基于OFDM技术的低压电力线通信的性能分析

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:341

1 引言

通过利用低压电力线通信(plc)技术，用户只要通过电力调制解调器连接到室内220 v交流电源插座上，就可随时随地享受4.5～45 mb／s的高速网络接入。墙壁上的交流电源插座可同时进行电力和信息的传输，一线两用，互不干扰。这被看作是解决信息高速公路"最后一公里"问题的最具竞争力的方案之一，但其能否最终成功地走向市场，还取决于plc在当前诸多技术中能否更占优势以及plc能否尽快突破主要的技术障碍。

2 低压电力线通信面临的主要问题

目前，plc所面临的主要问题和研究热点主要集中在以下几个方面：

(1) 如何在可靠传输数据的情况下尽可能提高其传输速度

plc传输速度的提高，主要依赖于调制频率和频段宽度的提高。研究表明，为了将传输速率提高到数mb／s以至数十mb／s以上，就必须采用数mhz以上频段。目前国际上普遍认为，1～30 mhz的频带可以用来进行高速数据传输。但1.6～30 mhz频段已分配给广播电台和电视台，如中、短波广播，业余无线电以及导航系统等。因而利用plc传输数据时，势必会受到这些通信系统的严重干扰。而且电力线恶劣的信道环境占用了大量的带宽资源，使用户实际可用率低，网速上不去。这些问题随着用户不断增多，用户对带宽的需求不断增加而显得愈发突出。 (2) 如何在不增大信号发送功率的情况下提高信噪比

电力网本不是用来传输数据的，是用来传输电能的，因此电力线信道环境极其恶劣。一方面各种用电设备经常频繁开关，给电力线上带来各种幅度很大的噪声干扰，另一方面电力网时变性和线路分支多的特点使电力信道存在大量阻抗不匹配节点，致使高频信号在电力线信道上传输时出现多径传输，并由此导致多种衰减，包括频率选择性衰落以及码间干扰(isi)造成的衰减。另外电力线上还存在由发射器与接收器与电力线阻抗不匹配造成的耦合衰减以及电力线上各种容性和感性负载对高频信号绝缘性能不好造成的衰减等。电力线上严重的衰减以及强烈的噪声干扰使接受信号的信噪比极差，给信号的正确接收造成严重影响。

(3) 电磁兼容问题

电磁兼容(emc)是指设备或系统在所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何其他事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。目前电磁兼容与plc传输速度的提高形成一对难以克服的矛盾。plc在利用1～30 mhz的频带进行高速数据传输时，会引发严重的emi(电磁干扰)。nor.web公司的dpl运行后，发现路灯起了发射天线的作用，干扰了包括bbc(英国广播公司)4台(radio4)在内的多家广播电台的无线电接收，引起使用短波通信的军用、民用及业余无线电爱好者的反对。高速plc不仅会对其他无线电通信造成干扰，而且会对周围环境造成污染。这一问题随着电磁兼容标准越来越严格，将会变得愈加突出，并成为plc推向市场的最大技术障碍。

研究表明，plc的许多技术障碍可通过采用最先进的调制解调技术得到解决。目前国际上高速电力线通信采用的调制技术主要有：扩展频谱类和ofdm(正交频分复用)调制技术。其中ofdm以他独特的优点在宽带、高速电力线通信中成为最有吸引力的技术，他成功地解决了电力线通信技术中的大部分问题。

3 ofdm的基本原理

ofdm调制是一种正交多载波调制方式。他的基本思想是把输入信息转换成多路并行信号，利用快速傅里叶变换对相互完全正交的一组载波进行调制形成子载波信号，同时将可用的频谱划分为许多窄带，分别传输这些子载波信号。为了获得高的频带利用率，ofdm调制中各子载波上的信号频谱相互重叠，但载波间隔的选择要满足这些子载波在整个符号周期上是正交的，即在一个符号周期内，任何两个子载波的乘积等于零。这样即使各载波上的信号频谱问存在重叠，也能保证在接收端不失真地复原信号。一般来讲，当载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，即可以满足正交条件。然而，为实现最大频谱效率，一般取载波最小间隔等于符号周期的倒数。ofdm信号频谱示意图如图1所示。

由图1中可以看出，各个子载波在调制后的频谱是相互重叠的，每个子载波频谱的波峰正好位于所有其他子载波频谱的零点，从而决定了各子载波之间的正交性。

4 ofdm技术适用于电力线通信的性能分析

(1) 频谱利用率高

ofdm允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道，从而提高了频谱利用率。当载波数较多时，所有子载波组合在一起，总的频谱非常接近矩形。这一点在频谱资源有限的电力线信道环境中尤其重要。