【文章內(nèi)容簡介】 是自動采集各種計量表的讀數(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行數(shù)據(jù)收集。不但有效降低系統(tǒng)的成本，同時可以方便快捷地實現(xiàn)自動化抄收。家居智能化即以電力線為物理媒介，把分布在住宅各個角落的微控制器和家電、 PC機連成一個網(wǎng)絡。其優(yōu)點是 ： 電力線和信 號線合一，無須布設信號線 ； 人們原來使用和維護電器的習慣都不受影響，家電無須增加雙絞線、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不突出。因此電力線通信技術在家居智能化應用方面有著廣泛的前景。 小結 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。但在高速數(shù)據(jù)傳輸時，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，使電力線成為一個并不理想的通信 媒介。因此，要在電力線上實現(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。 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 7 3 OFDM 技術 OFDM 技術的基本原理 [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)?，每個碼元的頻譜占整個可用帶寬。在 OFDM技術中，將高速串行數(shù)據(jù)分為成百上千路低速并行數(shù)據(jù)，多個連續(xù)的數(shù)據(jù)流可以同時傳輸，任何情況下，多個數(shù)據(jù)碼元都能夠及時傳輸。在這樣的系統(tǒng)中，每個獨立數(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 體制大大地擴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)在每個子載波的帶寬中會簡化為簡單的常數(shù)，頻率選擇性信道就被分成了多個平坦衰減子信道。在傳統(tǒng)的頻分復用方法中各個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)的復雜程度和成本。同時，為了減少各子載波之間的相互串擾，需要保持足夠的頻率間隔，進而降低了頻率利用率。而采用數(shù)字信號處理技術的 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失真的復原 。正交頻分復用的主要思想是在頻域內(nèi)將信號分解為 N個子信號，再用N個子信號分別調(diào)制 N個不同的子載波 。 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 ， OFDM實質(zhì)上是將高速的串行數(shù)據(jù)流變成低速并行數(shù)據(jù)再進行傳輸。這樣每個子載波的碼元周期被延長了 N倍，從而提高了抗多徑干擾的能力，同時又提高了頻譜利用率。 如當碼元為矩形脈沖時，其頻譜如圖 圖 3所示。 圖 2 單個子帶頻譜 圖 3 OFDM頻譜結構 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 8 圖 2是單個子帶頻譜，圖 3是 ODFM信號頻譜 。 從圖中可以看出，單個碼元的頻譜為 sinx/x型，頻帶利用率不高，而 OFDM的頻譜總的來看近似為矩形，且其邊帶分量相互疊加后，變得很小。所以， OFDM信號的頻譜利用率理論上可以達到 Shannon信息傳輸理論的極限。在對每個載波完成調(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，來對所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號位的載波進行合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發(fā)送。 OFDM可通 過 IDFT/DFT變換對來實現(xiàn)。在此變換當中，包含了一系列復雜標志的頻域數(shù)據(jù)來調(diào)制載波。傅立葉反變換的輸出是個時域的信號，稱為一個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)過程就等效 于 離散傅氏逆變換和離散傅氏變換的過程。 OFDM 的數(shù)學表達式 [7][23] OFDM信號常常表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波的集合，其數(shù)學表達式為 ： 錯誤 !未找到引用源。 （ 31） 其中， 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 （ 32） 錯誤 !未找到引用源。 錯誤 !未找到引用源。 （ 33） 錯誤 !未找到引用源。 為第 錯誤 !未找到引用源。 幀信號 流中第 錯誤 !未找到引用源。 個要傳輸?shù)拇a元，每個 OFDM碼元的有效周期為 錯誤 !未找到引用源。 ； N為 OFDM子載波的數(shù)量； 錯誤 !未找到引用源。 為第 錯誤 !未找到引用源。 個子載波的中心頻率， 錯誤 !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 錯誤 !未找到引用源。 （ 34） 因此，解調(diào)器的數(shù)學表達式為： 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 9 Xn=錯誤 !未找到引用源。 （ 35） 由于 OFDM系統(tǒng)中的子載波數(shù)量很多，所以實際應用時不能像傳統(tǒng)的 FDM那樣使用成百上千個振蕩器和鎖相環(huán)進行 相干 調(diào)制。 Weinstein經(jīng)過數(shù)學推到，發(fā)現(xiàn)OFDM信號可用快速 傅里葉 反變換 IFFT來 得到，將運算量從 錯誤 !未找到引用源。將為 NlogN，并能用熟悉信號處理器完成 OFDM調(diào)制。輸入的 N個調(diào)制符號經(jīng)過 N點的 IFFT后 所 得到的 N個數(shù)據(jù)就是所需的 OFDM合成信號的 N個時域采樣值，再經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換后，就得到了 OFDM信號波形。此信號乘以實際載波就可將 OFDM信號搬到所需的頻帶上。 OFDM 的實現(xiàn) [8][24] 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（ DSP） 技術來實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)過程。系統(tǒng)通常用 DSP芯片通過快速傅立葉變換對（ IFFT和 FFT） 實現(xiàn)上述過程，其 實現(xiàn)過程如圖 5所示。 圖 5 OFDM 的實現(xiàn)框圖 OFDM信號發(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)信號進行傳輸，之后再對每路低速數(shù)據(jù)進行基帶調(diào)制 （ 可采用 BPSK， QPSK， QAM， TCM等 ） ，該 OFDM碼隨后被送入一個進輸入串行數(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 … 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 10 行快速傅立葉逆變換的模塊，進行快速傅立葉逆變換?？焖俑盗⑷~逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時域離散的數(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)進行了處理。計算出快速傅立葉逆變換樣值之后，一個循環(huán)前綴被加到了樣值前，形成拓展的 OFDM信息碼元 。 拓展的 OFDM信息碼再次通過一個并行 — 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，再經(jīng)過射頻、帶通濾波器、 耦合 電路等加載到電力線信道進行傳輸。接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號是時域信號。 由于信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信號經(jīng)過一個串行 /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的復制，利用這兩個重復部分的相關特性，可以實現(xiàn)同步功能，使用循環(huán)前綴是解決 OFDM信號同步的一種方法。除了解決同步問題，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。多徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達而影響當前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是，事實上，碼間 干 擾僅僅會 干 擾當前信息碼的循環(huán)前綴。因此，使用適 當大小的循環(huán)前綴就能夠使 OFDM技術消除碼間干擾。 OFDM 應用于 PLC[11][25] 在 PLC 技術中引入 OFDM 技術，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、甚至上千個具有正交特性的載波信號，每個載波傳輸一定速率的數(shù)據(jù)，各個載波傳輸數(shù)據(jù)的總和就是總的傳輸速率。 OFDM 技術適用于 PLC 的優(yōu)點 [29] OFDM技術適用于低壓電力線通信的優(yōu)點有 如下幾點： 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)化成相對低速的并行數(shù)據(jù)來傳輸 , 雖然每個子載波的傳輸速率并不高 ， 但是所有子信道加起來將會獲得很高的數(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。 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 11 ③ OFDM是把一組數(shù)據(jù)通過多個子載波傳播 ， 在每個子載波上的信號時間就相應的比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時間長很多倍，使 OFDM對脈沖噪聲和信道快衰落的抵抗力很強 ； 另外， OFDM與信道編碼和交織技術結合，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)通過降低碼元速 率 有效地克服了由多徑效應引起的碼間干擾 （ ISI） 。同時通過在每個 OFDM符號之間加入循環(huán)前綴以形成保護間隔 ， 來進一步消除殘存的碼間干擾。 ⑤ OFDM可以用發(fā)射的導頻信號對各個子載波信道進行信道估計，然后根據(jù)信道特性的變化動態(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， 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域具有較 大的優(yōu)勢 ， 它成功解決了低壓電力線通信技術中的諸多難點 。 在 PLC 中引入 OFDM 技術 [30] （ 1） 高速率傳輸 OFDM 技術將信道可用帶寬劃分為若干相對窄的子帶，其總傳輸速率接近系統(tǒng)的設計總量。如果子 帶 之間的功率分配及每個符號包含的比特位的選擇遵循保證每個子信道的誤碼率均衡原則，那么實現(xiàn)總速率最大化是可能的。對于較低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 線上信號的衰減是不斷變化的，在衰減較大的區(qū)域無法有效傳輸信號，只能利用曲線中衰減較小的區(qū)域。 OFDM 為保證信號的有效傳輸，在設置載波時，設定兩個或多個不同的載波傳輸相同的數(shù)據(jù)，根據(jù)信道情況自動選擇某個衰減比較小的載波進行有效數(shù)據(jù)傳輸。在任何失真的信道中都可以采用 OFDM 技術，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 可以通過對信道的預測，通過自適應信道處理技術實現(xiàn)較高速率的數(shù)據(jù)傳輸。 （ 3） 抗干擾性 重慶理工大學畢業(yè)論文 OFDM 技術 12 OFDM 可以自動選擇噪聲干擾比較小的載波進行數(shù)據(jù)傳輸。當某個載波受到強干擾影響致使接受信號 的信噪比達不到正確接受信號的要求時，則放棄使用該載波傳輸數(shù)據(jù)，以此來達到正確傳輸數(shù)據(jù)的目的。 OFDM 還可以有效地抑制