基于OFDM低压电力线通信技术研究＊

（海军指挥学院信息战研究系 南京 211800）

1 引言

电力线载波通信（Power Line Communication，PLC）是利用电力网络传输语音、图像、视频以及数据信息等高频信号的一种通信方式［1］，源于其连接方便、覆盖区域广、不用布线等优点，成为解决“最后一公里”问题，是接入宽带网络最具优势的技术之一。

电力线载波通信开始主要应用于中低压电力网络的智能抄表、远程控制及EMS（能源管理）等方面。随着网络技术和信息技术迅猛发展，利用电力线来实现高速Internet接入及多媒体信息传输成为研究热点，以期实现有线电视网、计算机网、电话网及电力网的“四网合一”。但是，电力线只是为了实现传输电能而设计的，电力线信道还存在阻抗小、变化大、信号衰减强、干扰大且时变性大、存在着多径时延等问题［2］。为此必须选择一种合适的电力线信号传输技术，尤其是选择合适的调制方式尤为重要［3］。

OFDM 技术具有抗多径时延、抗频率选择性衰落、传输速率高、频带利用率高、均衡技术简单的优点［4］，特别适用于电力线通信。但是同无线信道中的OFDM 系统一样，峰均功率比（PAPR）过高也限制了其在电力线通信中的应用，本文简要介绍了OFDM 技术原理及其实现过程，提出了改进的OFDM 调制解调技术并进行了仿真分析，使信息传输的安全性和可靠性有了很大的提高。

2 OFDM 技术的原理及实现过程

正交频分复用（OFDM）技术基于并行数据传输的多载波通信技术，主要思想是在频域内将给定信道分成N个正交子信道，同时将串行数据转换为许多个并行数据，在每个子信道上使用一个子载波调制一路独立的数据信息，最后将调制之后的子载波的信号相加同时发送，N取值越大，每个子信道越接近理想信道特性。由于每个子载波信号只占据带宽的1／N，有利于消除码间干扰，同时提高了频谱利用率［5］。在接收端，根据各个子载波相互正交，可以很好地恢复原始信号。

OFDM 信号表示成并行传输的正交调制子载波集合，其数学表达式如下：

式中，fi＝f0＋iΔf，i＝0，1，…，n-1；f0一般为1／T的整数倍；Δf为各频率子载频间的最小间隔，一般取Δf＝1／T，此时刚好满足各子载波正交条件。为了求得s（t）的系数ai和bi，可以借助FFT 和IFFT 来实现。下面予以简单说明，记：

以fs＝1／Ts为采样频率，t＝kts

则：

由上式可以知道，借助离散傅氏变换可以计算出OFDM 信号。正是由于借助离散傅氏变换快速算法，才使得原本复杂的OFDM 技术得以简单地实现。

另外，OFDM 技术可以充分利用了频带，提高了频谱利用率，由于各个符号子载波间频谱可以相互重叠，通过计算可以算出OFDM 调制系统，可以实现近100%的频谱效率，这里就不再计算［6］。

OFDM 通信系统基本实现框图如图1所示。

图1 OFDM 基本实现框图

如图1所示，信号源产生的数字信号（串行数据）经串／并转换，变为许多路子载波并行信号，各路子载波信号通过常规的QPSK、QAM、FSK 等方式进行调制，子载波信号调制方式可以分别采用各自的方式，接着利用快速傅立叶反变换（IFFT），插入循环前缀后，有时还要加窗等操作，再将并行信号恢复为串行信号；最后通过模数转换，通过发射功放电路将信号加载到低压电力线信道上；接收端将模拟信号转换为数字信号，通过一系列逆变换将子载波信号解调出来，完成整个通信过程。

3 改进的OFDM 技术

3.1 OFDM 峰均值功率比问题

OFDM 信号在时域上为N个子载波的叠加，而各个子载波间相互独立。根据统计学理论我们知道其时域波形将是一个高斯随机过程。因此，在某些极限时刻，即当子载波信号在相位和时间上以峰值相加时，OFDM 信号就会产生很大的峰均值功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）值。

在通信系统非线性带限信道中特别不希望出现上述现象，因为PAPR越高，功率放大器的线性区域越大，否则，当信号峰值进入功率放大器的非线性区域时，就会造成信号失真，而信号畸变失真就会导致子载波之间的互调干扰和带外辐射，破坏子载波间的正交性；假如需要不失真地传输这些高PAPR 的OFDM 信号，就需要线性度很高的高功率放大器。但通常OFDM 信号的幅值又远远低于这个峰值，这样就使得设计这样一个功率放大器得不偿失，增加系统成本，利用效率低下［7］。因此，解决这一问题，对复杂的低压电力线信道的意义更加重大。

3.2 相位干涉的OFDM 技术

PAPR是指信号的瞬时最大功率和均值功率的比值，通常取对数形式［8］，可用如下数学表达式表示：

其中x（t）表示OFDM 基带信号，其平方则为其功率。通过推导可以得出，假定N个子载波均以相同的相位求和，则OFDM 信号的峰值功率就会是平均功率的N倍。比如，当N＝128时，则PAPR（dB）＝10log10N＝21dB，当然，这是极限情况，但从式（4）中我们可以看到，随着子载波数N的增加，必然使得PAPR跟着线性增大，从而加大对功率放大器的要求以避免非线性失真以及谐波带来的子信道间的相互干扰。因此，必须采取一定方法降低OFDM 的高PAPR值，降低OFDM 通信系统的成本。

本文采取在快速傅立叶反变换前通过相位干涉来降低PAPA 值。当传统OFDM 系统和经过相位干涉的OFDM 均值功率相同时，经过相位干涉OFDM 系统，其峰值功率maxn｛｜xn｜2｝更低，通过这种方法就可以有效地降低OFDM 信号的PAPR值。不管是传统OFDM 系统还是经过相位干涉的OFDM 系统，信息序列都要采取串并转换，使每个比特数据都调制到其载波上，然后通过所采取的调制方式发送到电力线信道。而采取相位干涉法区别在于需要添加一个相位补偿，从而改变信息序列的相位。OFDM 信号数学表达式为

采取相位干涉OFDM 信号的数学表达式为

3.3 仿真与分析

采用相位干涉方法可以更好地利用不同信道的频率特性，其不仅可以使OFDM 信号的PAPR值降低，而且对通信系统的要求没有增加。

图2Matlab 仿真图，仿真参数：IFFT 点数为128，4倍过采样，采用QPSK 调制方式。

图2 相位干涉法CDDF图

图2中的Y轴称为互补累积分布函数（CCDF，它是指PAPR 超过PAPR0这一门限值的概率），用来描述OFDM 信号的PAPR 特性［9］。从图中可以看出，当CCDF 等于10-4时（即相当于系统可能出现的最大PAPR 值），采用相位干涉法的PAPR＝7.6dB，而原始OFDM 信号的PAPR＝11.2dB，PAPR值降低了3.6dB。可见，相位干涉法明显改善了OFDM 系统的PAPR 特性。

4 结语

目前，利用电力线传输高速数据在世界范围内取得了很大的进步，其传输速率也有了很大的提高。然而，为了解决在电力线上进行高速信息传输受到的噪声干扰、多径时延以及信号衰减的影响，必须选择一种有利于减少误码率、增加数据传输速率的调制解调方式［10］。

随着DSP 技术的迅速发展，OFDM 技术也越来越容易实现。OFDM 技术具有抗多径时延、抗信号衰减、频带利用率高等优点［11］，很好地解决高速PLC通信遇到的信道环境恶劣的问题。但传统的OFDM 信号PAPR 过高，本文提出的相位干涉法OFDM 对降低PAPR 有很好的作用，在电力线通信技术研究方面具有一定的应用前景。

［1］郑涛，张保会.利用低压电力线传输数据存在的技术问题及对策［J］.电网技术，2004，28（22）：43-46.

［2］欧海清.国外高速电力线通信技术发展分析［J］.通信世界，2008，26（21）：13-17.

［3］戚佳金，陈雪萍，等.低压电力线载波通信技术研究进展［J］.电网技术，2010，34（5）：161-163.

［4］傅永耀.电力线载波通信的研究与实现［D］.西安：西安科技大学，2006：11-13.

［5］彭军.基于PLC 的家庭网络技术研究［D］.厦门：厦门大学，2007：14-15.

［6］俞庆.低压电力线载波通信技术的研究及应用［J］.电力系统通信，2002，3（1）：17-20.

［7］孙超众，等.电力线载波通信原理及其在改造工程中的应用［J］.信息技术，2006，11（8）：69-72.

［8］张彦宇.低压电力线OFDM 系统中交织算法的改进［J］.计算机工程与应用，2013，2（5）：33-36.

［9］吕振肃，雷锡社，等.低压电力线通信技术及其应用［J］.甘肃科学学报，2002，14（4）：29-34.

［10］李晓亮，等.PLC 电力线载波通信研究［J］.西安电子科技大学学报，2009，15（7）：21-27.

［11］Galli，S.，Logvinov，O.Recent Developments in the Standardization of Power Line Communications within the IEEE［J］.Communications Magazine，2008，46（7）：64-68.