基于OFDM的高速电力线远程通信系统的设计与分析.pdf
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1、第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n VO I 5 2 No 2 4 De c 2 5, 2 0 1 5 基于 O F D M的高速电力线远程通信系统的设计与分析水 钱程 , 陈良亮 , 张卫国。 ( 1 安徽理工大学, 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 ; 2 国电南瑞科技股份有 限公 司,南京 2 1 1 1 0 0 ) 摘要: 针对国内外现有的电力载波通信存在通信速率低 , 以及通信频率和通信功率不达标等缺陷,
2、 推进传输技 术的研究 , 设计 了一种基于正交频分复用技术 ( O F D M) 的高速 电力线远程通信系统。详细介绍了基于傅里叶 ( F F T ) 的 O F D M和基于小波变换的O F D M传输方式, 同时对比了两者数据传输的速率和效率, 利用 L a b V I E W 编程 , 实现上位机的实时可视化监测。对电力载波通信传输 ( P L C) 的检测方法和手段进行初步探索 , 测试结果 表明整个系统在数据传输、 抗干扰性、 安全性等方面具有优良的性能, 能够实现高速稳定的 P L C通讯。 关键词: 电力线通信; O F D M; L a b V I E W; 数据传输 中图分
3、类号 : T M 7 3 文献标识码 : B 文章编号 : 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 2 4 0 1 0 1 0 6 De s i g n a n d a n a l y s i s o f h i g h - s p e e d p o we r l i n e r e mo t e c o mmu n i c a t i o n s s y s t e m b a s e d o n OFDM Q i a n C h e n g , C h e n L i a n g l i a n g , Z h a n g We i g u o ( A n h u i U
4、 n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y , Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 , A n h u i ,C h i n a 2 N A R I T e c h n o l o g y C o , L t d , N a n j i n g 2 1 1 1 0 0 ,C h i n a ) Abs t r ac t:I n v i e w o f e x i s t i n g l o w c o mmu ni c a t i o n s p e e d a t h o me a nd a b
5、r o a d,t he d e f e c t i n c o mmun i c a t i o n f r e q u e n c y a n d c o mmu ni c a t i o n p o we r i s s u bs t a n d a r d,wh i c h a d v a n c e s t h e r e s e a r c h o f t r a n s p o r t t e c h no l o g y,t h i s p a pe r d e s i g n e d a h i g h- s p e e d p o we r l i n e r e mo t
6、 e c o mmun i c a t i o n s y s t e m b a s e d o n OF DM I t i n t r o d uc e d t h e t r a n s p o rt o f OFDM b a s e d o n F n 1 a n d wa v e l e t i n d e t a i l ,a n d c o mp a r e d t h e i r r a t e a n d e f f i c i e n c y wi t h e a c h o t h e r i n d a t a t r a n s p o rt,t h u s ma k
7、 i n g P C v i s u a l i z a t i o n mo n i t o r i n g i n r e a l t i me po s s i b l e b y u s i n g La bVI EW Th i s p a p e r ma ke s a p r i ma r y r e s e a r c h o n t h e i n s p e c 。 t i o n a p p r o a c h o f P L CT h e r e s u l t s r e fl e c t t h a t t h e wh o l e s y s t e m b e h
8、 a v e s w e l l a n d i s a b l e t o a c h i e v e q u i c k a n d s t e a d y PLC c o mmu n i c a t i o n s i n d a t a t r a n s p o r t ,r e s i s t a n c e t o i nt e rfe r e n c e a nd s e c u r i t y e t c Ke y wor ds: po we r l i n e c o mmun i c a t i o n,OFDM ,L a b VI EW ,d a t a t r a n
9、 s p o rt 0 引 言 电力线通讯利用 现有 的电力 网络 , 实现数据 的 高速传输。由于 电力线是多 以分 支方式连接 的 , 在 作为通讯线路使用时 , 会在传输路径 上形成 多路径 。 此外 , 在电力线上连接着许多家用 电设备 , 所 以还要 受到这些设备的负荷阻抗和由家 电设备产生的噪声 等影响。 目前 , 在 P L C可使用的频带 , 运行着许多无 线 电通讯设备 , 另外一方面 , 由于 电力线不是用 于通 讯的基础设施, 所以电力线对地间的平衡度( L C L ) 很 基金项 目: 国家 8 6 3基金 资助 项 目( 2 0 1 1 A A 0 5 A1 1 0)
10、 ; 国家 能 源局 项 目( N Y 2 0 1 1 0 7 0 31 ) 差 , 因此来 自无线 电通设 备的空 中电波也成 为噪声 叠加到电力线上。反之, 由于 P L C的信号有时也会 因电力线对地 问平衡度差 而产 生对外辐射 , 所 以势 必也会对已有无线 电通讯设备产生影响。为 了应对 上诉恶劣的传输通道环境 , 推进传输技术 的研究 , 本 文设计了一种基于 O F D M 的高速电力线远程通讯系 统 , 为实现高速稳定 的 P L C通讯提供了新的途径 。 1 O F D M传输方式 所谓 O F D M, 是一种能够很好的适用于多路径传 播 的信道 的有效方式 , 在移动通
11、讯和地面波数字 广 播 中采用的调制解调技术 , 由于其具有高频率利 用 率 、 对传输路径 的状态变化适应性好 , 且有避免与其 - - - 1 01 - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年1 2月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i e a l M e a s u r e me nt& I n s t r u m e nt a fio n V0 1 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 01 5 他无线 电通讯设备之间干扰能力等优点 , O F D M广泛 应用 于数 字 T V、 无 线 L A
12、N 以及 非 对 称 数 字环 路 ( A D S L ) 等通讯方式 中 J 。O F D M 技术 的原理就是 将频段划分 成窄的子带, 二进制信息通过每个子 带 来传输 。每个子带 的频率 响应是 正交 的 , 并且 混叠 较小 , 因此就可以得到的频谱利用率较好。 1 1 基 于 F F T 的 O F D M 传 输方 式 基于 F 兀1 的 O F D M的传输方式是以高速傅里叶变 换为基础的, 基于 F F r 的 O F D M基本框图如图 1 所示。 图 1 基 于 F F T的 O F D M 基本 框 图 Fi g 1 OFDM b a s i c b l o c k d
13、 i a g r a m b a s e d O n F FT 首先数据输人后进 行串 并转换 , 然后送 到映射 部分 。在映射 部分 , 每 一个输入数据将 信息变换 为 振幅 相位信号 , 进行振 幅、 相位 调制 ( 一 次调 制 ) 。 该经过一次调制的发信信号点作为频率轴上的信号 通讯数据 厂 加密 l l纠 帧 控 制 信 号L = = 二 二 一 子载波映射图索引数据 被乘 以各子 载波 , 成为发信信号。在 傅里叶反变换 部分, 将该频域信息转换为时域信号, 经并 串变化、 数模变换后, 最后形成模拟信号发送到传输通道 。 经过线路 , 被发送 的调制信号输入到接收部分。 在
14、接收部分, 通过模数变化将模拟信号变换为数字 信号 , 该数字信号通过 串 并变换、 傅里叶变换后 , 恢 复发送侧的频域信息 。其后 , 该频域信 息( 接收信 号点) 由逆映射回路进行与发信相反的操作 , 得到并 行接收数据 。然后 , 通过 串并变换 电路到最终 的输 出数据 。 加入保护间隔是基于 F F v r的 O F D M 中机器重要 的功能之一 。加入保护间隔不仅方便地在接 收端进 行正交解调, 而且在去除因多径扩散等引起的信道 时变特性恶化发挥很大的作用 。 1 2 基 于 小波 变换 的 O F D M 传 输方 式 不使用傅里叶变换 , 而利用小波 O F D M的方式
15、 , 使得高速化成为可能。该方式使用的是图像压缩 中 的小波变换方 式。在该小波变化 的实现过程 中, 采 用了滤波器组合法( R P C M F B ) 和高速离散余弦变换 ( D C T ) 。小波 O F D M 的构成框图如图2所示 。 生成子载 l l 逆小渡l 。 I 前导 波 映 射 图r 变 换 - 1 H A 斜 波( R a m p ) 函数修正 = 前置模拟终端 图 2 小波 O F D M 的 构成框 图 F i g 2 OF DM s t r uc t u r e b l o c k d i a g r a m b a s e d o n wa v e l e t 小
16、波 O F D M具有 如下特点 : 由于副瓣 较小故受 到载波之间干扰的影响很小 , 且依赖 全部 符号 问干 扰 , 故即使不设保护间隔性能降低也很小 。没有保护 间隔 , 并且通过采用长度短的符号 , 即使在高速化方 一 1 0 2 一 法 中包连接数少时也得 到高效率 , 此外 , 采取增加连 接数情况下速度提高效果好的系统构成 , 即使在 4 2 8 MH z 狭窄 的频带使用 , 也可实现高 M A C效率 。 小波 O F D M特性如图 3所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 2 4期 2 0 1 5年l 2月 2 5日 电测与
17、仪表 El e c t r i c a l Me a s u r e me n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 2 No 2 4 De c 2 5。 2 0 1 5 延迟量绝对值 ( s ) ( a ) 延迟时间 ( s ) ( b ) 图 3小波 O F D M 特性 F i g 3 Ch a r a c t e ris t i c o f wa v e l e t ba s e d o n OFDM 1 3 传 输 方式 对 比分析 如图 4所示 , 若单纯采用高速傅里 叶变化 , 最大 振幅的主瓣 和第一副瓣 之间的差 为 1 3 d B左右
18、 。因 此 , 在设置多个 1 0 d b左右陷波 的情况时就是效率极 高的方式 , 而在设置多个 3 0 d b左右深度 陷波 的情况 时 , 需要提取多个无用 的子载波 , 使得频率 的利用效 率变差 。 由图 4可以看出, 在基于小波 的 O F D M 情况下, 可使振幅频谱 的第 一副瓣 比基于 F F r r的 O F D M低 , 在窄频带产生干扰时 , 可减少不适用的子载波数量 , 因此便能够降低子载波间的干扰 J 。 图 5为小波 O F D M 和其他 O F D M传输速率 的比 较。由图可以看 出在小 波 O F D M 中当连 接 MA C帧 时 , 效率就会得到极大
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