基于OFDM的电力线载波通信的研究

引言
    电力线载波通信是以电力线为传输媒介，通过载波方式传输模拟或数字信号的技术，而且无外架通信线路。介绍正交频分复用的基本原理，根据利用正交频分复用OFDM(Orthogal Frequency Division Multiplexing)技术能够较好调制解调信号
的特性，提出一种基于OFDM的电力线载波通信系统设计方案，利用电力线实现载波通信。

2 电力线载波通信
    电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式，可用于传输电话、远动数据和远方保护等信号，是确保电网安全、优质、经济运行，实现调度自动化和管理现代化的重要通信方式。它以电力线路为传输通道，具有通道可靠性高，投资少见效快，与电网建设同步等优点。
    图1为电力线载波通信系统组成图。其基本原理是将载有信息的高频信号施加到电力线上进行数据传输，再通过电力线调制解调分离出电力线信道的高频信号，然后传送到终端设备。

    各种成熟的调制解调技术已应用到电力线载波通信系统，针对适应高速率传输，正交频分复用调制解调技术是解决传输频带利用率的有效方法。电力线载波通信技术在高、中、低压3个电压等级的应用技术、线路状况和应用要求都有所不同，高压电力线载波是指应用于35 kV及以上电压等级的载波通信设备。载波线路状况良好，主要传输调度电话、远动、高频保护及其他监控系统的信息。

3 OFDM调制解调技术
    OFDM是一种将若干个彼此独立的信号合并为一个可在同一信道上传输的复合信号的方法。其数据传输的基本原理是把串行数据流转换成N路速率较低的并行数据流，用它们分别调制N路子载波后并行传输，子载波相互正交其频谱相互重叠，从而具有很强的抗信道衰落能力和较高的频谱利用率，并能很好地抑制码间干扰。
3．1 OFDM调制原理
    图2为OFDM调制的基本原理图。设OFDM符号周期为T，在一个周期内传输N个码元为复数，Xn调制第n个子载波exp(j2πfnt)，则合成的OFDM复信号为： 

 其中第n个子载波频率选择为：

   
    式中，X(k)是接收端第k路子载波的输出信号。
    从式(4)看出，它与发送端的第k路子载波信号相等，这样可正确解调出该载波的原信号X0,X1,…XN-1。

3．2 OFDM技术的优缺点
    OFDM采用数据并行传输的多载波技术，将高速串行数据分解为多个并行的低速数据，使用N个子载波把整个信道分成N个子信道，这些子信道并行传输信息。
    这样每个子载波上只传输少量的数据，每路数据的码元宽度加长，从而减少码间串扰影响。又由于每路采用窄带调制，可以减小频率选择性衰减的影响。OFDM技术具有以下优点：
    (1)抗频率选择性衰落对抗频率选择性衰落通过分配OFDM的子信道实现。如果信号在某些子信道衰落严重，低于信噪比门限，只需关闭这些子信道，由其他子信道完成传输任务。这样可减小传输中的误码率，保证数据的完整性。
    (2)技术上容易实现使用OFDM技术。子信道采用M-PSK或M-QAM调制方式，调制使用IFFT，而解调使用FFT，硬件直接使用DSP或FPGA实现，系统复杂度大大降低。
    (3)频谱利用率较高在相同带宽的情况下，当子载波数目增加时，由于OFDM子载波之间无像FDM的保护频带，而采用正交函数序列作为副载波，相邻子载波的频谱主瓣互相正交并重叠，载波间隔达到最小，这使得OFDM技术在使用相同频带时具有更高的频谱利用率。
    (4)抗码间干扰(ISI)能力强在电力线信道中，由于存在多径效应，多个信号在不同的路径传输，所以到达接收机时会有一定时延，这就造成ISI。 OFDM将高速的串行数据分割为N个子信号，这样分割后码元的速率降低了N倍。周期延长N倍。同时再在码元问加入保护间隙和循环前缀，这样只要数字码元周期大于最大延时时间就可以有效抑制ISI干扰。而OFDM技术的缺点如下：(1)对频率与定时的要求特别高，同步误差不仅造成输出信噪比下降，还会破坏子载波间的正交性，造成载波间干扰，从而大大影响系统性能；(2)OFDM信号的峰值平均功率比往往很大，使其对放大器的线性范围要求高，同时也降低放大器的效率。

4 基于OFDM的电力线载波系统
    图4为高压电力线载波系统组合。整个系统由电力线载波装置、电力线路和耦合装置组成。

4．1 耦合模块
    耦合装置包括阻波器、耦合电容器、组合滤波器。电力线载波装置的作用是调制解调原始信号，使其满足通信质量要求。耦合电容器和结合滤波器组成一个带通滤波器，通过高频载波信号，并组织电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，以确保人身、设备安全。线路阻波器串接在电力线路和母线之间，是对电力系统一次设备的“加工”，故又称为“加工设备”，是通过电力电流、组织高频载波信号漏到电力设备(变压器或电力线分支线路)，以减小变电所或分支线路对高频信号的介入衰减，以及同母线不同电力线路上高频通道之间的相互串扰。需要注意的是：耦合电容器应接接地刀闸，以便于高压载波通信装置的检修。
4．2 电力线载波模块
    电力线载波模块是系统设计的核心．图5为基于OFDM的调制解调模块框图。

    该模块是基于DSP设计，其数据传输流程：在发送端，二进制数据首先通过PC机串口传送到UART器件，通过UART器件串并转换，并行数据由UART并口输出给DSP并口，DSP再对数据进行调制算法处理，然后数据通过D／A转换器，将数字信号转换为模拟信号，并发送到信道中；在其接收端，A／D转换器输入端接收信道中传输的模拟信号，首先将模拟信号进行A／D转换，然后，将转换的数字信号通过DSP进行解调的算法处理，数据再由DSP并口传送给 UART，从而实现并串转换，再由PC机串口发送给PC机。

5 结束语
    介绍了OFDM技术的基本原理，理论研究并实现以高压电力线为媒介的信号传输，给出硬件框架图。随着通信技术的进一步完善，以及相应器件产品的研究和开发，电力载波通信将会有更好的发展。