系统的标准研究及性能分析对比

系统的标准研究及性能分析对比

重庆大学硕士学位论文

（学术学位）

学生姓名：席亚明

指导教师：何世彪教授

专 业： 通信与信息 学科门类：工学

重庆大学通信工程学院

二Ｏ一二年四月

系统

Ｃ

Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃ

ｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

^{Ｓｔａｎｄａｒｄｓ}

Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ

Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ

ＡＴｈｅｓｉｓ Ｓｕｂｍｉｔｔｅｄ^ｔｏ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ｉｎ Ｐａｒｔｉａｌ Ｆｕｌｆｉｌｌｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ

Ｍａｓｔｅｒ’Ｓ

Ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｂｙ Ｘｉ

Ｙａｍｉｎｇ

Ｓｕｐｅｒｖｉｓｅｄ ^ｂｙ Ｐｒｏｆ．Ｈｅ ^{Ｓｈｉｂｉａｏ}

Ｓｐｅｃｉａｌ醇：Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

^ａｎｄ

Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ

Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ

Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ

Ａｐｒｉｌ，２０１２

摘 要

电力线通信具有成本低廉、连接方便等优点，在通信领域中发挥着重要的作 用。但是由于低压电力线信道中存在着噪声和信道衰减、移相等问题，对正常通

信的影响比较大，导致电力线通信的发展和普及受到一定的制约。『Ｆ交频分复用

（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ）具有抗干扰能力强、频带利 用率高的优点。在电力线通信中，采用ＯＦＤＭ调制技术，克服电力线信道中存在

的不良影响，对电力线通信的发展具有重要的意义。ＰＲＩＭＥ和Ｇ３『Ｆ基于此而产 生的新一代的ＰＬＣ技术。

本文首先介绍了课题产生的背景和电力线通信的概念和发展概况，给出了本 文的研究方向。通过对电力线信道进行分析，指出了电力线信道的特征，并建立 了较为实用的信道模型。然后根据电力线信道的特点，引入具有频带利用率高、

抗信道衰弱能力强、适合高速率传输以及抗码间干扰能力强ＯＦＤＭ调制技术，对 ＯＦＤＭ技术做了详细的分析，并重点介绍了保护间隔和循环前缀、编码交织、同 步等与电力线通信相关的关键技术。然后，本文详细介绍了基于ＯＦＤＭ技术的电 力线通信的相关标准，重点分析了关于ＰＲＩＭＥ和Ｇ３两种标准中物理层的协议，

最后对ＰＲＩＭＥ和Ｇ３两种标准进行对比，给出了两种协议相同点和不同点以及在 传输速率和误码率的性能上进行了比较，并且对比较结果进行了分析，为制定新 的ＰＬＣ协议提供了理论指导。

关键词：电力线通信，『Ｆ交频分复用，ＰＲＩＭＥ，Ｇ３

Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＰＬＣ）ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ ｃｏｓｔ．ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｌａｙｓ ^ａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｆｉｅｌｄ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｄｕｅ^ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｏｆ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｈａｎｎｅｌ，ｉｔ ｈａｓ ^ａ ｇｒｅａｔｅｒ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｎｏｒｍａｌ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｌｓｏ ｒｅｓｕｌｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｏ九ｈｏｇｏｎａｌ _{Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ} Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（ＯＦＤＭ）ｈａｓ ^ＳＯ ｍａｎｙ ｍｅｒｉｔｓ ｓｕｃｈ ^ａｓ ｈｉｇｈ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ^ｔｏ ｒｅｓｉｓｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｈｉｇｈ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｅｔｃ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｗｅ ^ｕｓｅ ＯＦＤＭ _{ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ} ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ａｄｖｅｒｓｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｈａｎｎｅｌ．ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｏｆｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ ^ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ，ａ ｎｅｗ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＬＣ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅ ｏｆＰＲＩＭＥ ａｎｄ Ｇ３．

Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｆｉｒｓｔｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｕｂｊｅｃｔ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｄｅｓｃｉｂｅｓ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．

Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ^ｔｏ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｉｔ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｗｅ ａｒｇｕｅ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ １ｉｎｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｓｅｔｕｐ ^ａ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｕｓｅ．Ｔｈｅｎ ｗｅ ｈａｖｅ_ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ

ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅＯＦＤＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｇａｉｎｓｔ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｂａｓｅｄ^ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ

ｃｈａｎｎｅｌ，ｍａｄｅ

^ａｄａｔａｉｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆＯＦＤＭ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ

ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ ｆｏｃｕｓ

０１１ ｔｈｅ ｇｕａｒｄ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｎｄ ｃｙｃｌｉｃ ｐｒｅｆｉｘ，ｃｏｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ，ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｌａｔｅｄｔｏ ｔｈｅ ｋｅｙ

ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ

ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｉｓ ｄｏｃｕｍｅｎｔ ｓｐｅｃｉｆｉｅｓ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｐｏｗｅｒ ｌｉｎｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｔａｎｄａｒｄ ｂａｓｅｄ ^ｏｎ ＯＦＤＭ ｓｔａｎｄａｒｄ，ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ

ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｌａｙｅｒ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆＰＲＩＭＥ ａｎｄ Ｇ３．Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆ ＰＲＩＭＥ ａｎｄ Ｇ３ ｉｓ ｍａｄｅ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔａｒｅ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＬＣ，ＯＦＤＭ，ＲＰＩＭＥ，Ｇ３

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目 录

中文摘要………．Ｉ 英文摘要………ＩＩＩ １绪论………９

１．１电力线通信简介………．．９ １．２国内外ＰＬＣ研究现状………９ １．２．１国外ＰＬＣ发展现状………一９ １．２．２国内ＰＬＣ发展现状………１０

１．２．３ ＰＬＣ相关标准………．１１

２低压电力线信道特性………１３

２．１电力线信道特性分析………１３ ２．１．１时变特性………１３

２．１．２阻抗特性………１３ ２．１．３噪卢特性………１４ ２．１．４多径传输特性………・１４ ２．２电力线信道建模………１６ ２．２．１阻抗特性方程………・１^６ ２．２．２噪声特性建模………・１７ ２．２．３多径传输特性建模………・１９ ２．２．４信道建模………２０ ２．３小结………－・２０ ３ｏＦＤＭ技术………２３

３．１ ＯＦＤＭ技术简介………２３

３．２ＯＦＤＭ原理………２３

３．２．１ ＯＦＤＭ系统参数………・２５

３．２．２ＯＦＤＭ符号………・２５

３．２．３用Ｆ耵实现ＯＦＤＭ………２６

３．３ ＯＦＤＭ关键技术………２７ ３．３．１保护间隔和循环前缀………－２７ ３．３．２编码交织技术………・２７ ３．３．３加窗技术………２８ ３．３．４同步技术………３０

Ｖ

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３．３．５信道估计………．３２ ３．４小结………．．３６

４基于ＯＦＤＭ电力线通信技术标准………３７

４．１窄带通信产生的背景………３７

４．２ＰＲＩＭＥ标准………．．３７

４．２．１ ＰＲＩＭＥ标准利ＰＲＩＭＥ联盟的形成………３７

４．２．２ＰＲＩＭＥ标准简介………．３８

４．２．３ ＰＲＩＭＥ物理层概述………．３９

４．２，４ＰＲＩＭＥ物理层主要技术………．．４０

４．２．５ ＰＲＩＭＥ媒介访问控制层简介………一４４

４．３ Ｇ３标准概述………．．４７

４．３．１Ｇ３标准和Ｇ３联盟的形成………．．４７

４．３．２Ｇ３标准简介………４８

４．３．３Ｇ３物理层概述………４８

４．３．４Ｇ３物理层主要技术………．４９

４．３．５Ｇ３媒介访问控制层和适配层主要技术………一

４．４基于ＯＦＤＭ的ＰＬＣ标准概述………．

４．４．１ ＨｏｍｅＰｌｕｇ系列标准………

４．４．２Ｇ．９９６０标准………．

４．４．３ ＩＥＥＥ Ｐ１９０１标准………．

４．４．４ＨＤ．ＰＬＣ标准………

４．５小结………

５ Ｇ３和Ｐ砒ＭＥ标准的分析比较………

５．１ Ｇ３和ＰＲＩＭＥ标准的共同点………

５．２ Ｇ３和ＰＲＩＭＥ标准区别………

５．２．１前向纠错编码………．．

５．２．２差分移相键控ＤＰＳＫ的方式………

５．２．３功率谱的密度………．．

５．２．４前导………．

５．３性能对比………

５．３．１传输速率对比………一 ５．３．２误码率对比………．．

５．４总结………．

６全文总结………．

ＶＪ

………５３

・・・・－・・・・・・・－・・・－５４

－・・・・・・・・・－・－・－・－５４

………．－５５

………一５５

………一５５

………一５５

………一５７

………一５７

………．．５８

………一５８

………．．６１

………一６２

………一６２

………一６５

………－６５

………－６６

………・６７

………・６９

６．１总结………

６．２展望………

致 谢………

参考文献………

附 录………

Ａ．作者在攻读学位期间发表的论文目录………

Ｂ．作者在攻读学位期间参加的科研项目及取得成果目录…………・

ＶＩＩ

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＂

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１绪 论

１．１电力线通信简介

电力线通信技术（Ｐｏｗｅ ^Ｌｉｎｅ Ｃｏｍｕｍｃａｔｉｏｎ）是指利用电力线作为媒介，进行 语音或数据传输的一种通信方式【１］。在２０世纪初，就有利用电力线作为通信信道 的电力电话出现，后来逐渐拓展到设备保护、远程指示等方面。直到５０年代后，

ＰＬＣ通信介质也逐渐由高压线路发展到中低压电网，主要应用于负荷监控、远程 抄表等，传输速率一般在１２００ｂｐｓ以下。到上世纪９０年代，在电力公司业务的不 断拓展和信息技术突飞猛进的影响下，ＰＬＣ不再仅仅局限于电网内部，还逐步和 Ｉｎｔｅｍｅｔ相融合。电力线通信也被赋予了新的定义：利用电力线输电网和配电网络，

对语音、数据等进行传输的通信技术【２Ｊ。

随着Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的发展，上网人数不断增加，人们对信息的需求越来越大，

如何将客户终端与最近的宽带网络连接，成为Ｉｎｔｅｍｅｔ技术普及的瓶颈，也是通信 技术研究的热点。电力线是世界上最为普及的媒介，依托已有的电力线网络传送 信息，具有建设周期短、节约投资、方便布线等优点。目前，高速ＰＬＣ理论传输 速率能达到１Ｇｂｐｓ，实际短距离传输速度能够达到５００ Ｍｂｐｓ以上，加之电力线网 络本身具有的覆盖范围广、接入点多、可靠性高的优点，使得ＰＬＣ成为一项很有 前景的技术。

对于ＰＬＣ技术，按不同标准可以进行如下分类：

①从占用频率带宽可划分为窄带ＰＬＣ（ＮＢ—ＰＬＣ）和宽带ＰＬＣ（ＢＢ—ＰＬＣ）。

各个国家关于载波频率范围的标准不统一，窄带ＰＬＣ的频率范围，美国标准为５０～

４５０ｋＨｚ，欧洲的为３～１４９．５ｋＨｚ，中国的为４０～５００ｋＨｚ；宽带ＰＬＣ的载波频率范 围在美国为４－－一２０ＭＨｚ，欧洲电信标准组织的标准为１．６～１０ＭＨｚ（Ａｃｃｅｓｓ）和１０～

３０ＭＨｚ（Ｉｎ ｈｏｕｓｅｌ，欧洲电工标准化委员会的标准分界点为１３ＭＨｚ。

②从实现的通信速率来看，可分为低速ＰＬＣ（ＬＳ—ＰＬＣ）和高速（ＨＳ—ＰＬＣ）。

一般以２Ｍｂｐｓ为分界线。一般认为窄带ＰＬＣ就是低速ＰＬＣ，宽带ＰＬＣ就是高速

ＰＬＣ。

③从作为信道的电力线不同可以分为高压电力线通信（ＰＬＴ－Ｈ）、中压电力线

通信（ＰＬＴ－Ｍ）、低压电力线通信（ＰＬＴ－Ｌ）和室内通信（ＰＬＴ－Ｐ）。

１．２国内外ＰＬＣ研究现状

１．２．１国外ＰＬＣ发展现状

虽然电力线载波通信是上一世纪２０年代的产物，但是直到现在，利用电力线

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高速数据通信技术仍然是国内外许多机构研究的热点。尤其是在第二次世界大战

以后，欧洲重建的过程中，由于很多通信线路被毁，重新建设专用通信线路的过 程，周期长，费用高，很多通信方式不得已都是依靠电力线来传输。电力线通信

技术在这个时候发展比较迅速，所以在１９５０年，出现了第一个ＰＬＣ系统：Ｒｉｐｐｌｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ［３１。直到２０００年以来，在信息化浪潮的引导下，ＰＬＣ技术再次被业内所关 注。

在１９９８年，由Ｉｎｔｅｌｏｇｉｓ公司制造，用于户内联网ＰａｓｓＰｏｒｔ产品问世，虽然最 高速率只有３５０Ｋｂｐｓ，但这是第一个商业化ＰＬＣ芯片。到２００１年初，ＰＬＣ专用

芯片制造技术明显提高，美国Ｉｎｔｅｌｌｏｎ公司用于户内联网的１４Ｍｂｐｓ芯片达到实用

水平，市场占有率很高［４］。２０００年瑞士ＡＳＣＯＭ公司、德国ＲＷＥ公司与世界范围 内的多个公司和运行商合作，建设了实验系统，试验的用户数超过２０００个，并全 部取得了成功。２００１年７月１同，ＲＷＥ电力线宽带接入产品在德国的Ｅｓｓｅｎ（埃

森）安装了１５００户，从而使ＲＷＥ公司成为世界上首家宣布实现ＰＬＣ接入系统商

业化运营的企业【５^Ｊ。

欧盟为了联合欧洲的ＰＬＣ研发力量，促进ＰＬＣ技术发展，统一欧洲的ＰＬＣ 标准，在２００４年开始了ＯＰＥＲＡ（Ｏｐｅｎ ＰＬＣ Ｅｕｒｏｐｅａｎ ＲｅｓｅａｒｃｈＡｌｌｉａｎｃｅ）计划。美 国的ＰＬＣ模式仅仅在室内实现信息的交换，欧洲和亚太地区的ＰＬＣ模式不仅仅局 限于家庭内部的联网，其提供的是从变压器到用户的全面ＰＬＣ接入方案。

总体而言ＰＬＣ技术正呈现出百花齐放的局面，各公司对ＰＬＣ推出相应的标准，

Ｈｏｍｅｐｌｕｇ联盟提出的Ｈｏｍｅｐｌｕｇ系列标准，ＩＴＵ提出的Ｇ．ｈｎ标准，ＰＲＩＭＥ联盟 提出的ＰＲＩＭＥ标准，ＥＲＤＦ法国电网输送公司提出的Ｇ３标准等。

目前国际ＰＬＣ研究主要集中在这样几个方面：

①电力线信道。电力线信道一直是制约电力线通信发展的瓶颈，由于负载和 噪声存在着复杂的多变性，使得通信速率一直无法有突破性进展。所以，如何准 确地描述信道传递函数是目前研究的热点。另一方面对加紧制定电磁兼容技术标

准，以减少设备对电网的电磁污染，提高电力线信道质量。

②电力线组网技术。不少学者都认为电力线通信的最终目标是物联网，那么

必然要解决多址接入、频谱资源分配和多用户服务质量等问题。

③ＯＦＤＭ技术。ＯＦＤＭ技术具有抗多径衰落效果好、频谱利用率高等优点。

１．２．２国内ＰＬＣ发展现状

我国ＰＬＣ技术起步于１９９７年，中国电力科学研究院丌始研究ＰＬＣ技术，用 于低压抄表系统，传输速率较低，１９９８年丌发出样机，并通过了功能测试，１９９９ 年获得了产品登记许可。２０００年，国电通信中心在原国家电力公司的组织下成立 了ＰＬＣ领导小组，开始了对低压电力线宽带接入技术的研究。同年，开通了第一

条ＰＬＣ宽带接入互联网的实验小区［６］。２００１年，福建省电力公司采用传输速率为 １０Ｋｂｐｓ的ＰＬＣ模块，用来控制家用电器。２００４年０４月深圳市国电科技通信有限 公司率先在全国推出２００Ｍｂｐｓ电力线接入产品及解决方案【７ Ｊ。２００５年１１月，中电 飞华通信股份有限公司，分别在沈阳、北京、上海等地进行了大规模电力线宽带 接入试验，取得了一定的成功经验【８Ｊ。目前，我国电力线通信宽带接入用户达到 ５６５２４户，覆盖用户近６０万，构建了世界上最大的ＰＬＣ宽带接入用户试验运营网 络。

在实用化方面，目前已有北京意科、深圳国电、福建亿力、上海元利等企业 生产基于外国芯片的电力调制解调器（电力猫），并己投入使用。深圳市普联公司 于２０１ ２年推出的ＡＶＴＬ—ＰＡ５０１，通过电力线进行传输数据的路由器，可达到 ５００Ｍｂｐｓ传输速率。

国内自主生产ＰＬＣ芯片的主要有４家公司，现在对这４家公司及其产品做一 个简单介绍。弥亚微公司，其生产的芯片同时提供２００、４００、８００、１６００ｂｐｓ四种 可变速率。东软公司提供传输速率为３３０ｂｐｓ的芯片。福星晓程公司生产的芯片速 度为２５０／５００ｂｐｓ。鼎信公司的为１００ｂｐｓ。主要使用的扩频技术有：直接序列扩频、

线性调频Ｃｈｉｒｐ和『Ｆ交频分复用等一Ｊ。

按照现阶段国内厂家生产的芯片来看，国内芯片的传输速度一般都在２Ｋｂｐｓ 以内，根据实际应用状况来看，１００至５００ｂｐｓ速率水平仅能用于普通抄表功能，

如果需要实现控制家用电器的功能，则国内芯片都很难满足。所以国内ＰＬＣ技术 厂家都把自身定位于ＰＬＣ的整体解决方案上。

中国的ＰＬＣ技术亮点主要体现在智能电表上，深圳国电采用了Ｍａｒｖｅｌｌ基于 宽带ＰＬＣ的整合ＡＭＩ方案，研发了智能用电信息采集与管理系统，在全国多个省

市丌展智能用电小区试点建设，到２０１１年，使用智能电表的用户在７２００万以上，

同时出口量３０８０万只，这使我国成为智能电表生产第一大国。

１．２．３

ＰＬＣ相关标准

总体而言，在低频段的电力线通信方面有比较完善的标准，其主要应用于接 入通信，如智能电表、设备监控等方面。但是在高频段的电力线通信方面标准化 程度比较低，主要应用于室内的通信，如室内网络互连、视频监控、因特网接入 等方面。

国内ＰＬＣ接入标准都滞后于欧洲和美国标准，这与我国的ＰＬＣ技术发展滞后 于欧美有关。国内厂家主要将业务定位在，借助于已有的国外芯片，进行二次丌 发，这导致国内ＰＬＣ技术规范发展缓慢。对于低频段接入标准有：《ＤＬＴ^{３９５—２０１０} 低压电力线通信宽带接入系统技术要求》，但这只是电力部门的行业标准，相关接

入标准还有邮电行业的标准。国内需要强制执行的相关标准有关于电磁兼容的

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ＧＢ／Ｔ１７６２６．Ｘ系列标准。

总体而言，我国在ＰＬＣ技术标准方面还不是很完善，除了ＤＬＴ ３９５—２０１０标准

外，其他标准都不是专门针对ＰＬＣ技术而制定的，这就要求在下一步的工作中，

结合世界主流的ＰＬＣ标准，充分考虑到我国的通信技术、通信网络和输配电网发

展的实际情况，制定出适合我国发展的新标准。

国际上对ＰＬＣ技术的标准一般分为三个领域：电工领域、通信领域和其他领 域。电工领域的相关标准由国际电工委员会（ＩＥＣ）制定，通信领域的标准由国际 电信联盟（ＩＴＵ）制定，其他方面由国际标准化组织（ＩＳＯ）制定，相应的欧洲区 域化层面由欧洲电工技术标准化委员会（ＣＥＮＥＬＥＣ）、欧洲电信标准委员会（ＥＴＳＩ）

和欧洲标准化委员会（ＣＥＮ）所制定。

除了上述机构外，一些协会和联盟对ＰＬＣ技术标准的制定和推动也有着强大 的推动作用，例如北美的Ｈｏｍｅｐｌｕｇ联盟和欧洲的ＰＵＡ联盟、ＯＰＥＲＡ联盟等。欧 洲的ＰＲＩＭＥ联盟推出的ＰＲＩＭＥ标准，最初只是联盟标准，后来被纳入欧洲电工 标准化委员会（ＣＥＮＥＬＥＣ）ＣＬＣＴＳ一５０５６７—１标准，成为欧盟行业标准，最终被国际 电信联盟（ＩＴＵ）及国际电子工程师学会（ＩＥＥＥ）所采纳，ＰＲＩＭＥ也被定位为全球通用 的行业标准。由此可见，产业化是推动技术进步的重要因素。

综上所述，ＰＬＣ标准不统一的原因有以下几个方面：

①各国知识产权和贸易壁垒的阻碍。

②各国现有的电网标准和通信标准不统一。

③从国内来看，涉及ＰＬＣ的相关行业和机构的各种利益难于协调，造成标准

滞后。

２低压电力线信道特性

低压电力线是从低压变压器的出端到用电器的上端，距离一般在３００米以内。

电力线最初的设计目的是用来传输电能，所以电力线并不是一个理想的通信信道。

实验结果表明，在低压配电网作为电力线通信时，影响信号的因素有多径效应、

信号衰减、线路阻抗和电网中存在的噪声‘１ ０１。另外由于电力线网络中的负载不断 的接入和切出，使得整个电力线信道的特性更加复杂。

２．１电力线信道特性分析

２．１．１时变特性

对一个小的供电网络而言，其负载是不稳定、随时变化的，这就使得电力线

信道具有很强的时变性。大功率用电器，特别是感性负载接入、切出电网的时候 对信号所在的信道影响较大，能在短时间内使信号的衰减达到２０ｄＢ［１¨。

２．１．２阻抗特性

低压电力线作为通信的媒介时，必然要考虑其信道阻抗，一般指从变压器的 下端、信号发射装置开始，到用户端的信号接收端之间的阻抗。如果阻抗失配，

将产生很大的能量损耗。

电力线主要是铜线和铝线，本身阻抗不大，可以看成一根均匀分布的载体，

在电力线本身具有感性和容性特性，输入阻抗随着传输信号的频率增大而减小，

但是变化很小，可以忽略‘１２】。在电力线上存在负载的时，输入阻抗都就会降低，

而且阻抗随着负载的增大而减小。

根据公式：

Ｚ＝Ｒ＋／（肜＋彬）

（２．１）

暖＝２ｒｏｌＬ

（２．２１

ｗ＝一斋

^{２７【厂Ｃ}１ ^{（２．３）Ｌ厶ｊＪ}

可知，在理想状况下，随着信号频率增大，空载状态下的电网阻抗会随之增 大。但是由于整个电力线网络的复杂性和负载的多变性，还要考虑有载状态下，

电网阻抗的变化［１^３１。

图２．１反映的是在低压电网中，同一时间，不同接入点测出的阻抗与频率 的关系【１４］：

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ｔ００

ｔ０

Ｇ、、

ｊ鼍∑ Ｗ一 １

４００ ６００ ８００ １０００

频率，ｋＨｚ 幽２．１阻抗和频率的变化关系

Ｆｉ９２．１ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ^{ｖｅｒｓｕｓ}ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

由于在低压电网中，不同的接入点的阻抗肯定是不同的，所以导致同一时刻，

同一电网出现了不同的阻抗特性。

２．１．３噪声特性

一般认为，对通信影响较大的噪声有【ｌ

^５Ｊ：

①同步脉冲周期噪声：主要是晶闸管调节器（ＳＣＲ）产生，例如：整流器、

逆变器，其频率是工频５０Ｈｚ的整数倍，持续ｆＪ寸Ｉｈｊ为微秒级。脉冲周期噪声的功率

谱密度随频率的升高而下降。

②非同步脉冲周期噪声：是相对于同步周期脉冲噪声而言的，其频率是非工

频周期的倍数，主要来源是显示器产生的谐波【ｌ^６｜。

③突发脉冲噪声：主要由大功率的用电器快速的接入切出电路而产生的，其

特点是频率覆盖范围宽、时间持续时问在几微秒到几毫秒之问。

④窄带噪声：由于短波广播在频域上的串扰而产生，可以与其他的噪声明显

区别开，随着电离层的变化而变化，持续时间长。

⑤有色背景噪声：由各种低功率的噪声源引起，主要是各种热噪声和小型电

机产生谐波的叠加干扰，属于随机噪声。

２．１．４多径传输特性

电力线通信中，发射机和和接收机之间存在着多条物理路径，信号可以通过 不同的路径到达接收机，必然导致信号到达接收机的时间和相位不同。当多径信 号的延时较短时，可以忽略不计；如果延时较长，就会对有用信号产生码间干扰。

多径效应主要表现为瑞利型衰落和频率选择性衰落。

现就这两种不同类型的衰落进行分析：

１４

①瑞利衰落

设发射波为ＡＣＯＳ。ｆ，经过ｎ条不同路径传播后接收得到的信号为：

月（，）＝∑∥ｉ（ｔ）ｃｏｓｏ）。卜ｆ如）］＝ｉｆ＇］ｐ／（ｔ）ｃｏｓ［ｃｏ。卜仍（，）］

ｊｒＩ 江１

尺（，）＝∑“（≠）ｃｏｓ仍（ｆ）ｃｏｓ铴，一∑“（，）ｓｉｎ够（，）ｓｉｎ铴，

其中“（ｒ）为第ｉ条路径的接收信号振幅，ｒ舢）为第ｉ条路径的时延。

设：

ｘ。（ｆ）＝∑∥ｊ（ｔ）ｃｏｓ‘ｏｉ（ｔ）

活１

Ｘ，（ｆ）＝∑∥ｊ（ｔ）ｓｉｎ^{６Ｐｉ（ｔ）}

ｉ＝１

（２．４）

（２．５）

（２．６）

（２．７）

尺（，）＝Ｘｃ（ｔ）ｃｏＳ ｃｏｏｔ—Ｘｓ（ｔ）ｓｉｎ ｃｏｏｔ＝Ｖ（ｔ）ｃｏｓ｛ｃｏｏｔ＋妒（ｆ）］ ｆ２．８１

接收信号的包络为：

矿（ｆ）２ｘ／ｘ；（ｔ）＋Ｆ（ｆ） _{ｆ２．９）}

接收信号的相位为：

㈣＝ａｒｃｔａｎⅣＸ，．两（ｔ）

^{（２．１。）}

由于∥，（ｆ）和ｒ，（ｆ）是缓慢变化的，所以包络ｙ（ｆ）和相位妒（ｆ）也是缓慢变化，可 以把尺（ｆ）视为一个窄带过程。其相对于载频变化缓慢，可以看成平坦衰落。

②频率选择性衰落

为了方便研究，假设传播的路径只有两条，并且到达接收机时，其信号强度 相同，其中发射信号为厂（ｆ），到达接收点信号为Ｖｏｆ（ｔ）、Ｖｏｆ（ｔ—ｔｏ—ｒ），其中ｔ。为 固定时延，ｆ为时延差。多径模型如图２．２所示。

ｊ盟—ｆ了＿！』垃两幽璺！厂］Ⅳ（ｒ一岛）

一—一 ^{｝＋【二塑！二｜ｒ）}

—ｒ［蛋型≮至上单ｆ

图２．２多径模型

Ｆｉ９２．２Ｍｕｌｔｉ—ｐａｔｈ^{ｍｏｄｅｌ}

传输特性：

Ｈ（∞）＝％已嘲’（１＋Ｐ书７） _{ｒ２．１１）}

当∞：—２／７—７‘时，为传播极点，当∞：—（２ｎ＋—１）ｒｔ，为传播零点，由于ｆ是一变量，

ｒ ｆ

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所以传输零点的位置不是恒定的。ＰＬＣ信道的多径时延均不相同，设其均值为Ｔ，

则信道相干带宽为４ｆ＝－ｌｉＴ，当传输信号带宽比相干带宽大时，该信号就会产生明 显的频率选择性衰落㈣。第ｉ条路径的延时时间ｆ．可以表示为：

／＇ｉ：监

^{（２．１２１}

ｃ．０

其中ｄｉ为第ｉ条传输路径的长度，专ｉ为导线绝缘材料的介电常数，Ｃ。为光速。

则相干带宽为：

Ａｆ＝隶

^{（２．１３）}

当信号的带宽大于相干带宽，信号就会出现明显的选择性衰落。

供电距离一般不超过５００米，取ｄｉ＝５００；常用的聚氯乙烯电缆介电常数小于４，

取三．＝４。则相干带宽在以上情况下为３×１０５

Ｈｚ，在ＰＲＩＭＥ和Ｇ３标准中带宽为 ４６ｋＨｚ和４７ｋＨｚ。

４产３×１０５

^{Ｈｚ＞４７ｋＨｚ}

所以在以上两个标准中，不存在传播零点。

２．２电力线信道建模

要对通信方案进行评估，其前提就是要有一个比较精确的信道模型。首先对 电力线上存在的阻抗、多径效应等进行分析，重点分析电力线噪声的特性，对各

种噪声进行建模，最后给出信道模型。

２．２．１阻抗特性方程

考虑到电力线上电阻、电抗和线与线之问电容电导的存在，所以在不同位置 上的电压、电流也不相同。“可以将信号的传输看成电流传送，那么ＰＬＣ信号沿着

传输线传播时，就可以用电报方程式来描述。”［１

８］即可以用线路始端或末端的电流 和电压来确定导线上任一点处的电流和电压。

用传输常数ｙ和特性阻抗Ｚ，确定线路任一点的电流和电压关系：

』Ｕｘ＝Ｕｏｃ办ｐ＋ＩｏＺｃｓｈ＇／ｘ

１

Ｉｘ＝Ｉｏｃｈｙｘ＋＿Ｕ，。Ｚｃｓｈｙｘ （２．１４）

ｌ ｚｃ

其中式中：ｕ．和，，分别为发射机处的电压和电流，Ｘ为发射机到接收机这段 线路的长度，Ｙ和Ｚ，分别为这段线路传输常数和特性阻抗，它们与线路单位长度 电阻民、电感厶、线间电导Ｇ。和电容Ｇ的关系为：

／＝４—（Ｒｏ＋ｊｃｏＬｏ）（—ＧＯ＋ｊ０３Ｃｏ）＝ａ＋邝

ｚ。＝厝磊

^{（２．１５）}

其中口为衰减常数，∥为相移常数。

２．２．２噪声特性建模

①有色背景噪声

有色背景噪声是由多种低功率噪声组合而成的，即使单个的噪声不服从于高 斯分布，但是多个独立噪声之和还是趋向于高斯分布。有色背景噪声可以利用对 多个白色噪声滤波后形成。如图２．３所示。

。只篓煮，＿成蒜器卜背景噪声

（方差６２） 成彤滤波器 ^““。’

图２．３背景噪声的模犁

Ｆｉ９２．３ Ｍｏｄｅｌｏｆ ｃｏｌｏｒｅｄ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｏｉｓｅ

背景噪声可以用白噪声通过滤波器后得到，噪声形成的滤波器可以表示为：

，”

Ｈ㈤：堕：

彳（＝ｌ

１＋ｙｂｚ—ｉ

Ｊ：．＿Ｊ

—ｊ＿

^{（２．１６）}

１＋ｙ以７－Ｊ

^{、 ７}

Ｊ：＿一７ Ｊ＝１

Ｂ俐表示可变均值，彳俐表示自回归部分。令Ｂ例＝１，使用自回归过程模型，参 数由自回归谱估计方法测得的噪声而确定。由于背景噪声的功率谱密度变化缓慢，

因此，模型的参数只在出现新状态，对噪声进行仿真时才改变。

②窄带噪声

窄带噪声可以用Ⅳ个独立的正弦函数的叠加来描述‘１９］：

上

”（ｆ）＝∑Ａ，（ｔ）ｓｉｎ（２７ｃｆｔ＋仍） （２．１７１

ｉ＝Ｉ

其中．ｆ表示广播短波的频率，．ｆ的取值范围是：５３ｌｋＨｚ～１６０２ｋＨｚ，频率间隔 为９ｋＨｚ；短波频率范围为２．３ＭＨｚ～２６ＭＨｚ。

Ａｉ（ｔ）表示广播短波的幅度，变化较为缓慢，在时间上可能是一个常数，也可能 是对广播信号比较近似的调制幅值。

织表示广播短波的相位，妒ｉ在Ｏ～２万之ｆ白Ｊ随机取值。

③脉冲噪声

根据脉冲噪声的测量结果，脉冲噪声可以看成是衰减的『Ｆ弦波或者为衰减正

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弦波叠加而生成［２０，２１］对波形的形式没有严格的约束。脉冲噪声可以看成单个脉冲

组成的脉冲序列。

为了便于计算，可将脉冲噪声看成则由按指数规律衰减的『Ｆ弦信号，单个脉

可表示为［２２］：

．－——Ｉ

Ｎ＝Ａｅ。ｓｉｎ（２ｒｃｆｉ＋妒） （２．１８）

彳：脉冲幅值。通过测量，再根据统计数据计算可以得到其相应的概率分布，

也可以知道脉冲幅度的取值范围。

ｆ：时Ｉ、自Ｊ常数。与脉冲宽度有关的一个参数，可由脉冲宽度来得到，其值可以 近似于脉冲宽度的１／５。通过测量，再根据统计数据计算，得到脉冲宽度的概率分 布，也可以知道脉冲宽度的取值范围。

厂：衰减『Ｆ弦波频率。通过测量，用统计的方法可以得到衰减正弦波频率的 概率分布和衰减正弦波频率的取值范围。

文献［２３］认为：

ｆ（ｘ）＝ａｂｘ扣１９一‘ _{（２．１ ９）}

可以描述实验曲线，其中当工在５００ｋＨｚ和３ＭＨｚ之间时以：５

^ｘ１０一，ｂ：６．０７；

当五大于３ＭＨｚ时ａ＝０．５９，ｂ＝２．２７。

缈：衰减正弦波初始相位，在０～２万之间随机取值。

考虑到脉冲在整个时间轴上出现的时间，该时间轴上的单个脉冲可用公式

（２．２１）表示。

Ⅳ２Ⅳ唧圳．。（卜ｔ。，）

－Ｉ

Ｎ＝Ａｅ ^７ ｓｉｎ［２ｚｆ（ｔ—ｔ。）＋缈］

ｔ，，为单个脉冲出现的时问。

幅 度

Ｙ

轴

图２．４连续脉冲示意图

Ｆｉ９２．４ Ｄｉａｇｒａｍｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｉｍｐｕｌｓｅ ^{ｅｖｅｎｔｓ}

（２．２０）

（２．２１）

连续脉冲的相关参数如图２．４所示。其中ｔ—ｔ。都是非常重要的参数，可以通 过测量确定。而ｔ。除了关于第一个脉冲的值需要确定外，其他所有脉冲的ｆ。都可 以通过计算来推导。脉冲出现时间，对通信信道影响不大，不是一个重要的参数。

第Ｊｖ个脉冲出现的时间为：

ｔａ删ｉ－ｔ口Ⅳ＋∑（ｆⅥＪ＋‘）

^{（２．２２）}

同步脉冲周期噪声和非同步脉冲周期噪声可以根据公式２．２１和公式２．２２推 导，其中同步脉冲周期噪声的周期为０．０２ｓ，非同步脉冲周期噪声的周期为对应干 扰源的工作周期。

２．２．３多径传输特性建模

电力线信号传输不仅仅局限于发射机和接收机之Ｉ＇ＢＪ的直接信道中，还有其他 因为反射而形成的路径‘２４１。每一个路径都有一个加权系数ｇ，，表示该路径上的反 射和传输因子，由于阻抗和衰减的存在，其大小都不大于１。

由２．１．４节可知，信号的衰减不仅仅与频率有关，而且与路径有关，则衰减可 表示为彳（厂，ｄ），接收端的信号是各条路径的信号总和，所以传输线路的频率响应 为：

Ｈ（厂）＝∑ｇｉ彳（．厂，ｄ加叩州。 ^{（２．２３）}

信道损耗是与传输频率有关的一个信道参数。传输路径为，的线路，其频率响

应Ｈ・（厂）可以用复传输常数和距离为ｘ处的电压Ｕ（ｘ）表示，复传输常数为：

ｙ＝√（尺’＋ｊｃｏＬ）（Ｇ’＋ｊｃｏｃ’）＝口＋／∥ （２．２４）

所以

Ｗ）＝等岩玎∥＝ｅ－Ｕ（ｆ）ｌｅ－Ｊｆ３（ＴＭ

^{（２．２５）}

考虑到在频率较高的时候，有ｃｏｌ》Ｒ’，∞Ｃ》Ｇ’，所以线路可以看成是具有

实数特征ｚ，的信道，复传输特征可以简化为：

１，＝ｋ，４ｆ＋ｋ２ｆ＋ｊｋ３ｆ＝仪ｏ＋０ｔｌｆ。 ^{（２．２６）}

ｋ．、ｋ，、ｋ，与电力线的材料和形状有关，ａ。、仪。与ｋｌ、ｋ：相关，所以衰减因 子可以近似表述为：

ａ（ｆ）＝Ｑｏ］Ｌ仪１ｆ“ （２．２７）

由公式（２．２３）、（２．２５）、（２．２７），信道衰减可以表示为：

Ｈ（厂）＝Ｚ ｇｉ（厂）妙％七一，厂１讲ｇ叩咖

^{（２．２８）}

在很多时候ｇ．可以简化成实数，则２．２８可以简化为：

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Ｈ（／）：∑Ｎ

ｇｉｅ（ａｏ＋ａｌｆｋ）ｄｉ^{ｅ－Ｊ２７ｒｆ（ｄｉｖｐ’} （２．２９）

公式（２．２９）利用延时部分和低通特性描述了信号传输的情况，而且从衰减的

部分可以看出：衰减随着频率和路径的增加而增加。ｇ，的大小与频率无关，所以 可以当做实数处理，简化了公式。

２．２．４信道建模

从上文可以看出，电力线信道中影响电力线通信系统性能的因素主要在于以

下４个方面：发送器输出阻抗不匹配、信道衰耗、噪声干扰、突发干扰１２

５｜。因而，

可将低压电力线信道简单认为只存在多径衰落和噪声干扰。其中多径衰落信道可

以用时变线性滤波器来模拟仿真。电力线通信信道模型如图２．５所示。

图２．５电力线通信信道模型

Ｆｉ９２．５ ＰＬＣ ｃｈａｎｎｅｌ ｍｏｄｅｌ

除噪声外，所有的衰耗都用频率响应时变线性滤波器来表征，噪声被当作是 可加性随机干扰过程，因而电力线通信信道模型可以简单地用带加性噪声的时变 滤波器表示。

２．３小、结

本章详细分析了低压电力线的信道特性，分析了影响电力线信道特性的各种 因素，研究了低压电力线的衰减特性。最后给出低压电力线的信道模型，信道模 型是后面章节讨论调制的基础。根据对电力线的信号时变特性、衰耗特性、噪声 特性、相移特性及多径传输特性的分析认为，在一定的频率范围内，以一定的调 制方式和传输速率，可以利用低压电力线路进行数据信号的传输。

借助于电力线通信的过程中，出现了信号传输衰减较大，发射功率受限制等 问题，这就对调制技术提出了较高的要求。另外信道的传输特性随频率的升高而 变差，信道噪声功率的分布限制了所选择的频率范围，在低频段传输特性和噪声 特性受负载变化的影响较大。根据上述的电力线特性，我们选择了ＯＦＤＭ调制技

２０

术。ＯＦＤＭ技术是在低压电力配网上实现高速数字传输的理想选择，它与通道编 码和交织技术的结合能达到可靠而有效的通信。

２１

重庆人学硕＋学位论文

３ ＯＦＤＭ技术

在电力线信道中存在着各种各样的干扰，无论是自然干扰还是人为干扰，对

ＰＬＣ信号的传输都有着不同程度的影响，尤其是多径衰落与窄带噪声。由于ＯＦＤＭ 具有抗多径衰落和背景噪声的优点，是很多ＰＬＣ标准所采用的核心技术。本章着

重研究了ＯＦＤＭ技术的基本原理和重要技术。

３．１ ＯＦＤＭ技术简介

『Ｆ交频分复用（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ，ＯＦＤＭ）的技术 一般认为是由多载波调制技术发展而来的，到了上世纪７０年代，形成较为完善的 ＯＦＤＭ理论，但是由于硬件技术的限制，ＯＦＤＭ技术并没有被业内人士广泛接受。

在上世界８０年代，由于大规模集成电路的应用，使得ＦＦＴ技术可以较为方便的实 现，从而ＯＦＤＭ技术进入实用阶段［２

６『。ＯＦＤＭ技术有着频谱利用率高、抗多径衰

落能力强的优点，电力线通信发展所遇到的公认难题正是信道环境恶劣、带宽较 窄，从此ＯＦＤＭ技术被纳入为许多电力线通信的核心技术，比如ＨｏｍｅＰｌｕｇ系列

标准、ＰＲＩＭＥ、Ｇ３等，并被广泛研究和应用在无线局域网、高清晰度电视、４Ｇ、

卫星广播等其他通信领域。

ＯＦＤＭ技术基本原理就是把高速信号经过串并转换后，分配到多个子信道上 分别进行传输，各个子信道在时间上相互正交，频率上相互重叠，其调制和解调

采用傅罩叶逆变换（ＩＤＦＴ）和傅里叶变换（ＤＦＴ）来实现。这使得ＯＦＤＭ技术具

有以下优点：

①有效对抗多径衰落。经过串并转换后，每一个子载波上传输的数据符号持

续的时间相对增加，提高了进入接收机均衡器信号质量，减少了多径衰落的影响。

②频带利用率高。与其他的传输技术和频分多路技术相比，ＯＦＤＭ系统的各

个子载波频谱可以重叠，相互『Ｆ交。

③ＯＦＤＭＡ系统。ＯＦＤＭ技术可以与其他多种接入方法结合使用，比如多载 波码分多址、调频ＯＦＤＭ等。

由于ＯＦＤＭ引入了多路子载波正交并行传输的技术，所以也存在着对频率偏

差比较敏感，有着较高峰均功率比的缺点。

３．２ ０ＦＤＭ原理

自从上个世纪数字化通信技术的飞速发展以来，人们对信息量的需求越来越

大，从而不断要求更快的传输速度。如果采用传统的调制技术，必然要降低信道

重庆大学硕十学位论文

的信噪比，但是信息量的增加必然导致信道噪声的增加，从而数据速度很难有大 的突破，这成为信息化发展的一个瓶颈。ＯＦＤＭ技术将高速数据流串并转化后，

成为多个子信道低速并行传送的数据。虽然每个子载波的信号传输速率并不高，

但是所有子信道共同传输，还是可以获得很高的传输速率。下面就对ＯＦＤＭ技术

进行一个简单的分析：

—雨一 歼

爿二 映 ^Ｌ４】

转 ｈ 射 ｈ１ＤＦＴ 卜 转

换 ^ｙ 器 ^{Ｖ ／} 换

器 器

－Ｎ ３．１ＯＦＤＭ系统模型

Ｆｉ９３．１ ＯＦＤＭ Ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｄｅｌ

ＯＦＤＭ系统的模型如图３．１，图形上部为发射机，下部为接收机，其工作流程

①编码和译码。以编码为例，上图的编码过程包括前向纠错、交织两个步骤。

前向纠错是提高数字通信系统性能的常用方法，由于初始信号传送到编码器之前 存在着衰减和失误，前向纠错可以恢复部分错误。交织将在时域或频域上连续的 突发性错误，在时间上进行扩散，译码器在工作的时候将这些错误当成随机错误

处理。

②映射和逆映射：各子信道上的调制方式不一定相同，比较平缓的子信道上

加载较多的数据调制，衰落大的子信道上加载很少或者不加载数据，这个模块可

以增加系统的传输速率。

③ＩＦＦＴ／ＦＦＴ：在计算过程中ＤＦＴ的计算量会随着采样频率的增加而成指数

级增加，而ＦＦＴ的技术复杂程度大为降低，所以通常采用更为简便的ＩＦＦＴ／ＦＦＴ［２^８１。

④加入ＣＰ和除去ＣＰ：多径传播会造成子信道问的干扰（ＩＣＩ），为了消除这 种干扰，可将ＯＦＤＭ符号尾部的信号复制到该ＯＦＤＭ符号的头部，所形成的扩展 信号称为循环前缀（Ｃｙｃｌｉｃ Ｐｒｅｆｉｘ，ＣＰ）。加入保护间隔后，会给ＯＦＤＭ系统带来一定

的损失。

２４

３．２．１

ＯＦＤＭ系统参数

一个ＯＦＤＭ系统主要有这样几个基本的参数：系统带宽Ｂ、子载波数Ｊｖ、子

载波频率ｌ、白Ｊ隔．疋、有效符号时间Ｔ、多普勒频移厶、多径时延扩展Ｔ。、和循环前缀

ｔ尸。

系统带宽Ｂ由基带信号所占用的带宽所确定，与子载波数目Ｎ＊Ｈ子载波间隔ｆ 有关。当系统子载波数目为Ⅳ，子载波间隔为Ｚ，则Ｂ＝Ｎｆ＜。

子载波数Ⅳ可以直接利用系统带宽Ｂ除以子载波频率Ｉ＇Ｂｊ隔ｆ得到。每个子信 道中传输的比特速率由调制类型、编码速率和符号速率来确赳２９１。

有效符号ＨｇＩ＇ＢＪ Ｔ（即ＦＦＴ时间）对子载波频率间隔和译码的等待周期都有影 响，为了保持传输速率，就要保证子载波数目和ＦＦＴ的长度要有较大的值，这样 会导致有效符号持续时间的增大。在实际应用中，载波的偏移和相位的稳定性会 影响两个载波之问频率问隔的大小。总之，选择有效符号时间，必须以保证信道 的稳定为前提。

子载波频率Ｉ＇ＢＪ隔ｆ是相邻的两个子载波之间的频率Ｉ＇Ｂｊ隔。如果ＯＦＤＭ的有效

１

符号时间为丁，则有Ｔ＝÷。

１ｃ

为了消除多径传播造成的ＩＣＩ，将ＯＦＤＭ符号进行周期扩展，用扩展的符号 填充保护间隔，并把保护问隔内的信号称为循环前缀。这样，多径时延长度小于 循环前缀耳，的多径信号就不会产生ＩＣＩ。一般情况下，循环前缀的长度耳，要大于 信道的最大时延扩展Ｔ。。。。

３．２．２

ＯＦＤＭ符号

一个ＯＦＤＭ符号由多个子载波所构成，这些子载波是以相移键控（ＰＳＫ）或 者是正交幅度（ＱＡＭ）调制过的。所以，从ｔ＝ｔ，丌始的ＯＦＤＭ符号的表达式为：

ｒ．Ｖ－Ｉ 一 ］

ｓ（ｆ）＝Ｒｅ｛∑ｄ，ｒｅｃｔ（ｔ—Ｉ一了１）ｅｘｐ［／２刀ｆ（ｔ－ｔ）］｝，ｔ≤矧，＋丁

_{Ｌ ｉ＝０} 厶 Ｊ ^{（３．１）}

其中Ⅳ为子载波的个数，

丁为ＯＦＤＭ符号的周期，

ｄ？为分配给每个信道数据符号，

厂表示第ｉ个子载波的载波频率，

７１

ｒｅｃｔ（ｔ）为矩形函数，ｒｅｃｔ（ｔ）＝１，ｔＩ≤÷，

Ｚ

ｓ（ｔ）＝０，ｆ＜ｔ。或ｆ＞Ｔ＋ｔ，。

每个子载波在一个ＯＦＤＭ符号周期内都包含整数倍的周期，∥＝Ｚ＋圭而且每

』

个相邻的子载波只相差一个周期，这样才能保证子载波之间的相互『Ｆ交。

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对公式（３．１）中第／个子载波进行解调，然后在一个周期丁时间内开始积 分，有：

ｄｊ＝－歹１一ｅｘｐ『一ｕ，２万事ｃｒ—ｔ，］篓４ ｅｘｐ［／２万事ｃｒ一‘，）办

＝７１彭Ｎ－Ｉ卜小刀孚卜ｕ卜

＝ｄ， （３．２）

由公式（３．２）可知，对于第／个子载波进行解调可以恢复出期望的符号，即每个

子信道都可以解调为原先的信号，这个过程可以利用ＦＦＴ算法来实现。

３．２．３用ＦＦＴ实现ＯＦＤＭ

设己调ＯＦＤＭ信号在第ｉ个码元间隔内可以写成：

ｓ彤）＝∑置（尼，ｔ）ｅｘｐ（ｊ２ｚｃｆｋｔ） （３．３）

实现如公式（３．３）所示的多载波传输系统，需要的振荡器和带通滤波器组，系统

的结构复杂，体现不出多载波传输的优势。但是可以利用快速算法（ＦＦＴ），使得 多载波传输系统的实现变得简化。

在理想状态下，设接收信号以抽样率，进行抽样，用ＤＦＴ对抽样信号进行解 调，利用Ⅳ点的ＤＦＴ可以计算出信号的第ｋ个频谱分量为：

ｓ（坶）＝芝ｔｌ＝０ Ｊ（号）ｅＸｐ（一／２万，ｚ专）

／ｃ ^{』’ （３－４）}

其中，Ｓ（ｋＡｆ）为第ｋ个频谱分量；

５（÷）为抽样信号，ｎ＝Ｏ，１，２，３…，Ⅳ－１；

Ｊｓ

Ⅳ＝冬为ＤＦＴ的分辨率。

要使ＤＦＴ计算出频谱，信号肯定是在Ⅳ点抽样外周期重复，所以信号也只含

有该ＤＦＴ的谐波成分。将扛＿ｎ带入公式（３．３），有

ｓ（量Ｓ）＝篁ｊ＝ｏｘ（／）ｅｘｐ（／２万乃丢）

^{Ｊ ｊ５}

将公式（３．５）代入公式（３．４）可有

ｓ（ｋＡｆ）＝Ｚ萋Ｚ萎Ｘ（ｊ）ｅｘｐ（ｊ２ｎ－ｆ．，抄ｐ（ｊ２ｊ＝０

^＝”＝０

^导）ｅｘ

^，。

^{万ｎ争 万ｎ等）}

^』Ｖ

＝缶Ｎ－！烈Ｌ，烈才ｆ．一万ｋ）

＝乙烈Ｌ，烈亏一ｉ）

，＝０ ．，ｃ ^』’

对比公式（３．４）、（３．６）可知当六＝ⅣＨ，２，有ｓ（ｋ／Ｖ）＝ＣＸ（ｋ）

（３．５）

（３．６）

其中Ｃ为常数，当个子载波的频率解调用的ＤＦＴ分辨率的整数倍的时候，可 以对已调抽样信号进行解调。

３．３ ＯＦＤＭ关键技术

３．３．１保护间隔和循环前缀

信号经过串并转换后到达并行的子信道，由于每个用于调制子载波的数据符 号周期是进入该子载波原始数据周期的Ⅳ倍，所以信道时延扩展与符号周期的比

值也下降到二。这就使得信道时延对信号传输的影响就降低了。为了最大限度的

Ｎ

降低符号ｌ、白Ｊ串扰（ＩＳＩ），在每一个ＯＦＤＭ符号前一段插入保护间隔（ＧＩ），而且该 保护ｌ、白ｊ隔的时间要大于信道的最大时延，从而确保前一个ＯＦＤＭ符号的延时不会 对下一段ＯＦＤＭ符号造成影响。

但是由于多径传播的影响，相邻的子载波周期之差不是整数，这就表明两个 子载波不再正交，产生了信道问干扰。１９８０年，循环前缀第一次被Ｐｅｌｅｄ引进到

ＯＦＤＭ技术当中，成为ＯＦＤＭ特有的方法，来克服ＩＣＩ影响。Ｐｅｌｅｄ采取的是在保 护间隔中填入循环前缀（ＣＰ），即在保护间隔中加入了ＯＦＤＭ符号的尾部数据，

从而保证在一个ＦＦＴ运算时间长度内，不会发生信号相位的跳变。

图３．２是ＯＦＤＭ系统中，关于循环前缀参与调制过程的框图。

去

ＧＩ Ｇｌ

输入 由 并 ^由 并

数据一 并 ^由 信道 并 ^由

转 ^ＩＦＦＴ

ｈ ＦＦＴ

转 ｒ。 转 转

换 换 换 换

图３．２循环前缀参与调制过栏

Ｆｉ９３．２ ＣＰ ｉｎ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ

３．３．２编码交织技术

为了能够充分对抗频率选择性衰落，一般会在ＯＦＤＭ中引入相应的编码技术。

通常通信系统中都是采用单级纠错码，信道环境比较恶劣的时候，才采用级联编

码。级联编码指的是将多种形式的编码方法级联在一起。级联编码的优点是可以 提供较大的编码增益，在实现上也比较简单。如图３．３所示。

—一Ｊ＇ｌ－部编码卜一外部交织＿＿一内部编码＿＿一内部交织一

图３．３级联码结构

Ｆｉ９３．３ Ｃｏｎｃａｔｅｎａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅｆｏｒｍａｔ

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输入信号首先在外部编码器和交织器中进行编码和交织，然后在内部编码器

和交织器中再次进行编码和交织。通常外部则采用分组码，内部编码器采用卷积 码。级联码的缺点：由于多级交织，导致时延增大。而且采用卷积编码和频率交 织使得系统具有频率分集作用，采用卷积编码和时间交织可以使ＯＦＤＭ系统具有 时问分集作用。ＯＦＤＭ系统是多路子载波并行传输的，为子载波间的编码提供了

机会，通过联合编码和交织，可以进一步利用信道分集特性来改善系统性能。

采用子载波联合编码，对传输的信息在时间和频率上进行交织，可以达到抗

衰落的目的。编码和交织把一个局部的衰落打散并平均分布在整个带宽和时问之 内。在一般系统中，频率选择性这一缺点，由于采用了编码和交织技术，在ＯＦＤＭ

中转化为优点，增强了频率上的分集效果。

３．３．３加窗技术

一个ＯＦＤＭ符号包含多个独立的子载波信号，这些信号是使用ＩＤＦＴ进行单 独调试的，各个子载波的包络值是独立的。但是，如果子载波数量比较多的时候，

例如在ＨｏｍｅＰｌｕｇ

Ａｖ中有９１７个子载波，如果把每个子载波信号看成相位随机的

余弦信号，在同一时刻，这些余弦信号有可能在同一个相位上叠加，就产生较高 的峰均功率，导致峰均比（ＰＡＲ）较高。

峰均比较高对ＯＦＤＭ系统带来一些不良影响。首先在实际应用中要保证瞬问 的大功率，对电子设备的标准较高，增加了成本；或者工程中很难实现如此高的 功率，直接导致非线性的相位失真，对接收机影响较大，尤其是解调过程。其次，

在一些国家对于电子设备的电磁有着严格的限制，要求电子设备在Ｊ下常运行过程 中，对周围环境所带来的电磁干扰不能超过标准值【３…。

降低ＰＡＲ最简单的方法就是在信号没有经过非线性元件之前对信号进行限 幅，使得叠加后的峰值信号在预期限定值之内。但是这种方法也有缺点：对ＯＦＤＭ 符号的幅度进行限制后，很难对产生的信号进行恢复，从而影响系统的稳定性，

造成较高的误码率。一般对于这种情况都是采用加窗技术。

根据ＯＦＤＭ符号的表达式（３．１），假设ｔ。＝０，则有：

ｓ（ｆ）＝寺∑ｄ，ｒｅｃｔ（ｔ一寻）ｅｘｐ（ｊ２ｅｒｆｔ） １掣Ｔ

^{（３．７）}

～』Ｖ ｉ＝０ 厶

１

其中—；是归一化因子。

～Ｎ

对于包含Ⅳ个子载波的ＯＦＤＭ符号，其功率谱密度是指这些子载波上的信号 的功率谱密度之和，即：

酬２＝而１酽Ｎ－１筹Ｉ一

^{（３．８）}

ＯＦＤＭ的功率谱密度如图３．４所示。

阿一一１ ｉ。、Ｉ

１ １

ｎ

一 ｎ

ｆ

ｆ

^一

^［ 气 ^黼

［群 ^ｎ

^{一 一}

图３．４未加窗的ＯＦＤＭ功率谱密度

Ｆｉ９３．４ ＰＳＤ ｏｆＯＦＤＭｗｉｔｈｏｕｔ ａｄｄｉｎｇ ｗｉｎｄｏｗ

其中横坐标为归一化频率，纵坐标为功率谱密度。要想降低峰均比，就必须 要是图中函数的下降部分变得陡峭。

根据ＯＦＤＭ符号的功率谱密度可知，当子载波数量增加的时候，功率谱密度 的函数会变得陡峭，但是还不能满足实际应用。因此，引入“加窗”技术，一般 引入升余弦函数。

升余弦函数的定义为：

１４’（ｆ）＝

ｏ．ｓ＋ｏ．５

ｃｏｓ（肼蠢）

１

ｏ．ｓ＋ｏ．５

ｃｏｓｃ警，

公式（３．９）００ Ｉ表示没有加窗前的符号长度，加窗后的符号长度为（１＋ｆ１）ｒｓ，∥

称之为滚降系数。不同∥值经过加窗过的ＯＦＤＭ符号如图３．５所示，其中横坐标 为归一化频率，纵坐标为功率谱密度：

叻

ｅ

厶

ｅ ｅ

＋

∥

＜一

０

＜一

，

＜一 ｆ

＜～

ｆ

＜一

ｅ

＜一

眍

魍

擎

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Ｃ

∞

已

ｊ纠釜 誓 磐 甘‘，，

言

图３．５不同滚降系数的功率谱密度

Ｆｉ９３．５ ＰＳＤ ｏｆＯＦＤＭｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｏｌｌ—ｏｆｆｆａｃｔｏｒｓ

由图３．５可知当／７值变大的时候，功率谱旁瓣就下降的越快，即符号带外辐射 功率变得越小。但是当／７值变大的时候，符号的保护间隔变得越小，降低了符号 对抗多径效应的能力。

通过上面的分析可知，加窗技术的加入改善了系统性能，有效抑制了ＯＦＤＭ

符号的带外功率谱扩散，但是也对保护间隔带来影响。

３．３．４同步技术

在ＯＦＤＭ系统中，子载波同步十分重要，频率的偏差会导致载波间干扰（ＩＣＩ），

还有可能会引起相位噪声问题，使得振荡器产生的子载波频率带着一个随机相位，

这就有可能导致在接收端产生ＩＣＩ。ＯＦＤＭ同步技术有３种：载波同步、符号同步

和采样频率同步［３１１。ＯＦＤＭ系统中，各种同步如图３．６所示。

载波同步：当采用同步解调和相干检测时，接收机需要一个与发射端调制载 波同频同相的相干载波。如果存在着频率误差，将严重破坏子载波之间的正交性，

导致子载波干扰，使误比特率大幅度增加，因而载波同步对于ＯＦＤＭ接收机是非 常重要的ｐ^２｜。

符号同步：符号定时同步是在接收端确定每个ＯＦＤＭ符号的起始时刻，即确

定ＦＦＴ窗的范围。由于插入了循环前缀，所以ＯＦＤＭ系统对符号同步的要求相对 低一些，只要ＯＦＤＭ符号的起始时刻落在循环前缀内，最大多径时延之后，就不

会引起符号问干扰。尽管如此，如果符号定时不在最佳时刻，就会降低系统对抗 多径时延扩展的能力。

采样频率同步：采样频率同步主要是接收机和发射机的采样时钟频率保持一 致，采样时钟频率偏差会导致ＩＣＩ，采样时钟变差还将影响符号同步。

图３．６ ＯＦＤＭ系统中的ｌ司步

Ｆｉ９３．６ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｉｎＯＦＤＭ

ＯＦＤＭ系统的同步的实现有多种方式，主要可以分为两大类：可以借助循环 前缀的同步技术和基于特殊训练序列的同步技术。

①循环前缀（ｃＰ）的同步技术

循环前缀的基本思想是通过引入循环前缀形成保护间隔，从而有效地对抗由 于多径时延带来的ＩＳＩ和ＩＣＩ，方法是时域内把ＯＦＤＭ符号的后面部分插入到该符 号的开始部分，构成循环前缀，如图３．７所示。

．／／／——＼ ^多警

． 玉 ． ！： ．

一及・抽样开始

图３．７同步中的循环前缀

Ｆｉ９３．７ ＣＰ ｉｎ ｆｌａｍｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ

丁为ＦＦＴ变换的周期，ｒ为循环前缀的长度，丁＋ｚ为一个ＯＦＤＭ符号周期 的长度，疋，。为最长多径时延。在能有效对抗多径时延的情况下，必然满足：

瓦。。＜瓦＜瓦。由于多径干扰的信号只［ｏ，乙。。］之间才存在，对丁时间内字符不会产

生ＩＳＩ，而且延时副本内的子载波周期个数也是整数，所以在信号解调的过程中不 会产生ＩＣＩ。

利用循环前缀进行同步的算法包括两类：一类是使接收到的信号延迟Ⅳ个抽 样点与收到的信号相减，利用循环前缀的性质，相减后的结果在某一特定的时间

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段应该近似为零，然后利用这一性质完成定时同步；另一类是利用循环前缀与其 相隔Ⅳ个抽样点信号之间的相关性，得到定时与频偏的联合估计。

②特殊训练符号的同步技术

由于精确同步需要对大量的ＯＦＤＭ符号进行平均，来获得相关峰和合适的信 噪比（ＳＮＲ），而高速分组传输中，要求同步的时间尽可能的短，为了达到这一目 标，使用几个己知的特殊的训练信号，通过接收到完整的训练符号来达到同步。

如图３．８所示，用匹配滤波器可以实现输入信号与已知的训练序列的相关运算。这

里丁是抽样间隔，Ｃ是匹配滤波器系数，ｅ取己知的训练序列的复数共轭。通过

得到的匹配滤波器输出信号的相关峰，就可估计出符号定时和频率偏差。

图３．８对应于训练符号的匹配滤波器

Ｆｉ９３．８Ｍａｔｃｈｅｄｆｉｌｔｅｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｓ^ｔｏ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｙｍｂｏｌ

号 时

３．３．５信道估计

现实中，信号在信道中传输都不是理想的，会受到各种各样的因素影响，使

得信号从发射机到接收机之间的变化非常复杂。所以通过对信道的传输特性估计，

成为能够有效恢复原始信号的重要手段。

在复杂的信道估计环境中，时域和频域的响应都是不断变化的。在ＯＦＤＭ系 统中，由于多径所引起的频率选择性衰落，对于各个不同的子载波上所带来的影 响也是不一致的，这就形成了ＯＦＤＭ符号在每个数据子载波上所表现出来的不均 匀性。

若在ＯＦＤＭ系统中使用ＤＰＳＫ差分调制解调方式，通过差分检测，比较两个

符号的相位和幅值的差值就能够恢复出基带信号，就不需再对信道进行估计，但

是还要采用信道估计的方法来跟踪信道响应的变化，这样能达到较高的性能，保 证系统性能对抗信道中的多径和衰落效应的影响。

信道估计就是利用某种手段有效的评估出信道的时域频域响应函数，再通过 对信道的时域频域响应的估计函数，恢复出接收到的数据信息，来获取相干检测 的性能增益。影响信道估计算法性能的主要因素有信道的时延、整个系统的噪声