低压电力线载波通信之正交频分复用技术

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简介:文章简单介绍了低压电力线载波通信的正交频分复用技术

正交频分复用技术(OFDM)开始用于低压电力线载波通信

低压电力线是世界上分布最广泛的网络。但是,由于线路杂波干扰非常大,在交流输电线上进行通信则非常困难。现在一些公司致力于发展一种在杂波干扰下传送信号的技术,而不是试图消除杂波干扰。低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术的方向发展。其中之一就是采用正交频分多路技术(OFDM)。采用扩频通信技术,能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷,大大提高通信系统的生存能力。

OFDM是HPA联盟(HomePlug Powerline Alliance)工业规范的基础。所谓OFDM技术其实是Orthogonal Frequency Division Multiplexing的英文缩写,其具体意思为直角频率多路传输分割复用技术。OFDM技术除了通过分割载波的方法来增强通信的抗干扰外,它还通过提高载波频谱利用率的方法来提高通信的稳定性。这种技术通过对多载波的调制改进,让各子载波相互正交,于是扩频调制后的频谱可以相互重叠,从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后,为了增加数据的吞吐量,提高数据传输的速度,它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术,来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理,把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。OFDM技术比较突出的地方就是即使在窄带带宽下也能够发出大量的数据。正在筹备之中的数码地面波电视播放以及正在开发中的高速无线LAN“IEEE802.11a”都预定采用这项新技术。

HomePlug技术通过对独立的调制载波和输电线传输介质的特性进行比较,来提高OFDM的基本应用性能。然后,确定在此传输介质下哪一个特定的载波存在高的信号衰减或干扰脉冲,而这样的衰减或脉冲会影响载波成功传送数据的能力。HomePlug技术据此自动地确定一个能保证成功通信的门限,以便与传输介质的特性相适应。如果衰减或杂波干扰非常大,使得某个频率不能进行成功的通信,HomePlug将不会使用此频率的载波。HomePlug技术不间断地监控输电线介质上通信特性的突然变化。由于通信路径传送数据的能力会随时间发生变化,所以HomePlug动态地与之相适应,并且接通和切断相应的载波以保证持续地进行成功的通信。除了变化的输电线传输特性,随时可能出现的、一般仅持续约一毫秒的杂波脉冲也会破坏数据流。由于其随机特点,简单地适应不能够及时地减轻此问题,因此,使用了快速纠错功能。通过综合使用多种纠错法,此技术能够重建所有在传送过程中遭到破坏的信号数据位。

扩频通信的发展

几十年来,通信技术不断发展和演变,从有线(铜线,电缆)通信,到无线(短波、VHF/UHF、微波和卫星)通信,再到光纤(缆)通信。然而,从通信技术的实质来看,从信息论的角度来看,上面所述基本上都是传输介质和信道的变化,突破性的进展并不多。扩频通信系统的出现,是通信技术的一次重大突破,通常的超短波(VHF/UHF)通信,10瓦电台能通20—30公里远;而伪码扩频设备,10毫瓦能通30—50公里。也就是说扩频系统能带来30分贝以上的信噪比改善。几十年来人们为信噪比的改善付出了极大的努力,1个分贝、1个分贝的挖掘,2-3个分贝的已是很大的贡献,突破性的时刻终于到来了,30分贝甚至50多分贝(GPS)的信噪比改善早已成为现实,只就这一点已经可以说扩频通信是当代通信技术的重大突破,何况扩频通信带来的突破还远远不止这一点。

扩频通信是扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)的简称。它是指用来传输信息的射频信号带宽远大于信息本身带宽的一种通信方式。人们通常将扩频通信的定义表达如下 :扩频通信技术是一种信息传输方式,在发端采用伪码扩频,使射频信号的带宽远远大于所传信息的信息带宽, 在收端利用相同的伪码进行相关解扩,恢复出所传的信息数据。这一定义主要含义有三点:

(1)射频信号的频谱被展宽了,射频带宽远大于信息基带带宽;

(2)发端采用扩频码(通常是伪随机码)扩频;

(3)收端采用伪码相关解扩。

从信息论角度看扩频通信:20世纪40年代,在信息论的研究中,山农(Shannon)得出计算信道容量的重要公式,被公认为山农定理,即C=Wlog2(1+P/N)。该公式指出:要保持信息传输速率C不变,信号带宽W和信噪比P/N是可以互换的,这意味着不管信噪比多低,只要将信号带宽扩展得足够大,仍能保证以相同的信息传输速率来可靠地传输信息。这就是扩频通信的理论基础。在过去的几十年中,由于技术的限制,无法有效地扩展信号频谱,所以人们一直在走增加信号功率,减少噪声,提高信噪比的路。即使到了70年代,伪码技术已经出现,但作为相关器的“码环”的钟频只能做到几十千赫,也无助于事。近几年,由于大规模集成电路的发展,几十兆赫,甚至几百兆赫的伪码发生器及其相关部件都已成为现实,扩频通信 获得极其迅速的发展。由用信噪比换带宽的年代进入了用带宽换信噪比的年代。

从最佳通信系统的角度看扩频通信:最佳通信系统=最佳发射机+最佳接收机。几十年来,最佳接收理论已经很成熟,但最佳发射问题一直没有很好解决,伪码扩频是一种最佳的信号形式和调制制度,构成了最佳发射机。因此有:最佳通信系统 :伪码扩频+相关接收;有人说,从20世纪90年代无线通信开始步入扩频通信和自适应通信的年代。扩频通信的热浪已波及短波、超 短波、微波通信和卫星通信,码分多址(CDMA)已开始广泛用于蜂窝通信、无绳通信和个人通信以及各种无线本地环路,它将发挥越来越大的作用。

海湾战争之后,扩频通信从军用转向民用。逐渐形成两个发展方向:

(1)点对点的扩频微波(2.4G和5.8G),宽带扩频,通常为几十兆,甚至100多兆,发挥其极强的抗干扰能力,数据误码率可达10-10量级,光纤差不多。

(2)码分多址(CDMA),频谱扩展不算太宽,主要用于改善蜂窝网用户容量,是第三代移动通信核心技术。

扩频微波市场五、六年来一直呈增长态势,大约有数万套扩频通信设备在工作。主要市场集中在如下五个方面:电信数据网络延伸(DDN, X.25,FR……);金融数据网络(主干,备份和流动银行);电力系统各类监控系统;蜂窝网(GSM,CDMA和PCS)中基站互连;高速互连网的高速无线接入。

多年的实践充分展现了扩频通信的诸多优势;抗噪声,抗干扰,抗衰落,抗多径,链路通信质量高;使用扩频技术的无线专网,安全保密性好;天线小巧,易于安装,可靠性高,免维护;工作在2.4G和5.8G 国际公认的ISM频段,无需申请频点许可证。

正如一切事物发展都有两个方面一样,扩频通信也不例外,它最大特点是抗干扰能力强,不怕其它系统干扰,也不干扰其它系统,因为发射功率谱密度极低。但相似扩频系统之间会形成相应的干扰。随着扩频设备的广泛应用,扩频系统相互干扰的事,也时有发生。特别是在2.4G 频段,有大量的64K 扩频Modem在使用,个别由于干扰严重,网络不能正常工作。如果不能很好的解决扩频通信系统间的干扰,扩频通信的发展就会严重受阻。智能天线和OFDM应运而生。

“智能天线"可以产生点波束和多波束,这样即可实现一点对多点通信,又不产生相互干扰。理想的智能天线,就象相控阵雷达天线一样,可以形成点波束和多波束,且波束可以做电子扫描,而不是机械扫描。有通信业务的站间,就形成一个点波束,没有通信业务的的就没有,从而达到极高的空分(波束分)隔离度,彻底解决同类系统相互干扰问题。目前智能天线的发展还处于初期阶段。

扩频通信的理论基础是以带宽换取信噪比,巨大的信噪比改善和极强的抗干扰性能是以牺牲带宽为代价的。早期的扩频技术是建立在“单载波直扩技术”(SC-DSSS)基础上的。要想得到高的处理增益,射频带宽就得宽。例 如,一种2Mbps(E1)数据流,要通过扩频系统进行传输,为了得到10dB以上的处理超增益,射频带宽至少20MHz ,有的40MHz,最大的为120MHz。在国际公认的扩频微波2.4G(83.5MHz带宽)和5.8G( 125MHz带宽)频段,一般只能安排2-3个独立频道,有的厂家产品只安排一个频道。这样造成频分隔离资源十分短缺。极大的限制了扩频通信在同一地区的大量使用。于是“多载波直扩技术”应运而生。采用多个载波信号。首先将所要传输的数据流分解成n个子数据流,每个子数据流的速率为原来的1/n,并用这些子数据流并行对相应的n个子载波信道进行扩频调制。各支路相加后经射频变换再发送。例如2Mbps数据流,分成10个200Kbps 的子数据流,再扩频10倍对10个子载波进行调制,最终射带宽比2MHz大些,但比20MHz小得多。

OFDM是对多载波调制(MCM)的一种改进。现在有些扩频厂家采用8个子载波的OFDM扩频微波,传送2Mbps(E1)数据流,射频带宽在1MHz左右,若考虑多进制调制,带宽还可以更窄些。这样在2.4G 和5.8G ISM 频段,可以安排几十个频道传送E1,很好地解决了频分隔离问题,扩频从窄到宽是一次飞跃,OFDM从宽到窄又是一次飞跃。

已有的扩频通信的定义适合于单载波直扩技术,但对OFDM就不太适用了。我们可以引入实际射频带宽和等效射频带宽的概念。对于OFDM 系统来说,实际射频带宽很小,但等效射频带宽仍然很大,即 等效射频带宽ΔF=∑ΔFj其中ΔFj是第j 个子载波信道扩频后的实际射频带宽。对于单载波直扩系统,等效射频带宽就是实际射频带宽。这样只要用等效射频带宽代替原来的射频带宽,原来的扩频通信定义及处理增益的计算公司就可继续使用了。

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