OFDM技术及其在电力线高速数据通信中的应用.docx

OFDM技术及其在电力线高速数据通信中的应用作者：黄海燕 关继勇 日期：2004-11-3引 言 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个于载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时义提高了频谱利用率。 OFDM技术是HPA联盟(HomePlng Powerline Alliance)工业规范的基础，这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。例如在电力线高速通信系统巾，由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，电力传输网的固有特点使其作为通信信道使用时，其特性并不理想，因此，使用OFDM调制技术为电力线高速通信技术的发展开辟了更广阔的前景。 OFDM的基本原理 OFDM信号发送器的原理(如图所示)是：用户信号以串行的方式输入发送器，速率为R码字秒。这些码字先被送入一个串行/并行变换器中，使串行输入的信号以并行的方式输出到N条线路上。这N条线路上的任何一条上的数据传输速率则为RN码字秒。该OFDM码随后被送入一个进行快速傅里叶逆变换的模块，进行快速傅里叶逆变换。快速傅里叶逆变换可以把频域离散的数据转化为时域离散的数据。由此，用户的原始输入数据就被OFDM按照频域数据进行了处理。计算出快速傅里叶逆变换样值之后，一个循环前缀被加到了样值前，形成一个循环拓展的OFDM信息码字。 添加循环前缀技术利用的是离散线性系统原理中的一个概念。在连续时间域，两个时域信号的卷积就等于这两个信号频域形式的乘积。但是，这在离散时域的情况下一般是不成立的，除非使用无限大的样值点N或者至少一个卷积信号是周期性的(在该情况下，信号可以被圆周卷积)。因为只能使用有限的样值点N，所以只能利用循环前缀使OFDM信息码在感兴趣的时间区内呈现周期性。 循环拓展信息码的样值再次通过一个并行/串行转换器模块。然后按照串行的方式通过信道(经过适当的滤波和调制)。在传输过程中，信道的冲击响应对时域信号造成了干扰。由于循环前缀使所传输的OFDM信号表现出周期性，这种卷积就成了一种圆周卷积。根据离散时间线性系统原理，这种圆周卷积就相当于OFDM信号的频率响应和信道频率响应的乘积，接收器完成与发送器相反的操作。接收器收到的信号是时域信号。由于无线信道的影响发生了一定的变化，接收到的信号经过一个串行/并行的转换器，并且把循环前缀清除掉。 清除循环前缀并没有删掉任何信息。循环前缀中的信息是冗余的。使用循环前缀是为了保证前面提到的卷积特性的成立。 循环前缀的另外一个好处是可以消除码间干扰。要求循环前缀的值比信道内存更大一些。多径信号引起先发信息码字的滞后到达而影响当前信息码字，从而产生码间干扰。但是事实上，码间干扰仅仅会干扰当前信息码的循环前缀。因此，使用适当大小的循环前缀就能够使OFDM技术消除码间干扰。 在清除了循环前缀之后，信号将会经过一个快速傅里叶变换模块，把信号从时域转变回频域。信号经过一个并行/串行转换模块进行并串变换，就完成了对原始OFDM信号的接收。 快速傅里叶变换在OFDM系统中的应用 OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用已有近40年的历史，但是一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到20世纪70年代，人们采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。 通常采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号，如式(1)。其实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和和正交分量，在实际中可以分别与相应子载波的cos分量和sin分量相乘，构成最终的子信道信号和合成的OFDM符号。 OFDM复等效基带信号可以采用离散傅里叶逆变换(IDFT)方法来实现。（附1） 根据上述分析可以看到，OFDM系统的调制解调可以分别由IDFT和DFT来代替。通过N点IDFT运算，把频域数据符号di变换为时域数据符号Sk，经过射频载波调制之后，发送到信道中，其中每一个IDFT输出的数据符号Sk都是由所有子载波信号经过叠加而生成的，即对连续的多个经过调制的子载波的叠加信号进行抽样得到的。在实际应用中，可以采用更加方便的快速傅里叶变换来实现。 OFDM的工作方式 可靠性是通信系统正常运行的基本考核指标，所以很多通信系统都倾向于选择BPSK或QPSK调制，以确保在信道最坏条件下的信噪比要求，但是这两种调制方式的频谱效率很低。 以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则，通过选择满足一定误码率的最佳调制方式就可以获得最大频谱效率。多径信道的频率选择性衰落会使接收信号功率大幅下降，经常会达到30dB之多，信噪比也随之大幅下降。为了提高频谱利用率，应该使用与信噪比相匹配的调制方式。 OFDM技术使用了自适应调制，即每个载波所使用的调制方法可以不同，各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，BPSK、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM等等。比如在终端靠近基站时，信道条件一般会比较好，调制方式就可以由BPSK(频谱效率lbitsHz)转化成16QAM64QAM(频谱效率46bitsHz)，整个系统的频谱利用率就会得到大幅度的提高。 自适应调制能够扩大系统容量，但它要求信号必须包含一定的开销比特，以告知接收端发射信号所应采用的调制方式。终端还要定期更新调制信息，这也会增加更多的开销比特。 自适应调制要求系统必须对信道的性能有及时和精确的了解，如果在差的信道上使用较强的调制方式，那么就会产生很高的误码率，影响系统的可用性。OFDM系统可以用导频信号或参考码字来测试信道的好坏。发送一个已知数据的码字，测出每条信道的信噪比，根据这个信噪比来确定最适合的调制方式。 OFDM还采用了功率控制和自适应调制相协调工作方式。信道好的时候，发射功率不变，可以增强调制方式(如64QAM)，或者在低调制方式(如QPSK)时降低发射功率。功率控制与自适应调制要取得平衡。也就是说对于一个发射台，如果它有良好的信道，在发送功率保持不变的情况下，可使用较高的调制方案如64QAM；如果功率减小，调制方案也就可以相应降低，使用QPSK方式等。 OFDM技术主要优点 近年来，OFDM系统已经越来越得到人们的广泛关注，其主要原因是OFDM系统存在以下优点： (1)频带利用率高 OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。 (2)信号时间长高速数据流通过串并变换，使得每个子载波上的信号时间就相应地比同速率的单载波系统上的信号时间长很多倍，有效的减小了信道的时间弥散所带来的ISI，这样就减小了接收机内均衡的复杂度，如果衰落不是特别严重，就没有必要再添加时域均衡器。 (3)衰落性能强由于低压输电线上阻抗变化幅度较大，信号传输时会出现严重的衰落。自适应均衡是解决信道衰落的有效手段，但是当系统传输速率很高时实现快速均衡其复杂性和成本都难以接受。采用OFDM调制，每个子信道的速率较低，实现均衡相对不困难。OFDM通过打开和关闭某些子信道的方式防止信道衰落。系统在最初工作时所有子信道上都发送数据，工作一段时间后如果某个频段的信号衰落严重，超过规定的信噪比门限，发送端会自动关闭该频段的子载波，避免了衰落引发的误码。 (4)适合高速数据传输 OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。OFDM加载算法的采用，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上以高速率进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。 (5)抗码间干扰(ISI)能力强 码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多，实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。OFDM由于采用了循环前缀，对抗码间干扰的能力很强。 OFDM技术的不足之处 (1)易受频率偏差的影响。OFDM技术区分各个子信道的方法是利用各个子载波之间严格的正交性。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化从而导致子信道间的信号相互干扰(ICI)，这种对频率偏差的敏感是OFDM系统的主要缺点之一。 (2)存在较高的功率峰值与均值比(PAPR)，导致射频放大器的功率效率较低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰值均值功率比，简称峰均值比。高峰均值比会增大对射频放大器的要求，导致射频信号放大器的功率效率降低。 (3)负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度，并且当终端移动速度每小时高于30km时，自适应调制技术就不是很适合了。 OFDM技术在电力线高速通信上的应用 电力线是覆盖范围最广的网络，我国的用电用户已超过10亿，它的规模是其他任何网络无法比拟的。利用电力线作为高速数据通信的载体，其优势是不言而喻的。但是，负载的开关会引起电力线上电流的波动，而且信号衰减与信道的物理长度和低压电网的阻抗匹配情况有关，由于低压电网上负载的开关是随机的，因此其阻抗是随时间而变化的，很难进行匹配。所以，电力线通信的环境极为恶劣，在这样恶劣的环境下，要想保证数据传输的质量，必须采用许多相关的技术加以解决。 在第三届ISPLC(电力线通信及其应用国际会议)上，德国、英国等国家的学者就介绍了OFDM调制技术在电力线通信中的应用，在第四界ISPLC会议上，大多数论文也是关于OFDM的。由此可以看出，OFDM技术已经成为电力线通信中的关键技术。 近年来，利用电力线进行高速数据传输的技术已经获得突飞猛进的发展。这给用户带来了低成本、高性能的服务，也给电力企业带来了新的市场和商机。OFDM作为一种可以有效对抗信号波形间干扰的高速传输技术，将被更广泛应用于电力线高速通信领域，必将为用户和电力企业带来更广阔的新天地