從OFDM的原理入手，在分析低壓輸電線干擾源特征的基礎(chǔ)上，闡述了OFDM調(diào)制技術(shù)抵御這些干擾的原因和能力。
??? 關(guān)鍵詞：OFDM，噪音，多徑效應，衰落，子載波
　　

1　引　言
　　電力線已經(jīng)走進千家萬戶，如果能夠在電力線上進行可靠的數(shù)字傳輸，不僅可以方便地實現(xiàn)電力系統(tǒng)的配電自動化，而且可以通過電力線進行通信，省去了通信線路的架設，大大降低通信的成本，從而對網(wǎng)絡普及起到重要作用。
　　由于電力線固有的高噪音、多徑效應和衰落等特點，人們通常采用擴頻技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸。擴頻通信雖然抗干擾能力較強，卻受到其原理的制約，傳輸速率最高只能達到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)字載波通信影響嚴重的干擾源主要有：信道噪音、信道衰耗和多徑效應。
　　噪音是低壓輸電線上最大的干擾源。其來源很多，主要是設備開關(guān)切換產(chǎn)生的脈沖干擾、發(fā)電機中電刷生成的火花、用電設備產(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，但是當傳輸速率很高時快速均衡難以實現(xiàn)。
　　多徑效應是數(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)所連接的設備數(shù)量巨大、種類眾多，整個網(wǎng)絡的阻抗處于動態(tài)變化之中，這必然會造成許多用電設備工作在阻抗不匹配的狀態(tài)。如果某些設備阻抗不匹配，信號到達該處時必然會產(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接收點。由于信號在每條路徑上經(jīng)歷的時間不同，在接收點就會發(fā)生多徑效應，延遲信號對有用信號形成干擾。當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)生嚴重的碼間串擾（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)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準（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)的頻分復用（FDMA）系統(tǒng)中，相鄰兩個子信道的中心頻點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）首先實現(xiàn)基帶調(diào)制，而后進行串并轉(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，但是在實際系統(tǒng)中很難采用這種方式，因為我們無法防止子信道之間嚴重的鄰道干擾。OFDM調(diào)制之所以成功應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)換恢復成數(shù)字信號，通過離散傅利葉變換同樣可以實現(xiàn)OFDM的調(diào)制與解調(diào)過程。假設接收序列為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)進行基帶調(diào)制（可選二進制相移鍵控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基帶信號，并采用相應的解調(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)理論分析和試驗得出，系統(tǒng)若能可靠地傳輸BPSK調(diào)制信號需要信噪比為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）。通過適當引進交織編碼、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頻通信具有較強的抗干擾能力，多載波擴頻是將OFDM調(diào)制方式用于擴頻通信中。二者的結(jié)合不僅保持了擴頻系統(tǒng)原有的抗干擾性強的優(yōu)點，而且大大提高系統(tǒng)的容量和性能〔4〕。4．2　抗多徑干擾性能
　　多徑效應對傳輸?shù)臄?shù)字信號產(chǎn)生時延擴展，造成接收碼元的前后重疊，即碼間串擾，嚴重影響傳輸質(zhì)量。碼間串擾與反射信號的延遲長短有關(guān)，當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，碼間串擾對速率高的傳輸系統(tǒng)影響嚴重，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。例如速率為10Mbps的BPSK信號每個碼元寬度為100ns，假設多徑干擾的延遲為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)生碼間串擾?？梢?，OFDM的頻率分集復用技術(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)嚴重的衰落。自適應均衡是解決信道衰落的有效手段，但是當系統(tǒng)傳輸速率很高時實現(xiàn)快速均衡其復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。實驗結(jié)果表明，PowerPacket在有800個用電設備的環(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)復雜性為代價獲得的。該技術(shù)的最大難點是如何實現(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，如果正交性惡化，整個系統(tǒng)的性能會嚴重下降，即產(chǎn)生OFDM所特有的通道間串擾（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的實時變化，均衡ICI的影響。
　　今后，OFDM的發(fā)展方向主要是增加傳輸距離、進一步提高傳輸速率以及與現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備兼容。

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