劉 恒，汪光森，王 乘
（華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北武漢430074）
摘 要：介紹了一種基于統(tǒng)計(jì)方法得出的低壓電力線載波信道模型，并分析了OFDM技術(shù)和擴(kuò)頻通信各自對于低壓電力線通信的優(yōu)缺點(diǎn)。最后給出了這兩種調(diào)制方式基于本文信道模型的仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞：電力線通信；OFDM；擴(kuò)頻通信
1 引言
自20世紀(jì)20年代以來，電力線載波通信技術(shù)一直利用10 kV以上的中、高壓電力傳輸線作為高頻載波信號(hào)的信道，該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)內(nèi)的繼電保護(hù)、遠(yuǎn)程計(jì)量、遠(yuǎn)端系統(tǒng)控制和語言傳輸，利用中、高壓電力線進(jìn)行電力線載波通信的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟和深入。但是，對于在低壓電力線上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯繌?0世紀(jì)90年代初才慢慢興起，1991年，英國Norweb通信公司的Paul Brown博士開始尋求在低壓電力線上進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸，并于1995～1997年在英國的Manchester進(jìn)行電力線語音傳輸實(shí)驗(yàn)，從而掀起了研究PLC（Power lineCommunication）技術(shù)的熱潮。
另一方面，隨著接入網(wǎng)瓶頸效應(yīng)的日益突出，為解決“最后一公里”的問題，各種寬帶接入網(wǎng)技術(shù)風(fēng)起云涌，PLC技術(shù)以其先天的覆蓋面積之廣、無需重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，在與同是接入網(wǎng)技術(shù)的Cable Modem（線纜調(diào)制解調(diào)器）、xDSL（數(shù)字用戶環(huán)路）和無線接入技術(shù)LMDS（本地多點(diǎn)分配系統(tǒng)）的對比中顯得更加引人注目。使用低壓電力線進(jìn)行通信，可以方便的組建計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)（LAN）、傳遞遠(yuǎn)程監(jiān)視圖像、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抄表（Automatic Meter Reading）系統(tǒng)和用于火災(zāi)報(bào)警（Fire Alarm）系統(tǒng)等。此外利用已有的能量管理系統(tǒng)（EMS）和電力線通信技術(shù)，還將實(shí)現(xiàn)用電方與供電方信息的實(shí)時(shí)雙向交流，為已經(jīng)在世界范圍興起的電力貿(mào)易、電力市場的建立提供技術(shù)支持。
然而，由于低壓電力網(wǎng)的通信環(huán)境相當(dāng)惡劣，突出表現(xiàn)在信道的噪聲大、干擾多、阻抗變化大、對高頻信號(hào)的衰減大且存在多徑干擾現(xiàn)象，并且這些因素時(shí)刻變化，變化幅度很大。近年來，國內(nèi)外紛紛研究有效的措施來克服這種復(fù)雜通信環(huán)境的影響。其中，最為突出的技術(shù)就是擴(kuò)頻通信和正交頻分多路復(fù)用（OFDM）技術(shù)，這兩種技術(shù)最早被應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域，它們都具有很強(qiáng)的抗干擾，抗多徑效應(yīng)的能力，本文從分析它們各自的原理入手，對它們應(yīng)用于低壓電力線信道環(huán)境時(shí)進(jìn)行一定的分析和仿真比較。
2 低壓電力線信道模型
低壓電力線上的干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大，難以找到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線高頻信號(hào)傳輸特性的分析多以定性分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試分析為主的原因［1］。即使有些學(xué)者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，而且是基于一些很難得到的先驗(yàn)參數(shù)，如文獻(xiàn)［2］是基于散射參數(shù)，文獻(xiàn)［3］是基于四端網(wǎng)絡(luò)的阻抗和導(dǎo)納值，因而也是不精確的或適用面很窄，電力線信道的特性更適合用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算分析。
目前國際上普遍認(rèn)為低壓電力線上1～30 MHz的頻帶可以用來進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸［4］，對于30 MHz以上頻帶的信號(hào)，因衰減過大在接收端無法檢測。在此頻帶內(nèi)，電力線信道對信號(hào)的影響主要有：信號(hào)衰減，背景噪聲和多徑效應(yīng)
信號(hào)衰減：一般來說，低壓電力線信號(hào)的衰減隨距離的增大而增大，并且信號(hào)的衰減與頻率有關(guān)，頻率越高衰減越大。然而由于低壓電力網(wǎng)上的負(fù)載非常復(fù)雜，因此其特性阻抗的變化范圍非常大，有時(shí)可以從0．1Ω變到100Ω，變化范圍超過1000倍。有些局部甚至出現(xiàn)所謂的阻抗低谷區(qū)，信號(hào)衰減接近80dB，其原因是各種復(fù)雜的負(fù)載及電力線本身組合成許多諧振回路，在諧振頻率及其附近頻率上形成阻抗低谷區(qū)，而較低的阻抗會(huì)對高頻信號(hào)產(chǎn)生較大的衰減。
背景噪聲：M．Zimmermann將低壓電力線信道的噪聲分成5類［5］：有色背景噪聲（Colored BackgroundNoise）、窄帶噪聲（NarrowBand Noise）、與主頻率（50 Hz）異步的周期脈沖噪聲（Periodic ImpulsiveNoise，Asynchronoustothe Means Frequency）、與主頻率同步的周期脈沖噪聲（Periodic Impulsive Noise，Syn－chronous to the Means Frequency）和異步脈沖噪聲（Asynchronous lmpulsive Noise）。前3種噪聲為穩(wěn)態(tài)的背景噪聲，可以描述為加性高斯白噪聲（AWGN），而后兩類噪聲，雖然持續(xù)時(shí)間很短，但其功率譜密度高，一旦發(fā)生就可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)通信的錯(cuò)位或突發(fā)性錯(cuò)誤。一般采用前向糾錯(cuò)（FEC）信道編碼技術(shù)加以克服。
多徑效應(yīng)：由于低壓電力線是非均勻不平衡的傳輸線，所連接的負(fù)載阻抗也處在不斷變化之中，信號(hào)會(huì)遇到反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象。因此，信號(hào)可能經(jīng)過不同的路徑到達(dá)目的地，當(dāng)信號(hào)以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干涉，從而造成頻率選擇性衰落（frequency fading）。而且，當(dāng)傳輸速率很高時(shí)，由于信號(hào)的碼元周期較短，碼元若經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接受機(jī)，所用時(shí)間不同，極易造成碼元間的相互干擾，產(chǎn)生碼間干擾ISI（Inter Symbol Interference）。與無線信道不同，電力線信道中由多徑反射產(chǎn)生的時(shí)延一般可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)。
綜上所述，電力線的信道模型可表示為：一個(gè)帶加性干擾噪聲的時(shí)變?yōu)V波器與一個(gè)多徑時(shí)延和衰減信道的線性組合，Zimmermann和Klaus Dostert［6］經(jīng)過大量的實(shí)際測量，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法得出多徑時(shí)延與衰減信道模型的脈沖響應(yīng)為：
其中M為信號(hào)能夠到達(dá)接受機(jī)的路徑數(shù)，稱為多徑數(shù)，gi是第i條路徑的衰落系數(shù)，τi為第i條路徑的時(shí)延。A為信號(hào)衰減函數(shù)，由發(fā)信機(jī)與接受機(jī)之間的距離d和信號(hào)的載波頻率f決定，其表達(dá)式為：
其中α0，α1為衰減系數(shù)，k為衰減因子的指數(shù)，在0．5～1之間。gi，α0，α1，k均是Manfred Zimmer－mann和Klaus Dostert經(jīng)過大量的實(shí)際測量，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)規(guī)律得出的。對于一個(gè)典型的四徑網(wǎng)絡(luò)，其參數(shù)見表1。
3．1 OFDM原理
由于多徑時(shí)延和信道的線性失真，會(huì)在接收符號(hào)間產(chǎn)生符號(hào)間干擾（ISI）。目前有效消除ISI的技術(shù)有兩種：時(shí)域均衡和正交頻分復(fù)用（OFDM）。但時(shí)域均衡技術(shù)有兩個(gè)缺點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；二是僅對時(shí)延較短的ISI效果比較好，對時(shí)延較長的ISI效果比較差，在這種情況下就需要采用OFDM。
當(dāng)ISI的時(shí)延與傳輸符號(hào)的周期處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，ISI的影響就會(huì)變得嚴(yán)重起來。因此，延長傳輸符號(hào)的周期可以有效地克服ISI的影響，這正是OFDM消除ISI的原理。
OFDM由大量在頻率上等間隔的子載波構(gòu)成（設(shè)共有N個(gè)載波），各載波通�？梢圆捎貌煌恼{(diào)制方式調(diào)制，一般為BPSK，QPSK或QAM。串行傳輸?shù)姆?hào)序列被分為N組，N組分別調(diào)制N個(gè)子載波，將N個(gè)子載波相加后一起發(fā)送。所以O(shè)FDM實(shí)質(zhì)是一種并行調(diào)制技術(shù)。將符號(hào)周期延長N倍，從而提高了對ISI的抵抗能力。
子載波間的間隔如何選擇，是OFDM的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)的頻分復(fù)用FDM調(diào)制技術(shù)中，各載波上的信號(hào)頻譜是互不重疊的，各載波間要加入保護(hù)頻帶，以便接收機(jī)能用濾波器將其分離，但這樣做降低了頻帶利用率。在OFDM中，取載波最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)，即1／Ts，當(dāng)符號(hào)由矩形時(shí)間脈沖組成時(shí)，每個(gè)載波信號(hào)的頻譜為sin x／x形狀，其峰值對應(yīng)于所有其它載波頻譜的零點(diǎn)，載波間隔的選擇使這些載波在整個(gè)符號(hào)周期上是正交的，即在符號(hào)周期上的任何兩個(gè)載波的乘積都為零。這樣，即使各載波上的信號(hào)頻譜間存在重疊，也能無失真地復(fù)原。并且OFDM所有子載波疊加到一起時(shí)，信號(hào)頻譜接近于矩形頻譜，因而其頻譜利用率理論上可以達(dá)到Shannon信息傳輸理論的極限。OFDM的原理如圖1所示。
由于OFDM信號(hào)頻譜不是嚴(yán)格帶限的抽樣函數(shù)，實(shí)際信道中產(chǎn)生線性失真（如多徑）時(shí)，導(dǎo)致每個(gè)子信道的能量會(huì)擴(kuò)散到鄰近信道，從而破壞子載波間的正交性，產(chǎn)生子載波間干擾ICI（Inter SubcarrierInterference）。Peled和Ruiz于1980年引進(jìn)循環(huán)前綴CP（Cyclic Prefix）的概念［7］，即將每個(gè)OFDM信號(hào)尾部的一部分信號(hào)復(fù)制到信號(hào)頭部，如圖2所示。只要CP的長度大于色散信道的脈沖響應(yīng)長度，就能夠保證子載波之間的正交。
3．2 數(shù)學(xué)表達(dá)
OFDM信號(hào)常常表示成并行傳輸?shù)恼徽{(diào)制子載波集合，其數(shù)學(xué)表示式如下：
Xn，k為第n幀信號(hào)流中的第k個(gè)要傳輸?shù)姆?hào)，每個(gè)OFDM符號(hào)的有效期為Ts；N為OFDM子載波的數(shù)量；fk為第k個(gè)子載波的中心頻率，f0為所使用的子載波的最低中心頻率。子載波在頻域內(nèi)是相互正交的。
解調(diào)則利用了子載波間在頻域內(nèi)的正交性原理，即
由于OFDM系統(tǒng)中的子載波數(shù)量常達(dá)幾百乃至幾千，所以實(shí)際應(yīng)用中不可能像傳統(tǒng)的FDM那樣使用幾百乃至幾千個(gè)振蕩器和鎖相環(huán)進(jìn)行相干解調(diào)。
Weinstein經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)［8］，發(fā)現(xiàn)OFDM信號(hào)可用快速傅立葉反變換IFFT來得到，將運(yùn)算量從N2降為Nlog N，并能用數(shù)字信號(hào)處理器完成OFDM調(diào)制：輸入的N個(gè)調(diào)制符號(hào)經(jīng)過N點(diǎn)的IFFT后所得到的N個(gè)數(shù)據(jù)就是所需的OFDM合成信號(hào)的N個(gè)時(shí)域采樣值，再經(jīng)D／A變換后，就得到了OFDM信號(hào)波形。此信號(hào)乘以實(shí)際載波就可將OFDM信號(hào)搬移到所需的頻帶上。
待傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)經(jīng)過IFFT變換，在時(shí)域上的復(fù)數(shù)信號(hào)表示為：
接受機(jī)由下變頻、A／D轉(zhuǎn)換器、帶通濾波器、FFT、解調(diào)模塊等部分組成。其工作過程為：首先經(jīng)下變頻將串行數(shù)據(jù)還原為基帶信號(hào)，采用FFT恢復(fù)基帶信號(hào)，并采用相應(yīng)的解調(diào)方式解調(diào)出N路低速數(shù)據(jù)，最后通過并／串轉(zhuǎn)換合成原始高速數(shù)據(jù)流。接收端經(jīng)FFT變換后還原為頻域的基帶信號(hào)表示為：
3．3 OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
�。�1）頻譜利用率高，理論上可以達(dá)到Shannon信息論的極限。
（2）能有效克服ISI。
�。�3）能有效抵抗信道衰落，OFDM技術(shù)把頻率選擇性衰落信道劃為多個(gè)并行的相關(guān)的平坦衰落信道，因此采用簡單的信道均衡技術(shù)就能滿足系統(tǒng)性能要求，不需要采用復(fù)雜的自適應(yīng)均衡技術(shù)。
（4）抗噪聲干擾，動(dòng)態(tài)分配子信道，即所謂的“灌水原則”，如圖3所示，OFDM技術(shù)可以由發(fā)射的導(dǎo)頻信號(hào)對各個(gè)子載波信道進(jìn)行信道估計(jì)，當(dāng)子信道的SNR較低時(shí)，分配較少的傳輸數(shù)據(jù)給該子信道，甚至將其關(guān)閉，不傳數(shù)據(jù)，從而保證傳輸?shù)目煽啃浴?/P>
3．4 OFDM技術(shù)的難點(diǎn)
OFDM技術(shù)已成功應(yīng)用于數(shù)字廣播DAB和歐洲視頻廣播DVB系統(tǒng)，并且是第四代無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的有力競爭者。但將OFDM應(yīng)用于低壓電力線載波通信的過程中，仍有一些難點(diǎn)尚待解決：
�。�1）峰均功率比PAPR（Peak－to－Average PowerRadio）較高，由于各子載波間的統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，OFDM信號(hào)時(shí)域上并行而在頻域上正交，其相應(yīng)的時(shí)域波形近似于高斯分布，有可能在時(shí)域上產(chǎn)生過高的峰均功率比，子載波數(shù)越多，峰均功率比越高。過高的峰均功率比會(huì)產(chǎn)生信號(hào)限幅失真。這就要求系統(tǒng)中的功放級(jí)器件要有良好的線性動(dòng)態(tài)特性，以避免傳輸信號(hào)的頻譜擴(kuò)散和非線性失真，增加了系統(tǒng)的成本和實(shí)現(xiàn)難度。
（2）OFDM技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)是同步問題。包括OFDM符號(hào)同步（Symbol Synchronization）、載波同步（Carrier Synchronization）和采樣頻率同步（SamplingFrequency Synchronization）。由于子載波的頻譜相互交疊，OFDM符號(hào)對頻率偏差和非線性失真相當(dāng)敏感，在高速傳輸時(shí)，頻偏問題尤其嚴(yán)重。一旦產(chǎn)生頻偏，導(dǎo)致子載波的信號(hào)不能正確解調(diào)，產(chǎn)生ICI和ISI。
（3）由于低壓電力網(wǎng)不是專門用于通信目的，所以其信道特性十分惡劣，干擾多，衰減大。尤其是從最后一級(jí)變壓器到用戶的這一段，因線路缺少屏蔽層，極易受到雷電波、無線電波和熱噪聲的干擾。且連接負(fù)載眾多，信號(hào)衰減大，相對較高的調(diào)制效率需要相對較高的信噪比，這對于硬件的設(shè)計(jì)提出了高要求。如美國Intellon公司基于其Powerpacket技術(shù)的低壓電力線載波通信芯片INT5130的載波頻帶為4．3～20．9 MHz，但該技術(shù)仍然僅限于家庭內(nèi)部網(wǎng)的組建，還不能真正解決“最后一公里”的接入網(wǎng)問題。如何在此頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高速遠(yuǎn)距離傳輸，仍然是一個(gè)難點(diǎn)，需要硬件和軟件技術(shù)的共同提高。
4 擴(kuò)頻通信
4．1 擴(kuò)頻通信原理
所謂擴(kuò)頻通信（SS：Spread Spectrum）是將信息頻帶展寬，使其在更寬的頻帶內(nèi)傳輸，而在接收端通過相關(guān)接受來恢復(fù)原始信息帶寬的一種技術(shù)。擴(kuò)頻的方法有很多，主要有：直接序列擴(kuò)頻（DS：Direct Se－quence Spread Spectrum簡稱直擴(kuò)）、跳頻擴(kuò)頻（FH：Frequency Hopping）、跳時(shí)（TH：Time Hopping）、線性調(diào)頻（Chirp）。在低壓電力線載波通信主要使用DS方式。擴(kuò)頻通信的原理如圖4所示，所謂直接序列擴(kuò)頻，就是直接用高速率的偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼PN序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在收端，用相同的擴(kuò)頻碼PN序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。接收機(jī)解擴(kuò)實(shí)際上是對干擾信號(hào)進(jìn)行頻譜展寬，把干擾信號(hào)變成功率譜密度很低而頻譜很寬的信號(hào)，經(jīng)窄帶濾波器濾除后，使落到帶內(nèi)的干擾信號(hào)能量很小，而有用的數(shù)字信號(hào)被壓縮還原成窄帶信號(hào)，順利通過濾波器，因此，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗干擾能力。其中，擴(kuò)頻調(diào)制的一種方法是把信息序列和偽隨機(jī)序列直接作模2加或相乘，產(chǎn)生一個(gè)速率與偽隨機(jī)序列碼速相同的擴(kuò)頻序列。這里，一個(gè)偽隨機(jī)碼的脈沖寬度稱為一個(gè)“CHIP”間隔Tc，一個(gè)比特矩形脈沖寬度Tb內(nèi)的偽隨機(jī)脈沖數(shù)稱為“CHIP”數(shù)。
對于電力系統(tǒng)的多徑效應(yīng)，擴(kuò)頻通信一般采用RAKE接收機(jī)技術(shù)：只要路徑之間的時(shí)延差大于一個(gè)PN碼片寬度，就可以利用多徑信號(hào)加強(qiáng)接收效果，此種技術(shù)稱為RAKE分集接收技術(shù)（俗稱路徑分集），如圖5所示。一般RAKE接收機(jī)由搜索器（Searcher）、解調(diào)器（Finger）、合并器（Combiner）3個(gè)模塊組成。搜索器完成路徑搜索，主要原理是利用碼的自相關(guān)及互相關(guān)特性。解調(diào)器完成信號(hào)的解擴(kuò)、解調(diào)，解調(diào)器的個(gè)數(shù)決定了解調(diào)的路徑數(shù)。合并器完成多個(gè)解調(diào)器輸出的信號(hào)的合并處理，通用的合并算法有選擇式相加合并、等增益合并、最大比合并3種。合并后的信號(hào)輸出到解調(diào)單元，進(jìn)行解調(diào)處理。
本文采用最大比合并，設(shè)第一個(gè)解調(diào)器對于第n幀信號(hào)流中的第k個(gè)要傳輸?shù)姆?hào)的響應(yīng)為，第二個(gè)解調(diào)器對于第n幀信號(hào)流中的第k個(gè)要傳輸?shù)姆?hào)的響應(yīng)為，則第n幀信號(hào)流中的第k個(gè)
4．2 處理增益
由于擴(kuò)頻通信所使用的帶寬B遠(yuǎn)大于信號(hào)實(shí)際所占帶寬B0，這兩者的比值G＝B／B0稱為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益，由Shannon定理可知，處理增益G越高，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)，系統(tǒng)正常工作所需的信噪比就越低。實(shí)際系統(tǒng)中，為了克服低壓電力線信道中與主頻率同步的周期脈沖噪聲和異步脈沖噪聲，一般采用前向糾錯(cuò)（FEC）信道編碼技術(shù)加以克服，而信道編碼將引起信號(hào)頻帶的擴(kuò)展，在系統(tǒng)可用帶寬受限的情況下，編碼引入的頻帶擴(kuò)展將降低擴(kuò)頻增益。因此，存在一個(gè)編碼增益和擴(kuò)頻增益之間的折衷，對此應(yīng)恰當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)兩者的關(guān)系。
5 兩種調(diào)制技術(shù)針對于電力線信道的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)
由于OFDM調(diào)制技術(shù)使用了大量的子載波，因此合成的信號(hào)具有非常大的峰均功率比（peak－to－av－erage power ratio（PAPR）），如果要維持頻帶內(nèi)信號(hào)的線性性，信號(hào)放大元件就要在特定的頻帶內(nèi)具有很好的動(dòng)態(tài)特性。而采用擴(kuò)頻調(diào)制時(shí)，由于是單載波系統(tǒng)，直接序列擴(kuò)頻只使用恒包絡(luò)調(diào)制，因此沒有這個(gè)問題。
OFDM系統(tǒng)可以根據(jù)每個(gè)子載波的狀況（信噪比大�。﹦�(dòng)態(tài)地在不連續(xù)的頻帶內(nèi)分配不同的信號(hào)傳輸速率，甚至可以關(guān)閉那些在噪聲源附近頻率選擇作用較強(qiáng)的的信道。低壓電力線載波芯片制造商如Intellon和Inari均使用了OFDM的這一特性，來抵抗低壓電力線信道惡劣的通信環(huán)境。而擴(kuò)頻系統(tǒng)由于是單載波調(diào)制系統(tǒng)，無法動(dòng)態(tài)地分配頻帶。
擴(kuò)頻系統(tǒng)不需要像OFDM那樣，在頻帶間加入保護(hù)間隔以及在數(shù)據(jù)幀前面加入循環(huán)前綴。OFDM技術(shù)在子載波之間失去正交性的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生ISI（Intersymbol interference），這種額外的開銷，降低了頻帶利用率。但實(shí)際的OFDM系統(tǒng)的傳輸速率仍可以達(dá)到10～15 Mbps，而實(shí)際的擴(kuò)頻系統(tǒng)只能達(dá)到5 Mbps。因此，即使是增加了額外的開銷，OFDM仍能提供更高的傳輸速率。
OFDM系統(tǒng)中在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間產(chǎn)生的頻率偏移非常重要。頻偏必須使用自動(dòng)頻率控制（au－tomaticfrequency control（AFC））進(jìn)行消除，否則子載波間就不會(huì)繼續(xù)保持正交。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)必須注意發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間產(chǎn)生的定時(shí)偏移，當(dāng)處理增益增大時(shí)，這一問題更加突出。
由于低壓電力線信道具有多徑傳播特性，因此它是一個(gè)頻率選擇性衰落信道。OFDM的各個(gè)子信道可以看作是平坦衰落信道，而不是一個(gè)頻率選擇性衰落信道，能夠很好地抵抗多徑傳播的影響。另一方面，由于信道的頻率選擇特性，擴(kuò)頻系統(tǒng)中也存在嚴(yán)重的多徑干擾�？梢允褂肦AKE接收機(jī)來從多徑信息中恢復(fù)信號(hào)。但是使用RAKE接收機(jī)將增加擴(kuò)頻系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前，即使在無線領(lǐng)域也只有少數(shù)公司實(shí)現(xiàn)了RAKE分集接收功能。
6 仿真結(jié)果
仿真時(shí)待傳輸信號(hào)均使用BPSK調(diào)制后的信號(hào)，對于擴(kuò)頻通信的仿真，為每一個(gè)數(shù)據(jù)幀產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的PN碼，每一個(gè)數(shù)據(jù)幀長1024比特，電力線信道模型為一個(gè)帶加性干擾噪聲的時(shí)變?yōu)V波器與一個(gè)多徑時(shí)延和衰減信道的線性組合，信道的處理增益G為7。OFDM調(diào)制使用8個(gè)子載波，多徑時(shí)延τi為小于Tb的隨機(jī)數(shù)，且為Tc的整數(shù)倍。衰減系數(shù)和多徑系數(shù)見表1，多徑信號(hào)已作歸一化處理。
仿真時(shí)假設(shè)在任意時(shí)刻只有一個(gè)用戶能夠占用信道。而且，除了噪聲干擾源以外，最大的問題就是多徑時(shí)延。圖6為未進(jìn)行信道編碼的仿真結(jié)果。仿真時(shí)使用的RAKE接收機(jī)有兩個(gè)解調(diào)器（Finger），分別接收兩路多徑信號(hào)，并且假設(shè)只使用兩路多徑信號(hào)就足以恢復(fù)信號(hào)。仿真結(jié)果清楚地表明，RAKE接收機(jī)能夠降低在電力線信道這種多徑時(shí)延系統(tǒng)的誤碼率，并且表明OFMD調(diào)制技術(shù)的誤碼率明顯低于擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)。
7 結(jié)論
高速電力線載波通信技術(shù)已逐漸成為國內(nèi)外通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，具有巨大的市場潛力。本文在分析了電力線信道特性的基礎(chǔ)上，對當(dāng)前應(yīng)用于該領(lǐng)域的兩大調(diào)制技術(shù)進(jìn)行了比較和仿真。其中OFDM技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)，在帶寬受限的電力線通信領(lǐng)域具有較大的優(yōu)勢，但仍然還存在需要解決的難點(diǎn)問題。隨著VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)和DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）技術(shù)的進(jìn)一步提高，OFDM必將成為高速電力線載波通信領(lǐng)域的主流技術(shù)。
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