柯京i l l g i u 人學(xué)塒! j f 7 e 生學(xué)位淪殳 摘愛 摘要 o f d m 技術(shù)在電力線通信( p l c ) 技術(shù)中越來越受劍關(guān)注，目前國(guó)外基于低壓電力線 的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品已經(jīng)推出，而用于中壓電力線通信( m v - p l c ) 的產(chǎn)品還很少，也沒有相關(guān) 標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)o f d m 及其在中壓電力線通信中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí) 意義。 本文首先總結(jié)分析了中壓電力線的信道特性，其中包括：阻抗特性、衰減特性、噪聲 特性，闡述了o f d m 的原理、優(yōu)缺點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)。然后，針對(duì)中壓電力線環(huán)境以及數(shù)據(jù) 業(yè)務(wù)的要求和特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了如何解決o f d m 系統(tǒng)的p a p r 抑制和同步的問題。本系統(tǒng) 采用n y q u i s t 脈沖成形的p a p r 抑制方法，這種方法基于選擇適當(dāng)?shù)膎 y q u i s t 脈沖波形集合 對(duì)o f d m 的各個(gè)子載波進(jìn)行脈沖成形，仿真結(jié)果表明該方法能有效降低任意子載波數(shù)目的 o f d m 信號(hào)的p a p r 值，而且與已有的方法相比應(yīng)用更為簡(jiǎn)單。本系統(tǒng)采用的同步算法是 基于訓(xùn)練序列的數(shù)據(jù)輔助方式，在文中首先構(gòu)造了幀的前導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后在此基礎(chǔ)上提出了 定時(shí)同步和頻率同步的解決方案。最后，針對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)設(shè)計(jì)了應(yīng)用于中壓電力線中的 o f d m 通信系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵模塊的算法設(shè)計(jì)和信道模型，并通過仿真分析 驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。 柯京| f | j j i u 人學(xué)傾l j 刖宄生學(xué)位論文 a b s l r a c t a b s t r a c t o f d mt e c h n o l o g yi nt h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) i sb e i n gp a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n ，a n do f d mb a s e dl o wv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r da n dt h er e l a t e d p r o d u c th a v ea p p e a r e d h o w e v e r , t h e r ea r en os t a n d a r d sa n df e wm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ( m v p l c ) p r o d u c t sb a s e do no f d m t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho no f d ma n di t s a p p l i c a t i o ni nm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n eh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e t h et h e s i sf i r s t l ys u m m a r i z e st h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n e t h ep r i n c i p l e ，d r a w b a c k sa n da d v a n t a g e so fo f d mt e c h n o l o g ya r ea l s o a n a l y z e d t h e n ， c o n s i d e r i n gs e r v i c e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fm e d i u mv o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，w e s t u d yh o wt os o l v et h ep r o b l e mo fp a p ra n ds y s t e ms y n c h r o n i z a t i o n at e c h n i q u eb a s e do n n y q u i s tp u l s es h a p i n gi sp r o p o s e df o rp a p rr e d u c t i o n t h em e t h o di sb a s e do np r o p e rs e l e c t i o n o ft h en y q u i s tp u l s e sf o rs h a p i n gt h ed i f f e r e n ts u b c a r d e r so ft h eo f d m ，a n di ti ss h o w nb y s i m u l a t i o nt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec a l la c h i e v es i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti np a p rr e d u c t i o n f o ra n yn u m b e ro fc a r d e r s a n di t si m p l e m e n t a t i o nc o m p l e x i t yi sm u c hl o w e ri nc o m p a r i s o n w i t hp r e v i o u sp u b l i s h e dm e t h o d s s y s t e ms y n c h r o n i z a t i o ni st ou s ed a t aa i d e dm e t h o db a s e do n t h et r a i n i n gs e q u e n c e s w ef i r s t l yb u i l du pt h ep i l o ts t r u c t u r ea n dt h e np r o p o s et i m i n g s y n c h r o n i z a t i o na n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e s l a s t l y ，t h eo f d mc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h eg o a lo ft h ep o w e rl i n es y s t e m t h ep a p e ra l s op r e s e n t st h e c h a n n e lm o d e la n do t h e rr e l a t e da l g o r i t h m s i ti sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o nt h a tt h e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sr e l i a b l e 南京| | | i j i u 人學(xué)壩i j m 究生學(xué)位論文英文縮略語 a g c a r m a d b e r b p s k c c d f c d f c d m a c i c c p d d s d d n d f t d s p d a f d m f f t f i r f p g a g c s g i g p r s g s m h p a i c i i d f t i f f t 英文縮略語 a u t o m a t i cg a i nc o n t r o l a u t o r e g r e s s i v ea n dm o v i n ga v e r a g em o d e l a n a l o g u et od i g i t a lc o n v e r t e r b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g c o m p l e m e n t a r yc u m u l a t i v ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c u m u l a t i v ep r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c a s c a d e di n t e g r a t o r c o m b c y c l i cp r e f i x d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r d i g i t a ld a t an e t w o r k d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f c l l 7 1 1 d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g d i g i t a lt oa n a l o g u ec o n v e r t e r f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f a s tf o u r i e rt r a n s f o r i 1 f i n i t ei m p u l s er e s p o n s e f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g o l a yc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e s g u a r di n t e r v a g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s h i g h p o w e ra m p l i f i e r i n t e r - c h a n n e li n t e r f e r e n c e i n v e r s ed i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o t i n i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r i l l 6 0 自動(dòng)增益控制 自回歸滑動(dòng)平均模型 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 誤碼率 二相相移鍵控 互補(bǔ)累積分布函數(shù) 累積分布函數(shù) 碼分多址接入 梳狀內(nèi)插濾波器 循環(huán)前綴 直接數(shù)字頻率合成器 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng) 離散傅罩葉變換 數(shù)字信號(hào)處理 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 頻分復(fù)用 快速傅罩葉變換 有限沖激響應(yīng) 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 格雷補(bǔ)碼序列 保護(hù)間隔 通用分組無線業(yè)務(wù) 全球移動(dòng)通訊系統(tǒng) 高功率放大器 信道問干擾 離散傅立葉逆變換 快速傅立葉逆變換 南京i i | l j i u 人學(xué)壩j 究生學(xué)位論文英文縮略語 i s i “l(fā) s m l m v - p l c n c o o f d m p a p r p n p s p s d p s k p t s q a m q p s k r o m s l m s n r t d m a i n t e r - s y m b o li n t e r f i ! r e n c e l e a s ts q u a r e m a x i m u ml i k e l i h o o d m e d i u m v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n n u m b e h c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p e a k t o - a v e r a g ep o w e rr a t i o p s e u d o n o i s e p u l s es h a p i n g p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y p h a s e - s h i f tk e y i n g p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a t e m a r yp h a s es h i f tk e y i n g r e a d - o n l ym e m o r y s e l e c t e dm a p p i n g s i g n a lt on o i s er a t i o t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 6 i 碼坩一 ：擾 最小平方 最大似然估計(jì)算法 中壓電力線通信 數(shù)控震蕩器 正交頻分復(fù)用 峰值平均功率比 偽隨機(jī)噪聲 脈沖成形 功率譜密度 相移鍵控 部分傳輸序列 正交幅度調(diào)制 四相移相鍵控 只讀內(nèi)存 選擇映射 信噪比 時(shí)分多址接入 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包 含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京郵電大學(xué)或其它 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的 任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：j 仁同期： 南京郵電大學(xué)學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 南京郵電大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書館有權(quán)保留本人所送 交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論 文。本文電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文 外，允許論文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。 論文的公布( 包括刊登) 授權(quán)南京郵電大學(xué)研究生部辦理。 研究生簽名：j 易p 紅導(dǎo)師簽名：綹同期： 一 j 南京| | f | ：i u 人學(xué)壩i f j f 彳生學(xué)位論義 笫一章緒論 1 1 中壓電力線通信 第一章緒論 電力線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)分布最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)之一，它遍布社會(huì)的每個(gè)角落，如 果能利用已有的電力線完成電力系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，將電源線和信號(hào)線合二為一，無需另外 架設(shè)數(shù)據(jù)傳輸線路，是非常經(jīng)濟(jì)、便捷的事情。電力線載波( p l c ) 數(shù)據(jù)傳輸就能起到這 樣的作用。由于各個(gè)用電設(shè)備都是和電力配電網(wǎng)絡(luò)直接相連的，通過電力線路直接傳輸 信息可以說是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)化和負(fù)載監(jiān)控等最直接、最有效的手段1 2 】。 中壓電力線通信( m v - p l c ) 技術(shù)是指利用電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中的中壓電力線( 通常指i o k v 電壓等級(jí)) 作為信號(hào)傳輸媒介，進(jìn)行語音、數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)囊环N通信方式1 3 j 。 m v - p l c 技術(shù)首先被應(yīng)用于中壓配電網(wǎng)的自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)中，近年來，中壓電力 線寬帶網(wǎng)絡(luò)接入以其基礎(chǔ)設(shè)施完備、分布廣泛、成本低廉的特點(diǎn)，正越來越受到關(guān)注，尤 其是在偏遠(yuǎn)農(nóng)村或者人口稀少的地區(qū)，具有極強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。目前在韓國(guó)、美國(guó)、西班牙 等國(guó)家已得到良好的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也丌展了大量的研究和實(shí)踐1 3 j 。 中壓輸電網(wǎng)覆蓋面積廣大，應(yīng)用領(lǐng)域繁多，中壓配電自動(dòng)化對(duì)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有 重要的意義，相關(guān)應(yīng)用包括變電站自動(dòng)化、配電自動(dòng)化、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和控制、路燈管理、 智能小區(qū)等方面。m v - p l c 技術(shù)的采用，可以為電力系統(tǒng)配電網(wǎng)自動(dòng)化業(yè)務(wù)提供傳輸通道， 提高城市電力通信網(wǎng)的覆蓋范圍，降低投資成本。 近幾年，隨著通信技術(shù)以及相應(yīng)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，使得直接在中壓配電網(wǎng)上 實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。直接利用電力線本身具有巨大的吸引力，它組網(wǎng)方便，不 用布線，能最大限度地減少投資，并且覆蓋范圍廣，可擴(kuò)展性好，可以容易覆蓋整個(gè)配電 網(wǎng)。由于電力線通信先天具有的這些優(yōu)勢(shì)，使得電力線通信技術(shù)可以成為配電網(wǎng)自動(dòng)化系 統(tǒng)通信技術(shù)的重要選擇之一。 中壓電力線載波在電力通信網(wǎng)中占有重要的地位，大力發(fā)展中壓電力線載波通信具有 重要的現(xiàn)實(shí)意義。電力電纜在我國(guó)今后城網(wǎng)中將越來越普遍，結(jié)合配電網(wǎng)自動(dòng)化實(shí)施步伐 的進(jìn)展，采用先進(jìn)的數(shù)字調(diào)制方式和信號(hào)檢測(cè)理論，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)，對(duì)電力線載波通信 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，無論在經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上都是最佳選擇方案。 南京b l t g i u 人學(xué)壩i j 研7 生學(xué)位論文 第一帶緒論 1 1 1m v p l c 的優(yōu)勢(shì) 由于配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)功能的復(fù)雜性，單一的通信方式般無法滿足所有要求?？晒?選擇的通信方式主要有： ( 1 ) 有線通信方式，包括光纖通信、d d n 專線、m v - p l c 等。 ( 2 ) 無線通信方式，包括微波通信、g s m g p r s 通信、普通無線電通信等。 其中，光纖通信由于其可傳輸距離遠(yuǎn)，具有抗干擾、抗輻射、保密性高以及傳輸容量 高等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛使用，尤其是在主干通信網(wǎng)中，但光纖通信也有諸如成本高、技術(shù) 要求高、維護(hù)和擴(kuò)展不方便等不足之處。若使用g s m 網(wǎng)中g(shù) p r s 作為傳輸通道，則由于 是公用網(wǎng)絡(luò)，因此保密性較差；此外，它不是專用的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中語音優(yōu)先，在 通話多的情況下，不能保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸。利用中壓電力線通信技術(shù)將傳統(tǒng)中壓電力網(wǎng) 轉(zhuǎn)變成為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，在建設(shè)成本、運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用等方面都具有天然的優(yōu)勢(shì)( 見表1 一l 【4 j ) 。 表1 一l 現(xiàn)有配電網(wǎng)通信技術(shù)比較 傳輸技術(shù)施l ：難度施【：周期傳輸成本維護(hù)成本 可靠性 光纖較難 歐 較高較高 高 d d n 專線 難長(zhǎng) 較高高高 微波通信 難 長(zhǎng)低高較高 g p r s易短較高低較著 普通無線電易 長(zhǎng)低高較著 m v p l c 易短低低高 m v - p l c 技術(shù)只需在中壓電力線兩端安裝p l c 裝置，這使得在中壓電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù) 通信方便可行，特別在沒有光纜到達(dá)或采用光纜成本太高的地區(qū)或需要較大帶寬完成電網(wǎng) 管理、配電網(wǎng)自動(dòng)化時(shí)更有意義。 m v - p l c 技術(shù)的應(yīng)用將使得電力通信系統(tǒng)的建設(shè)工期縮短、維護(hù)工作量減少，而且更 有利于電力運(yùn)營(yíng)管理和實(shí)現(xiàn)故障準(zhǔn)確定位，從而為供、用電部門加強(qiáng)內(nèi)部設(shè)備管理、提高 運(yùn)行水平、保障供用電可靠性以及搶修工作提供了便利的實(shí)現(xiàn)條件，減少通信網(wǎng)絡(luò)投資。 另外，電力線受到高壓電的保護(hù)，不容易出現(xiàn)盜割等現(xiàn)象，使電力線通信有保障。 利用中壓電力線路通信可以很方便地建成寬帶網(wǎng)，并與低壓電力線通信裝置配合，構(gòu) 成完整的電力線通信網(wǎng)絡(luò)解決方案，對(duì)推動(dòng)電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和提高電力企業(yè)整 體的經(jīng)濟(jì)效益無疑具有積極的促進(jìn)作用，非常適合于農(nóng)電通信網(wǎng)使用，是農(nóng)村電網(wǎng)通信系 統(tǒng)降低成本、提高可靠性和可維護(hù)性的一種很好的選擇。 2 南京郵i u 人學(xué)壩i ：o d z 生學(xué)位論文笫帝緒論 綜上所述，m v - p l c 技術(shù)足解決配電網(wǎng)自動(dòng)化通信通道的理想解決方式，在配電網(wǎng)通 信領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。 1 i 2m v p l c 存在的問題 中壓電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，對(duì)其設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)，立足于傳輸電能而不是通信，所以中 壓電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此要在這種線路上傳輸高頻信號(hào)，仍是一項(xiàng)非常具有 挑戰(zhàn)性的工作【5 1 。中壓電力線通信主要存在以下問題： ( 1 ) 配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變 壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。 ( 2 ) 三相電力線問有很大信號(hào)損失( 1 0 d b 3 0 d b ) 。通信距離很近時(shí)，不同相間可能 會(huì)收到信號(hào)，一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。 ( 3 ) 長(zhǎng)距離通信時(shí)，需要解決中繼問題，不同的調(diào)制方法的中繼方式有所不同。 ( 4 ) 電力線路的阻抗和傳輸衰減都非常大，且具有時(shí)變性，不同信號(hào)藕合方式對(duì)電 力載波信號(hào)損失不同，并且電力線存在較高水平的噪聲和本身固有的脈沖干擾，這些都對(duì) 通信帶來危害。 ( 5 ) 電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1 歐姆 以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸 到幾公里。但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。因此，只有進(jìn)一步提高載波信號(hào) 功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，而提高載波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。 雖然中壓電力線一個(gè)不理想的通信媒介。但隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，中壓電力線載 波通信已經(jīng)成為可能。 1 2o f d m 技術(shù)在m v - p l c 中的應(yīng)用 目前，有多種高速數(shù)據(jù)通信技術(shù)可以用于電力線通信，如擴(kuò)頻通信、多載波通信等。 選擇何種調(diào)制技術(shù)，需要綜合考慮抗干擾能力、帶寬利用率以及實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度等多種因 素。近些年來，以f 交頻分復(fù)用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 為 代表的多載波傳輸技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。多載波傳輸把數(shù)據(jù)流分解為若干個(gè)獨(dú)立的 子比特流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流將具有低得多的比特速率，用這樣低比特率形成的低速率多狀態(tài) 符號(hào)去調(diào)制相應(yīng)的子載波，就構(gòu)成了多個(gè)低速率符號(hào)并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。o f d m 是多載 波傳輸方案的實(shí)現(xiàn)方式之一，利用快速傅立葉逆變換( i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，i f f t ) 3 l 柯泉郵i u 人學(xué)壩l ：塒了e 生學(xué)位淪文第一翠緒論 和快速傅立葉變換( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ，f f t ) 來分刖實(shí)現(xiàn)淵制和解調(diào)，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度 最低、應(yīng)用最廣的一。種多載波傳輸方案。在電力線通信中，o f d m 通過把電力線分為許多 窄帶子信道，使得各個(gè)子信道呈現(xiàn)相對(duì)性和平坦特性，不僅消除了由于電力線的低通效應(yīng) 和傳遞函數(shù)的劇烈波動(dòng)而引起的失真，而且無需復(fù)雜的信道均衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，成 本比較低廉。因此，在p l c 系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，并且逐漸成為p l c 的標(biāo)準(zhǔn)凋制技術(shù)。 相比低壓電力線而占，中壓電力線負(fù)荷變化較小、路由相對(duì)簡(jiǎn)單、突發(fā)噪聲較少，將 o f d m 技術(shù)應(yīng)用到中壓電力線載波通信中不僅可行，而且還能取得較高的數(shù)掘傳輸率。且 頻潛利用率高，能夠很好地抵抗電力線上的干擾，尤其是在抵抗頻率選擇性衰減和突發(fā)性 脈沖噪聲方面具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的進(jìn)步，再加上先進(jìn)的 d s p 和f p g a 芯片的應(yīng)用，o f d m 系統(tǒng)的數(shù)字實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，用i f f t f f t 即可完成調(diào)制 和解調(diào)過程，整個(gè)系統(tǒng)從信源編碼到基帶調(diào)制和變頻全數(shù)字化，穩(wěn)定可靠。 目前，配電網(wǎng)自動(dòng)化、自動(dòng)抄表等用途的低壓電力載波通信m o d e m 芯片大多采用擴(kuò) 頻調(diào)制技術(shù)，因?yàn)檫@些用途的低壓載波傳輸速率要求不高，多為0 4 k b p s 、0 8 k b p s 和 1 6 k b p s ，這樣，用擴(kuò)頻調(diào)制方式研制的芯片規(guī)模較小，成本較低，滿足低壓電力線載波 m o d e m 芯片的市場(chǎng)的大量需求。而以o f d m 為調(diào)制方式的電力載波m o d e m 芯片，通常具 有較大的規(guī)模，并且常用于速率較高的通信系統(tǒng)中。中壓電網(wǎng)在低壓電網(wǎng)的上一節(jié)點(diǎn)，需 要傳輸大量低壓電網(wǎng)上的信息，配電網(wǎng)自動(dòng)化和抄表等中壓電力線載波的傳輸速率要比低 壓載波高( 通常為4 8 k b p s ：9 6 k b p s 和1 9 2 k b p s ) 。中壓電力載波m o d e m 芯片的需求量遠(yuǎn) 小于低壓m o d e m 芯片的需求量，其成本要比低壓芯片高些。采用o f d m 技術(shù)的中壓電力 載波m o d e m 芯片，可以有很好的性能，而同時(shí)又能滿足芯片成本的需求，所以，o f d m 技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，逐漸成為中壓電力線載波芯片在信號(hào)調(diào)制方面的主流技 術(shù)。 電力線通信的最基本性能是由載波芯片決定的，近年來，國(guó)外采用擴(kuò)頻通信技術(shù)和 o f d m 技術(shù)，已推出了傳輸數(shù)據(jù)速率為1 9 2 k b p s 和1 0 0 0 k b p s 的電力線擴(kuò)頻通信載波芯片； 在市電網(wǎng)上傳送2 m b p s 以上速率的m o d e m 芯片；在市電網(wǎng)或中壓1 0 k v 電網(wǎng)上傳輸 4 8 k b p s 速率的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。由于國(guó)外電力線載波芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié) 構(gòu)，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，而我國(guó)的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布 狀況、電力線載波通訊的應(yīng)用領(lǐng)域等方面與國(guó)外有些不同，因此，目前還無一款真正適合 我國(guó)電力線載波通信的芯片。電力線載波通信芯片的瓶頸作用越來越突出，使國(guó)內(nèi)電力線 載波通信市場(chǎng)難以迅速增長(zhǎng)，也延緩了用戶對(duì)電力線載波通信技術(shù)的認(rèn)同和接受。 目前，我國(guó)中壓電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)適用于我國(guó)的且性能穩(wěn)定的電 4 南京| | i | j i u 人學(xué)_ r i ! j jl j 究生學(xué)位論文 第一章緒論 力線載波專川m o d e m ：苞= 片，特別是采 f jo f d m 技術(shù)的中壓載波m o d e m 芯片，從而為配 電網(wǎng)自動(dòng)化、大用戶抄表及其他應(yīng)剛提供可靠高速的傳輸通道。 1 3 本章小結(jié)和全文主要安排 在參閱了大量中英文文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)基于o f d m 技術(shù)的中壓電力線通信的關(guān)鍵 算法進(jìn)行了研究分析，主要包括降低o f d m 通信系統(tǒng)的峰均功率比的有效算法和適合電力 線通信系統(tǒng)的同步算法。并對(duì)各種算法和系統(tǒng)性能進(jìn)行了仿真分析。本文的章節(jié)安排如下： 第一章緒論簡(jiǎn)單介紹了中壓電力線通信的發(fā)展概況，闡述了其技術(shù)特點(diǎn)和所面臨的 問題，最后又分析了o f d m 應(yīng)用于電力線載波通信的可行性和優(yōu)點(diǎn)。 第二章介紹中壓電力線的信道特性和o f d m 的基本原理、系統(tǒng)組成、優(yōu)缺點(diǎn)、關(guān)鍵 技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法。 第三章首先介紹了峰均功率比的定義及統(tǒng)計(jì)特性，介紹了p a p r 的常用方法，然后重 點(diǎn)研究了基于n y q u i s t 脈沖成形的p a p r 抑制方法，并進(jìn)行仿真分析。 第四章首先分析了頻率偏差與定時(shí)偏差對(duì)系統(tǒng)的影響，然后根據(jù)中壓電力線通信的 業(yè)務(wù)要求設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的同步算法，其中包括幀結(jié)構(gòu)、定時(shí)同步、頻率同步和相位補(bǔ)償，并 進(jìn)行了仿真分析。 第五章給出了本課題設(shè)計(jì)的基于o f d m 技術(shù)中壓電力線通信的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通 過仿真說明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性。 第六章對(duì)全文工作的總結(jié)和展望。 第二章中j 長(zhǎng)i u 力線f 膏道特作l jo f d m 技術(shù) 第二章中壓電力線信道特性與o f d m 技術(shù) 2 1 中壓電力線信道特性 2 1 1 電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 電能由發(fā)電廠的發(fā)電機(jī)生產(chǎn)，為了減少發(fā)電機(jī)到用電區(qū)域之間的傳輸線上的能量耗 損，遠(yuǎn)距離的電能傳送是由高壓進(jìn)行。因此從發(fā)電廠發(fā)出的交流電需用變壓器將電壓升高， 高壓電傳送到用電區(qū)域后，又需要變壓器將電壓降低，將電能按需要分配給用戶。這些由 發(fā)電廠、變電所、電力網(wǎng)、配電設(shè)備及用戶的用電裝置等組成的系統(tǒng)叫電力系統(tǒng)【6 l 。 電力網(wǎng)是輸送和分配電能的系統(tǒng)，它由變電所和不同電壓等級(jí)的線路組成，它的任務(wù) 是將電能輸送和分配到用戶。從發(fā)電廠發(fā)出的電能通過升壓變壓器、區(qū)域性變壓器、地方 性變壓器和用戶配電變壓器后變成動(dòng)力和r 常用電的3 8 0 v 和2 2 0 v 。由用戶配電變壓器的 低壓側(cè)輸出的母線，首先接到低壓配電屏母線上，再分成若干路分別接到各用電場(chǎng)所。 2 1 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 和低壓電力線通信一樣，目前對(duì)中壓電力線通信的研究也集中在信道研究上。m a s a o k i t a n a k a 和d l i u 通過研究發(fā)現(xiàn)，中壓電力線信道是一個(gè)復(fù)雜的噪聲干擾信道，存在背景噪 聲、窄帶噪聲、突發(fā)噪聲等多種噪聲源1 7 j 。m a n f r e dz i m m e r m a r m 和k l a u sd o s t e r t 在測(cè)量的 基礎(chǔ)上提出了各種噪聲的建模方法【8 】。以上研究的噪聲和信道建模分析，都是基于國(guó)外電 網(wǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行的。由于各國(guó)電力線的信道特性有所不同，而我國(guó)中壓線路分布和負(fù)載情 況更為復(fù)雜，變電站間線路相對(duì)較短以及干擾相對(duì)較強(qiáng)，中壓電力線組網(wǎng)通信所面臨的物 理層環(huán)境比較復(fù)雜和惡劣。近年來，國(guó)內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)采用不同的手段對(duì)一些地區(qū)的中壓 配電線的傳輸特性進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間全方位的實(shí)地測(cè)量和分析，這些研究成果為實(shí)際的工程應(yīng) 用提供了參考。 2 1 3 信道特性 一般來說，電力線信道對(duì)于數(shù)字通信的負(fù)面影響主要來源于三個(gè)方面：變化的阻抗特 性、頻率選擇性的信道衰減特性、有色背景噪聲和多種神激噪聲3 1 。 6 南京j i l l 1 u 人! 產(chǎn)f 碘i j 研究生學(xué)化論文a 爿 - 二帝中j k i 也力線f 道特性jo f d m 技術(shù) 阻抗特性 電網(wǎng)足范 目廣泛的分布式網(wǎng)絡(luò)，在中臟、低壓變壓器的次級(jí)并行地接有很多用戶負(fù)載。 隨時(shí)間和負(fù)載的不同，通道阻抗值會(huì)有大幅度波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)阻抗匹配很重要，因?yàn)楫?dāng)發(fā)射機(jī)、 信道和接收機(jī)的阻抗匹配時(shí)，在接收機(jī)處收到的信號(hào)能量值達(dá)到最大。因此，研究中壓線 路的阻抗特性對(duì)于中壓線路的通信研究必不可少。 影響配電線路阻抗特性的因素較多，配電網(wǎng)上千變力化的負(fù)載以及分支線路都會(huì)導(dǎo)致 配電線路阻抗的變化。其阻抗變化范圍大，可造成阻抗零點(diǎn)，并且因?yàn)榻尤刖€路的負(fù)載是 動(dòng)態(tài)的，不能保證與線路的特性阻抗匹配，從而會(huì)引起駐波效應(yīng)。實(shí)地測(cè)量表明，中壓1 0 k v 配電線路的阻抗特性隨頻率、時(shí)間和測(cè)量位置而變化【9 1 。 衰減特性 電力線載波信道存在明顯的快衰落特性，其主要成因是丌關(guān)電源等橋型整流器及后端 的大容量濾波電容造成的瞬間充電電流對(duì)信號(hào)造成的嚴(yán)重衰減，因此，信道衰減特性對(duì)于 數(shù)字通信的效果有著重要影響。中壓線路的衰減比低壓線路的衰減嚴(yán)重，有實(shí)驗(yàn)表明，平 均每1 0 0 m 幅值衰減可達(dá)到8 d b 1 l d b ，甚至更大。同時(shí)，中壓線路的衰減也表現(xiàn)出明顯的 頻率選擇性，在一些頻率點(diǎn)或者頻段，會(huì)出現(xiàn)深度的傳輸衰減。由大量分支點(diǎn)造成的多徑 效應(yīng)被認(rèn)為是一個(gè)主要原因。實(shí)驗(yàn)證明，在這些深度衰減的頻段上，很難實(shí)現(xiàn)成功的通信 連接，必須在實(shí)際通信系統(tǒng)中予以回避。此外，隨著頻率的增加，中壓電力線路上的衰減 也在增加。 噪聲特性 低壓電力線上的噪聲是各種用電設(shè)備產(chǎn)生的噪聲、配電變壓器中壓側(cè)進(jìn)入低壓側(cè)的噪 聲和無線電干擾等綜合作用的結(jié)果，而中壓電力線由于與用戶并不直接相連，其噪聲主要 有中壓電力線附屬設(shè)備以及無線電干擾產(chǎn)生。 根掘有關(guān)文獻(xiàn)【1 0 】【l l 】分析，中壓配電線上的加性噪聲可以分為5 類： ( 1 ) 有色背景噪聲：具有較低的功率譜密度，并隨頻率變化。主要由多個(gè)低能量噪 聲源疊加形成的，如絕緣子或?qū)w不規(guī)則放電，配電變壓器二次側(cè)的用電設(shè)備( 如電焊機(jī)) 放電，其噪聲功率譜密度隨時(shí)問變化。 ( 2 ) 窄帶噪聲：大多為調(diào)幅的正弦信號(hào)。在4 0 5 0 0 k h z 的工作頻帶內(nèi)，主要為長(zhǎng)波 廣播電臺(tái)的干擾和導(dǎo)航無線電電臺(tái)的干擾。 ( 3 ) 與電網(wǎng)工頻異步的周期性脈沖噪聲：這些脈沖在大多數(shù)情況下的重復(fù)頻率在 5 0 2 0 0 k h z 之問。其頻譜是由些離散的譜線和與重復(fù)頻率有關(guān)的頻率間隔組成。這類噪 聲主要是配電變壓器二次側(cè)的用電設(shè)備產(chǎn)生的。 7 南京郵i u 人學(xué)壩i ：_ | o d v l 。學(xué)f t 淪義第二尊中j k l u j 線f 膏道特性jo f d m 技術(shù) ( 4 ) 與咆網(wǎng)頻率州步的周期性脈沖噪聲：這類噪聲為重復(fù)頻率5 0 h z 或1 0 0 h z 并司供 電網(wǎng)絡(luò)芒頻率同步的脈沖。這類噪聲持續(xù)時(shí)j 【i j 短，一般在毫秒級(jí)，并且其頻譜密度隨管頻 率增加而減少，這類噪盧通常是由于電源與電網(wǎng)頻率同步運(yùn)行造成的，例如連接至0 電網(wǎng)的 整流器。 ( 5 ) 異步脈沖噪聲：因電網(wǎng)中丌關(guān)的瞬問閉合、電暈所引起。這類脈沖噪聲具有時(shí) l 日j 短、幅值高的特點(diǎn)，持續(xù)時(shí)間可以從幾微秒到幾毫秒，且是隨機(jī)發(fā)生的。 2 2o f d m 技術(shù) 2 2 1 正交調(diào)制解調(diào) 正交頻分復(fù)用( o f d m ) 技術(shù)與已經(jīng)普遍應(yīng)用的頻分復(fù)用( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，f d m ) 十分的相似。與f d m 基本原理相同，o f d m 把高速的數(shù)據(jù)流通過串 并變換，分配到速率相對(duì)較低的若干個(gè)頻率子信道中進(jìn)行傳輸，不同的是，o f d m 技術(shù)更 好地利用了控制方法，使頻譜利用率有所提高。對(duì)傳統(tǒng)的f d m 系統(tǒng)而言，傳輸?shù)男盘?hào)需 要在兩個(gè)信道之| 白j 存在較大的頻率間隔即保護(hù)帶來防止干擾，這降低了全部的頻率利用 率。然而應(yīng)用o f d m 的子載波f 交復(fù)用技術(shù)大大減少了保護(hù)帶寬，提高了頻譜利用率，如 圖2 一l 所示。在早期的o f d m 系統(tǒng)中，各個(gè)子載波采用正交濾波器將信道分成多個(gè)子信道， 但要用很多的濾波器，尤其是當(dāng)路數(shù)增多的時(shí)候。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 及e b e r t 等將d e t 應(yīng)用在多載波傳輸系統(tǒng)中，從而很方便地實(shí)現(xiàn)了多路信號(hào)的復(fù)合和分解【l 2 。 傳統(tǒng)的頻分復(fù)用( f d m ) 多載波調(diào)制技術(shù) 正交頻分復(fù)用( o f d m ) 多載波調(diào)制技術(shù) 圖2 1f d m 與o f d m 帶寬利用率的比較 一個(gè)o f d m 符號(hào)之內(nèi)包含多個(gè)經(jīng)過移相鍵控( p h a s e s h i f tk e y i n g ，p s k ) 或者j 下交幅 度調(diào)制( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ，q a m ) 的子載波。其中，表示子載波的個(gè)數(shù)， r 表示o f d m 符號(hào)的持續(xù)時(shí)間( 周期) ，吐( 凈0 ，1 ，2 ，n 1 ) 是分配給每個(gè)子信道 8 柯京| | i | ；i u 人一猁貝j j ，e ，? 位論文筇一一：章巾i t , j g j j f l j 信道特r p jo f d m 技術(shù) 的數(shù)執(zhí) 符號(hào)，f 是第i 個(gè)。了載波的錢波頻率，鰣ij 髟函數(shù)陀( f ) = l ，i tj r 2 ，i a i j ) , h t = f ：。開始 的o f d m 符號(hào)叫以表示為： s ( ，) = r e 簍d i r e c t ( t - t ，一t 2 ) e x p j 2 a f ( t 一，) _ t s r t s + 丁 (2-i0 ) s ( ，) = e 一e 一) f+ 丁 ( 2 - ) i = j j - i - ：s ( f ) = o ，t 甚【，t s + 7 1 】。 一旦將嬰傳輸?shù)膖 - l 特分配劍擇個(gè)子載波上，某一幣l i 調(diào)制模式將它們i 映射為子載波的幅 度和棚位，通常采片j 等效基帶信號(hào)來手l y i 述o f d m 的輸信號(hào)，見式( 2 - 2 ) 。 s ( r ) = 薈n - id 。r e c t ( t - t ，一叫2 ) e x p j 2 萬事( r - t s ) r t s a + r( 2 2 ) s ( f ) = ，一叫2 ) e x p l 萬專( f) f f + 7 ( 2 圳 j = 0l 在圖2 - 2 中給出了o f d m 系統(tǒng)基本模型的框圖，其中，f = 丘+ i t 。在接收端，將接 收到的同相的和幣交矢量映射回?cái)?shù)據(jù)信息，完成子載波調(diào)制。 蘭爐 塔 串并+鉺 并串 蝣 圖2 - 2o f d m 系統(tǒng)基本模型的框圖 如圖2 3 ( a ) 所示為一個(gè)o f d m 符號(hào)內(nèi)包含5 個(gè)子載波的實(shí)例。其中，所有的子載波 都具有相同的幅值和相位，但在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過數(shù)字基帶調(diào)制后，每個(gè)子載波不可能都 有相同的幅值和相位。從圖2 3 ( a ) 中可以看出，每個(gè)子載波在一個(gè)o f d m 符號(hào)周期內(nèi)都 包含整數(shù)倍周期，而且各個(gè)相鄰的子載波之間相差1 個(gè)周期。這一特性可以用來解釋子載 波問的正交性，即滿足： 吾r e j m d e - j e a , t d t = l ，l l ：l ；7 夏 c2 _ 3 ， 這種正交性還可以從頻域角度來解釋，如圖2 3 ( b ) 。根據(jù)式( 2 1 ) ，每個(gè)o f d m 符 號(hào)在其周期丁內(nèi)包含個(gè)多個(gè)非零子載波。因此其頻域可以看作是周期為丁的矩形脈沖的頻 9 南京l | i | ；l u 人學(xué)壩i j 研歹生學(xué)位論殳笫二章 巾j k , i s j 線價(jià)道特性。jo f d m 技術(shù) 譜與另一組位于各個(gè)子載波頻率上的萬函數(shù)的卷積。矩形脈沖的頻譜為s i n c ( j t ) 函數(shù)，這 種函數(shù)的零點(diǎn)出現(xiàn)在頻率為1 r 整數(shù)倍的位置上。 芻，= 手：一r e x p ( 一2 萬事( f t ) ) 委n - i z _ x p ( 2 萬事( f f 一) 產(chǎn)。2 4 ， = j 1 n - i i 伽孚卜t ) 弘= t h 叫吲) _ 委n - i 忙p ( j 可2 n i k ) ( 嘁州) ( 2 - 5 ) z = 沖( 一一，百2 n i k ) ( o i - n - 1 ) 6 ， i o 豐j 京i f i i ；l u 人學(xué)傾f j 州f 究牛學(xué)位論文第：章中j k l u 力線竹道特忡i jo f d m 技術(shù) 2 2 2 系統(tǒng)組成 o f d m 系統(tǒng)組成框圖如圖2 - 4 所示。其中，上半部分對(duì)應(yīng)于發(fā)射機(jī)鏈路，下半部分對(duì) 應(yīng)于接收機(jī)鏈路，整個(gè)系統(tǒng)包含信道編解碼、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、i f f t f f t 、加去保護(hù)l 日j 隔 和數(shù)字上下變頻。 圖2 4o f d m 系統(tǒng)組成框圖 輸入比特序列完成信道編碼后，根據(jù)采用的調(diào)制方式，完成相應(yīng)的調(diào)制映射，形成調(diào) 制信息序列 d ( 0 ，g , - j d ( i ) 進(jìn)行i f f t ，將數(shù)據(jù)的頻譜表達(dá)式變換到時(shí)域上，得到o f d m 已調(diào)信號(hào)的時(shí)域抽樣序列，加上保護(hù)間隔( 通常采用添加循環(huán)前綴的方式) ，再作數(shù)字上 變頻，得到