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OFDM正交频分复用

随着电子信息技术的快速发展和电力载波通信市场的兴起，国内外多家科研机构都开展了宽带电力线通信技术的研究。BPL技术在上世纪90年代初兴起，

1工作原理

BP2L00采用正交频分复用技术是一种多载波数字调制技术也可以被当作一种复用技术。OFDM(OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMuiltplexing)技术具有频谱利用率高、抗多径干扰等特点,OFDM系统能够有效地抵抗无线信道带来的影响,例如信道的频率选择性衰落,脉冲噪声和共信道干扰的影响。一个OFDM符号之内包括多个经过调制的子载波的合成信号,其中每个子载波都可以受到相移键控(PSK)或者正交幅度调制(QAM)符号的调制。采用复等效基带信号来描述OFDM的输出信号,其中实部和虚部分别对应于OFDM符号的同相和正交分量,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符号频谱可以满足奈奎斯特准则,即多个子信道频谱之间不存在相互干扰,但这是出现在频域中的。这种一个子信道频谱的最大值对应于其它子信道频谱的零点可以避免子信道间干扰(CII)的出现。由于OFDM划分的子载波频率相互正交,相邻信道的频谱相互重叠,但是相互不干扰,有效地提高了频谱利用率。

图1描述的是载波装置将待发送的多个数据dn(t)分别与多路子载波pn(t)相乘合成基带复信号s(t)的过程,然后OFDM解调的过程就是由复信号s(t)求解傅立叶系数的过程。

若码元速率为T,比特速率是Ts,因为串并变换的关系,所以T=NTs。在图中,正交关系就表现在调制信号pl(t)和解调信号ql(t)的关系上。必须如下式这样正确的选择pl(t)和ql(t),才能满足正交调制的条件。

发送信号s()t可以表示为:

d(n):为调制合成的信号,g(t):调制信号,dn(t)为待发送的多个数据信号。接收端解调后各子载波信号为:

从式子(1)可以看到,第n个子载波解调后可以正确的会付出期望的符号d(m),而对于其它子载波来说,由于在积分间隔内,频率偏差是l/NTs,的整数倍,所以积分结果为。

BPL200宽带电力线载波机在同行业中处于技术领先地位。其产品特点有:可靠性,电力线载波是依靠电力线进行传输的,由于电力线路结构十分牢固,不易受外力破坏;电力线路的信号传输相发生断线和接地等故障时,电力线载波设备的自动增益控制(AGC)系统将会在很大范围内自动进行调节,保持电力线载波电路的畅通。经济性,可节省大量的线路投资及线路维护费用。设备支持中继网桥,解决长线路通道建立;组网方式灵活,可点对点或网状网结构;自动增益控制,自动过滤噪声干扰频点;自动调用配置,不需要做任何调试;端口简单单一,支持多种接口转换;芯片处理强大,最高200M吞吐量。超强的业务支撑能力,从低压的表计业务到中压的配电自动化业务;基于中压输电线的配电网自动化遥测、遥信、遥控信息的传输;低压用户通信网络的扩展。实现以下信息的通信:配电网的调度自动化;配电网的生产管理系统;计量自动化系统;营销管理信息系统;增值服务;智能家居和安防信息的传送。适应现场各种环境条件的应用:架空绝缘线;地埋式电缆;户内户外均可。

基于宽带载波技术方式在配网自动化中的应用具有很多优势,本文通过BPL200电力线载波技术在某市供电局的实际应用情况,充分体现其建设成本较低,施工简便,无需布线,专网运行,安全性高等诸多特点。采用中压载波技术实现配电网最后几公里的数据传输完全满足配网自动化的要求,且性价比高。因此,在未来配网自动化数字通信网络中采用光纤与载波通信相结合的方式,在主干网采用光纤通信方式,在分支处采用电力线载波通信方式,这将会是未来中国智能电网发展,配网自动化改造通信系统的主流方式。BPL200先进的宽带载波技术将会引领推动中国智能电网配网自动化行业的快速发展。

摘要:介绍了电力线通信技术的基本结构原理、固件、调制技术和优缺点,以及国内外电力线通信技术的发展现状。电力线通信技术将家用电源插座转变为强有力的通信接口,为用户提供高速Internet接入和话音服务,它也可以传输数据、语音、视频及电力,有可能带来“四网合一”的新趋势。关键词:电力线通信技术;数据传输;语音;视频。

电力线通信(Power Line Communication)技术简称PLC,是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。首先电力线通信并不是新技术,已经有几十年的发展历史,在中高压输电网上通过电力载波机利用较低的频率(9- 490 kHz)以较低速率传送远动数据或话音,这是电力线通信技术应用的主要形式之一。在低压(220 V)领域,PLC技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动化,其传输速率一般为1 200 bps或更低,称之为低速PLC。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在1Mbps以上的电力线通信技术称之为高速PLC。近年来,随着Internet技术的飞速发展,登录上网的人数成倍增长。而采用何种通信方式使用户终端连接到最近的宽带网络连接设备,成为长期困扰人们的难点之一,也是Internet普及的瓶颈之一,被业内人士称为宽带网络接入的“最后一公里”问题。

利用四通八达、遍布城乡、直达用户的220 V低压电力线传输高速数据的PLC技术以其不用布线、覆盖范围广、连接方便的显著特点,被业内人士认为是提供“最后三百米”解决方案最具竞争力的技术之一。目前高速PLC已可传输45 Mbps及以上的数据,而且能同时传输数据、语音、视频和电力,有可能带来“四网合一”的新趋势。电力公司提供电信服务,具有十分明显的优越性。首先电力公司拥有比电信和有线电视多得多的电力用户、详尽的客户信息和费单系统;其次很多电力公司已经建立了深入各中高压变电站的高速光纤网络,用于电网监控和用电量信息的内部传输,有的电力公司甚至已将光纤架设到低压配电变压器。利用这些基础设施,加上高速PLC解决“最后三百米”、家庭网络方案,电力公司投入的费用是极少的,但产生的利润却是极为可观的。对于不打算自己提供高速PLC服务的电力公司,可以向一个或多个独立的网络运营商(如中国电信、中国网通、中国联通、长城宽带、蓝波万维等)颁发利用电力公司网络的许可证,并从中收取一定的网络租用费。

PLC线路的基本结构

　　图1为典型的PLC系统应用示意图。在配电变压器低压出线端安装PLC主站,将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。PLC主站的一侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆,注入和提取高频PLC信号;另一侧通过传统通信方式,如光纤及CATV,ADSL等连接至Internet。在用户侧,用户的计算机通过以太网接口或USB接口与PLC调制解调器相连,普通话机通过RJ- 11接口连至PLC调制解调器,而PLC调制解调器直接插入墙上插座。如果PLC高频信号衰减较大或干扰较大,可以在适当的地点加装中继器以放大信号。

PLC基本调制技术

　　一般说来,基本调制方式有幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK)3种。对于PLC而言,调制技术采用FSK, PSK,正交幅度调制(QAM),扩频(SS),正交频分复用(OFDM)等。鉴于PLC信道特性,ASK难以解决信道的噪声干扰,因而不予采用。SS与OFDM分别是将信号或频谱经过各自处理后利用基本调制方法调制信号,因此,对于克服电力线的噪声与衰减,提高传输质量的研究仍需要在基本调制基础上进行[1]。FSK传输速率相对较低,频带利用率不高,但其实现简单,甚至可以用软件实现,因此仍得到了广泛应用。QAM的频带利用率最高,抗噪性强,适用于高速信号传输。将FSK或QAM应用到PLC中时,必须对其具体实现进行设计,使之能够与PLC的信道特点相适应,以达到较好的传输性能。QAM采用更密集信号点的调制方案使信号速率增加以适用于高速PLC系统,但这导致了抗干扰能力下降,信道误码率增大。这时,可以通过增加冗余比特来提高接收端检错和纠错能力,但这又将降低单位传输带宽的有效信息速率。信道频带利用率与传输误码率之间产生了矛盾,为了克服此矛盾,可利用格状编码调制技术(TCM)。将TCM与QAM相结合,可使其误码率比QAM时的误码率低30 dB左右。TCM在1976年由Ungerboeck首先提出,其实质是通过扩充调制信号集来为纠错编码提供所需的冗余,从而避免因增加纠错编码而导致信息传输速率的降低。TCM用统一的观点来设计调制和纠错编码,使编码器和调制器级联后产生的编码信号序列具有最大的欧氏距离,从而保证信道带宽和功率得到进一步有效的利用。与未编码的QAM相比,TCM的信号传输速率没有降低,但编码增益却增加了,也大大提高了抗干扰能力。基于其优异的性能,TCM十分适用于信道高噪声、高衰减的PLC系统中。国际电信联盟(ITU)以TCM为理论基础制定了V.34标准。该标准在PLC上有很好的适用性。V.34建议的格状码都是四维编码。四维编码与二维编码相比具有较小的星座扩展规模,增强了抵抗除高斯噪声之外的其他干扰的能力,有利于克服PLC上的各种噪声,进一步防止不均衡码间干扰(ISI)。另外,四维编码还有很好的编码增益,提高了在PLC低信噪比条件下的传输质量。V.34采用以下3种功能强、复杂度高的格状编码:① Williams四维16态编码,有效编码增益约为4.2 dB;② Williams四维32态编码,有效编码增益约为4.5 dB;③ Williams四维64态编码,有效编码增益约为4.7 dB。V.34采用了发送端预加重技术,在信号到达一定非线性程度时减小信号电平。针对PLC上较强的信号扭曲现象,采用该技术能够很好地解决非线性失真问题。另外,V.34中应用了均衡技术,即采用自适应线性均衡器。在接近频带边缘的频率即使有10～ 20 dB的衰减,V.34也均认为是可用带宽,这就可以使用所有可能的带宽,因此增加PLC的可用带宽,为PLC的数据高速传输提供了一定的技术基础。将V.34标准应用在PLC中,提高了频谱的利用率与通信的抗噪性能,可以在PLC信噪比较低的条件下运行,并可满足视频、语音传输或上网等高速多媒体业务的需要,为PLC向网络化发展奠定了技术基础。

4　PLC固件[2]

　　PLC主要应用于以下3个方面:①家庭组网,即利用电力线将各类家电连在一起,以实现对家电的自动控制。②虚拟专用网,即以电力网为承载网实现物业管理及安全防范等公用事业管理领域。③接入网,即以电力网为接入网实现信息的“最后一公里”传输。因此,PLC的固件设备分为传输设备、网络设备、特殊设备3大类。

4.1　传输设备

　　传输设备即电力Modem,利用相应的调制技术降低电力线信道噪声干扰和衰减,在物理上实现信号的调制解调。在PLC固件中,传输设备与其他网络Modem的作用和结构有类似之处。不同之处在于:①调制解调部件不同,该部分基于适合电力线载波信号的调制解调技术,例如FSK,SS,OFDM等。②接口部件不同,其耦合电路与电力线相连,实现Modem与电力线信道的数据互传。数据终端接口通过家电接口与信息家电相连,实现Modem与信息家电的数据互传。传输设备根据其调制方式的不同,可分为3类: FSK系列、SS系列、OFDM系列。目前国外的成熟产品基本集中于这3类。

4.2　网络设备

　　网络设备的作用是当PLC网之间或与其他网互联时,实现路径选择、地址分配和数据交换,是PLC拓展应用不可缺少的固件单元。目前,计算机网、有线电视网、电话网及PLC网正趋于融合和智能化,其不同的业务和市场也在相互渗透结合。四网融合首先要解决网络转移模式的转变问题,其次是接入网问题,最后是接入网与交换模式的融合问题。

4.3　特殊设备

　　特殊设备可以解决强压背景下弱载波信号的传输和电力线公用的保密问题,另外,电力Modem与信息家电的接口也归入特殊设备。根据电力线高压、公用特点和PLC在家庭内部组网的应用,可将PLC的特殊设备分为3类:与家电的接口、信号耦合设备及保密设备。

4.3.1　与家电的接口

随着人们对生活要求的不断提高,家电逐渐向智能化发展,即所谓“信息家电”或“智能家电”。实现家电智能化有多种方式,例如无线控制、红外控制以及基于RS2232接口的数据采集系统控制等。基于USB的数据采集系统具有速度快、精度高、实时响应强、即插即用和易于扩展(可接多达127个USB设备)等优点,将家电USB化是实现家电智能化的一种有效、可行方式。

4.3.2　信号耦合设备

①跨变压器设备。由于铁心变压器对高频信号的衰耗非常大,高频分量难以直接通过电力变压器传输。这时应用相应的手段使信息越过变压器,例如采用旁路电容、使用额外的电缆或采用相应的无线装置等。有的则是在变电站设有信息处理局部中心,处理后的信息接入不同的电话网、计算机互联网和电力网等。

②电力Modem中的耦合电路。Modem中的耦合电路可以在已有耦合电路基础上做一些改进。需

体现以下设计原则:a.发送信号时,能驱动一定的负

载,发送载波的谐波电平要符合其他单元的标准;b.

接收信号时,防止出现尖脉冲和过压,并能封锁输出

驱动;c.与电力线强电隔离,避免干扰,保障安全。

4.3.3　保密设备

可以直接利用已有的固件实现其功能。在用户

电表的入户处加装高频传号阻波器,将住宅内部电

力网上的信息流与住宅外电力网的公共信息流分

开,提高住宅内部PLC的可靠性和保密性。另外,

在家电之间安装阻隔器,用户可以只允许供电而不

允许外部的数据流(低压)进入家庭,切断本地网与

外部的连接,避免与其他家庭间产生串扰。

5　PLC的优缺点

　　同其他通信方式相比,高速PLC具有如下优越性:

①充分利用现有的低压配电网络基础设施,无需任何布线、挖沟、穿墙打洞,避免了对建筑物和公用设施的破坏。

②可以为用户提供价格低廉的高速因特网访问服务、IP话音服务,从而使用户上网和打电话增加了新的选择。

③对家庭联网提供支持,使人们可以尽享由PLC技术带来的家庭音、视频网络,多人对抗游戏等娱乐。

④通过遍布各个房间的墙上插座将智能家电联网。

⑤利用PLC的永久在线连接可构建防火、防盗、防有毒气体泄漏等保安监控系统,及医疗急救系统。

⑥远程自动读出水、电、气表数据,为公用事业公司节省大量的抄表费用,也方便了用户。

⑦为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段,提高电力公司管理水平。

⑧电力公司以极低的投资就可以进入ISP,ICP和话音等电信服务市场,成为新的利润增长点。

⑨实现数据、话音、视频、电力“四网合一”,创造巨大的经济和社会效益。但在220 V低压电力线上进行高速数据通信面临以下的一些问题:

①低压配电网上存在着频谱范围很宽的噪声源,噪声来自电子、电动设备,甚至来源于电力线本身,有些噪声来源于50 Hz的谐波干扰。例如:

a.利用可控硅制成的调节灯及其相关产品所产生的噪声;

b.开关设备在电力线上所产生的噪声;

c.电动马达所产生的强干扰;

d.高频信号在传输过程中耦合到电力线上所产生的干扰等。

②低压配电网线路阻抗低且波动很大,开关一盏电灯都将引起线路阻抗的变化。

③低压配电网的复杂拓扑结构导致的多径干扰引起信号的选择衰减和码间干扰。

④存在同无线电信号之间的相互干扰问题。在使用频段内如果发送功率过高,将使电力线成为一条发射天线,干扰其它设备的正常运行,产生电磁污染;发送功率过低又使接收端信噪比达不到要求,造成传输距离缩短。

⑤线路阻抗和感性负载引起的信号衰减,低压配电网上的许多负荷实际上起着吸收通信信号功率的作用。

⑥电磁兼容性问题,包括其它电器设备对PLC的影响和PLC对其它电器设备的影响两方面。

⑦我国的低压配电网十分复杂,其接线方式多,线径细,屏蔽差,导致国外产品不能直接应用于我国,必须经过严格的测试,提出技术指标,调整最佳通信频段。

⑧ PLC技术涉及到电力和通信两门学科,需要具备配电网、载波通信、数据通信及Internet网络等多方面内容,涉及面广,对从业人员素质要求高。

⑨利用PLC传输高速数据是新兴技术,要达到实用化、产业化目标需要大量资金投入。

6　国内外PLC技术现状

　　英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司在1990年开始对电力线载波通讯进行研究。1995年,该公司又与加拿大Nortel(北电网络)公司联手,共同开发这项新技术。1995～ 1997年的两年间,Norweb和Nortel公司已经成功地在英国曼彻斯特对20个居民用户进行了试验,其中包括话音服务。

1997年10月,这两家公司声称已经解决了电力噪

声等问题,取得了电力线载波技术的重大突破,利用

新开发的数字电力线载波技术DPL(Digital Power

Line,数字电力线)实现了在低压配电网上进行1

Mbps的远程通讯,从而将四通八达的电力线转化为

信息高速公路。1998年3月25日,成立合资公司

NOR.WEB,进行该技术的市场推广[3]。

目前,在高速PLC进行商用化运营方面走在前

列的是德国公司。早在2000年5月,德国顶级电力

公司RWE就开始采用瑞士ASCOM的产品为埃森

的电力用户提供电力线数据服务,速率达到2

Mbps。收费方式为,当每月访问的数据量在250

MB以内时,用户需支付22欧元。截至2001年10

月,RWE电力线通信公司大致安装了1 500个电力

线上网用户。2002年10月,RWE放弃了进一步推

广高速PLC的计划,其主要原因被认为与公司的特

定市场环境、商业模式以及战略选择有关。

在德国的曼海姆,当地的能源公司MVV采用

以色列Main.Net公司的产品进行了商用化运营实

验,并为此成立了合资公司PPC(Power PLUS

Communications AG)。最近,ABB通过购买股权的

方式,成为PPC的战略伙伴。PPC可以为每个终端

用户提供350 kbps～ 1.2 Mbps的带宽,典型小区的

用户数为250～ 300户,最大传输距离为500 m,一

般的典型传输距离为150～ 180 m。目前在曼海姆

已经拥有45 000个用户,并期望在2003年底这一

数字达到120 000,将2006年的目标定为500 000

户。PPC推出的PLC服务品牌为“VYPE”,初装费

119欧元,用户可得到一个用户终端、5个邮件地址

和5兆的网页空间。普通家庭的月租费为14.90欧

元,每兆字节的收费为3.3欧分。包月家庭用户每

月的费用为24.90欧元。

迄今为止,只有德国在埃森和曼海姆的两个电

力线高速通信网络投入商用化运营,其他国家均在

试点之中。其主要原因首先是法律上的,德国在

2001年4月通过了一个法令,允许在电力线上经营

Internet服务和电信服务,并制定了相应的规范

NB30。在美国,高速PLC主要用于家庭内部联网,

实现网络接入点的移动性,并要求高速PLC产品遵

循FCC15规范。

自从英国诞生高速PLC技术以后,我国的研究

机构也进行了相应的研究,取得了一定的成果。中

国电力科学研究院自1999年开始从事高速PLC的

研究工作,开发了2 Mbps,14 Mbps,45 Mbps等高

速PLC系列产品。并于2001年8月起在沈阳电业

新村小区建立了我国第一个高速PLC实验网络,开

通了基于该网络的数字化社区。福建电力试验研究

院基于家庭插电联盟标准,研制了10 Mbps电力线

调制解调器。

从2001年12月起,国电通信中心开始组织国

内外厂商在北京的一些小区开展电力线上网实验。

包括广华轩小区的韩国Xeline公司14 Mbps产品、

华景园小区的瑞士ASCOM公司4.5 Mbps产品(含

IP电话功能)、善果小区的福建电力试验研究院10

Mbps产品、岳峰园小区的美国Leap公司14 Mbps

产品、椿树园小区16号楼的西班牙DS2公司45

Mbps产品,以及华能平渊里小区3号楼中国电力科

学研究院的14 Mbps产品等。

随着高速PLC研究的进一步深入,该技术也在

不断发展中。一方面,高速PLC技术正在向更高速

率的方向发展,西班牙DS2公司继推出45 Mbps

PLC芯片后,目前正在研制更高速率100 Mbps,甚

至200 Mbps的芯片,预计将于2003年底前交付开

发商使用。而Intellon公司也计划于2003年推出速率高达54 Mbps的芯片。

另一方面,随着技术的发展,利用位于中压变电

站和低压配电变压器之间的中压(10 kV)配电网传

输高速(高于10 Mbps)数据信号的设想也日益引起

人们的重视,每条地埋中压电缆都可以被用于高速

骨干网。最近的研究表明,地埋中压电缆的通道特

性不亚于同轴电缆。如果能够解决中压配电网高频

传输中的一些特殊问题(如补偿电容旁路,阻抗匹配

等),就可以充分利用现有资源,用中压配电网部分

取代光纤、同轴电缆或双绞线作为(宽带骨干)通信

网,可以为电力公司提供一个新的、极富前景的经济

增长点。

7　结束语

　　高速PLC技术将家用电源插座转变为强有力

的通信接口,为用户提供高速Internet接入和话音

服务,使电力公司能够利用现有资源介入ISP(因特

网服务提供商)和ICP(Internet Content Provider,因

特网内容提供商)市场,为其带来新的利润增长点,

并在传统的电信市场中成为强有力的竞争者。

随着PLC技术的进一步发展,将实现利用中压

(10 kV)配电网传输高速(大于10 Mbps)数据信号,

进而取代光纤、同轴电缆或双绞线作为宽带骨干网,

充分利用现有资源,实现真正的“四网合一”,为电力

公司提供完整的电信级应用解决方案,不仅为电力

公司,也必将为全社会带来巨大的经济和社会效益。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/60712098168884868662d64c.html