OFDM 技術在電力線載波通信中的應用研究

何書毅

（海南電網電力通信自動化有限公司）

1 引言

目前，高速電力線載波通信技術仍然沒有得到大規模的使用，這與自身技術不完善有很大的關系。眾所周知，目前的電力線主要用來傳輸電能的。在線路上電壓高、電流大、噪聲大、負載種類多，要在電力線上傳輸信號，就是對技術設備抗干擾性和穩定性提出的挑戰。電力線中的信道噪聲是電力線通信發展的主要問題，如何解決這個問題成為電力線載波通信作為寬帶接入問題關鍵。現在，國際上高速電力線載波通信采用的主要調制技術有單載波類、擴展頻譜類和OFDM（正交頻分復用）調制技術。本文重點對OFDM 技術在電力線載波通信中的應用中的關鍵技術進行了分析和研究。

2 電力線載波通信概述

電力線載波通信是以電力網作為信息傳送信道，實現數據有效傳輸的，若能以電力網為信道，進入 PSTN 和 Internet 網等通信領域，那么其應用前景更廣泛。

2.1 電力線載波通信的優點

2.1.1 載波電力線優點

（1）電力線載波通信利用的是現有的電力基礎設施--電網，這個傳輸媒介是全球覆蓋最大的網絡，用電力線做接入無需新布線就可以用到有電的地方就有寬帶接入。（2）安裝簡單、設置靈活，為用戶實現寬帶互聯帶來很多方便，能實現智能家庭自動化。（3）現有技術已經可以滿足對帶寬要求較高的用戶需求。（4）PLC 網絡建設靈活，可根據用戶需要按照小區甚至用戶安裝，投資小見效快，同時運行費用低，用戶花費較小。（5）能夠為電力公司電力管理提供傳輸通道，實現電力、數據、話音和圖像綜合業務傳輸的通信技術。

2.1.2 在電力線設計方面

（1）電力線載波通信不受地形、地貌的影響，投資少，施工期短，設備簡單，可以同其他通信手段一起實現網絡互聯。（2）電力線載波通信可靠性高，高壓輸電線結構堅固，高壓輸電線安全設計系數比光纖的安全設計系數高。（3）具有等時性，只要高壓輸電線一架通，載波通道就開通了，輸電線架設到哪里，載波通信線路就可以延伸到那里，目前我國 110kV 輸電線路上和35kV的農網上還有大量的電力線載波機在運行，龐大的電力線載波通信擔負著電網內調度電話遠動，遠方保護信息的傳輸，對電力線系統的安全，穩定，經濟運行起著重要的作用，因此對這種廉價的電力系統都有的信道資源不應輕易放棄，應加以合理的發展和利用，使之與高速，寬帶技術長期并存，互為補充。不過，我們也要看見載波電力線的不足，由于受電網的影響，PLC的傳播距離有限，在低壓配電網上無中繼的傳輸距離一般在250m 以下，要實現自配電變壓器至用戶插座的全電力線接入需要借助中繼技術，這勢必要增加系統的造價。電力負荷的波動對PLC 接入網絡的吞吐量也有一定影響，由于多個用戶共享信道帶寬，當用戶增加到一定程度時，網絡性能和用戶可用帶寬有所下降，但這些問題可以通過合理的組網方式得到解決。

2.2 電力線載波通信系統

電力線載波通信系統是通信系統的一個具體通信方式，電力線載波通信：利用傳輸電能的電力線路來傳遞高頻電信號，這種通信方式是根據電力系統的特有條件發展而成，具有良好的經濟性和可靠性。電力線載波在原理上和通信線路載波相同，只是電力線不同于通信線路，它專為傳輸 50Hz 工頻電流而架設，利用它實現載波通信有不少獨特之處。目前，在高壓和中壓電力線技術沒有成熟之前，基本使用低壓PLC 技術和其他網絡通信技術結合實現電力線網絡用戶上網的模式。用戶通過PLC 調制解調器，把電話和電能等通信終端連接到電力線上，同其他用戶互聯互通，然后用別的技術手段和互聯網連接，從而實現整體通信。

3 OFDM 技術的應用

OFDM 采用FFT 和 IFFT 實現調制和解調，可以方便地使用數字信號處理器件來實現，采用保護間隔和循環前綴來抗多徑，從而有效地降低 ISI（碼間干擾）和 ICI（信道間干擾）。OFDM 調制技術在寬帶、高速電力線通信中成為一種有吸引力的技術，并有可能成為高速電力線通信的標準利用電力線進行高速數據傳輸的寬帶電力線通信技術已經并將不斷獲得突破和發展，它不但給電力企業帶來新的市場和商機，也給用戶帶來了低成本、高性能的服務。

3.1 OFDM的基本原理

OFDM 技術應用在電力線載波通信上，使電力線上的高速數據通信成為可能，OFDM的基本思想就是把可用信道帶寬劃分為若干子信道，每個子信道都可以近似看成理想信道。在規定使用的頻段內，利用載波之間的正交性，使用上百、上千個具有正交特性的載波信號，每個載波輸出一定速率的數據，各個載波傳輸數據的總和就是總的傳輸速率。

3.2 OFDM 應用中的關鍵技術

OFDM的同步問題。在單載波系統中，載波頻率的偏移只會對接收信號造成一定的幅度衰減和相位旋轉，這可以通過均衡等方法來克服。而對于多載波系統來說，載波頻率的偏移會造成子信道之間產生干擾。OFDM 系統內存在多個正交子載波。其輸出信號是多個子信道信號的疊加，由于子信道相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。

同步包括載波頻率偏移 (載波頻率同步問題)、時鐘位置偏移(OFDM 符號同步問題)和采樣頻率偏移(采樣頻率同步問題)都會產生ICI 和ISI 干擾。同步是OFDM 技術中的一個難點。其中符號同步是使收發雙方確定OFDM 符號的起始位置；載波同步是指收發雙發對于各子載波的頻率誤差的校正，頻率誤差的存在將嚴重破壞子載波之間的正交性，導致子載波干擾，使誤比特率大幅度增加，因而載波同步對于OFDM接收機是非常重要的；采樣頻率同步是指收發雙發對于采樣頻率偏移的校正，采樣頻率偏移導致在非信號峰值采樣，引起信號幅度減小，還引起了相鄰信道的信號干擾，使誤比特率增加。

OFDM 同步算法，歸納起來可分為兩類：一類是利用導頻信號或長訓練序列完成OFDM載波同步，這種方法的性能好，但會造成帶寬和功率的損失；另一類是利用OFDM 循環前綴的相關性實現系統同步，其中較常用的是維特比(Van deBeek) 極大似然 (ML，Maximum Likelihood)估計算法。ML 算法利用OFDM 信號的循環前綴，可以有效地對OFDM 信號進行頻偏和時偏的聯合估計，從而完成精確同步。粗同步一般是采用能量檢測的方法。對于電力線作為傳輸媒介實現逆變電源間通信的技術，必須滿足短突發、高實時性、高速率要求，所以利用第二類同步方法比較合適。

OFDM的非線性失真問題。由于 OFDM系統的輸出是多個子載波信號的疊加，根據中心極限定理，當子載波個數 N 足夠大時，OFDM符號的實部和虛部趨于高斯分布。因此如果多個信號相位一致，所得到的疊加信號的瞬時功率會遠遠大于信號的平均功率，導致出現較大的峰均比(PAPR)。出現這樣的情況下，就會造成放大器、A/D 和 D/A 轉換器的線性范圍提出了更高的要求，如果系統的線性范圍不能滿足信號變化的需求，則會造成信號畸變，使得疊加信號的頻譜發生變化，從而導致子信道之間的正交性遭到破壞，產生相互干擾，使系統性能惡化。而且由于產生的大峰值信號出現的時間是不可預測的，這樣就要求系統中數模、模數轉換器和功率放大器具有很大的線性動態范圍，才能盡量滿足信號工作在線性區，否則，當信號峰值進入數模、模數轉換器和功率放大器的非線性區域，使信號產生畸變，導致子載波間的互調干擾和帶外輻射，破壞了子載波間的正交性，降低系統性能。為了避免這種情況的發生，功率發達其應工作在大功率補償狀態下。然而，由于在大多數時間內，信號的幅度都遠遠小于這個峰值，因此按這個峰值設計的功率放大器的利用效率會非常低并使發射機的成本變得分成昂貴。為此需要采用一定的技術來降低OFDM 信號的峰平功率比，使發射機中的功率放大器高效工作，以提高系統的整體性能。

自適應 OFDM 資源分配算法。電力線信道具有兩大特點：時變特性和衰減特性。因此，電力線信道的信道容量是一個具有時變性的隨機變量，要極大限度地利用信道容量，必須使信息的發送速率也是一個隨信道容量變化的兩，也就是使編碼和調制方式具有自適應性。但是在傳統的數字通信系統中，都是以最差的情況時的信道為目標設計編碼和調制等技術，系統中包含了很多用來克服最差條件的開銷，即使在信道條件較好的時候，這些開銷依然存在。

在一般的OFDM 調制中，子信道的分割是均勻的，即將整個可用頻帶均勻等分為若干個子信道，再對各個子信道的特性進行估計、分配比特、均衡處理等，這樣分析起來比較方便。但是在某些信道中，有些頻段的幅頻衰減變化較快，而有些頻段的變化比較平坦，且在這些幅頻衰減緩慢的子信道中分配的比特數都是相等的，若將某些幅頻變化不大的子信道粗分割，使子信道數減少，可以減少子帶間能量泄漏，減少失真，同時用于調制的計算復雜度也相應的降低。在 OFDM 調制系統中，衡量系統性能的重要參數是在發送總功率給定的情況下，信道所能達到的最大傳輸能力。采用不同的子信道分割方法和比特分配方法都會影響系統的性能。

[1]公茂法，劉鵬.基于 CDMA 擴頻的電力線載波通信系統.信息科技.2006

[2]孫小東，于全，袁華廷等.OFDM 實現中的關鍵技術.通信電聲，2003

[3]陳長德,劉海濤，張保會.OFDM 調制技術在寬帶高速電力線通信中的應用.電力系統自動化.