FH-OFDM技術(shù)在低壓電力線通信中的應(yīng)用

季建玲，劉宏立

(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙市，410082)

0 引言

低壓電力線通信(power line communication，PLC)是通信技術(shù)發(fā)展的1個比較新的研究方向，由于具有不用布線、連接方便、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，其技術(shù)研究和應(yīng)用成為目前國內(nèi)外研究的熱點問題之一，有著非常深遠(yuǎn)的理論意義和廣泛的實用價值［1］。但由于電力線本身負(fù)荷的多樣性和時變性，使其信道特性十分復(fù)雜，存在強烈的信號衰減，且噪聲大、干擾多，因此，有必要研究1種頻譜利用率高、抗干擾能力強的電力線傳輸技術(shù)，以提高電力線通信的可靠性和有效性。

將跳頻(frequency hopping，F(xiàn)H)技術(shù)應(yīng)用于正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系統(tǒng)，構(gòu)成的FH-OFDM通信系統(tǒng)，不僅有抗干擾能力，而且FH和OFDM結(jié)合，很好地解決了多徑環(huán)境中的頻率選擇性衰落，能夠最大限度地提高通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸效率。

本文針對電力線隨頻率、距離變化的衰減特性和其噪聲干擾特性，建立了電力線特定環(huán)境下的信道模型，并在FH技術(shù)和OFDM技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了適合于低壓電力線信道的FH-OFDM通信系統(tǒng)，并在MATLAB環(huán)境下對該系統(tǒng)進行了仿真和性能分析。

1 電力線信道特性分析及建模

電力線信道通信質(zhì)量低，主要是受輸入阻抗不匹配、傳輸衰減、噪聲干擾等因素的影響，其電力線通信信道模型如圖1所示，建模過程主要考慮衰減特性和噪聲干擾，將除噪聲外所有的衰減都用頻率響應(yīng)函數(shù)H(f，t)來表征，噪聲n(t)可當(dāng)作是可加性隨機干擾過程。

圖1 電力線信道模型Fig．1 Model of power line communication channel

為了建立1個能反映信道基本特征的近似模型，國內(nèi)外研究人員對電力線信道進行了大量的實際測量，并利用統(tǒng)計分析的方法，給出了不同環(huán)境下的低壓電力線信道模型。對于多徑效應(yīng)、頻率選擇性衰落效應(yīng)的信道特性，M．Zimmermann 和 K．Dostert［3］經(jīng)過大量的實際測量，根據(jù)“自頂向下”的建模方法，提出了電力線多徑衰落信道模型。這種模型是將電力線看作1個黑盒，模型的相關(guān)參數(shù)從實地的測量數(shù)據(jù)中獲取，利用這些參數(shù)構(gòu)成傳輸函數(shù) ()H f來描述信道特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:N為最大路徑數(shù)目;gi為路徑i的多徑衰減系數(shù)，為路徑長度di的函數(shù);τi為信號通過路徑i的延時;α0、α1為衰減系數(shù);k是衰減因子的指數(shù)，取值一般在0．5 ～1之間。

現(xiàn)仿真4徑信道，令真空中的光速c0=3×108m/s，介電常數(shù)εr=3．8，信號的頻率范圍從0．5 ～20 MHz，其他仿真參數(shù)如表1［3］所示。

表1 電力線信道模型參數(shù)Tab．1 Model parameters of power line channel

4徑低壓電力線信道模型的頻率響應(yīng)幅頻特性曲線如圖2所示。

從圖2中可以看出，低壓電力線的頻率衰落特性隨著頻率的增加而增加，且在某些頻率范圍內(nèi)存在嚴(yán)重的選擇性衰落。該模型已能反映電力線信道的基本特征，其中的參數(shù)均可由實際測量獲得。本文在下面的仿真和分析中，都采用該4徑電力線信道模型。

圖2 4徑電力線信道模型幅頻特性曲線Fig．2 Amplitude-frequency characteristic curve of 4-path power line channel

2 FH-OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)的設(shè)計

在對低壓電力線信道特性研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合FH技術(shù)和OFDM技術(shù)，設(shè)計了在低壓電力線特定信道下的FH-OFDM系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，上半部分為發(fā)射機鏈路，下半部分是接收機鏈路，整個系統(tǒng)包括信道編/譯碼、數(shù)字調(diào)制/解調(diào)、快速傅立葉逆變換(inverse fast fouriers transformation，IFFT)/快速傅立葉變換(fast fourier transformation，F(xiàn)FT)、加/去保護間隔、跳頻/解跳頻等部分。

該系統(tǒng)是基于多載波OFDM方案，在頻率的改變上采用了FH技術(shù)實現(xiàn)，其工作原理是:由信源來的信息經(jīng)過編碼，并經(jīng)過交織后形成發(fā)送數(shù)據(jù)，OFDM調(diào)制器對輸入數(shù)據(jù)進行調(diào)制，并加入循環(huán)前綴后，將并行信號轉(zhuǎn)換為串行信號，再與跳頻載波相乘，完成頻率的跳變，得到的跳頻信號經(jīng)發(fā)射機發(fā)射。發(fā)射信號經(jīng)電力線信道傳輸?shù)浇邮辗剑邮諜C將接收到的信號進行解調(diào)，并經(jīng)解交織和譯碼后得到輸出信息。該系統(tǒng)主要由OFDM子系統(tǒng)和FH子系統(tǒng)2部分組成。

圖3 FH-OFDM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure of FH-OFDM system

2．1 OFDM子系統(tǒng)設(shè)計

OFDM子系統(tǒng)主要是完成信號的OFDM調(diào)制，其原理是用N個子載波把整個信道分割成N個子信道，并將此頻率上等間隔的N個子載波信號調(diào)制再相加后同時發(fā)送，實現(xiàn)N個子信道的并行傳輸。OFDM子系統(tǒng)基本框圖如圖4所示［4］。

圖4 OFDM系統(tǒng)基本模型框圖Fig．4 Model framework chart of OFDM system

在該OFDM子系統(tǒng)中，信道編碼采用卷積編碼來處理信道中的隨機性錯誤，同時利用交織技術(shù)來避免突發(fā)性錯誤，交織功能利用卷積交織器來實現(xiàn)。傳輸信號進行信道編碼交織后，要進行子載波的數(shù)字調(diào)制，本系統(tǒng)采用QPSK方式。為了徹底消除符號間干擾，還需要插入保護間隔，本系統(tǒng)采用循環(huán)前綴作為保護間隔，選擇符號周期長度為保護間隔長度的5倍。

2．2 FH子系統(tǒng)的設(shè)計

FH子系統(tǒng)由跳頻序列產(chǎn)生模塊和頻率合成器構(gòu)成，跳頻器的組成框圖如圖5所示。

圖5 跳頻器組成框圖Fig．5 Block diagram of FH system

跳頻序列用于控制載波頻率隨時間的變化規(guī)律，其性能對跳頻系統(tǒng)的性能有重大影響。構(gòu)造跳頻序列的方法很多，其中基于m序列的跳頻序列具有最佳的漢明相關(guān)性能，因此m序列在擴展頻譜中得到了廣泛的使用。本設(shè)計由級數(shù)n=3的m序列來控制產(chǎn)生跳頻碼。在跳頻序列控制下，載波頻率跳變的規(guī)律稱為跳頻圖案，本系統(tǒng)設(shè)計的級數(shù)n=3的m序列對應(yīng)的跳頻圖案如圖6所示。

3 系統(tǒng)仿真及性能分析

在MATLAB環(huán)境下，運行FH-OFDM低壓電力線通信仿真系統(tǒng)，并在仿真系統(tǒng)中進行了如下處理:(1)常規(guī)的OFDM系統(tǒng);(2)常規(guī)的FH系統(tǒng);(3)多徑衰落為2徑的常規(guī)FH系統(tǒng);(4)多徑衰落為4徑的常規(guī)FH系統(tǒng);(5)多徑衰落為2徑的FH-OFDM系統(tǒng);(6)多徑衰落為4徑的FH-OFDM系統(tǒng)，其仿真結(jié)果如圖7和圖8所示。

由圖7可以看出，F(xiàn)H-OFDM系統(tǒng)性能要優(yōu)于常規(guī)的OFDM系統(tǒng)，尤其在信噪比較低時表現(xiàn)得非常明顯，信噪比較大時，差別不是很大，這更加說明了FH-OFDM系統(tǒng)具有比常規(guī)的OFDM系統(tǒng)更好的抗干擾能力，且在信噪比較低時也能正常工作，非常適合于電力線復(fù)雜多變的信道環(huán)境。

由圖8可以看出，F(xiàn)H-OFDM系統(tǒng)總體上具有比常規(guī)的FH系統(tǒng)更好的誤碼率性能，在信噪比較低時，性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于常規(guī)的 FH系統(tǒng)，同時，F(xiàn)HOFDM系統(tǒng)對多徑衰落的多徑數(shù)不太敏感，增加多徑數(shù)對其性能影響不大，而常規(guī)的FH系統(tǒng)隨著多徑數(shù)的增加，會帶來誤碼率性能的急劇下降，這也更好地證明了FH-OFDM系統(tǒng)抗多徑衰落能力強的優(yōu)勢，有力地克服了電力線信道多徑衰落大的缺陷。

4 結(jié)論

FH技術(shù)抗干擾能力強、保密性好，而OFDM有較高的頻譜利用率和抗多徑衰落的能力，將2者結(jié)合而成的FH-OFDM系統(tǒng)，既提高了抗干擾能力，又提高了系統(tǒng)的傳輸速率，保證了系統(tǒng)的安全性，這些特點使得該系統(tǒng)非常適用于多干擾、衰落嚴(yán)重的電力線信道。本文設(shè)計的FH-OFDM低壓電力線通信系統(tǒng)，經(jīng)仿真分析證實了將其應(yīng)用在電力線信道中的可行性和優(yōu)越性，因此，F(xiàn)H-OFDM技術(shù)在未來高速電力線通信中將具有廣闊的前景。

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