基于OFDM技术电力通信系统的仿真研究

邓杰，张学毅，周美琴，杨丹青，谷聚辉

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

基于OFDM技术电力通信系统的仿真研究

邓杰，张学毅，周美琴，杨丹青，谷聚辉

(湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007)

正交频分复用（OFDM）技术是常用的电力通信调制技术。本文在深入研究OFDM基本原理和电力线信道特性的基础上，建立电力通信系统模型，对该模型采用4QAM﹑16QAM﹑BPSK三种调制方式以及DTF﹑LS﹑MMSE三种信道估计算法进行了MATLAB性能仿真，得出结论在一定条件下运用QAM调制方式及LS算法更能体现了OFDM技术应用于电力线通信的优越性。同时，也为我们在不同环境下为提高通信系统整体性能，信道估计算法的选择提供了有力依据。

正交频分复用；电力线通信系统；信道估计；MATLAB性能仿真

0 引言

电力线载波通信(power line communication, PLC)是利用电力线作为信息传输介质，是将模拟或数字信号通过载波方式进行数据传输的一种特殊通信方式，具有传输距离远﹑通道可靠性高﹑电网建设同步等优点[1]。但由于通信信道不是专用信道，故其信道特性比较恶劣，具体表现为：噪声干扰电平高﹑阻抗匹配变化大﹑多径延迟效应等[2-3]。

正交频分复用(OFDM)技术最早是应用于无线通信，其具有良好的抗多径效应和抗干扰能力且传输速率高等优点，是电力线通信常用的调制技术之一。目前OFDM技术已在水声通信﹑无线通信﹑电力线通信等领域广泛应用，其性能研究的方法和结论对未来通信系统的研究和实现具有重要的参考价值。

本文先简要介绍OFDM的基本原理，建立了系统仿真模型[4]。然后采用4QAM﹑16QAM﹑QPSK调制方式和LS﹑LMMSE﹑DFT信道估计方法，仿真分析了OFDM在低压电力线载波信中整体性能[5-10]，最后得出仿真曲线并做分析。

1 OFDM技术

OFDM是一种多载波调制技术，其原理是用N个子载波把整个信道分割成N个子信道，即将频率上等间隔的N个子载波信号调制并相加后同时发送，实现N个子信道并行传输信息，这样每个符号的频谱只占用信道带宽的1/N，且使各个子载波在OFDM符号周期T内保持频谱的正交性。

OFDM系统把数据流串/并变换为N路速率较低的子数据流，然后用它们分别去调制N路子载波后再并行传输，也就相当于把一个宽带频率选择性信道划分成了N窄带平坦衰落信道。这样子载波传输速率就降低为原来的1/N，符号周期也扩大为原来的N倍，远大于信道的最大延迟扩展。

信号经过调制和串/并转换后﹑经信道传送至接收端，接收端对信号进行解调，解调后的信号表达式为：

图1 OFDM系统仿真链路图Fig.1 OFDM system simulation link plan

2 电力线通信信道建模

由于电力线低压配电网络结构复杂﹑电力线通信环境恶劣，通信系统的性能受到制约。信道具有噪声干扰强，信号衰减严重，阻抗不匹配引起的多径效应等特点[2-3]。本文中为了体现信道选择性衰落和频率衰减特性，故采用M.Zimmermann和K.Dostert自上而下建模思路的电力线多径模型[4]，其频率响应公式为：

图2 电力线信道模型Fig.2 Power Line Channel Model

其仿真部分参数设置如表1。

表1 多径信道模型部分仿真参数Table.1 part multipath channel model simulation parameters

从图3看出信道路径数越多其传输环境越恶劣，信号衰减越大。观察信道的幅频特性曲线，可以看出由于电力线上负载的随机接入使得信号衰减也随机地发生变化。从总体上看信号的衰减随频率增加而增加，在特定频段衰减会迅速增加，符合实际的低压电力线信道特性。通过对比四条信道幅频特性曲线，增减信道路径的数量可以控制电力线信道模型的精度。本文采用4径道。

图3 不同路径信道衰减特性曲线Fig.3 different paths channel attenuation characteristic curve

3 信道估计

OFDM系统的信道估计算法主要可分为以下几种，按照估计的准则来分，可分为最小二乘估计（LS）[7]和最小均方误差估计（LMMSE）[8]；按照是否插入导频可分为盲信道估计和导频辅助信道估计[9]；盲或半盲的信道估计算法利用传输符号的字符特性或统计特性进行信道估计。对电力线载波通信信道的估计，常采用插入训练序列或导频的方法，通过在发送的数据块中插入一定的已知符号，接收端通过已知符号的大小和位置对信道状态进行估计。

3.1 最小均方误差估计算法

最小均方误差估计（MMSE）是以最小均方误差为准则的信道估计算法，对子载波间的干扰和噪声有好的抑制作用，其信噪比要优于LS算法10dB～15dB左右，但算法的复杂度随着抽样点指数增长，需要知道或假设信道的统计信息。

在基于LS信道估计算法的基础上，得出MMSE信道估计表达式为：

3.2 DFT算法

DFT算法复杂度低于MMSE，性能优于LS，具有实用价值，可以去除循环前缀以外的噪声，但只是消除了循环前缀以外的噪声而对循环前缀以内的噪声没有任何抑制，所以需要设置合适的门限改进性能。

DFT信道估计算法是先进行最小二乘估计，然后经过反离散傅里叶变换到时域，在时域内进行线性变换，在经过离散傅里叶变换进入频域。

设发送信号为xi(i=0,1,2…N)，H(·)为一个OFDM符号在电力线信道内的冲激响应，由式，可知，

进一步可得：

则信道冲激响应自相关矩阵可表示为：

3.3 基于训练序列的最小二乘估计算法

LS算法简单，执行效率高，在高信噪比时，性能逼近MMSE,但是忽略噪声的影响一起的估计误差比较大，尤其是低噪声比情况下。

式中：h为发送子载波信号冲击响应hi(i=0,1,…L)的矩阵集合。

OFDM系统将信道分为多路载波信号，对每一路载波信号进行DFT变换后，可得系统接收信号Rs数学表达式为：

式中：F为DFT变换矩阵，其表示式为：

对发送的每一个数据包中插入一个m训练序列，其表达式为：

式中：p为参考长度仿真时取16；L为保护长度；m为双极性元素

4 仿真结果及分析

本节依据表2等设定的系统参数进行仿真研究，仿真都采用未编码的OFDM系统方式，仿真结果如图4﹑如图5﹑图6和图7所示。

表2 OFDM系统仿真部分参数设置Table 2 OFDM system simulation section parameters

图4 加入高斯白噪声前后信号的功率频谱曲线Fig.4 is added before the power spectrum curveGaussian white noise signal

图5 多径情况下3种不同调制方式误码率曲线Fig.5 multipath conditions under three different modulation error rate curve

从图4可以看出，信号经过电力线载波通信信道后出现了一定程度的衰减，一方面信号在信道中发生了折反射，即多径效应，进而导致接收信号功率出现了衰减；另一方面，由于电力线信道存在噪声干扰和频率选择性衰落。

由图5可知，在3种调制方式都随着信噪比的增加而减小，其中采用BPSK系统误码率最低，其次4QAM跟16QAM。且BPSK随着信噪比的增加下降速率最快，在SNR=12时误码率几乎为0，而4QAM与16QAM误码率下降速率接近。

从图6中可以看出，无信道估计的系统误码率最高，而且随着信噪比的增加保持不变，加入多径信道估计较无多径信道估计下的系统误码率变小，因为前者考虑到了电力线信道特点，跟踪信道状态变化，减小了信号间的干扰。

从图7可以看出，有信道估计比无信道估计误码率低，说明信道估计能改善系统性能；在SNR=0时，信道估计对系统的误码率改善约为0.05，在SNR=35时，信道估计的误码率改善约为0.18，性能提升三倍多，说明信噪比越高，信道估计对整个系统的性能改善越明显。图7中LS算法较MMSE误码率高，说明MMSE性能优于LS，但LS算法复杂度低，结构简单，获取信道状态信息容易，而且对设备要求较低，因此在满足误码率的情况下一般选取LS算法。DFT算法虽然表现出较好的性能，但信道为非整数采样时，信道功率仍然是集中的，衰落出现在所有子载波上，会导致信道恶化。

图6 多径信道估计前后的误码率曲线Fig.6 error rate curves of the multipath channel estimation

图7 3种算法误码率比较Fig.7 3 Comparison of algorithms BER

5 结论

本文运用MATLAB语言编写出完整的OFDM系统并其进行了仿真研究。详细分析了多径情况下OFDM系统性能，采用了三种不同的子载波调制方式以及三种不同的信道估计算法对OFDM系统进行了仿真研究，并比较其性能，得到以下结论：

（1）OFDM系统具有有效对抗多径效应的能力，但并不能完全消除其对OFDM系统的影响，另外，噪声干扰与频率选择性衰落对OFDM系统性能也有很大影响。

（2）OFDM系统采用不同的调制方式其系统的性能也不同，其中多径情况下采用QPSK的误码率最低，其次是4QAM与16QAM。但由于QAM调制方式的频谱利用率一般要比QPSK好，且调制的制数较高时，其信号的星座图分布更为合理，故在满足误码率要求时，可考虑QAM调制方式。

（3）OFDM系统中加入信道估计可以明显提高系统性能，且随着信噪比的增大，信道估计对系统性能的改善越为明显；LS与LMMSE为两种常用的信道估计算法，仿真结果表明LMMSE的性能优于LS，但考虑到实际可行性，一般情况下，仍优先考虑LS算法；DFT算法因其会恶化信道而很少被采用。

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Simulation of OFDM Communication System Based Power

DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin, YANG Danqing, Gu JuHui
(Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou, 412007, China)

Orthogonal frequency division multiplexing technology is a common power communication modulation technology.This paper points in the study of orthogonal frequency multiplexing principle and the basis of power line channel characteristics to establish the communication model of power system, the model have 4QAM, 16QAM, BPSK three types of modulations, as well as DTF, LS, MMSE, three kinds of channel estimation algorithm MATLAB simulation is the conclusion.Under certain conditions, the use of QAM modulation mode and LS algorithm can reflect the superiority of OFDM technology in power line communication.At the same time, it also provides a strong basis for the selection of the channel estimation algorithm for improving the overall performance of the communication system under different conditions.

orthogonal frequency division multiplexing; power line communication systems; channel estimation; MATLAB Simulation

邓杰，张学毅，周美琴，等．基于OFDM技术电力通信系统的仿真研究[J]．新型工业化，2015，5(5)：33-39

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.05.05

:DENG Jie, ZHANG Xueyi, ZHOU Meiqin,et al.Simulation of OFDM Communication System Based Power [J].The Journal of New Industrialization, 2015, 5(5)∶ 33‒39.

国家自然科学基金项目（61203019）

邓杰（1987-），广西桂林人，硕士研究生，主要研究方向：现代电力电子技术；张学毅（1966-），湖南益阳人，教授，主要研究方向：电工理论与新技术。