FH-OFDM技术在低压电力线通信中的应用

季建玲，刘宏立

(湖南大学电气与信息工程学院，长沙市，410082)

0 引言

低压电力线通信(power line communication，PLC)是通信技术发展的1个比较新的研究方向，由于具有不用布线、连接方便、覆盖范围广等优点，其技术研究和应用成为目前国内外研究的热点问题之一，有着非常深远的理论意义和广泛的实用价值［1］。但由于电力线本身负荷的多样性和时变性，使其信道特性十分复杂，存在强烈的信号衰减，且噪声大、干扰多，因此，有必要研究1种频谱利用率高、抗干扰能力强的电力线传输技术，以提高电力线通信的可靠性和有效性。

将跳频(frequency hopping，FH)技术应用于正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)系统，构成的FH-OFDM通信系统，不仅有抗干扰能力，而且FH和OFDM结合，很好地解决了多径环境中的频率选择性衰落，能够最大限度地提高通信系统的信道容量和传输效率。

本文针对电力线随频率、距离变化的衰减特性和其噪声干扰特性，建立了电力线特定环境下的信道模型，并在FH技术和OFDM技术研究的基础上，设计了适合于低压电力线信道的FH-OFDM通信系统，并在MATLAB环境下对该系统进行了仿真和性能分析。

1 电力线信道特性分析及建模

电力线信道通信质量低，主要是受输入阻抗不匹配、传输衰减、噪声干扰等因素的影响，其电力线通信信道模型如图1所示，建模过程主要考虑衰减特性和噪声干扰，将除噪声外所有的衰减都用频率响应函数H(f，t)来表征，噪声n(t)可当作是可加性随机干扰过程。

图1 电力线信道模型Fig．1 Model of power line communication channel

为了建立1个能反映信道基本特征的近似模型，国内外研究人员对电力线信道进行了大量的实际测量，并利用统计分析的方法，给出了不同环境下的低压电力线信道模型。对于多径效应、频率选择性衰落效应的信道特性，M．Zimmermann 和 K．Dostert［3］经过大量的实际测量，根据“自顶向下”的建模方法，提出了电力线多径衰落信道模型。这种模型是将电力线看作1个黑盒，模型的相关参数从实地的测量数据中获取，利用这些参数构成传输函数 ()H f来描述信道特性，其数学表达式为

式中:N为最大路径数目;gi为路径i的多径衰减系数，为路径长度di的函数;τi为信号通过路径i的延时;α0、α1为衰减系数;k是衰减因子的指数，取值一般在0．5 ～1之间。

现仿真4径信道，令真空中的光速c0=3×108m/s，介电常数εr=3．8，信号的频率范围从0．5 ～20 MHz，其他仿真参数如表1［3］所示。

表1 电力线信道模型参数Tab．1 Model parameters of power line channel

4径低压电力线信道模型的频率响应幅频特性曲线如图2所示。

从图2中可以看出，低压电力线的频率衰落特性随着频率的增加而增加，且在某些频率范围内存在严重的选择性衰落。该模型已能反映电力线信道的基本特征，其中的参数均可由实际测量获得。本文在下面的仿真和分析中，都采用该4径电力线信道模型。

图2 4径电力线信道模型幅频特性曲线Fig．2 Amplitude-frequency characteristic curve of 4-path power line channel

2 FH-OFDM低压电力线通信系统的设计

在对低压电力线信道特性研究的基础上，结合FH技术和OFDM技术，设计了在低压电力线特定信道下的FH-OFDM系统，结构如图3所示。其中，上半部分为发射机链路，下半部分是接收机链路，整个系统包括信道编/译码、数字调制/解调、快速傅立叶逆变换(inverse fast fouriers transformation，IFFT)/快速傅立叶变换(fast fourier transformation，FFT)、加/去保护间隔、跳频/解跳频等部分。

该系统是基于多载波OFDM方案，在频率的改变上采用了FH技术实现，其工作原理是:由信源来的信息经过编码，并经过交织后形成发送数据，OFDM调制器对输入数据进行调制，并加入循环前缀后，将并行信号转换为串行信号，再与跳频载波相乘，完成频率的跳变，得到的跳频信号经发射机发射。发射信号经电力线信道传输到接收方，接收机将接收到的信号进行解调，并经解交织和译码后得到输出信息。该系统主要由OFDM子系统和FH子系统2部分组成。

图3 FH-OFDM系统结构Fig．3 Structure of FH-OFDM system

2．1 OFDM子系统设计

OFDM子系统主要是完成信号的OFDM调制，其原理是用N个子载波把整个信道分割成N个子信道，并将此频率上等间隔的N个子载波信号调制再相加后同时发送，实现N个子信道的并行传输。OFDM子系统基本框图如图4所示［4］。

图4 OFDM系统基本模型框图Fig．4 Model framework chart of OFDM system

在该OFDM子系统中，信道编码采用卷积编码来处理信道中的随机性错误，同时利用交织技术来避免突发性错误，交织功能利用卷积交织器来实现。传输信号进行信道编码交织后，要进行子载波的数字调制，本系统采用QPSK方式。为了彻底消除符号间干扰，还需要插入保护间隔，本系统采用循环前缀作为保护间隔，选择符号周期长度为保护间隔长度的5倍。

2．2 FH子系统的设计

FH子系统由跳频序列产生模块和频率合成器构成，跳频器的组成框图如图5所示。

图5 跳频器组成框图Fig．5 Block diagram of FH system

跳频序列用于控制载波频率随时间的变化规律，其性能对跳频系统的性能有重大影响。构造跳频序列的方法很多，其中基于m序列的跳频序列具有最佳的汉明相关性能，因此m序列在扩展频谱中得到了广泛的使用。本设计由级数n=3的m序列来控制产生跳频码。在跳频序列控制下，载波频率跳变的规律称为跳频图案，本系统设计的级数n=3的m序列对应的跳频图案如图6所示。

3 系统仿真及性能分析

在MATLAB环境下，运行FH-OFDM低压电力线通信仿真系统，并在仿真系统中进行了如下处理:(1)常规的OFDM系统;(2)常规的FH系统;(3)多径衰落为2径的常规FH系统;(4)多径衰落为4径的常规FH系统;(5)多径衰落为2径的FH-OFDM系统;(6)多径衰落为4径的FH-OFDM系统，其仿真结果如图7和图8所示。

由图7可以看出，FH-OFDM系统性能要优于常规的OFDM系统，尤其在信噪比较低时表现得非常明显，信噪比较大时，差别不是很大，这更加说明了FH-OFDM系统具有比常规的OFDM系统更好的抗干扰能力，且在信噪比较低时也能正常工作，非常适合于电力线复杂多变的信道环境。

由图8可以看出，FH-OFDM系统总体上具有比常规的FH系统更好的误码率性能，在信噪比较低时，性能要远远好于常规的 FH系统，同时，FHOFDM系统对多径衰落的多径数不太敏感，增加多径数对其性能影响不大，而常规的FH系统随着多径数的增加，会带来误码率性能的急剧下降，这也更好地证明了FH-OFDM系统抗多径衰落能力强的优势，有力地克服了电力线信道多径衰落大的缺陷。

4 结论

FH技术抗干扰能力强、保密性好，而OFDM有较高的频谱利用率和抗多径衰落的能力，将2者结合而成的FH-OFDM系统，既提高了抗干扰能力，又提高了系统的传输速率，保证了系统的安全性，这些特点使得该系统非常适用于多干扰、衰落严重的电力线信道。本文设计的FH-OFDM低压电力线通信系统，经仿真分析证实了将其应用在电力线信道中的可行性和优越性，因此，FH-OFDM技术在未来高速电力线通信中将具有广阔的前景。

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