OFDM技術(shù)及其在電力線高速數(shù)據(jù)通信中的應(yīng)用

1、ofdm技術(shù)及其在電力線高速數(shù)據(jù)通信屮的應(yīng)用作者：黃海燕關(guān)繼勇日期：2004-11-3引言ofdm的英文全稱為0rthogonal frequency division multiplexing,中文含義為正交頻分 復(fù)用技術(shù)。ofdm技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，在每個(gè)子信道 上使用一個(gè)于載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄 帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在ofdm系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不 但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)義提高了頻譜利用率。ofdm技術(shù)是

2、hp a聯(lián)盟（homeping powerline a lliance）工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ),這種技術(shù)具有 在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能 力較差的傳輸介質(zhì)中。例如在電力線高速通信系統(tǒng)巾，由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能 的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，電力傳輸網(wǎng)的固有特點(diǎn)使其作為通信信道使用時(shí)，其特性并 不理想，因此，使用ofdm調(diào)制技術(shù)為電力線高速通信技術(shù)的發(fā)展開辟了更廣闊的前景。ofdm的基本原理of dm信號發(fā)送器的原理（如圖所示）是：用戶信號以串行的方式輸 入發(fā)送器，速率為r碼字/秒。這些碼字先被送入一個(gè)串行/并行變換器中，使串行輸入的信號以并行的方

3、式輸出到n 條線路上。這n條線路上的任何一條上的數(shù)據(jù)傳輸速率則為r /n碼字/秒。該ofdm碼隨后被送入一個(gè)進(jìn)行快速傅里葉逆變換的模塊，進(jìn)行快速傅里葉逆變換。 快速傅里葉逆變換可以把頻域離散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為時(shí)域離散的數(shù)據(jù)。由此，用戶的原始輸入 數(shù)據(jù)就被ofdm按照頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。計(jì)算出快速傅里葉逆變換樣值之后，一個(gè)循環(huán)前綴被加到了樣值前，形成一個(gè)循環(huán)拓 展的0 fdm信息碼字。添加循環(huán)前綴技術(shù)利用的是離散線性系統(tǒng)原理中的一個(gè)概念。在 連續(xù)時(shí)間域，兩個(gè)時(shí)域信號的卷積就等于這兩個(gè)信號頻域形式的乘積。但是，這在離散時(shí) 域的情況下一般是不成立的，除非使用無限大的樣值點(diǎn)n或者至少一個(gè)卷積信號是周期性 的

4、（在該情況下，信號可以被圓周卷積）。因?yàn)橹荒苁褂糜邢薜臉又迭c(diǎn)n,所以只能利用循環(huán) 前綴使ofdm信息碼在感興趣的時(shí)|'可區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)周期性。循環(huán)拓展信息碼的樣值再次通過- 個(gè)并行/串行轉(zhuǎn)換器模塊。然后按照串行的方式通過信道（經(jīng)過適當(dāng)?shù)臑V波和調(diào)制）。在傳輸過程中，信道的沖擊 響應(yīng)對時(shí)域信號造成了干擾。由于循環(huán)前綴使所傳輸?shù)膐fdm信號表現(xiàn)出周期性，這種卷 積就成了一種圓周卷積。根據(jù)離散時(shí)間線性系統(tǒng)原理，這種圓周卷積就相當(dāng)于ofd m信號 的頻率響應(yīng)和信道頻率響應(yīng)的乘積，接收器完成與發(fā)送器相反的操作。接收器收到的信號是時(shí)域信號。由于無線信道的影響發(fā)生了一定的變化，接收到的信 號經(jīng)過一個(gè)串行/并

5、行的轉(zhuǎn)換器，并且把循壞前綴清除掉。清除循環(huán)前綴并沒有刪掉任何 信息。循環(huán)前綴屮的信息是兀余的。使用循環(huán)前綴是為了保證前面提到的卷積特性的成立。 循環(huán)前綴的另外一個(gè)好處是可以消除碼間干擾。要求循環(huán)前綴的值比信道內(nèi)存更大一些。 多徑信號引起先發(fā)信息碼字的滯后到達(dá)而影響當(dāng)前信息碼字，從而產(chǎn)生碼間干擾。但是事 實(shí)上，碼間干擾僅僅會干擾當(dāng)前信息碼的循環(huán)前綴。因此，使用適當(dāng)大小的循環(huán)前綴就能 夠使ofdm技術(shù)消除碼間干擾。在清除了循環(huán)前綴z后，信號將會經(jīng)過一個(gè)快速傅里葉變換模塊，把信號從時(shí)域轉(zhuǎn)變 冋頻域。信號經(jīng)過一個(gè)并行/串行轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行并串變換，就完成了對原始o(jì)fdm信號的接 收?？焖俑道锶~變換在ofd

6、m系統(tǒng)屮的應(yīng)用ofdm并不是如今發(fā)展起來的新技術(shù)，ofdm 技術(shù)的應(yīng)用已有近40年的歷史，但是一個(gè)ofdm系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，從而限制了其進(jìn) 一步推廣。直到20世紀(jì)70年代，人們采用離散傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)多個(gè)載波的調(diào)制，簡化 了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得ofdm技術(shù)更趨于實(shí)用化。通常釆用復(fù)等效基帶信號來描述ofdm的輸 出信號，如式（2）。其實(shí)部和虛部分別對應(yīng)t of dm符號的同相和和正交分量，在實(shí)際中 以分別與相應(yīng)子載波的cos分量和s in分量相乘，構(gòu)成最終的子信道信號和合成的ofd m 符號。ofdm攵等效基帶信號可以釆用離散傅里葉逆變換（idft）方法來實(shí)現(xiàn)。（附1）根據(jù) 上述分析可以看到，ofd

7、m系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)可以分別由idft和dft來代替。通過n點(diǎn)idft 運(yùn)算，把頻域數(shù)據(jù)符號di變換為時(shí)域數(shù)據(jù)符號sk,經(jīng)過射頻載波調(diào)制之后，發(fā)送到信道中, 其中每一個(gè)idft輸岀的數(shù)據(jù)符號sk都是由所有子載波信號經(jīng)過疊加而生成的，即對連續(xù) 的多個(gè)經(jīng)過調(diào)制的子載波的耗加信號進(jìn)行抽樣得到的。在實(shí)際應(yīng)用屮，可以采用更加方便 的快速傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)。ofdm的工作方式可靠性是通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本考核指標(biāo), 所以很多通信系統(tǒng)都傾向于選擇bpsk或qpsk調(diào)制，以確保在信道最壞條件下的信噪比要 求，但是這兩種調(diào)制方式的頻譜效率很低。以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則, 通過選擇滿足一定誤碼率的最佳調(diào)

8、制方式就可以獲得最大頻譜效率。多徑信道的頻率選擇 性衰落會使接收信號功率大幅下降，經(jīng)常會達(dá)到30db z多，信噪比也隨z大幅下降。為 了提高頻譜利用率，應(yīng)該使用與信噪比相匹配的調(diào)制方式。ofdm技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制, 即每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同，各個(gè)載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào) 制方式，bpsk、qpsk、8p sk、16qam. 64q am等等。比如在終端靠近基站時(shí)，信道條件 一般會比較好，調(diào)制方式就可以rfl b psk（頻譜效率ibit /s / hz）轉(zhuǎn)化成16q am64qam（頻 譜效率4-6bit/s/hz ）,整個(gè)系統(tǒng)的頻譜利用率就會得到大幅度的提高。自適應(yīng)

9、調(diào)制能夠 擴(kuò)大系統(tǒng)容量，但它要求信號必須包含一定的開銷比特，以告知接收端發(fā)射信號所應(yīng)采用 的調(diào)制方式。終端還要定期更新調(diào)制信息，這也會增加更多的開銷比特。自適應(yīng)調(diào)制要求 系統(tǒng)必須對信道的性能有及時(shí)和精確的了解，如果在差的信道上使用較強(qiáng)的調(diào)制方式，那 么就會產(chǎn)生很高的誤碼率，影響系統(tǒng)的可用性。ofdm系統(tǒng)可以用導(dǎo)頻信號或參考碼字來 測試信道的好壞。發(fā)送一個(gè)已知數(shù)據(jù)的碼字，測出每條信道的信噪比，根據(jù)這個(gè)信噪比來 確定最適合的調(diào)制方式。ofdm還釆用了功率控制和自適應(yīng)調(diào)制相協(xié)調(diào)工作方式。信道好 的吋候，發(fā)射功率不變，可以增強(qiáng)調(diào)制方式（如64qam）,或者在低調(diào)制方式（如qpsk）吋降 低發(fā)射功率。功

10、率控制與自適應(yīng)調(diào)制要収得平衡。也就是說對于一個(gè)發(fā)射臺，如果它有良 好的信道，在發(fā)送功率保持不變的情況下，可使用較高的調(diào)制方案如6 4qam；如果功率 減小，調(diào)制方案也就可以相應(yīng)降低，使用qpsk方式等。ofdm技術(shù)主要優(yōu)點(diǎn) 近年來， ofdm系統(tǒng)已經(jīng)越來越得到人們的廣泛關(guān)注，其主要原因是ofdm系統(tǒng)存在以下優(yōu)點(diǎn)：（1） 頻帶利用率高ofdm允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護(hù)頻帶分離 子信道的方式，提高了頻率利用效率。（2 ）信號時(shí)間長高速數(shù)據(jù)流通過串并變換，使得每個(gè) 子載波上的信號時(shí)間就相應(yīng)地比同速率的單載波系統(tǒng)上的信號時(shí)間長很多倍，有效的減小 了信道的時(shí)間彌散所帶來的isi

11、,這樣就減小了接收機(jī)內(nèi)均衡的復(fù)雜度，如果衰落不是特別 嚴(yán)重，就沒有必要再添加時(shí)域均衡器。（3）衰落性能強(qiáng)由于低壓輸電線上阻抗變化幅度較大, 信號傳輸吋會出現(xiàn)嚴(yán)重的衰落。自適應(yīng)均衡是解決信道衰落的有效手段，但是當(dāng)系統(tǒng)傳輸 速率很高時(shí)實(shí)現(xiàn)快速均衡其復(fù)雜性和成本都難以接受。采用ofdm調(diào)制，每個(gè)子信道的速 率較低，實(shí)現(xiàn)均衡相對不困難。of dm通過打開和關(guān)閉某些子信道的方式防止信道衰落。 系統(tǒng)在最初工作時(shí)所有子信道上都發(fā)送數(shù)據(jù)，工作一段時(shí)間后如果某個(gè)頻段的信號衰落嚴(yán) 重，超過規(guī)定的信噪比門限，發(fā)送端會自動關(guān)閉該頻段的子載波，避免了衰落引發(fā)的誤碼。 （4）適合高速數(shù)據(jù)傳輸ofdm自適應(yīng)調(diào)制機(jī)制使不同的

12、子載波可以按照信道情況和噪?yún)鸨尘?的不同使用不同的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件好的時(shí)候，采用效率高的調(diào)制方式。當(dāng)信道條件 差的時(shí)候，釆用抗干擾能力強(qiáng)的調(diào)制方式。ofdm加載算法的采用，使系統(tǒng)可以把更多的 數(shù)據(jù)集屮放在條件好的信道上以高速率進(jìn)行傳送。因此，0 fdm技術(shù)非常適合高速數(shù)據(jù)傳 輸。（5）抗碼間干擾（isi）能力強(qiáng)碼間干擾是數(shù)字通信系統(tǒng)中除噪聲干擾之外最主要的干擾， 它與加性的噪聲干擾不同，是一種乘性的干擾。造成碼間干擾的原因有很多，實(shí)際上，只 要傳輸信道的頻帶是有限的，就會造成一定的碼間干擾。ofdm由于采用了循壞前綴，對 抗碼間干擾的能力很強(qiáng)。ofdm技術(shù)的不足z處（1）易受頻率偏差的影響

13、。ofdm技術(shù)區(qū)分 各個(gè)子信道的方法是利用各個(gè)子載波之間嚴(yán)格的正交性。頻偏和相位噪聲會使各個(gè)子載波 之間的正交特性惡化從而導(dǎo)致子信道i'可的信號相互干擾（ici）,這種對頻率偏差的敏感是 ofdm系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)之一。（2）存在較高的功率峰值與均值比（papr ）,導(dǎo)致射頻放大器的 功率效率較低。與單載波系統(tǒng)相比，rt!于ofdm信號是rh多個(gè)獨(dú)立的經(jīng)過調(diào)制的子載波信 號相加而成的，這樣的合成信號就有可能產(chǎn)生比較大的峰值功率，也就會帶來較大的峰值 均值功率比，簡稱峰均值比。高峰均值比會增大對射頻放大器的要求，導(dǎo)致射頻信號放大 器的功率效率降低。（3）負(fù)載算法和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)會增加系統(tǒng)復(fù)雜

14、度。負(fù)載算法和自適應(yīng) 調(diào)制技術(shù)的使用會增加發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的復(fù)雜度，并且當(dāng)終端移動速度每小時(shí)高于30km 時(shí)，口適應(yīng)調(diào)制技術(shù)就不是很適合了。ofdm技術(shù)在電力線高速通信上的應(yīng)用 電力線是覆 蓋范i韋i最廣的網(wǎng)絡(luò)，我國的用電用戶已超過10億，它的規(guī)模是其他任何網(wǎng)絡(luò)無法比擬的。 利用電力線作為高速數(shù)據(jù)通信的載體，其優(yōu)勢是不言而喻的。但是，負(fù)載的開關(guān)會引起電 力線上電流的波動，而且信號衰減與信道的物理長度和低壓電網(wǎng)的阻抗匹配情況有關(guān)，由 于低壓電網(wǎng)上負(fù)載的開關(guān)是隨機(jī)的，因此其阻抗是隨時(shí)間而變化的，很難進(jìn)行匹配。所以, 電力線通信的環(huán)境極為惡劣，在這樣惡劣的環(huán)境下，要想保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量，必須采用 許多相關(guān)的技術(shù)加以解決。在第三屆is plc（電力線通信及其應(yīng)用國際會議）上，德國、英國 等國家的學(xué)