基于OFDM的电力线通信系统的Matlab仿真

基于 OFDM 的电力线通信系统的 Matlab 仿真 宦若虹 ,金向东 (浙江大学 　浙江 杭州 　310027) 摘 　要 :用 Matlab 建立了与 HomePlug 110 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 相兼容的基于 OFDM 的电力线通信仿真系统 ,仿真了基于 HomePlug 110 协议的 OFDM 技术应用于电力线信道的性能 ,仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明基于 HomePlug 110 协议、OFDM 技术可以实现高速、可靠 的电力线通信。 关键词 :OFDM ; HomePlug 110 协议 ;电力线通信 ;信道 中图分类号 : TN914151 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :1004 373X(2006) 01 129 03 Matlab Simulation of an OFDM Power Line Communication System HUAN Ruohong ,J IN Xiangdong (Zhejiang University , Hangzhou ,310027 ,China) Abstract : The paper set s up a power line communication simulation system based on OFDM and compatible with HomePlug 110 by Matlab ,simulates the performance of OFDM in application in power line channel based on HomePlug 110. The simulation result s show that based on HomePlug 110 ,OFDM is capable to realize high speed and reliable power line communication. Keywords :OFDM ; HomePlug 110 specification ;power line communication ;channel 收稿日期 :2005 09 06 　　电力线通信 ( Power Line Communication , PLC) 是指 以电力线作为传输媒介 ,在电力线通信网络的各个节点之 间以及在电力线通信网络与其他通信网络之间实现数据 交换和信息传递。由于电力线网络的大覆盖面和无需重 新布线的优点 ,电力线通信在信息家电、楼宇智能化及宽 带接入等应用中受到了极大的关注。正交频分复用 (OFDM) 技术可以较好地解决电力线通信信道的多径衰 落和频率选择性衰落 ,同时又具有频谱利用率高、信道均 衡技术简单、信号调制解调易于实现、纠错能力强等优点 而应用于电力线通信。HomePlug 110 协议是家庭插电联 盟 ( HomePlug Powerline Alliance , HPA) 发布的第一个电 力线网络通信技术协议 ,协议采用了 OFDM 调制技术 ,支 持最大 14 Mb/ s 的传输速率。 1 　OFDM 技术 OFDM 是一种多载波调制技术 ,其基本原理是将高速 的串行数据流转化为低速的并行数据流 ,再将这些并行数 据调制在相互正交的子载波上 ,实现并行数据传输。虽然 每个子载波的信号传输速率并不高 ,但是所有的子信道合 在一起可以获得很高的传输速率。每个子载波可以分别 使用不同的调制方式或相同的调制方式 ,比较常用的有 BPSK ,QPSK ,QAM 等。 连续时间内的 OFDM 信号可表示为 : x ( t) = 1 N ∑ ∞ n = - ∞ ∑ N - 1 k = 0 X n, k g k ( t - nT) (1) 其中 , gk ( t) = e j2πf k t , t∈[0 , T] 0 , f k = f 0 + kT , k = 0 , ⋯, N - 1。 x n, k 为第 n 个 OFDM 符号的第 k 个码元 (每一个 OFDM 符号有 N 个码元) ,每个 OFDM 符号的周期为 T , N 为 OFDM 子载波的数量 ; f k 为第 k 个子载波的中心频 率 , f 0 为所使用的最低中心频率。 在第 n个 OFDM 符号周期内对基带信号以 ts = TN 为 间隔进行采样 ,得到的离散采样值为 : x n = 1 N ∑ N - 1 k = 0 X n, k exp j2πk tT t = nt s = 1 N ∑ N - 1 k = 0 X n, k exp j2πk nN (2) 式中 , 0 ≤n ≤N - 1。 可见 ,将基带信号分别调制到 N 个正交的子载波上 就相当于对{ X k} 做 IDF T 运算 ,相应的 ,解调就相当于对 接收到的信号做 DF T 运算 ,而 DF T ,IDF T 可用 FF T 算法 快速高效地实现。 2 　HomePlug 110 协议 HomePlug 110 协议是家庭插电联盟发布的第一个电 921 《现代电子技术》2006 年第 1 期总第 216 期 　电子技术应用 力线网络通信技术协议。HomePlug 110 不但支持常见的 网络应用 ,如 Web ,电子商务以及语音技术 ,并且 Home2 Plug 110 能够很好地兼容现有的通信网络 ,包括电话线通 信 ,传统的双绞线网络和无线通信系统 ,用户可以让家用 电脑 ,普通家电 ,外围设备以及其他的信息终端产品通过 电线力网络进行连接 ,组成家庭智能网络 ,并可高速数据 传输。HomePlug 110 协议选定 Intellon 公司的 Power Packet 技术为技术 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , Power Packet 采用 OFDM 调制 技术 ,支持最大 14 Mb/ s 的传输速率。 HomePlug 110 协议在 0～25 M Hz 的频带宽度内均 匀放置 128 个子载波 ,其中 413～2019 M Hz 内的 84 个子 载波用于传递数据信息。HomePlug 110 协议中的子载波 利用情况如图 1 所示。每个子载波都可以选用 DBPSK , DQPSK或 ROBO 调制方式。 图 1 　HomePlug 110 协议的子载波利用图 HomePlug 110 协议对以 50 M Hz 系统时钟为基础的 OFDM 时域信号做如下规定 :一组数据点利用 256 点 IF2 F T 调制成子载波信号 ,从而产生 256 个采样点 ( IFF T 间 隔) ; IFF T 间隔的最后 172 个采样点插入到 IFF T 间隔前 面的保护间隔中 ,从而产生 428 个采样点的循环扩展 OFDM 符号 ;然后再通过升余弦窗口进行脉冲整形。 HomePlug 110 协议规定的帧结构中的同步帧头与帧 控制符号的组合称为定界符 ,定界符的结构如图 2 所示。 正同步“SYNCP”和负同步“SYNCM”是相位相反而幅值 相同的同步符号。同步帧头由 6 个 SYNCP 符号和一个半 SYNCM 符号组成 ,相邻符号之间没有循环前缀。同步帧 头的第一个符号包含在升余弦的上升沿中 ,最后半个符号 包含在升余弦的下降沿中。“G1”表示保护间隔 ,他包含 循环前缀。“FC1”“FC2”“FC3”“FC4”都是帧控制符号 , “D1”,“D2”是要发送的数据符号。 图 2 　定界符结构 3 　仿真系统的结构与算法 图 3 是仿真系统框图。 3. 1 　发送端 数据编码模块采用级联码 ,其中内码为 (14 ,12) RS 码 ,外码是卷积码。帧控制编码模块采用 Turbo 码。帧控 制调制模块采用 BPSK , 数据调制模块采用 DQPSK。 IFF T模块对输入数据执行 256 个点的 IFF T 运算 ,将基带 信号调制到各个子载波上。插入循环前缀模块将 256 个 采样点的最后 172 个采样点复制到最前端作为保护前缀 , 形成一个有 428 个采样点的 OFDM 符号。同步帧头模块 产生包含 6 个“SYNCP”符号和一个半“SYNCM”符号的 同步帧头信号 ,同步帧头只插入到每个信息帧的起始部 分。控制模块为以上这些模块提供控制信号。 图 3 　仿真系统框图 图 4 　幅频和冲激响应曲线图 3. 2 　仿真信道模型 电力线网络是具有众多的节点、分支和不匹配的线 路。受电缆外层绝缘材料的影响 ,电力线上信号的衰减随 频率的增加和距离的加大而增加。根据文献[ 1 ]电力线信 道是具有频率选择性衰减特性的多径信道。传递函数 H( f ) 可表示为 : H( f ) = ∑ N i = 1 g iA ( f , d i) e - j2πfτi (3) 式中 , i 为路径号 , g i 为路径 i 的加 权系数 , A 为衰耗 ,其大小由长度、 频率决定 : A ( f , d i) = exp[ - (α0 +α1 f k) d i ] 其中 ,α0 ,α1 和 k是衰耗参数 , k一般 取 015 ～ 1 之间。τi 是每条路径上的延时 : τi = d iV r = d i εr c0 d i 为每条路径长度 ;V r 为电磁波在电力线媒介中的传输速 031 电 子 技 术 宦若虹等 :基于 O FDM 的电力线通信系统的 Matlab 仿真 率 ; c0 是光速 ;εr 为电力线媒介常数。 图 4 (a) 和图 4 ( b) 分别是本文所采用的 4 径信道模型 的幅频响应曲线图和冲激响应曲线图。 图 4 信道衰减系数 : k = 1 ,α0 = 0 ,α1 = 718 × 10 - 10 s/ m , 其他信道参数见表 1。 表 1 　仿真信道参数 路径编号 加权系数 路径长度/ m 1 0164 2001 0 2 0138 2221 4 3 - 0115 2441 8 4 0105 2671 5 3. 3 　噪声模型 低压电力线信道不是专门为数据或语音传输而设计 的信道 ,他的噪声模型不能简单地认为是加性高斯白噪 声。实际上 ,电力线信道上的噪声和干扰是十分复杂的。 根据文献[2 ] ,电力线信道上的噪声可以粗略地分为 5 类 , 即有色背景噪声、窄带噪声、与工频同步的周期性脉冲噪 声、与工频异步的周期性脉冲噪声和异步非周期的突发性 噪声。图 5 是电力线信道 5 类噪声合成的功率谱密度图。 图 5 　电力线信道噪声功率谱密度图 3. 4 　接收端 3. 4. 1 　信号检测 为了确定接收端已接收到有效信号 ,本文采用了功率 检测的方法。接收端根据空闲时的初始增益估计平均噪声 功率水平。如果接收到的信号功率大于门限值 ,则系统就 判定已接收到有效信号。图 6 是功率检测方法的示意图。 图 6 　功率检测方法示意图 3. 4. 2 　帧同步 HomePlug 110 协议的定界符中的同步帧头包含了两 类相位相反而幅值相同的符号 : SYNCP 和 SYNCM。因 而 ,同步帧头具有很强的相关性 ,可以根据同步帧头的相 关性来对 OFDM 符号进行帧同步。图 7 显示了同步帧头 和包含 256 个采样点的滑动互相关值总和在整个帧头发 送过程中的变化情况。可见 , 当滑动窗取在第一个 SYNCM符号时 ,滑动互相关值总和达到最小。根据这个 最小值是否出现 ,就可以判断是否送出同步信号。 图 7 　同步帧头和互相关值 3. 4. 3 　信道估计和频域均衡 信道估计采用频域导频频域估计的方法 ,如图 8 所 示。本文采用的导频形式见图 9。其中的某一个 OFDM 符号全是导频信号 ,即周期性的发送导频符号。 图 8 　频域信道估计框图 因而 ,信道估计和频域均衡都只需一个除法器就可完 成 ,也就是 : H^ n[ k] = Pn[ k] - 1 P^n[ k] (4) D^^ n[ k] = H^ n[ k] - 1 D^ n[ k] (5) 其中 , k是OFDM符号序号 , n为子载波序号 , Pn[ k] 是发送的 导频值 , P^n[ k] 是收到的导频响应值 , H^n[ k] 是信道响应估计 值 ,D^n[ k] 是均衡前的数据 , D^^ n[ k] 是均衡后的数据。 4 　仿真结果 仿真系统数据传输速率是 141062 5 Mb/ s。图 10 是 误比特率曲线图。可见 ,当信噪比为 16 dB 左右时 ,仿真 系统的误比特率已降到 10 - 7数量级。 图 9 　导频形式　　　　　图 10 　误比特率曲线图 (下转第 134 页) 　 131 《现代电子技术》2006 年第 1 期总第 216 期 　电子技术应用 (1) 片面追求体积小 ,重量轻 ,磁芯容量不够 ; (2) 片面追求逆变频率高 ,使变压器损耗增加 ,发热 量大 ; (3) 没有合理的风道结构或强迫冷却措施 ,使线圈和 磁芯未充分散热。 使用过程中要求变压器温升小 ,也就是变压器的总功 耗要小。总功耗为磁芯的铁损 Pco 和绕组的铜损 Pcu 之和。 铁损由磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗 3 部分组成 , 本高频变压器在 30 k Hz 逆变频率工作时 ,磁滞损耗和涡 流损耗起主要作用 ,且均与磁芯的工作磁通密度 B 和逆变 频率 f 有关。严格区分磁滞损耗和涡流损耗非常困难。在 实际设计中 ,大多使用铁损 Pco 与逆变频率 f ,工作磁通密 度 B ,磁芯体积 V 关系的经验公式 : Pco = kB n f mV (8) 式中 k , n, m 是与磁性材料有关的系数。对于初步选取的磁 芯 ,可得到其体积 V ,在不同工作频率 f 和工作磁通密度 B 下的一组曲线 ,任意的 3 个点便可确定式(8)中的系数。 式(8) 表明 ,非晶铁心的铁损与工作频率、磁通密度、 铁心材料和形状都有关系。首先 ,最大工作磁通密度不能 太高。常温条件及电路有软起动措施下 ,B m的选取宜小于 2/ 3B S ,有时 ,为统筹兼顾 ,可适当降低 B m幅值而增加原、 副边线圈匝数。另外在空载时 ,励磁电流调节器输出饱 和 ,PWM 信号脉宽最大 ,磁通密度幅值比负载时还大。为 减小空载时磁通密度幅值 ,在控制上引入输出限幅 ,使空 载时脉宽适当变窄 ,一旦励磁 ,此环节不起作用。 其次 ,高频变压器工作在脉冲高压、大电流的情况下 , 双向矩形脉冲的频率达到几十千赫兹左右 ,铁芯被快速反 复磁化 ,铁损势必较大 ,而且频率增加 ,相同的磁密 B m 条 件下 ,铁损也会增加 ,同时又会引起铁心温度的上升 ,而温 升又引起饱和磁感应 B S 的下降。所以对变压器逆变工作 频率的确定要根据铁心的铁损参数合理选择。 由于高频变压器的原、副匝数较少 ,其铜损一般很小。但 精确计算 Pcu 很复杂 ,一般可由下式得出所有绕组的铜损 : Pcu = J 2 KwρcuL A c (9) 式中ρcu是绕组铜材料的电阻率 ,L 为磁芯窗口平均长度。 文献[ 3 ]指出 :当两种损耗的比率 Pco/ Pcu = 2/ n ,即最 佳铜、铁损比时 , 可使得整个变压器的损耗达到最小。因 此 ,在高频变压器设计中 ,选定磁芯材料及逆变频率 f 后 , 可从最小功耗的角度考虑 ,优化选择工作磁通密度 B 和绕 组电流密度 J 。 变压器的功耗产生热 ,引起温升。基于磁芯、线圈热传 导的热阻比变压器表面散热的热阻小得多 ,磁芯、线圈从 里到外温差不大。在静态大气环境下 ,热量通过变压器表 面的辐射和对流散发。磁芯、线圈表面的散热热阻 Rcf , Rwf 决定于其垂直、水平表面有效散热面积、表面黑度及强迫 对流换热系数。 综合上述可得变压器的实际温升值 : ΔT = ( Pcu + Pco) Rwf R cf R wf + Rcf (10) 　　该值应小于励磁电源所允许的温升指标 ,从而保证变 压器的工作温度远离居里点。 4 　结 　语 按照以上设计方法 ,试制了一台容量 20 kVA 的励磁 电源。试验表明 ,新型励磁电源的重量体积小、工作频率 高、开关损耗低、可靠性好 ,与晶闸管式励磁电源比较 ,各 项性能得到极大的提高 ,安装使用较为方便 ,可以预见将 是励磁电源的换代产品。 参 　考 　文 　献 [1 ] 李建. 新型同步励磁装置通过鉴定 [J ] . 冶金自动化 ,1998 , (3) :15. [2 ] 朱贤龙. 弧焊逆变器中高频变压器的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 与设计 [J ] . 电子 变压器技术 ,1993 , (1) :5 9. [3 ] 王京梅. 高频开关电源变压器的优化设计 [J ] . 电子科技大 学学报 ,2002 , (4) :362 364. 作者简介 　李 　飞 　男 ,山西太原人 ,中南大学信息科学与工程学院讲师 ,在读博士。主要从事自动控制方向的教学与研究。 　　(上接第 131 页) 5 　结 　语 本文用 Matlab 建立了与 HomePlug 110 协议相兼容 的基于 OFDM 的电力线通信仿真系统 , 仿真了基于 HomePlug 110 协议的 OFDM 技术应用于电力线信道的 性能。仿真结果表明 ,基于 HomePlug 110 协议 , OFDM 技术可以实现高速、可靠的电力线通信。 参 　考 　文 　献 [1 ] Zimmermann M , Dostert K. A Multipath Model for the Power Line Channel [ J ] . IEEE Trans. Commun. 2002 , 50 (4) :553 559. [ 2 ] Zimmermann M , Dostert K. Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broadband Power Line Communications [J ] . IEEE Trans. Elect romagnetic Compatibility , 2002 , 44 (1) :249 258. [3 ] 樊昌信 ,詹道庸 ,徐炳祥 ,等. 通信原理 [ M ] ,北京 :国防工业 出版社 ,1995. [ 4 ] John G Proakis. Digital Communications[ M ]. Third Edition. Mc Graw Hill , Inc ,United States of America. 1995. [5 ] Heo K L ,Cho S M ,Lee J W ,et al . Design of a High Speed OFDM Modem System for Power Line Communications. Signal Processing Systems. IEEE Workshop on , 16 18 Oct . 2002. 264 269. 431 电 子 技 术 李 　飞等 :同步电机励磁电源高频变压器的设计