OFDM技术在智能家居系统中的应用研究

吴孟生 徐杰 龚正 张正华

摘 要：低压电力载波通信是智能家居系统的有线传输方式，它的信道阻抗变化大，衰弱严重及多径效应明显，给电力载波信号的传输安全性和实时性带来技术难题。文章研究了用OFDM技术在智能家居系统中的应用，OFDM调制技术可以把需要传导的信息自主分派到不同载波频带上，子载波之间相互正交，同时，在OFDM调制的基础上，适当提高信噪比可以降低系统误码率。因此，OFDM对抗噪声干扰和频率选择性衰落是鲁棒的，并且易于与其他通信技术结合。

关键词：低压电力载波通信；智能家居；OFDM调制；信噪比

国内电力线网络结构繁杂，阻抗性难以确定，信号衰弱严重。幅移键控（Amplitude-Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency-Shift Keying，FSK）、相移键控（Phase-Shift Keying，PSK）等调制方法并不能解决这样的难题[1]，同时也不满足低压电力载波传输的要求，尤其在智能家居体系中[2]对通信安全性和实时性的要求较为严格。

低压电力通信信道阻抗变化大，信号衰弱严重，多径效应明显等缺点[3]，给实现智能家居通信的安全性和实时性带来很大的技术难度。OFDM调制技术[4]的特征在于，需要发送的信息可以自主地分配给不同的载波频带，并且每个子载波彼此正交[5]，减弱子信道间的互干扰。因此，OFDM具有优越的抗干扰和频率选择性，并且易于其他通信方式结合[6]。

OFDM的发展趋势是增加传导距离，兼容新兴的设备同时速率也足够快。由于OFDM的优越性，OFDM调制在低压电力载波传输中拥有以下优点：通信速度快，抗多径延迟，抗干扰以及高通信安全性[7]。

1 低压电力载波通信的基本原理

低压电线作为传导方式之前，必须先处理数据。根据频移和分频原理，首先将源信号移动到相异的频带，然后用耦合电路处理信号，再发送到低压网络。

如图1所示，要增加信号传导距离，则用功放电路处理解调后的信号，经耦合单元把信号传导至低压网络。在接收端，首先通过与发送端匹配的耦合单元从低压网络提取信号，然后由功率放大器单元、解调单元等，得到需要的源信号并传递给信宿。

2 基于IFFT/FFT的OFDM系统模型

如图2所示，通过信道编码将串行数据转为序列，序列转换为R比特的模块，每模块划N组，每个组对应一个子载波。调制方式的不同，每个组的比特数不尽相同，可设第k组的比特数为mk，则有。

3 OFDM信号的频谱特性分析

用QAM或MPSK调制子载波时，假如采用矩形波形，那么各子信道上频谱为Sa（x）形状，每个形状的主瓣宽度为2/TS（TS代表的含义是OFDM信号的长度）。对OFDM信号在TS时段内被采样N次，因此，我们可推算出时域信号的采样周期，即TS/N。且频率间隔为Δf=fs/N，且fs=1/TS，所以Δf=fs/N=1/TS。從以上分析可以得出，Sa（x）的主瓣宽度为2/TS，间隔为1/TS。最后根据函数性质，可以得出：子载波在频域上能体现出正交性[8]。

在常规FDM系统中，要在信宿端分离各信道上的信号，在信号发送时需要在子信道之间留下安全频带。尽管方便在信宿端获取待用信号，但附加的安全频带导致频谱利用率下降。在OFDM系统中规避了这一弊端，由于OFDM系统各信号通道的频谱彼此叠加，可不使用频带来隔离各子系统。因此，OFDM系统的频谱利用率比FDM系统高。另外，要深层次提升OFDM的频谱利用率，可以在每一子载波使用QAM和MPSK调制方案[9]。

4 信噪比对系统的影响分析

信噪比是衡量一个通信系统性能的关键参数[10]，为方便比较论证，通过仿真来判别，设置子载波的数量为256，系统基于相异的信噪比进行比较。仿真程序使用rand（）函数以生成任意数据，并在程序中选用函数QAM16_mod（），生成的数据依次映照到坐标系中以生成16QAM星座图。然后选用函数QAM_16demod（），再次解调相关数据并映照到16QAM星座图上。

（1）输入25分贝的信噪比，仿真图如下。

图3是输入任意数据的星座图，叉为调制过后的星座点。

如图4所示，上排两图是加入白噪声之前，下排两个图是加入之后的图谱。观察该图，其幅度产生差异，这就是我们通常所说的幅度失真。比较图中坐标轴刻度，其相位也出现很大差异，相位也失真了。

图5是接收OFDM信号的星座图，其中叉表示经过白噪声之前的信号星座，而圆圈则表示经过白噪声之后的星座图。很明显，经过高斯白噪声后，圆圈混乱地围在叉附近，信号失真，星座图也发生了变化。

解调后系统的误码率为0.164 1。因此在25 dB时，所得到的信号存在误码率。

（2）输入信道比为40 dB时。

图6是在40分贝信噪比情况下得到的OFDM信号星座图，与图5相比，经过高斯白噪声后，叉位置变化很小，圆圈也均匀地围在叉附近。比较最初信号的星座点，并没有产生变化，换言之，得到的OFDM符号没有产生误码。

解调后系统的误码率为0。因此，设置信噪比为40时，其误码率为0。

对比上述两次OFDM系统仿真，通过多种图形和数据的比较可以得出：经过高斯白噪声信道前后的信号产生了失真，控制变量，增加信噪比，可降低误码率，提升系统性能。

5 结语

通过对低压电力载波技术中常用的调制技术与OFDM调制进行对比，OFDM技术不但可以防止符号间干扰，还能抵抗多径效应所引起的干扰。通过仿真对比，增加信噪比，能够提升系统性能。OFDM技术在低压电力载波通信上具有很大的潜力，尤其是在智能家居系统上有更多可以研究的地方，同时对智能停车系统也有一定的借鉴作用。

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