP）技術的不斷進步，用DFT實現(xiàn)OFDM已付諸實用。

（二）能夠有效地消除ISI及子載波間的串擾

正交頻分復用OFDM本質(zhì)上是一種通過延長傳輸符號的周期來克服多徑干擾的并行數(shù)字調(diào)制技術。它將高速串行數(shù)據(jù)分解為多個并行的低速數(shù)據(jù)，這樣每路數(shù)據(jù)碼元寬度加長，從而減少了ISI的影響。例如，一個10Mbps的BPSK碼元的長度只有100ns，而一般電力線中的時延擴展為1μs，這樣接收到碼元會受到10個延時碼元的干擾；OFDM將信道頻帶劃分為100個子載波，每個子載波的單位碼元的長度為10μs，從而大大提高了抗ISI的能力。

（三）有效地降低電力線的衰減特性對載波通信的影響

作為一種信息傳輸媒介，低壓電力線亦具有射頻信道的多徑效應，從而帶來信號的頻率選擇性衰減。OFDM將頻率選擇性衰減引起的突發(fā)性誤碼分散到不相關的子信道上，從而變?yōu)殡S機性誤碼。這樣可利用一般的前向糾錯(ECE)有效地恢復所傳信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰減，各子載波在頻域內(nèi)的位置不同，受到不同程度的衰減影響。OFDM可以根據(jù)信道特性進行子信道分配，這樣就能夠保證信號只在誤碼率能夠滿足通信要求的頻帶范圍內(nèi)傳輸。

（四）頻譜利用率高

OFDM使用正交函數(shù)系列作為子載波，子載波的頻譜正交且相互重疊，可使載波間隔達到最小，從而提高了頻帶的利用率。如圖1所示，OFDM信號的頻譜非常接近矩形，因此頻帶利用率可接近香農(nóng)信息論的極限。在低壓電力線載波通信中，單載波系統(tǒng)的頻帶利用率很少超過80%，而OFDM系統(tǒng)的效率則可接近100%。

三、低壓電力線OFDM 通信系統(tǒng)平臺總體設計

在低壓電力線載波通信中，將OFDM 技術與信道編碼、均衡、同步、解碼等技術相結合，可以組建一個比較穩(wěn)定可靠的高速通信系統(tǒng)。為了建成一個基于OFDM 的低壓電力線載波通信實驗平臺，考慮軟件模塊和硬件模塊相結合的總體方案。采用軟件模塊在PC 機上實現(xiàn)發(fā)送信息的編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼過程，由硬件模塊實現(xiàn)信號的數(shù)模和模數(shù)轉換、信號的放大耦合以及信號的上下變頻。發(fā)送信號經(jīng)過寬頻帶功率放大器后由耦合器耦合到低壓電力線中進行傳遞。本文中設計的低壓電力線OFDM 系統(tǒng)平臺如圖2所示，主要由兩大模塊組成，軟件模塊實現(xiàn)信號的處理，硬件模塊實現(xiàn)信號的轉換和傳遞。

（一）OFDM系統(tǒng)設計

從信源發(fā)出的信號首先經(jīng)過級聯(lián)編碼，在本系統(tǒng)中，級聯(lián)編碼由卷積碼和RS碼級聯(lián)而成。經(jīng)過編碼的信號進入映射模塊，采用DQPSK將信號調(diào)制成復信號。將這些復信號送入串并轉換模塊后變成N個子數(shù)據(jù)流進入到IFFT模塊進入OFDM調(diào)制，得到OFDM碼元。為了進一步抑制由信道的多徑性引起的ISI，我們在得到OFDM碼元之后在OFDM碼元中插入保護間隔，實際的做法通常是將OFDM碼元中最后的數(shù)據(jù)復制到OFDM碼元前，然后形成一個新的OFDM碼元濾波成形，最后發(fā)送到模擬前端。

將接收到的信號變成為數(shù)字信號，然后經(jīng)過同步模塊，得到整個系統(tǒng)的時間同步和頻率同步后得到正確的OFDM碼元組，將這些OFDM碼元組中的循環(huán)前綴去除，然后送入FFT模塊進行OFDM解調(diào)。然后將通過發(fā)射端插入的已知的導頻符號進行信道估計和均衡，然后進行解映射和解碼的步驟，得到相應的數(shù)據(jù)流。

為了達到高速數(shù)字通信的要求，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)為2M，電力線信道的延時為2μs，則一般考慮取整個OFDM碼元符號的保護間隔為6μs，取整個OFDM符號的時間為30μs，則每個OFDM符號所攜帶的bit數(shù)為數(shù)據(jù)速率和符號的有效時間之積，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷積碼的編碼效率為1/2，則經(jīng)過編碼之后每個符號對應了96bit，而系統(tǒng)采用QPSK的調(diào)制方式，也就是2bit調(diào)制成一個復數(shù)信號，則每個OFDM符號必須攜帶48路復數(shù)信號，也就是在進行OFDM調(diào)制時需要將信號串并轉換為48路并行的子數(shù)據(jù)流分別加載到48個子載波上，子載波的間隔為1/（30-6）μs =41.7kHz。系統(tǒng)除使用48個子載波加載數(shù)據(jù)之外，還使用8個子載波插入導頻符號，作為信道估計和頻率跟蹤用，同時在兩端流出8個子載波，一共使用64個子載波，則所使用的帶寬為41.7k*64，約為2.67M的帶寬。

（二）高頻寬帶功率放大器的設計

由于低壓電力線網(wǎng)絡是為了傳送50Hz 工頻電功率而設計的，它對于1MHz 以上的信號的輸入阻抗很小。這意味著發(fā)送器需要提高發(fā)送功率，或者設計輸出阻抗很小的放大器，才能達到將一定功率水平的信號發(fā)送到電力網(wǎng)絡中去的目的。已有的試驗結果表明，低壓電力線網(wǎng)絡的輸入阻抗在幾歐至幾十歐之間。因此設計的放大器輸出阻抗必須盡可能的小。

為了實現(xiàn)阻抗匹配，設計輸入匹配變壓器；使用耦合電容來傳輸高頻信號，阻隔工頻電流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 實現(xiàn)寬帶功率放大，通過直流電源外圍電路來驅動 BLF177，同時采用去耦阻隔器阻隔來自電源的高頻信號干擾，由于是高頻信號，因此在設計中除了排除外來頻率信號干擾外，還要考慮電路本身各個元件的高頻特性的影響。

（三）低壓電力線OFDM 系統(tǒng)的耦合電路設計

設計一個有效的低壓電力線高速通信耦合電路，主要應該解決以下幾個問題：

1.能夠適應低壓電力網(wǎng)開放式的網(wǎng)絡結構及其動態(tài)多變的網(wǎng)絡特性，保證以較低的介入損耗傳輸高頻信號，同時阻止電力線50Hz 的工頻電流進入通信終端。

2.提供足夠寬的帶寬，以及良好的阻抗特性和較小的工作衰減。

3.應考慮到實際應用，裝置應盡量簡易、經(jīng)濟，便于現(xiàn)場的安裝使用。

低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，載波信號耦合方式主要有電容耦合和電感耦合。本文選用電容耦合，屬于直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，工作衰減小。電容耦合采用耦合電容器為主要元件，其電路圖如圖4所示。該耦合電路將高頻載波信號直接注入到電網(wǎng)，同時從電力線上接收高頻載波信號。

高頻電容C00一端接入低壓電力線，另一端與耦合變壓器相連。C00采用高壓電容，其耐壓值大于275 V。C00一方面用來耦合高頻載波信號，另一方面起到高壓工頻隔離的作用，這里建議耦合電容C00選用0.0047F。

耦合變壓器T00不僅具有隔離作用，同時也實現(xiàn)了信號線平衡―不平衡的變換及其阻抗的變換作用。T00的初級線圈與C00組成高通濾波電路，阻止了50 Hz的工頻電流，并盡可能削弱低頻的電力線電壓信號，減少衰減低頻噪聲及干擾信號；同時保證高頻信號的通過，并為其提供盡可能小的衰減及線性幅頻、相頻特性。

四、結語

本章給出了低壓電力線OFDM 載波通信系統(tǒng)的結構框圖，分別描述了試驗平臺中各個環(huán)節(jié)的算法以及具體實現(xiàn)方法；具體闡述了模塊中寬頻帶功率放大器、耦合器的設計，給出了詳細的原理說明、實現(xiàn)方法等。論文對基于 OFDM 技術的低壓電力線載波通信實驗平臺整體設計方案給予了說明。整套實驗平臺的成功研制表明將OFDM 技術應用于低壓電力線載波通信，以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信是可行的。

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作者簡介：周慶華，女，黑龍江哈爾濱人，供職于黑龍江科技學院，研究方向：電力線載波通信。