（海軍指揮學(xué)院信息戰(zhàn)研究系 南京 211800）

1 引言

電力線載波通信（Power Line Communication，PLC）是利用電力網(wǎng)絡(luò)傳輸語音、圖像、視頻以及數(shù)據(jù)信息等高頻信號的一種通信方式［1］，源于其連接方便、覆蓋區(qū)域廣、不用布線等優(yōu)點(diǎn)，成為解決“最后一公里”問題，是接入寬帶網(wǎng)絡(luò)最具優(yōu)勢的技術(shù)之一。

電力線載波通信開始主要應(yīng)用于中低壓電力網(wǎng)絡(luò)的智能抄表、遠(yuǎn)程控制及EMS（能源管理）等方面。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，利用電力線來實(shí)現(xiàn)高速Internet接入及多媒體信息傳輸成為研究熱點(diǎn)，以期實(shí)現(xiàn)有線電視網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電話網(wǎng)及電力網(wǎng)的“四網(wǎng)合一”。但是，電力線只是為了實(shí)現(xiàn)傳輸電能而設(shè)計(jì)的，電力線信道還存在阻抗小、變化大、信號衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變性大、存在著多徑時(shí)延等問題［2］。為此必須選擇一種合適的電力線信號傳輸技術(shù)，尤其是選擇合適的調(diào)制方式尤為重要［3］。

OFDM 技術(shù)具有抗多徑時(shí)延、抗頻率選擇性衰落、傳輸速率高、頻帶利用率高、均衡技術(shù)簡單的優(yōu)點(diǎn)［4］，特別適用于電力線通信。但是同無線信道中的OFDM 系統(tǒng)一樣，峰均功率比（PAPR）過高也限制了其在電力線通信中的應(yīng)用，本文簡要介紹了OFDM 技術(shù)原理及其實(shí)現(xiàn)過程，提出了改進(jìn)的OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)并進(jìn)行了仿真分析，使信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃杂辛撕艽蟮奶岣摺?/p>

2 OFDM 技術(shù)的原理及實(shí)現(xiàn)過程

正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)基于并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩噍d波通信技術(shù)，主要思想是在頻域內(nèi)將給定信道分成N個(gè)正交子信道，同時(shí)將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為許多個(gè)并行數(shù)據(jù)，在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波調(diào)制一路獨(dú)立的數(shù)據(jù)信息，最后將調(diào)制之后的子載波的信號相加同時(shí)發(fā)送，N取值越大，每個(gè)子信道越接近理想信道特性。由于每個(gè)子載波信號只占據(jù)帶寬的1／N，有利于消除碼間干擾，同時(shí)提高了頻譜利用率［5］。在接收端，根據(jù)各個(gè)子載波相互正交，可以很好地恢復(fù)原始信號。

OFDM 信號表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波集合，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中，fi＝f0＋iΔf，i＝0，1，…，n-1；f0一般為1／T的整數(shù)倍；Δf為各頻率子載頻間的最小間隔，一般取Δf＝1／T，此時(shí)剛好滿足各子載波正交條件。為了求得s（t）的系數(shù)ai和bi，可以借助FFT 和IFFT 來實(shí)現(xiàn)。下面予以簡單說明，記：

以fs＝1／Ts為采樣頻率，t＝kts

則：

由上式可以知道，借助離散傅氏變換可以計(jì)算出OFDM 信號。正是由于借助離散傅氏變換快速算法，才使得原本復(fù)雜的OFDM 技術(shù)得以簡單地實(shí)現(xiàn)。

另外，OFDM 技術(shù)可以充分利用了頻帶，提高了頻譜利用率，由于各個(gè)符號子載波間頻譜可以相互重疊，通過計(jì)算可以算出OFDM 調(diào)制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)近100%的頻譜效率，這里就不再計(jì)算［6］。

OFDM 通信系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 OFDM 基本實(shí)現(xiàn)框圖

如圖1所示，信號源產(chǎn)生的數(shù)字信號（串行數(shù)據(jù)）經(jīng)串／并轉(zhuǎn)換，變?yōu)樵S多路子載波并行信號，各路子載波信號通過常規(guī)的QPSK、QAM、FSK 等方式進(jìn)行調(diào)制，子載波信號調(diào)制方式可以分別采用各自的方式，接著利用快速傅立葉反變換（IFFT），插入循環(huán)前綴后，有時(shí)還要加窗等操作，再將并行信號恢復(fù)為串行信號；最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過發(fā)射功放電路將信號加載到低壓電力線信道上；接收端將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過一系列逆變換將子載波信號解調(diào)出來，完成整個(gè)通信過程。

3 改進(jìn)的OFDM 技術(shù)

3.1 OFDM 峰均值功率比問題

OFDM 信號在時(shí)域上為N個(gè)子載波的疊加，而各個(gè)子載波間相互獨(dú)立。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論我們知道其時(shí)域波形將是一個(gè)高斯隨機(jī)過程。因此，在某些極限時(shí)刻，即當(dāng)子載波信號在相位和時(shí)間上以峰值相加時(shí)，OFDM 信號就會(huì)產(chǎn)生很大的峰均值功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR）值。

在通信系統(tǒng)非線性帶限信道中特別不希望出現(xiàn)上述現(xiàn)象，因?yàn)镻APR越高，功率放大器的線性區(qū)域越大，否則，當(dāng)信號峰值進(jìn)入功率放大器的非線性區(qū)域時(shí)，就會(huì)造成信號失真，而信號畸變失真就會(huì)導(dǎo)致子載波之間的互調(diào)干擾和帶外輻射，破壞子載波間的正交性；假如需要不失真地傳輸這些高PAPR 的OFDM 信號，就需要線性度很高的高功率放大器。但通常OFDM 信號的幅值又遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于這個(gè)峰值，這樣就使得設(shè)計(jì)這樣一個(gè)功率放大器得不償失，增加系統(tǒng)成本，利用效率低下［7］。因此，解決這一問題，對復(fù)雜的低壓電力線信道的意義更加重大。

3.2 相位干涉的OFDM 技術(shù)

PAPR是指信號的瞬時(shí)最大功率和均值功率的比值，通常取對數(shù)形式［8］，可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式表示：

其中x（t）表示OFDM 基帶信號，其平方則為其功率。通過推導(dǎo)可以得出，假定N個(gè)子載波均以相同的相位求和，則OFDM 信號的峰值功率就會(huì)是平均功率的N倍。比如，當(dāng)N＝128時(shí)，則PAPR（dB）＝10log10N＝21dB，當(dāng)然，這是極限情況，但從式（4）中我們可以看到，隨著子載波數(shù)N的增加，必然使得PAPR跟著線性增大，從而加大對功率放大器的要求以避免非線性失真以及諧波帶來的子信道間的相互干擾。因此，必須采取一定方法降低OFDM 的高PAPR值，降低OFDM 通信系統(tǒng)的成本。

本文采取在快速傅立葉反變換前通過相位干涉來降低PAPA 值。當(dāng)傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)和經(jīng)過相位干涉的OFDM 均值功率相同時(shí)，經(jīng)過相位干涉OFDM 系統(tǒng)，其峰值功率maxn｛｜xn｜2｝更低，通過這種方法就可以有效地降低OFDM 信號的PAPR值。不管是傳統(tǒng)OFDM 系統(tǒng)還是經(jīng)過相位干涉的OFDM 系統(tǒng)，信息序列都要采取串并轉(zhuǎn)換，使每個(gè)比特?cái)?shù)據(jù)都調(diào)制到其載波上，然后通過所采取的調(diào)制方式發(fā)送到電力線信道。而采取相位干涉法區(qū)別在于需要添加一個(gè)相位補(bǔ)償，從而改變信息序列的相位。OFDM 信號數(shù)學(xué)表達(dá)式為

采取相位干涉OFDM 信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

3.3 仿真與分析

采用相位干涉方法可以更好地利用不同信道的頻率特性，其不僅可以使OFDM 信號的PAPR值降低，而且對通信系統(tǒng)的要求沒有增加。

圖2Matlab 仿真圖，仿真參數(shù)：IFFT 點(diǎn)數(shù)為128，4倍過采樣，采用QPSK 調(diào)制方式。

圖2 相位干涉法CDDF圖

圖2中的Y軸稱為互補(bǔ)累積分布函數(shù)（CCDF，它是指PAPR 超過PAPR0這一門限值的概率），用來描述OFDM 信號的PAPR 特性［9］。從圖中可以看出，當(dāng)CCDF 等于10-4時(shí)（即相當(dāng)于系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最大PAPR 值），采用相位干涉法的PAPR＝7.6dB，而原始OFDM 信號的PAPR＝11.2dB，PAPR值降低了3.6dB?？梢?，相位干涉法明顯改善了OFDM 系統(tǒng)的PAPR 特性。

4 結(jié)語

目前，利用電力線傳輸高速數(shù)據(jù)在世界范圍內(nèi)取得了很大的進(jìn)步，其傳輸速率也有了很大的提高。然而，為了解決在電力線上進(jìn)行高速信息傳輸受到的噪聲干擾、多徑時(shí)延以及信號衰減的影響，必須選擇一種有利于減少誤碼率、增加數(shù)據(jù)傳輸速率的調(diào)制解調(diào)方式［10］。

隨著DSP 技術(shù)的迅速發(fā)展，OFDM 技術(shù)也越來越容易實(shí)現(xiàn)。OFDM 技術(shù)具有抗多徑時(shí)延、抗信號衰減、頻帶利用率高等優(yōu)點(diǎn)［11］，很好地解決高速PLC通信遇到的信道環(huán)境惡劣的問題。但傳統(tǒng)的OFDM 信號PAPR 過高，本文提出的相位干涉法OFDM 對降低PAPR 有很好的作用，在電力線通信技術(shù)研究方面具有一定的應(yīng)用前景。

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