一种基于OFDM的低压窄带电力线通信基带系统

潘煜晨，张龙祥，闵　昊

(复旦大学 专用集成电路与系统国家实验室，上海 201203)



一种基于OFDM的低压窄带电力线通信基带系统

潘煜晨，张龙祥，闵昊

(复旦大学 专用集成电路与系统国家实验室，上海 201203)

通过对低压电力线的信道模型和电力线噪声的分析，提出了基于正交频分复用(OFDM)的低压电力线(LV-PLC)基带系统方案，采用差分正交相移键控(DQPSK)调制和改良的同步方式以适应电力线通信，并在Matlab平台上完成OFDM的3～500kHz通信系统建模和系统仿真，在NI仪器上完成现场可编程门阵列(FPGA)硬件实现，并结合实际信道进行测试，测试结果表示，系统使用应用于LV-PLC，可以实现高速稳定的通信，传输速率峰值可达300kb/s.

电力线通信； 信道； OFDM； DQPSK； 同步； FPGA

电力线通信(Power Line Communication, PLC)是一种通过电力线来传输数据和控制信号的通信方式，由于无须重新布线，具有成本低的特点，在国家智能电网规划中展现了巨大的发展前途[1]，特别是低压窄带(3～500kHz)电力线通信技术在国外已经被应用于智能抄表(Auto Meter Reading, AMR)系统，并且在智能家居应用中有宽广前景.但采用电力线进行通信必须面对许多困难，主要包括以下方面：(1) 电力线信道通信条件恶劣，不适合数据传输；(2) 基于电力线的通信技术多样，但是没有统一的协议进行规范，因而不同的电力线通信产品之间会互相干扰，造成电力线信道资源的浪费；(3) 为了保证电力网络正常配电同时不影响用电设备的正常工作，电力线通信产品必须严格地遵循电磁兼容指标要求，进而限制了发射信号的功率，从而限制了产品的通信性能.

在低压窄带电力线通信应用中，由于我国电力用户数量多、负载特性复杂、用户用电设备对电网干扰严重，国内电网的信道特性比国外恶劣[2]，国外产品无法简单移植，而且国内的PLC产品主要采用扩频通信等低速率通信方式，通信速率通常不足10kb/s[3]，因此目前的产品无法满足国家智能电网的需求，而正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)是其中一种改进方案.OFDM是多载波调制技术，将信道分成若干正交子信道，把高速数据信号转换为并行的低速子数据流，调制到每个子信道上传输.近几年来，一些产业联盟相继提出了基于OFDM的新一代规范，如PRIME(Power Line Intelligent Metering Evolution)标准，G3-PLC协议等[4-5]，但与国内要求的频段不同.同时，Maxim Integrated公司推出过基于OFDM的PLC芯片，通信速率可达100kb/s[6]，也难以保证在国内电网的可靠运行.

目前国内电力线通信研究主要是扩频方案和OFDM方案.扩频技术通过软件无线电减少电力线噪声干扰[7]，但是其通信速率低，OFDM技术则是研究的重点，可以提供高速率的通信[8-9]；有利用比特分配的自适应技术优化正交振幅调制的OFDM基带系统[10]，但误码率(Bit Error Rate, BER)在10-4，且是系统仿真结果.本文通过对国内低压电力线的信道模型和电力线噪声的分析，提出基于OFDM的PLC系统方案以实现高传输速率，并采用差分正交相移键控(Differential Quadrature Reference Phase Shift Keying, DQPSK)调制和改进的恒幅零自相关(Constant Amplitude Zero Auto Correlation, CAZAC)同步技术优化系统的通信能力，并在实际信道测试和验证方案的可行性，传输速率峰值可达300kb/s.

1　电力线信道和噪声模型

低压窄带电力线信道特性恶劣，主要呈现如下特点：

(1) 信道受到各种严重的噪声干扰，主要为背景噪声、窄带噪声和脉冲干扰3种，限制了该频道电力线信道下的信号传输，造成较低的信噪比(Signal Noise Ratio, SNR)[11-12].

(2) 信道存在频率选择性衰减，这由多径效应[13]和驻波效应[14]造成，时域上表现为时延扩展，导致严重的码间干扰(Inter-Symbol Interference, ISI)和信号失真，限制了通信带宽.

(3) 信道呈现低通特性，低通特性是由于电缆线的介质损耗造成的，会限制电力线通信的距离[15].

由于OFDM在相同传输速率下码元周期是单载波信号的N倍，N为码元中的符号数，且采用循环前缀，当循环前缀的时间间隔大于时延扩展时，可消除多径效应造成的ISI；背景噪声的特点为在时域上表现为持续时间长，随时间变化很慢；频域上，呈现有色噪声特性，由于背景噪声时刻存在，其频谱占据了整个通信带，扩展信号频谱不能提供任何增益，所以扩频通信技术对其几乎没有作用；窄带噪声的特点是时域上是周期信号、信号连续且持续时间长(数小时甚至数天)、频域上呈很窄的带宽，所以如果通信系统采用单频载波且载波频率恰好落在这种窄带噪声的频率上，那么此系统的传输将遭到破坏，而OFDM具有较多的子载波，可以选择影响较小的频段；脉冲干扰划分为与工作频率(50Hz)异步的周期性脉冲噪声、与工作频率同步的周期脉冲噪声和突发(随机)性脉冲噪声.对低压窄带电力线通信，前两项才是主要的[16]，脉冲干扰对系统的影响可以在时域中体现出来，与窄带噪声相对应，短脉冲或者脉冲串幅度大，会覆盖码元信息，造成极低的信噪比.

综合上述分析，典型的无线通信信道的传递函数也会存在多径效应，基本特性与电力线信道十分相似，但是除此之外，电力线极端的噪声特性是其他通信信道所不多见的，而OFDM技术相对于传统的单载波技术有抗频率选择性衰减，抗窄带干扰和频谱效率高的特点，利于实现高速通信.

国外学者对电力线信道进行信道传输函数建模[13,16-17]，但是由于电网的不同电缆类型、拓扑方式和负载，难以得到精确的信道模型，也是国内和国外信道特点不同的原因.本文采用的模型由信道传输函数和信道噪声两部分组成，信号先通过信道传输函数，再叠加信道噪声，并基于此模型进行仿真.

信道噪声是通过实验室的电力线环境实际测量得到，时域上噪声呈现一定的周期规律，但脉冲幅值变化很大，频域如图1所示，体现脉冲噪声和背景噪声的特性.信道传输函数是利用文献[18]中提出的国内电力线信道传输函数模型，结合图1中的噪声特性进行拟合，得到利用有限长度单位冲激响应(Finite Impulse Response, FIR)的滤波器模拟信道传输函数.具体参数如式1所示：

(1)

图2显示的是信道传输函数的幅频响应，其采样率是1MHz，所以横坐标对应0～500kHz的频率范围.图中频带有凹凸，体现由多径效应导致频率选择性衰落的特性.

2　系统架构

本文基于Matlab和FPGA平台搭建OFDM基带系统，系统架构如图3所示.数据信号在串并转换后，经过DQPSK调制，通过IFFT模块变为OFDM信号，加入循环前缀和同步训练序列后发射；接收端先同步检测，去除循环前缀(Cyclic Prefix, CP)，通过FFT模块转换，之后是DQPSK解调，并串转换后检测误码率.

2.1系统参数

整个系统选用低压窄带电力线通信要求的3～500kHz的频段进行通信[19-21]，OFDM的基本参数：采样率1MHz，子载波间隔1.95kHz，傅里叶变换点数512，循环前缀长度128μs，傅里叶变换长度 512μs.

考虑到通信频率较低，省略载波调制采用OFDM基带通信；典型的电力线信道的多径时延扩展的均方根为1～10μs，OFDM循环前缀的长度必须大于这个值，才能有效地减少多径效应，对ISI抑制作用好，这里取码元周期的1/4长度；由于采用OFDM基带通信，OFDM信号以基带形式在信道中传输，还要求IFFT的结果必须是实序列，本文采用共轭对称序列，在硬件中与DQPSK模块中实现，在DQPSK编码后的IFFT的输入数据X(k)如公式2所示，X*(N-k)是共轭对称数据，频率点N/2为零，这里a(0)也取为零.系统IFFT点数为512，通信子载波为500，有效子载波为250，每个子载波带宽为1.95kHz，那么传输速率可达480kb/s.

(2)

2.2DQPSK调制

由于低压窄带电力线通信信道的多径效应，信号的幅度和相位会产生频率选择性的变化，正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)方式会因相位和幅度在不同频率的变化不同而产生误差，相移键控方法(Phase-Shift Keying, PSK)则只采用相位调制，这里采用差分调制方式，利用信号的相位差减少多径效应的影响.本文折中传输速率和多径效应的影响，选取DQPSK调制方式.

如图4所示，在理想同步条件下，选取正交振幅调制中的16-QAM调制方式作对比，在Matlab平台进行仿真，加入电力线信道传输函数和信道噪声模型，IFFT点数为512，有效子载波为250，信噪比为 15dB.DQPSK的相位虽有偏移但清晰可辨，而16-QAM的幅度信息出现重合，难以辨别，显然DQPSK更适合低压窄带电力线通信信道.同时采用时域差分调制DQPSK方式，差分检测系统无须任何信道估计和均衡[22]，可以大大降低系统的复杂性，减少系统的面积和功耗，同时电力线信道时域变化较慢，在频域会受到窄带噪声的影响，因而基于时域的差分编码更适合电力线通信系统.

2.3帧同步

信道通信时必须通过同步方式确定数据帧的起始，而电力线信道的特性增大对同步的要求.文献[23]改进了恒幅零自相关(CAZAC)的同步方式，解决传统同步算法在电力线信道出现平坦峰值难以同步的问题，提出一种适合PLC信道的同步序列.

这里根据基带改进训练序列，其训练序列帧结构如图5所示，训练序列由循环前缀和同步序列构成，N是FFT的点数，这里是512.其时域表达式[16]如公式3所示，其中N1=N/2,而r=N1+1.

ak=exp(jπrk2/N1),n=0,1,…,N1-1.

(3)

同步检测模块的检测参数R(d)和P(d)如公式4所示.其中GI是IFFT的循环前缀长度这里是128，r表示接收信号序列，t为已知的训练序列.

(4)

通过增加参数R(d)和P(d)的检测长度来保证同步训练序列在经过信道后的相关性，以提高同步检测模块的性能.度量函数M(d)如公式5所示，当度量函数M(d)大于阈值Th时便认为有数据到达.

(5)

如图6(见第162页)所示，针对同步模块在Matlab平台进行仿真，加入电力线信道传输函数和信道噪声模型，IFFT点数为512，由于通信带宽为3～500kHz，需要关闭0～3kHz的子载波，则有效子载波为250，图6(a)为本文的同步序列在信号噪声比为4dB的度量函数，图6(b)为信号噪声比为10dB的度量函数[23].度量函数呈现唯一峰值，且不存在干扰主峰的其他峰值，说明足以在低压窄带电力线信道的恶劣环境下良好工作；同时通过更改同步检测模块的检测参数，对比10dB时度量函数峰值只有10-4量级，本文在 4dB 时达到10-3，在更低的信噪比条件下，度量函数M(d)的峰值大于文献[23]中的相关值，大大增强了帧同步模块的性能，使得系统在低信噪比条件可以稳定地在电力线信道中通信.

3　仿真结果

在实际OFDM系统中，采样时钟频率偏差小于子载波频率间隔的2%时，其造成的载波间干扰(Inter-Carrier Interference, ICI)可以忽略不计[24].因此，计算得到不对不同子载波数目128，256，512，1024的OFDM系统可承受的采样时钟偏差分别为±160×10-6，±80×10-6，±40×10-6，±20×10-6.显然，如果系统使用精度较高的晶体振荡器，采样时钟的影响也可以忽略，系统可以省去采样时钟同步.实际测试中的AD/DA的时钟偏差在20×10-6，可以忽略采样时间同步.

针对OFDM基带系统在Matlab平台进行仿真，仿真在理想同步的条件下，即图3的系统架构去除发射机与接收机的同步模块，加入电力线信道传输函数和信道噪声模型，IFFT点数为512，由于通信带宽为3～500kHz，需要关闭0～3kHz的子载波，有效子载波为250.仿真结果如图7所示，在信噪比为5dB时，误码率达到10-1，在信噪比为16dB时，误码率达到10-3.

在同样的仿真条件下，在信噪比为7dB时保持一定的发射功率，采集不同子载波的误码率，可得到图8的结果.在0～100kHz频段误码率最大，主要由于该频段中背景噪声和周期性噪声较大，导致较大的误码率；在100～500kHz频段中有部分频点有较大的误码率，主要由于窄带噪声在部分频点出现导致，实际通信可采用100～500kHz频段来减小误码率.

如图9所示，硬件系统在NI公司的NI5781R板卡上实现，其内置Virtex5型FPGA实现图3所示的基带系统，经过DAC发射到功放(Power Amplifier, PA)和耦合器至实际电力线信道，再通过耦合器和模拟滤波器至ADC接收，回到基带系统处理.

表1　误码率测试结果

由于模拟高通滤波器的截止频率为70kHz并且考虑到0～100kHz 频段有较大误码率，选取通信频段为100～500kHz，IFFT点数为512.由于通信带宽为100～500kHz，需要关闭0～100kHz的子载波，则有效子载波为156，电力线的长度为15m，信噪比为7dB，传输速率为304.2kb/s.

硬件测试结果如表1所示，在实际信道的信噪比为 7dB 时平均误码率为0.0988(12018/121680)，表明系统在实际电力线信道正常工作，对比Matlab仿真结果(信噪比为7dB时平均误码率为0.0610).误码率变大的原因来自实际信道的恶劣状况，硬件实现的量化噪声以及器件自身的噪声.如果采用串行级联码(Reed Solomon, RS)，选取编码效率为0.5卷积码作内码，RS码作外码，编码增益最高可达 8dB[25]，那么在传输速率降为150kb/s，信噪比为7dB时，通过RS码误码率可接近10-3，而通过数字滤波等方式可进一步减小误码率，同时保证高传输速率.这里参考这种编码方式，内码采用(2,1,6)卷积码，外码采用(127,7)的RS码组合[25]，硬件架构沿用图9的结构，编码和解码在NI仪器提供的Labview软件中进行，测试条件与之前硬件系统条件相同，测试比较不同信噪比下加入编码前后的误码率如图10所示.由图10可知，加入编码之后有接近7dB的编码增益，在信噪比为12dB时误码率小于10-5.根据国家电网公司营销部组织制定的《电力用户用电信息采集系统》中《Q/GDW 378.3—2009》协议，要求应用于AMR系统中的低压窄带PLC系统的误码率小于10-5，所以认为在组合编码条件下，系统在信噪比不小于12dB时可稳定通信，此时传输速率为150kb/s.

4　结　论

本文利用OFDM技术在FPGA上实现传输速率可高达300kb/s的低压窄带电力线载波通信，采用DQPSK调制和改进的CAZAC同步技术改进在电力线信道上的性能，在电力线的长度为15m，信噪比为7dB时，误码率为0.0988；在组合编码条件下，在信噪比为 12dB 时，误码率小于10-5，传输速率为 150kb/s，可以稳定地进行通信.

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A Power Line Communication System and Its Implementation Using OFDM Baseband

PAN Yuchen, ZHANG Longxiang, MIN Hao

(State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203, China)

Through the analysis of channel model and noise in narrow-band low-voltage power line communication (LV-PLC), an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) baseband system is proposed which adopts DQPSK modulation and an improved synchronization method for PLC. This system is modeled and simulated in Matlab in the band of 3-500kHz. Then it is realized by FPGA on the NI instrument and tested in power line channel. The test result shows that this system can work properly in LV-PLC and provide high-speed stable transmission. The peak of transmission rate is 300kb/s.

power line communication; channel; OFDM; DQPSK; synchronization; FPGA

0427-7104(2016)02-0158-08

2015-04-14

潘煜晨(1990—),男，硕士研究生;闵昊，男，教授，通讯联系人，E-mail：hmin@fudan.edu.cn.

TN 492

A