基于OFDM技术的多频段电力载波通信装置研究

郭义辉，彭石，王承民，邢志坤，宋桂贤，王朋朋

（1.国网河北省电力公司沧州供电公司，河北沧州061000；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；3上海博英信息科技有限公司，上海200240）

0 引 言

电力系统的快速发展及智能配电网的优化升级，给电力线载波通信技术带来巨大的挑战。众所周知，电力线的设计主要是传输电能，相对信息数据通信，电力线中充斥着各种如噪音、震动、选择性频率衰减等干扰，且信道特性也随着系统参数、时间、频率、地点等变化而时刻变化［1］。因此，为了满足配电网智能化的需要，必须要找到一种适合电力线传输的合理技术手段。目前，电力线载波通信技术标准主要有：G3-PLC标准、PRIME标准、HomePlug标准、G.9960标准、IEEE P1901标准［2－8］。

G3-PLC是由EDF电力公司于2011年10月发起，为电力线载波通信技术定义的标准。该标准的工作频率35.9 kHz～90.6 kHz。G3-PLC采用OFDM（正交频分复用技术），并内置纠错机制和高效信道编码技术，通过电力线智能电网传输数字信息等，实现在电力线上进行通信数据的传输。具有低速率、局部范围内高可靠性特点，并级联了多种前向纠错码和交织等技术，目前被应用在小区域配电网中［2-4］。

PRIME标准是在2006年由西班牙的Iberdrola公司发表联合倡议而提出，其核心技术以及带宽标准与G3-PLC基本一致，但相比之下，其实现机理却有很大的不同。

首先，在纠错机理上，PRIME与G3-PLC最大的不同在于，如图1与图2所示，PRIME采用CRC编码器，而G3-PLC采用RS编码器。前者是利用多项式除法得出余数，经过模2除法计算得到一个CRC的值，随信息数据发往接收端。接收端重复发出端的计算过程，并将计算得到的CRC的值与发出端的CRC的值进行比较，若值相同，则表示正确；不同，则表示错误。其次，G3-PLC采用纠错能力较强的RS编码器，可以有效的纠正在传输中的随机符号错误和突发错误。另外，对数据进行扰码和卷积处理上，前者先经卷积处理，再进行扰码处理，后者则与之相反。但两者最大的不同就是G3-PLC在卷积和交织中间引入RC重复编码器。RC重复编码器主要作用是把每个信息比特重复编码4次，从而保证了信息在传输过程中正确性，这就是G3-PLC为什么在信道环境十分恶劣的情况下，仍能确保通信数据仍然可以正确性的原因。但也正是因为RS和RC编码器的存在，就使得系统信息的传输速率也所下降［5-8］。

图1 PRIME前向纠错编码器Fig.1 Forward error correction encoder of PRIME

图2 G3-PLC前向纠错编码器Fig.2 Forward error correction encoder of G3-PLC

HomePlug标准由HPA公司成立于2000年4月，核心技术依然采用OFDM技术，它的工作频率在2 MHz～28 MHz。由于电力线的恶劣情况，HomePlug前向纠错编码器采用的是Viterbi算法和RS编码器进行前向纠错。显然，HomePlug前向纠错中的Viterbi算法相对G3-PLC的RC重复编码器，其系统的计算速度要慢得很多，这就需要增加它的工作频率来进行弥补，所以HomePlug的工作频率定义在2 MHz～28 MHz，在单位时间内增加传输速率。但是，因其宽带载波通信技术传输距离较近，所以一般应用于智能家居以及家庭自动化等应用［9-10］。

G.9960标准与IEEE P1901标准，两个标准都是在2010年确立。G.9960标准前身为G.hn，而IEEE P1901标准是将G.hn标准纳入其自身标准当中。G.9960标准的核心技术依然采用OFDM技术，其特点可以在短时间内同时兼容电力线、同轴电缆与电话线。但是，G.9960却不能定义可支持频段数量，其工作频率一般在860 MHz～2159 MHz，但在电力线上却在50 MHz以下。尽管G.9960的工作频率存在一定的不稳定，但其巨大的通信速度却成为业内技术性发展最看好之一［11-13］。IEEE P1901标准由P1901工作组在2005年提出，标准核心采用快速傅里叶变换（FFT）和离散小波变换正交频分复用调制机制。该标准主要考虑到，当信道特性遭到破坏，使得各个子载波不能实现正交，导致数据传输失败时，利用时域和频域满足紧支撑特性的小波函数来克服FFT的OFDM系统的缺陷［15-17］。该原理如图3所示。

图3 IEEE P1901标准原理图Fig.3 Principle diagram of IEEE P1901 technical standard

如图3所示，显然，IEEE P1901标准相对其他标准增加IDWT和DWT（小波变换），这样虽然使得整个系统运行时更加稳定、有效，但这也是系统整体运行速度变得缓慢。而且，IEEE P1901的工作频率定义7.5 MHz～30 MHz，实现电力线宽带载波技术。由于电力线宽带载波的技术的固有缺陷，也就使得该标准在配电网中很少使用。

综上所述，无论哪个电力线载波技术标准都以其固定的工作频率来定义其使用范围，这就使得上述标准只有在规定范围内才可达到通信的可靠性。但配电系统的设计十分复杂多变，单一的标准是无法满足配电网通讯可靠性的要求。因此，本文以OFDM技术为依托，针对电网环境复杂，不同区域、不同线路信道特性差异性大以及市场上以宽带、窄带分类的PLC产品适应环境变化能力差、应用不灵活的现状，自主研究以多频带、认知为主要特征的电力线载波技术，进行系统研究。自主研制电力载波机，测试效果良好。

1 OFDM系统多频带原理分析

电力线与光纤、同轴电缆等其他传输介质相比，电力线的载波通道特性十分复杂而又多变。影响信道的两大特性中，除噪声特性外，最主要就是衰减特性。

电力线信道衰减特性主要分为耦合衰减和线路衰减［18］。耦合衰减主要因为阻抗不匹配，因此采取减小耦合电路中阻抗或改变耦合方式等方法进行解决。线路衰减因存在线路阻抗、延时，距离等参数的不同成为衰减的主要问题，如图4所示。

图4 不同信道下电力载波通信衰减Fig.4 Attenuation curve of power line carrier communication under different channels

图4给出2种载波频率不同的信道模型下的不同传输距离，工作频率分别定义在9 kHz～500 kHz、2 kHz～12kHz。若不考虑噪声干扰，可以看出，工作频率为9 kHz～500 kHz在250 m中等质量信道和信道模型两种情况下均能可靠通信，在350 m信道下却通信失败。而工作频率为2 kHz～12 kHz只有在信道模型下通信。由此可见，对于已工作频率已定义的 G3-PLC标准、PRIME标准、HomePlug标准、G.9960标准、IEEE P1901标准只能在固定传输距离下进行工作。但配电网系统站与站之间分部并不固定。因此，针对配电系统的距离不同情况，本文设计一种可认知性载波机，可有效的实现配电网的通讯。

由OFDM技术可知，一个OFDM（正交频分复用技术）符号包括多个经过调制的子载波的合成信号［19］。如果用N表示子载波个数，T表示OFDM的宽度，di（i＝0，1，…，N）是分配给子载波的数据符号，fc是第 0个子载波频率，rec（t）＝1，｜t｜≤T／2，则从 t＝ts开始的OFDM符号可以表示为：

采用等效基带信号进行表示：

图5中可知，OFDM系统中每个子载波在一个OFDM符号周期内包含整数倍个周期，而且各个相邻子载波之间相差一个周期。这一特性可以用来解释子载波之间的正交性，即：

由上述理论可知，OFDM技术主要将信号源将其离散变换成为可以相邻波形进行正交的子载波。根据仙农信息论，离散信道的容量定义为信道传输和输出之间的互信息量的最大值，该信息量是根据输入符号概率密度计算［20］。而对于带宽标准已固定的OFDM技术，其信道容量显然不是最大化。因此，若将数据传输带宽由窄带到宽带依次进行，以增加信道容量，进而增加数据传输的可靠性。

如图5和图6所示，将传统的发送端数字端增加多级可配置的插值滤波器和一个中心频率混频器。再通过快速傅里叶反变换和时域加窗技术产生一个新的基带的信号源。然后为了满足能够匹配ADC转换器频率，将新基带信号的采样频率经插值滤波器倍频，最后通过混频器将基带信号变频到系统要求的频段。

多级插值滤波器的个数及变频倍数可根据具体系统需要进行配置，设低通滤波器变频系数为a，M个低通滤波器串联，变频系数为aM。同样，根据系统要求可选择不同的插值滤波器个数及变频系数，可以获得多种不同的带宽选择。混频器的中心频率fc也可配置，也可将基带信号搬迁到任何频段。

图5 OFDM基本模型框图Fig.5 Basic model block diagram of OFDM

图6 发送端数字前段结构图Fig.6 Digital front-end structure diagram of the transmitter

同理，如图7所示，根据发送端数字前端产生机理，接收端数字前段也同样配置多级抽值滤波器和一个中心频率的混频器，完成数据接收功能。首先，中心频率为fc的混频器将DAC转换器接收信号变频成基带信号，再由多级可配置抽取滤波器将该基带信号进行采样，用于接收端加窗和快速傅里叶变换，将传输数据进行还原。这时不同的信道接收信息量是不同的，系统根据已获得数据信息进行判定，哪一个信道传输的信息量多就由哪一信道来进行传输。

图7 接收端数字前段结构图Fig.7 Digital front-end structure diagram of the receiver

假设基带采样频率为fs，经过M个a倍频的插值滤波器后变为aMfs，如果设变频系数为2，那么最后的频率为：

设DAC／ADC的采样频率为f0，此时：

可解得基带采样频率为：

式中f0是DAC／ADC的采样频率；2M为系统的总倍频系数。

在OFDM系统中，一个信息源正交出所有的子载波中，只有比例为α的子载波用于传输有效信号，此时系统的实际带宽为：

通过调整M的数值，即可以获得不同的系统宽带。当α＝0.2，M＝9，f0＝100 MHz时，系统存在30种不同的带宽，OFDM信号带宽最窄为7.8 kHz，最宽为10 MHz。

2 载波装置模型构建与实现机理

如图8所示，电力载波通信系统主要包括数据接收发终端、调制解调设备、耦合器、电力线以及被测装置（QS）与变电站站内监控系统组成。其收发装置原理结构如图9所示。

图8 电力载波通信系统结构示意图Fig.8 Schematic diagram of power line carrier communication system

图9 新型PLC系统原理结构图Fig.9 Frame work of the novel PLC system

图9主要包括耦合电路、模拟前端、收发前端、物理层处理单元、媒体接入控制（Medium Access Control，MAC）／汇聚层处理单元等五个部分组成。其中耦合电路和模拟前端位于系统硬件平台模拟板上；收发前端和物理层处理单元在FPGA芯片中实现，MAC／汇聚层处理单元在ARM芯片中实现，FPGA和ARM芯片均位于系统硬件平台数字板上。

耦合前端完全由模拟电路组成，实现市电电压的安全隔离，并且对高频载波信号进行提取和注入。其对于局端设备，需要负责三相电上的高频载波信号提取和注入。模拟前端负责数模信号转换、信号滤波以及信号放大功能。对于发送通路，实现数模转换、发送滤波、以及线性驱动。对于接收通路，实现接收滤波、模拟自动增益控制及模数转换。模拟前端是由模拟电路以及数模转换IC组成。

收发前端由数字电路实现。对于发送通路，利用可配置的多级数字插值滤波以及数字上变频模块将基带信号转换为期望的跨频带PLC载波信号。对于接收通路，其利用可配置的多级数字抽取滤波以及数字下变频模块将跨频带PLC载波信号转换为基带信号。跨频带收发前端还包括时间同步功能，对接收到的基带信号进行前导卷积运算，以确定物理帧的起始位置。

物理层算法处理单元也由数字电路实现。对于发送通路，其对MAC层数据帧进行信道编码、交织、数字调制、以及加循环前缀后形成物理层帧，然后加前导并发送到数模转换器上。对于接收通路，其对同步后的物理层帧进行去循环前缀、数字解调、解交织、以及解码后还原出MAC层数据帧。物理层算法处理单元也同时记录数据包的子载波信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）、数据帧误码率（Bit Error Rate，BER）为MAC层提供跨频带认知功能的支持。

MAC层协议栈处理单元由基于处理器的软件方式实现。其控制物理层算法处理单元实现数据收发，另外也实现多址接入方式的选择，流量控制，快速组网策略，业务感知及对软实时业务的支撑。汇聚层协议栈处理单元同样由基于处理器的软件方式实现。其主要操控MAC层和处理其反馈，提供分帧组帧功能，以及快速的协议转换功能。

3 载波装置实物与仿真

可用频率测试是针对新型PLC通信系统装置样机可用频段的测试，测试的预期目标为：新型PLC通信系统装置样机的可用频段为150 kHz至12 MHz；频点可在150 kHz至12 MHz范围内灵活调整；带宽可在7.8 kHz至10 MHz范围内灵活调整。可用频段测试的技术要求及测试结果如表1所示。

表1 可用频段测试的技术要求及测试结果Tab.1 Technical requirements and test results available of available frequency band test

发射功率测试是针对新型PLC通信系统装置样机发射功率的测试，测试的预期目标为：在发射端端接50欧姆电阻的情况下，发射信号在150 kHz至500 kHz时，发射功率谱密度不小于 －35 dBm／Hz；端接50欧姆电阻的情况下，发射信号在0.5 kHz至10 MHz时，发射功率谱密度不小于－53 dBm／Hz。发射功率测试技术指标及测试结果如表2所示。

图10 可用频段测试结果（中心频点6 MHz、带宽10 MHz）Fig.10 Available frequency band test results（center frequency 6 MHz，bandwidth 10 MHz）

图11 可用频段测试结果（中心频点500 kHz、带宽7.8 kHz）Fig.11 Available frequency band test results（center frequency 500 kHz，bandwidth 78 kHz）

表2 发射功率测试技术指标及测试结果Tab.2 Specifications and test results of transmit power test technology

图12 发送功率测试结果（发送信号功率谱密度大于35 dBm／Hz）Fig.12 Transmission power test result（transmission power spectral densityp is higher than 35 dBm／Hz）

图13 发送功率测试结果（发送信号功率谱密度大于 －53 dBm／Hz）Fig.13 Transmission power test result（transmission power spectral density is higher than－53 dBm／Hz）

最高物理层速率测试是针对新型PLC通信系统装置样机最大物理层速率的测试，测试的预期目标为：装置样机支持基于TCP／IP通信协议的远程监控和配置；支持双向通信；物理层最高通信速率为10 Mbps。

如图14所示，根据10 M带宽，6 M中心频点，一帧时长：222μs可知：

一帧承载比特数：2×189×8bit；

物理层速率为：2×189×8 bit／（222×10－6）s＝13.62 Mbps。

业务通信实验是针对新型PLC通信系统装置样机承载电网业务时通信时间延迟的指标测试，测试的预期目标为：采集业务数据通信时延≤5 s（100%），自动化控制业务数据通信时延≤500 s（95%），分布式电源接入控制业务数据通信时延≤200ms（95%）。

如图15所示，丢包率≤5%的情况下，数据通信时延≤100 ms，符合预期成果要求。

测试样品及测试实物连接图如图16所示。

图14 最高物理层速率测试结果Fig.14 Test results of the highest physical layer speed rate

图15 业务通信测试结果Fig.15 Business communications test results

4 结束语

本文所设计的电力载波机，带宽可在7.8 kHz～10 MHz灵活调整，数据进行通信时的信号功率衰减及信号失真率均符合数据通信进行传输的相关要求。测试表明，所研制的新型PLC系统满足物理层支持的最大通信速率为10 Mbps，采集业务数据通信时延≤5 s（100%），自动化控制业务时延≤500 ms（95%），分布式电源接入控制业务时延 ≤200 ms（95%）的性能指标，有效实现电力线进行数据传输的目标。