低压电力线通信系统的硬件电路设计(编辑修改稿)

低压电力线通信系统的硬件电路设计(编辑修改稿)内容摘要：

是自动采集各种计量表的读数 （ 如 ： 电表、水表、煤气表等 ） ，现在采集数据方法有 ： 电话线、无线电、电力线和红外线等等。 电力线载波抄表系统则是利用现有的电力线为媒介进行数据收集。 不但有效降低系统的成本，同时可以方便快捷地实现自动化抄收。 家居智能化即以电力线为物理媒介，把分布在住宅各个角落的微控制器和家电、 PC机连成一个网络。 其优点是 ： 电力线和信 号线合一，无须布设信号线 ； 人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易。 家电的信息量少，电力线载波速度慢的缺点不突出。 因此电力线通信技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景。 小结 电力线通信是利用配电网线路作为媒介的一种通信方式，具有不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著优势。 但在高速数据传输时，电力线信道呈现出的频率选择特性、阻抗剧烈变化、较大的噪声干扰及高衰减等特性，使电力线成为一个并不理想的通信 媒介。 因此，要在电力线上实现高速、可靠的数据传输，必须选择一种适合电力线信道特性的调制技术。 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 7 3 OFDM 技术 OFDM 技术的基本原理 [6][9] 在传统的串行数据传输系统中，码元是连续传输的，每个码元的频谱占整个可用带宽。 在 OFDM技术中，将高速串行数据分为成百上千路低速并行数据，多个连续的数据流可以同时传输，任何情况下，多个数据码元都能够及时传输。 在这样的系统中，每个独立数据流的带宽即子信道，只占用可用带宽的 一 小部分。 通过这样的变换，宽带传输系统转换成许多窄带系统。 这种并行传输 体制大大地扩展了码元的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。 如果子载波间隔比信道固有带宽小得多，则信道转移函数在每个子载波的带宽中会简化为简单的常数，频率选择性信道就被分成了多个平坦衰减子信道。 在传统的频分复用方法中各个子载波的频谱是互不重叠的，需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，大大增加了系统的复杂程度和成本。 同时，为了减少各子载波之间的相互串扰，需要保持足够的频率间隔，进而降低了频率利用率。 而采用数字信号处理技术的 OFDM系统，各子载波频谱互相重叠，但必须加以特殊的正交限制，以便在接收端能保证无失真的复原。 正交频分复用的主要思想是在频域内将信号分解为 N个子信号，再用N个子信号分别调制 N个不同的子载波。 为了获得较高的频谱利用率，使各子载波的频谱分布相互重叠和正交，合成后一起发送。 每个子载波可以使用不同的调制方式，比较常用的有 BPSK、 QPSK和 QAM等。 也就是说 ， OFDM实质上是将高速的串行数据流变成低速并行数据再进行传输。 这样每个子载波的码元周期被延长了 N倍，从而提高了抗多径干扰的能力，同时又提高了频谱利用率。 如当码元为矩形脉冲时，其频谱如图 图 3所示。 图 2 单个子带频谱 图 3 OFDM频谱结构 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 8 图 2是单个子带频谱，图 3是 ODFM信号频谱。 从图中可以看出，单个码元的频谱为 sinx/x型，频带利用率不高，而 OFDM的频谱总的来看近似为矩形，且其边带分量相互叠加后，变得很小。 所以， OFDM信号的频谱利用率理论上可以达到 Shannon信息传输理论的极限。 在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量、提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作 HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。 OFDM可通 过 IDFT/DFT变换对来实现。 在此变换当中，包含了一系列复杂标志的频域数据来调制载波。 傅立叶反变换的输出是个时域的信号，称为一个OFDM码元。 为了保证子载波相互正交，子载波间的最小间隔等于码元周期倒数的整数倍。 OFDM系统的调制解调过程就等效 于 离散傅氏逆变换和离散傅氏变换的过程。 OFDM 的数学表达式 [7][23] OFDM信号常常表示成并行传输的正交调制子载波的集合，其数学表达式为 ： 错误 !未找到引用源。 （ 31） 其中， 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 32） 错误 !未找到引用源。 错误 !未找到引用源。 （ 33） 错误 !未找到引用源。 为第 错误 !未找到引用源。 帧信号 流中第 错误 !未找到引用源。 个要传输的码元，每个 OFDM码元的有效周期为 错误 !未找到引用源。 ； N为 OFDM子载波的数量； 错误 !未找到引用源。 为第 错误 !未找到引用源。 个子载波的中心频率， 错误 !未找到引用源。 为所用的子载波的最低中心频率。 子载波在频域内是相互正交的。 解调则利用了子载波在频域内的正交性原理，即 错误 !未找到引用源。 （ 34） 因此，解调器的数学表达式为： 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 9 Xn=错误 !未找到引用源。 （ 35） 由于 OFDM系统中的子载波数量很多，所以实际应用时不能像传统的 FDM那样使用成百上千个振荡器和锁相环进行 相干 调制。 Weinstein经过数学推到，发现OFDM信号可用快速 傅里叶 反变换 IFFT来 得到，将运算量从 错误 !未找到引用源。 将为 NlogN，并能用熟悉信号处理器完成 OFDM调制。 输入的 N个调制符号经过 N点的 IFFT后 所 得到的 N个数据就是所需的 OFDM合成信号的 N个时域采样值，再经过 D/A转换后，就得到了 OFDM信号波形。 此信号乘以实际载波就可将 OFDM信号搬到所需的频带上。 OFDM 的实现 [8][24] OFDM 调制之所以成功应用的一个重要原因是，它可以采用数字信号处理（ DSP） 技术来实现调制解调过程。 系统通常用 DSP芯片通过快速傅立叶变换对（ IFFT和 FFT） 实现上述过程，其 实现过程如图 5所示。 图 5 OFDM 的实现框图 OFDM信号发送器的原理是 ： 输入的数据以串行的方式输入发送器，速率为5码元 /秒。 然后这些码元经过串 /并转换器，并行输出到 N条线路上 （ 指频率通道 ）。 则这 N条线路上的任何一条上的数据传输速率为 5码元 /秒，这样就把高速的串行数据传输转化为低速的并行数据信号进行传输，之后再对每路低速数据进行基带调制 （ 可采用 BPSK， QPSK， QAM， TCM等 ） ，该 OFDM码随后被送入一个进输入串行数据 串 /并 转换 调制器 1 调制器 2 IFFT 加 CP 并 /串 D/A BPF 上 变 频 输出串行转换 串 /并 转换 解调器 1 解调器 2 解调器 N FFT 串 /并 去 CP BPF A/D 下 变 频 调制器 N 电 力线信道 … 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 10 行快速傅立叶逆变换的模块，进行快速傅立叶逆变换。 快速傅立叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。 由此，用户的原始输入数据就被 OFDM按照频域数据进行了处理。 计算出快速傅立叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成拓展的 OFDM信息码元。 拓展的 OFDM信息码再次通过一个并行 — 串行转换器模块。 得到的串行数据经 D/A转换成模拟信号，再经过射频、带通滤波器、 耦合 电路等加载到电力线信道进行传输。 接收器完成与发送器相反的操作。 接收器收到的信号是时域信号。 由于信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行 /并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。 清除循环前缀并没有删掉任何信息。 循环前缀中的信息是冗余的，只是码元尾部一段样本信号的复制，利用这两个重复部分的相关特性，可以实现同步功能，使用循环前缀是解决 OFDM信号同步的一种方法。 除了解决同步问题，使用循环前缀还可以很好的消除码间 干 扰。 我们要求循环前缀的值比信道内存更大一些。 多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。 但是，事实上，码间 干 扰仅仅会 干 扰当前信息码的循环前缀。 因此，使用适 当大小的循环前缀就能够使 OFDM技术消除码间干扰。 OFDM 应用于 PLC[11][25] 在 PLC 技术中引入 OFDM 技术，就可以使电力线上的高速数据通信成为可能。 OFDM 的基本思想就是把可用信道带宽划分为若干子信道，每个子信道都可近似看作理想信道。 在规定使用的频段内，利用载波之间的正交性，使用几十、上百、甚至上千个具有正交特性的载波信号，每个载波传输一定速率的数据，各个载波传输数据的总和就是总的传输速率。 OFDM 技术适用于 PLC 的优点 [29] OFDM技术适用于低压电力线通信的优点有 如下几点： ① OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道 ， 提高了频谱利用率。 ② OFDM是把一组高速传输的串行数据转化成相对低速的并行数据来传输 , 虽然每个子载波的传输速率并不高 ， 但是所有子信道加起来将会获得很高的数据传输速率 ， 子载波数量越多 ， OFDM的数据传输速率越高。 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 11 ③ OFDM是把一组数据通过多个子载波传播 ， 在每个子载波上的信号时间就相应的比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，使 OFDM对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力很强 ； 另外， OFDM与信道编码和交织技术结合，将有更好地抗衰落性能。 特别适宜 于电力线这种非常恶劣的信道环境。 ④ 码间干扰 （ ISI） 是造成系统传输性能下降的主要原因。 OFDM系统通过降低码元速 率 有效地克服了由多径效应引起的码间干扰 （ ISI）。 同时通过在每个 OFDM符号之间加入循环前缀以形成保护间隔 ， 来进一步消除残存的码间干扰。 ⑤ OFDM可以用发射的导频信号对各个子载波信道进行信道估计，然后根据信道特性的变化动态地分配子信道，以保证数据传输的可靠性。 分析表明 ， OFDM具有频谱利用率高，抗多径衰落和码间干扰 的特点， 能抑制阻抗衰减与噪声干扰 ， 在带宽受限的低压电力线通信领域具有较 大的优势 ， 它成功解决了低压电力线通信技术中的诸多难点。 在 PLC 中引入 OFDM 技术 [30] （ 1） 高速率传输 OFDM 技术将信道可用带宽划分为若干相对窄的子带，其总传输速率接近系统的设计总量。 如果子 带 之间的功率分配及每个符号包含的比特位的选择遵循保证每个子信道的误码率均衡原则，那么实现总速率最大化是可能的。 对于较低SNR 的子信道，采用较低的调制电平，较高 SNR 的子信道，采用最优化的调制电平和功率分配可以实现 10Mbit/s，甚至 100Mbit/s 以上的数据传输。 （ 2） 抗衰减性 电力 线上信号的衰减是不断变化的，在衰减较大的区域无法有效传输信号，只能利用曲线中衰减较小的区域。 OFDM 为保证信号的有效传输，在设置载波时，设定两个或多个不同的载波传输相同的数据，根据信道情况自动选择某个衰减比较小的载波进行有效数据传输。 在任何失真的信道中都可以采用 OFDM 技术，特别是在具有频率选择特性的衰减信道中，效果尤其明显。 OFDM 可以通过对信道的预测，通过自适应信道处理技术实现较高速率的数据传输。 （ 3） 抗干扰性 重庆理工大学毕业论文 OFDM 技术 12 OFDM 可以自动选择噪声干扰比较小的载波进行数据传输。 当某个载波受到强干扰影响致使接受信号 的信噪比达不到正确接受信号的要求时，则放弃使用该载波传输数据，以此来达到正确传输数据的目的。 OFDM 还可以有效地抑制。