【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 是自動(dòng)采集各種計(jì)量表的讀數(shù) （ 如 ： 電表、水表、煤氣表等 ） ，現(xiàn)在采集數(shù)據(jù)方法有 ： 電話線、無(wú)線電、電力線和紅外線等等。電力線載波抄表系統(tǒng)則是利用現(xiàn)有的電力線為媒介進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本，同時(shí)可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化抄收。家居智能化即以電力線為物理媒介，把分布在住宅各個(gè)角落的微控制器和家電、 PC機(jī)連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其優(yōu)點(diǎn)是 ： 電力線和信 號(hào)線合一，無(wú)須布設(shè)信號(hào)線 ； 人們?cè)瓉?lái)使用和維護(hù)電器的習(xí)慣都不受影響，家電無(wú)須增加雙絞線、紅外等接口，只要在內(nèi)部配備電力線載波通信芯片，再更新程序就行了，對(duì)老式家電的改造也很容易。家電的信息量少，電力線載波速度慢的缺點(diǎn)不突出。因此電力線通信技術(shù)在家居智能化應(yīng)用方面有著廣泛的前景。 小結(jié) 電力線通信是利用配電網(wǎng)線路作為媒介的一種通信方式，具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便等顯著優(yōu)勢(shì)。但在高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，電力線信道呈現(xiàn)出的頻率選擇特性、阻抗劇烈變化、較大的噪聲干擾及高衰減等特性，使電力線成為一個(gè)并不理想的通信 媒介。因此，要在電力線上實(shí)現(xiàn)高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，必須選擇一種適合電力線信道特性的調(diào)制技術(shù)。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 7 3 OFDM 技術(shù) OFDM 技術(shù)的基本原理 [6][9] 在傳統(tǒng)的串行數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，碼元是連續(xù)傳輸?shù)模總€(gè)碼元的頻譜占整個(gè)可用帶寬。在 OFDM技術(shù)中，將高速串行數(shù)據(jù)分為成百上千路低速并行數(shù)據(jù)，多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時(shí)傳輸，任何情況下，多個(gè)數(shù)據(jù)碼元都能夠及時(shí)傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)流的帶寬即子信道，只占用可用帶寬的 一 小部分。通過(guò)這樣的變換，寬帶傳輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成許多窄帶系統(tǒng)。這種并行傳輸 體制大大地?cái)U(kuò)展了碼元的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。如果子載波間隔比信道固有帶寬小得多，則信道轉(zhuǎn)移函數(shù)在每個(gè)子載波的帶寬中會(huì)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)單的常數(shù)，頻率選擇性信道就被分成了多個(gè)平坦衰減子信道。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用方法中各個(gè)子載波的頻譜是互不重疊的，需要使用大量的發(fā)送濾波器和接收濾波器，大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。同時(shí)，為了減少各子載波之間的相互串?dāng)_，需要保持足夠的頻率間隔，進(jìn)而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的 OFDM系統(tǒng)，各子載波頻譜互相重疊，但必須加以特殊的正交限制，以便在接收端能保證無(wú)失真的復(fù)原 。正交頻分復(fù)用的主要思想是在頻域內(nèi)將信號(hào)分解為 N個(gè)子信號(hào)，再用N個(gè)子信號(hào)分別調(diào)制 N個(gè)不同的子載波 。 為了獲得較高的頻譜利用率，使各子載波的頻譜分布相互重疊和正交，合成后一起發(fā)送。每個(gè)子載波可以使用不同的調(diào)制方式，比較常用的有 BPSK、 QPSK和 QAM等。也就是說(shuō) ， OFDM實(shí)質(zhì)上是將高速的串行數(shù)據(jù)流變成低速并行數(shù)據(jù)再進(jìn)行傳輸。這樣每個(gè)子載波的碼元周期被延長(zhǎng)了 N倍，從而提高了抗多徑干擾的能力，同時(shí)又提高了頻譜利用率。 如當(dāng)碼元為矩形脈沖時(shí)，其頻譜如圖 圖 3所示。 圖 2 單個(gè)子帶頻譜 圖 3 OFDM頻譜結(jié)構(gòu) 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 8 圖 2是單個(gè)子帶頻譜，圖 3是 ODFM信號(hào)頻譜 。 從圖中可以看出，單個(gè)碼元的頻譜為 sinx/x型，頻帶利用率不高，而 OFDM的頻譜總的來(lái)看近似為矩形，且其邊帶分量相互疊加后，變得很小。所以， OFDM信號(hào)的頻譜利用率理論上可以達(dá)到 Shannon信息傳輸理論的極限。在對(duì)每個(gè)載波完成調(diào)制以后，為了增加數(shù)據(jù)的吞吐量、提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，它又采用了一種叫作 HomePlug的處理技術(shù)，來(lái)對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理，把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。 OFDM可通 過(guò) IDFT/DFT變換對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在此變換當(dāng)中，包含了一系列復(fù)雜標(biāo)志的頻域數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)制載波。傅立葉反變換的輸出是個(gè)時(shí)域的信號(hào)，稱為一個(gè)OFDM碼元。為了保證子載波相互正交，子載波間的最小間隔等于碼元周期倒數(shù)的整數(shù)倍。 OFDM系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)過(guò)程就等效 于 離散傅氏逆變換和離散傅氏變換的過(guò)程。 OFDM 的數(shù)學(xué)表達(dá)式 [7][23] OFDM信號(hào)常常表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波的集合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 ： 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 31） 其中， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 32） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 33） 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為第 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 幀信號(hào) 流中第 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 個(gè)要傳輸?shù)拇a元，每個(gè) OFDM碼元的有效周期為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 ； N為 OFDM子載波的數(shù)量； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為第 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 個(gè)子載波的中心頻率， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為所用的子載波的最低中心頻率。子載波在頻域內(nèi)是相互正交的。 解調(diào)則利用了子載波在頻域內(nèi)的正交性原理，即 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 34） 因此，解調(diào)器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 9 Xn=錯(cuò)誤 !未找到引用源。 （ 35） 由于 OFDM系統(tǒng)中的子載波數(shù)量很多，所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)不能像傳統(tǒng)的 FDM那樣使用成百上千個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行 相干 調(diào)制。 Weinstein經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推到，發(fā)現(xiàn)OFDM信號(hào)可用快速 傅里葉 反變換 IFFT來(lái) 得到，將運(yùn)算量從 錯(cuò)誤 !未找到引用源。將為 NlogN，并能用熟悉信號(hào)處理器完成 OFDM調(diào)制。輸入的 N個(gè)調(diào)制符號(hào)經(jīng)過(guò) N點(diǎn)的 IFFT后 所 得到的 N個(gè)數(shù)據(jù)就是所需的 OFDM合成信號(hào)的 N個(gè)時(shí)域采樣值，再經(jīng)過(guò) D/A轉(zhuǎn)換后，就得到了 OFDM信號(hào)波形。此信號(hào)乘以實(shí)際載波就可將 OFDM信號(hào)搬到所需的頻帶上。 OFDM 的實(shí)現(xiàn) [8][24] OFDM 調(diào)制之所以成功應(yīng)用的一個(gè)重要原因是，它可以采用數(shù)字信號(hào)處理（ DSP） 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)過(guò)程。系統(tǒng)通常用 DSP芯片通過(guò)快速傅立葉變換對(duì)（ IFFT和 FFT） 實(shí)現(xiàn)上述過(guò)程，其 實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖 5所示。 圖 5 OFDM 的實(shí)現(xiàn)框圖 OFDM信號(hào)發(fā)送器的原理是 ： 輸入的數(shù)據(jù)以串行的方式輸入發(fā)送器，速率為5碼元 /秒。然后這些碼元經(jīng)過(guò)串 /并轉(zhuǎn)換器，并行輸出到 N條線路上 （ 指頻率通道 ） 。則這 N條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率為 5碼元 /秒，這樣就把高速的串行數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)化為低速的并行數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行傳輸，之后再對(duì)每路低速數(shù)據(jù)進(jìn)行基帶調(diào)制 （ 可采用 BPSK， QPSK， QAM， TCM等 ） ，該 OFDM碼隨后被送入一個(gè)進(jìn)輸入串行數(shù)據(jù) 串 /并 轉(zhuǎn)換 調(diào)制器 1 調(diào)制器 2 IFFT 加 CP 并 /串 D/A BPF 上 變 頻 輸出串行轉(zhuǎn)換 串 /并 轉(zhuǎn)換 解調(diào)器 1 解調(diào)器 2 解調(diào)器 N FFT 串 /并 去 CP BPF A/D 下 變 頻 調(diào)制器 N 電 力線信道 … 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 10 行快速傅立葉逆變換的模塊，進(jìn)行快速傅立葉逆變換。快速傅立葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入數(shù)據(jù)就被 OFDM按照頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。計(jì)算出快速傅立葉逆變換樣值之后，一個(gè)循環(huán)前綴被加到了樣值前，形成拓展的 OFDM信息碼元 。 拓展的 OFDM信息碼再次通過(guò)一個(gè)并行 — 串行轉(zhuǎn)換器模塊。得到的串行數(shù)據(jù)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)射頻、帶通濾波器、 耦合 電路等加載到電力線信道進(jìn)行傳輸。接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號(hào)是時(shí)域信號(hào)。 由于信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)串行 /并行的轉(zhuǎn)換器，并且把循環(huán)前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒(méi)有刪掉任何信息。循環(huán)前綴中的信息是冗余的，只是碼元尾部一段樣本信號(hào)的復(fù)制，利用這兩個(gè)重復(fù)部分的相關(guān)特性，可以實(shí)現(xiàn)同步功能，使用循環(huán)前綴是解決 OFDM信號(hào)同步的一種方法。除了解決同步問(wèn)題，使用循環(huán)前綴還可以很好的消除碼間 干 擾。我們要求循環(huán)前綴的值比信道內(nèi)存更大一些。多徑信號(hào)引起先發(fā)信息碼字的滯后到達(dá)而影響當(dāng)前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是，事實(shí)上，碼間 干 擾僅僅會(huì) 干 擾當(dāng)前信息碼的循環(huán)前綴。因此，使用適 當(dāng)大小的循環(huán)前綴就能夠使 OFDM技術(shù)消除碼間干擾。 OFDM 應(yīng)用于 PLC[11][25] 在 PLC 技術(shù)中引入 OFDM 技術(shù)，就可以使電力線上的高速數(shù)據(jù)通信成為可能。 OFDM 的基本思想就是把可用信道帶寬劃分為若干子信道，每個(gè)子信道都可近似看作理想信道。在規(guī)定使用的頻段內(nèi)，利用載波之間的正交性，使用幾十、上百、甚至上千個(gè)具有正交特性的載波信號(hào)，每個(gè)載波傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，各個(gè)載波傳輸數(shù)據(jù)的總和就是總的傳輸速率。 OFDM 技術(shù)適用于 PLC 的優(yōu)點(diǎn) [29] OFDM技術(shù)適用于低壓電力線通信的優(yōu)點(diǎn)有 如下幾點(diǎn)： ① OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道 ， 提高了頻譜利用率。 ② OFDM是把一組高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸 , 雖然每個(gè)子載波的傳輸速率并不高 ， 但是所有子信道加起來(lái)將會(huì)獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率 ， 子載波數(shù)量越多 ， OFDM的數(shù)據(jù)傳輸速率越高。 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 11 ③ OFDM是把一組數(shù)據(jù)通過(guò)多個(gè)子載波傳播 ， 在每個(gè)子載波上的信號(hào)時(shí)間就相應(yīng)的比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號(hào)時(shí)間長(zhǎng)很多倍，使 OFDM對(duì)脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力很強(qiáng) ； 另外， OFDM與信道編碼和交織技術(shù)結(jié)合，將有更好地抗衰落性能。特別適宜 于電力線這種非常惡劣的信道環(huán)境。 ④ 碼間干擾 （ ISI） 是造成系統(tǒng)傳輸性能下降的主要原因。 OFDM系統(tǒng)通過(guò)降低碼元速 率 有效地克服了由多徑效應(yīng)引起的碼間干擾 （ ISI） 。同時(shí)通過(guò)在每個(gè) OFDM符號(hào)之間加入循環(huán)前綴以形成保護(hù)間隔 ， 來(lái)進(jìn)一步消除殘存的碼間干擾。 ⑤ OFDM可以用發(fā)射的導(dǎo)頻信號(hào)對(duì)各個(gè)子載波信道進(jìn)行信道估計(jì)，然后根據(jù)信道特性的變化動(dòng)態(tài)地分配子信道，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴７治霰砻?， OFDM具有頻譜利用率高，抗多徑衰落和碼間干擾 的特點(diǎn)， 能抑制阻抗衰減與噪聲干擾 ， 在帶寬受限的低壓電力線通信領(lǐng)域具有較 大的優(yōu)勢(shì) ， 它成功解決了低壓電力線通信技術(shù)中的諸多難點(diǎn) 。 在 PLC 中引入 OFDM 技術(shù) [30] （ 1） 高速率傳輸 OFDM 技術(shù)將信道可用帶寬劃分為若干相對(duì)窄的子帶，其總傳輸速率接近系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總量。如果子 帶 之間的功率分配及每個(gè)符號(hào)包含的比特位的選擇遵循保證每個(gè)子信道的誤碼率均衡原則，那么實(shí)現(xiàn)總速率最大化是可能的。對(duì)于較低SNR 的子信道，采用較低的調(diào)制電平，較高 SNR 的子信道，采用最優(yōu)化的調(diào)制電平和功率分配可以實(shí)現(xiàn) 10Mbit/s，甚至 100Mbit/s 以上的數(shù)據(jù)傳輸。 （ 2） 抗衰減性 電力 線上信號(hào)的衰減是不斷變化的，在衰減較大的區(qū)域無(wú)法有效傳輸信號(hào)，只能利用曲線中衰減較小的區(qū)域。 OFDM 為保證信號(hào)的有效傳輸，在設(shè)置載波時(shí)，設(shè)定兩個(gè)或多個(gè)不同的載波傳輸相同的數(shù)據(jù)，根據(jù)信道情況自動(dòng)選擇某個(gè)衰減比較小的載波進(jìn)行有效數(shù)據(jù)傳輸。在任何失真的信道中都可以采用 OFDM 技術(shù)，特別是在具有頻率選擇特性的衰減信道中，效果尤其明顯。 OFDM 可以通過(guò)對(duì)信道的預(yù)測(cè)，通過(guò)自適應(yīng)信道處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。 （ 3） 抗干擾性 重慶理工大學(xué)畢業(yè)論文 OFDM 技術(shù) 12 OFDM 可以自動(dòng)選擇噪聲干擾比較小的載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)某個(gè)載波受到強(qiáng)干擾影響致使接受信號(hào) 的信噪比達(dá)不到正確接受信號(hào)的要求時(shí)，則放棄使用該載波傳輸數(shù)據(jù)，以此來(lái)達(dá)到正確傳輸數(shù)據(jù)的目的。 OFDM 還可以有效地抑制