從OFDM的原理入手，在分析低壓輸電線干擾源特征的基礎上，闡述了OFDM調制技術抵御這些干擾的原因和能力。
??? 關鍵詞：OFDM，噪音，多徑效應，衰落，子載波
　　

1　引　言
　　電力線已經走進千家萬戶，如果能夠在電力線上進行可靠的數字傳輸，不僅可以方便地實現電力系統的配電自動化，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進行數據傳輸。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）技術在低壓輸電線上高速、可靠傳輸數據的通信方式出現了，該技術具有抗噪音、抗多徑效應和抗衰落的特性，其傳輸速率可以超過10Mbps。
2　低壓輸電線上的數字傳輸特性
　　低壓輸電線信道環境十分惡劣，對數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，主要是設備開關切換產生的脈沖干擾、發電機中電刷生成的火花、用電設備產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。由于低壓電力網中負載的不斷投入和切除，信道的衰耗處于動態變化中，1s內某一頻率的衰耗可達20dB〔2〕。這一現象在通信中稱為信道衰落，采用均衡技術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。
　　多徑效應是數字通信中特有的一種干擾，是指信號經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象。低壓電力網所連接的設備數量巨大、種類眾多，整個網絡的阻抗處于動態變化之中，這必然會造成許多用電設備工作在阻抗不匹配的狀態。如果某些設備阻抗不匹配，信號到達該處時必然會產生反射，這樣一來，有用信號就可能經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歷的時間不同，在接收點就會發生多徑效應，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，就會對有用信號產生嚴重的碼間串擾（ISI）。
3　OFDM的基本原理和組成結構
　　OFDM的思想早在70年代初期就有人提出，但是直到80年代后期隨著數字信號處理（DSP）技術的發展和人們對高速數據通信需求的增長，才逐漸為人們所重視。現在它已被歐洲地面廣播標準（EuropeanTerrestrialBroadcasting Standards）中DAB（數字音頻廣播）和DVB－T（數字視頻廣播）所采納。
3．1　OFDM的基本原理
　　OFDM技術把所傳的高速數據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，并且用這些低速數據流調制若干個子載波。
　　圖1和圖2給出了OFDM的基本原理。假設一個周期內傳送的碼元序列為（d0，d1，．．．，dN－1），它們通過串／并轉換器分別調制在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的碼元傳輸速率fs，在傳統的頻分復用（FDMA）系統中，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，在發送端的串行碼元序列（d0，d1，．．．，dN－1）首先實現基帶調制，而后進行串并轉換。經過分路之后的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出源信號，將其合并后就能夠恢復出發送端高速串行碼元序列（d0，d1，．．．，dN－1）。 3．2　OFDM調制的具體實現
　　OFDM調制的原理雖然是用N個相互正交的載頻分別調制N路子信道碼元序列，但是在實際系統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調制之所以成功應用的一個重要原因是，它可以采用數字信號處理技術來實現調制和解調過程。
　　由上述分析可知，OFDM調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）序列經過D／A轉換，變成模擬信號后發送出去，接收端再經過A／D轉換恢復成數字信號，通過離散傅利葉變換同樣可以實現OFDM的調制與解調過程。假設接收序列為R（k），經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，系統常常通過DSP處理芯片采用快速傅利葉反變換（IFFT）實現上述過程，其組成結構如圖4所示。
　　發送部分由串／并轉換器、基帶調制模塊、IFFT變換器、合路器和D／A轉換器等組成。工作過程如下：發送端將高速數據流通過串／并轉換器分解成N個低速數據塊，對每路低速數據進行基帶調制（可選二進制相移鍵控BPSK、正交相移鍵控QPSK、正交調幅QAM、網格編碼調制TCM等），而后通過快速傅利葉反變換將基帶調制信號搬移到N路子載波上合路后發出。發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轉換器、帶通濾波器、FFT變換器、解調模塊等部分組成。其工作過程為：采用快速傅利葉變換恢復基帶信號，并采用相應的解調方式解調出N路低速數據，最后通過并／串轉換合成原始高速數據流。
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制方式有關。根據理論分析和試驗得出，系統若能可靠地傳輸BPSK調制信號需要信噪比為6～8dB，QPSK調制需要信噪比為10～12dB，16PSK調制需要信噪比大于25dB。圖5說明了幾種調制方式在不同信噪比環境下誤碼率的曲線分布。
　　為提高系統的抗噪音性能，OFDM系統一般都采用信道編碼技術，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，系統可以消除脈沖干擾引起的突發誤碼，大大提高傳輸的可靠性。擴頻通信具有較強的抗干擾能力，多載波擴頻是將OFDM調制方式用于擴頻通信中。二者的結合不僅保持了擴頻系統原有的抗干擾性強的優點，而且大大提高系統的容量和性能〔4〕。4．2　抗多徑干擾性能
　　多徑效應對傳輸的數字信號產生時延擴展，造成接收碼元的前后重疊，即碼間串擾，嚴重影響傳輸質量。碼間串擾與反射信號的延遲長短有關，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生影響。所以，碼間串擾對速率高的傳輸系統影響嚴重，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生碼間串擾。可見，OFDM的頻率分集復用技術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，但是當系統傳輸速率很高時實現快速均衡其復雜性和成本都難以接受。采用OFDM調制，每個子信道的速率較低，實現均衡相對較為簡單。
　　OFDM通過打開和關閉某些子信道的方式防止信道衰落。如圖6所示，系統在最初工作時所有子信道上都發送數據，工作一段時間后如果某個頻段的信號衰落嚴重，超過規定的信噪比門限，發送端會自動關閉該頻段的子載波，避免了衰落引發的誤碼。
5　OFDM用于電力線載波的現狀和未來
　　近年來，隨著數字信號處理和大規模集成電路技術的飛速發展，OFDM調制已經逐漸應用到無線通信、高清晰度廣播電視等領域。采用OFDM技術實現電力線上高速數據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。該公司經過幾年的努力研制出了電力線高速數據的產品PowerPacket。該系統采用OFDM技術，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調制方式，傳輸速率不小于14Mbps。實驗結果表明，PowerPacket在有800個用電設備的環境下連續工作24小時，誤碼率小于10－7（參見Intellon公司技術手冊）。
　　OFDM調制的高速率和良好的性能是通過提高系統復雜性為代價獲得的。該技術的最大難點是如何實現各個子信道的精確同步。OFDM的基礎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，整個系統的性能會嚴重下降，即產生OFDM所特有的通道間串擾（ICI）〔5〕。隨著數字信號處理和鎖相環（PLL）技術的發展，現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有的網絡設備兼容。

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