基于OFDM的電力線遠程路燈控制模塊設(shè)計

昂志敏， 趙少卓， 朱良學(xué)

（合肥工業(yè)大學(xué) 計算機與信息學(xué)院，安徽 合肥 230009）

電力線載波通信技術(shù)（Power Line Communication，簡稱PLC）是指利用電力線作為媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N技術(shù)。盡管光纖、微波等便利且有效的通信手段已經(jīng)越來越貼近人們的生活，但是電力線載波通信技術(shù)使用電力線作為傳輸媒介，具有電力線的覆蓋范圍廣、成本低廉、可靠性高的優(yōu)點，因此PLC在很多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，利用電力線進行路燈的遠程控制就是其中的一個方面。但是PLC也具有以下缺點：

（1）噪聲干擾強。電力線上的噪聲可分為穩(wěn)態(tài)背景噪聲、窄帶干擾噪聲、突發(fā)性噪聲和周期脈沖噪聲。背景噪聲分布在整個通信頻帶，低壓電網(wǎng)上高斯白噪聲可達22dB以上［1］。突發(fā)性噪聲是由用電設(shè)備的隨機接入或斷開而產(chǎn)生的。脈沖干擾對低壓電力線載波通信的質(zhì)量影響最大，脈沖干擾的強度最大可達40dB［2］。

（2）信號衰減大。低壓配電網(wǎng)直接面向用戶，負荷情況復(fù)雜，各節(jié)點阻抗不匹配，所以信號會發(fā)生反射、諧振等現(xiàn)象，使信號的衰減變得極其復(fù)雜。電力線上的信號衰減受距離的變化影響非常明顯，一般為10～100dB／km［3］。同時，信號的衰減隨著頻率的增加而增加，當通信頻率大于100kHz時，頻率每增加1kHz，衰減增加0.25dB。

（3）時變性。低壓電力線用戶接入負載變化情況十分復(fù)雜，再加上低壓配電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性以及不可抗的自然因素（如雷電等）的影響，產(chǎn)生了很強的隨機性和時變性，一些使用傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)方式來傳輸控制信號的遠程路燈控制系統(tǒng)經(jīng)常會出現(xiàn)誤報或者漏報的現(xiàn)象。因此，只有選擇合適的調(diào)制解調(diào)方式才能保證數(shù)據(jù)可靠和有效的傳輸，正交頻分復(fù)用技術(shù)可以有效地解決這一問題。本文采用正交頻分復(fù)用技術(shù)設(shè)計了具有更強的抗頻率選擇性衰落和多徑干擾的符合低壓電力線信道傳輸環(huán)境的遠程路燈控制模塊。

1 OFDM基本原理

正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）是一種多載波調(diào)制技術(shù)［4－6］。其原理是將原來串行傳輸?shù)男盘柗殖蒒個子信號，再利用頻率上等間隔的N個子載波分別進行調(diào)制，調(diào)制后的N個子載波信號相加后發(fā)送，實現(xiàn)N個子信道并行傳輸信息。這樣每個符號的頻譜只占用信道全部帶寬的1／N，并且通過選擇合適的子載波間隔，使子載波在整個符號周期上保持頻譜的正交性。

在發(fā)送端，串行碼元序列經(jīng)過數(shù)字基帶調(diào)制、串并轉(zhuǎn)換分配到N個子信道上，分別與頻率為f0，f1，…，fN－1的子載波進行調(diào)制，設(shè)fc為最低頻率，相鄰頻率相差1／T，則fn＝fc＋n／T，n＝0，1，2，…，N－1，角頻率為ωn＝2πfn，n＝0，1，2，…，N－1。

待發(fā)送的OFDM信號D（t）為：

接收端對接收到的信號進行如下解調(diào)：

由于OFDM符號周期T內(nèi)各子載波是正交的，即

所以當n＝m時，調(diào)制載波ωn與解調(diào)載波ωm為同頻載波，滿足相干解調(diào)的條件，X′（m）＝X（m），m＝0，1，2，…，N－1，恢復(fù)了原始信號；當n≠m時，接收到的不同載波之間互不干擾，無法解調(diào)出信號。

在符號周期［0，T］內(nèi)，若以采樣頻率fs＝1／Δt（Δt＝T／N）對（1）式進行采樣，則可得 N 個采樣點。設(shè)t＝kΔt，即nt／T＝nk／N，則采樣序列為：

（3）式為序列｛X（n），n＝0，1，2，…，N－1｝的N點離散傅里葉反變換（IDFT）的結(jié)果。因此OFDM系統(tǒng)的調(diào)制和解調(diào)過程等效于IDFT和DFT。在實際應(yīng)用中一般用IFFT／FFT來代替IDFT／DFT。

OFDM系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。OFDM調(diào)制中所使用的多載波調(diào)制技術(shù)和插入循環(huán)前綴使其具有了頻譜利用率高、抗碼間干擾能力強、抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾能力強等優(yōu)點［7］，有效地滿足了電力線上傳輸數(shù)據(jù)時所要求的高可靠性和有效性。

圖1 OFDM系統(tǒng)組成框圖

2 硬件構(gòu)成

本文采用TI公司最新的TMS320C64x芯片，該芯片擁有強大的數(shù)字處理性能和片上集成的可用于Viterbi譯碼的Viterbi協(xié)處理器。電力線遠程路燈控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，利用單片機PIC16F690進行發(fā)送和接收的控制。

在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時，通過PIC16F690對負載進行電壓檢測和電流檢測，然后將狀態(tài)信息經(jīng)過RS－232接口電路送入TMS320C6418進行調(diào)制，調(diào)制處理后的信號通過Tx有源濾波器濾波和功放放大，再經(jīng)Tx無源濾波器耦合到電力線進行傳輸。在數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時，電力線上的信號經(jīng)過Rx無源濾波器濾波后從RX＿IN讀入TMS320C6418進行解調(diào)，解調(diào)出的控制信息再通過PIC16F690對負載進行控制。

由功率放大電路、載波耦合電路和濾波接收電路構(gòu)成的耦合濾波模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。Tx有源濾波器濾波中C5＝100nF，用來濾除信號中的低頻部分；R6＝25kΩ，R7＝15kΩ，用來抬高信號的直流分量；R5＝4.7kΩ，C2＝390pF構(gòu)成低通濾波電路；C1＝150pF，R1＝4.7kΩ，R2＝10kΩ，R3＝R4＝30kΩ構(gòu)成1個二階薩倫和凱低通濾波器，對輸入信號進行濾波。Tx無源濾波器中C22＝10μF，C23＝100nF，可以有效地把信號能量耦合到電力線上，減少信號耦合時產(chǎn)生的損失。Rx無源濾波器是帶通濾波電路，由電阻R17＝750Ω串聯(lián)上L6＝220μH和C26＝22nF并聯(lián)成的諧振電路構(gòu)成。

圖2 電力線遠程路燈控制模塊硬件框圖

圖3 耦合濾波模塊結(jié)構(gòu)

負載端的功率檢測和開關(guān)控制電路如圖4所示。開關(guān)控制電路中的三極管為NPN型，用作無觸點開關(guān)。當單片機表示“開”的高電平信號來到時，三極管工作在飽和狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的接通狀態(tài)，此時繼電器吸合，負載電路導(dǎo)通。當單片機表示“關(guān)”的低電平控制信號來到時，三極管處于截止狀態(tài)，集電極和發(fā)射極之間相當于開關(guān)的斷開狀態(tài)，此時繼電器打開，負載電路斷開。此處的二極管用于三極管截止后，構(gòu)成回路釋放電容中剩余的電量。

圖4 負載檢測和開關(guān)控制電路

3 軟件構(gòu)成

本設(shè)計中PIC16F690模塊主要負責(zé)電路的控制部分，軟件部分包括資源初始化、軟件看門狗、發(fā)送接收判斷、負載狀態(tài)檢測和負載控制。TMS320C6418模塊主要負責(zé)傳輸數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)，其中，編／解碼、脈沖成形、上／下變頻均由軟件完成。

調(diào)制流程如圖5所示。數(shù)據(jù)包的頭2幀分別由長、短訓(xùn)練序列構(gòu)成，用于接收端進行定時和頻率同步。接下來的數(shù)個數(shù)據(jù)幀包含待發(fā)送的信息數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息首先經(jīng)過QPSK調(diào)制，然后插入導(dǎo)頻符號，再乘以余弦脈沖的Nyquist脈沖成形矩陣［8］，以改善信號的PAPR特性。對整形后的數(shù)據(jù)末尾補0并進行部分數(shù)據(jù)搬移以提高頻譜利用率，然后進行256點IFFT運算。經(jīng)過IFFT運算后的所有幀再加入循環(huán)前綴，然后調(diào)制到相應(yīng)載波上進行發(fā)送。

圖5 調(diào)制流程

解調(diào)流程如圖6所示。接收信號首先進行定時粗同步，即信號到達檢測。當短訓(xùn)練序列的延時自相關(guān)函數(shù)有連續(xù)10個值以上等于1時，判斷數(shù)據(jù)包到達，然后利用數(shù)據(jù)包前2幀的長、短訓(xùn)練序列進行頻偏糾正，并用第2幀的長訓(xùn)練序列進行定時粗同步，以確定FFT運算時開窗的具體位置。然后從第2幀開始的數(shù)據(jù)幀先去循環(huán)前綴，進行FFT運算，再乘以脈沖成形矩陣的逆，最后利用插入的導(dǎo)頻進行相位補償和QPSK解調(diào)得到信息數(shù)據(jù)。

圖6 解調(diào)流程

4 數(shù)值仿真結(jié)果

根據(jù)上述介紹的系統(tǒng)模型進行Matlab仿真，其中OFDM調(diào)制／解調(diào)采用256點IFFT／FFT，采樣頻率為64kHz，OFDM符號周期TOFDM＝5ms，循環(huán)前綴TCP＝1ms，子載波數(shù)為128，結(jié)果如圖7所示，由圖7可見，在相同信噪比情況下，本設(shè)計具有更優(yōu)秀的抗干擾性能。

圖7 性能仿真比較

5 結(jié)束語

由于低壓電力線本身信道環(huán)境惡劣，低壓電力線上信號傳輸時經(jīng)常會出現(xiàn)丟包或者譯碼錯誤，從而使得實際應(yīng)用中的一些遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)誤報或漏報的情況。本文介紹的基于OFDM的電力線遠程路燈控制模塊能夠很好地克服這一缺陷和不足，具有良好的應(yīng)用前景。

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