1引言

電力線載波通信是以電力線為傳輸媒介，通過載波方式傳輸模擬或數字信號的技術，而且無外架通信線路。介紹正交頻分復用的基本原理，根據利用正交頻分復用OFDM(Orthogal Frequency Division Multiplexing)技術能夠較好調制解調信號的特性，提出一種基于OFDM的電力線載波通信系統設計方案，利用電力線實現載波通信。

2 電力線載波通信

電力線載波通信是電力系統特有的一種通信方式，可用于傳輸電話、遠動數據和遠方保護等信號，是確保電網安全、優質、經濟運行，實現調度自動化和管理現代化的重要通信方式。它以電力線路為傳輸通道，具有通道可靠性高，投資少見效快，與電網建設同步等優點。

圖1為電力線載波通信系統組成圖。其基本原理是將載有信息的高頻信號施加到電力線上進行數據傳輸，再通過電力線調制解調分離出電力線信道的高頻信號，然后傳送到終端設備。

各種成熟的調制解調技術已應用到電力線載波通信系統，針對適應高速率傳輸，正交頻分復用調制解調技術是解決傳輸頻帶利用率的有效方法。電力線載波通信技術在高、中、低壓3個電壓等級的應用技術、線路狀況和應用要求都有所不同，高壓電力線載波是指應用于35 kV及以上電壓等級的載波通信設備。載波線路狀況良好，主要傳輸調度電話、遠動、高頻保護及其他監控系統的信息。

3 OFDM調制解調技術

OFDM是一種將若干個彼此獨立的信號合并為一個可在同一信道上傳輸的復合信號的方法。其數據傳輸的基本原理是把串行數據流轉換成N路速率較低的并行數據流，用它們分別調制N路子載波后并行傳輸，子載波相互正交其頻譜相互重疊，從而具有很強的抗信道衰落能力和較高的頻譜利用率，并能很好地抑制碼間干擾。

3．1 OFDM調制原理

圖2為OFDM調制的基本原理圖。設OFDM符號周期為T，在一個周期內傳輸N個碼元為復數，Xn調制第n個子載波exp(j2πfnt)，則合成的OFDM復信號為：

其中第n個子載波頻率選擇為：

式中，X(k)是接收端第k路子載波的輸出信號。

從式(4)看出，它與發送端的第k路子載波信號相等，這樣可正確解調出該載波的原信號X0,X1,…XN-1。

3．2 OFDM技術的優缺點

OFDM采用數據并行傳輸的多載波技術，將高速串行數據分解為多個并行的低速數據，使用N個子載波把整個信道分成N個子信道，這些子信道并行傳輸信息。

這樣每個子載波上只傳輸少量的數據，每路數據的碼元寬度加長，從而減少碼間串擾影響。又由于每路采用窄帶調制，可以減小頻率選擇性衰減的影響。OFDM技術具有以下優點：

(1)抗頻率選擇性衰落對抗頻率選擇性衰落通過分配OFDM的子信道實現。如果信號在某些子信道衰落嚴重，低于信噪比門限，只需關閉這些子信道，由其他子信道完成傳輸任務。這樣可減小傳輸中的誤碼率，保證數據的完整性。

(2)技術上容易實現使用OFDM技術。子信道采用M-PSK或M-QAM調制方式，調制使用IFFT，而解調使用FFT，硬件直接使用DSP或FPGA實現，系統復雜度大大降低。

(3)頻譜利用率較高在相同帶寬的情況下，當子載波數目增加時，由于OFDM子載波之間無像FDM的保護頻帶，而采用正交函數序列作為副載波，相鄰子載波的頻譜主瓣互相正交并重疊，載波間隔達到最小，這使得OFDM技術在使用相同頻帶時具有更高的頻譜利用率。

(4)抗碼間干擾(ISI)能力強在電力線信道中，由于存在多徑效應，多個信號在不同的路徑傳輸，所以到達接收機時會有一定時延，這就造成ISI。 OFDM將高速的串行數據分割為N個子信號，這樣分割后碼元的速率降低了N倍。周期延長N倍。同時再在碼元問加入保護間隙和循環前綴，這樣只要數字碼元周期大于最大延時時間就可以有效抑制ISI干擾。而OFDM技術的缺點如下：(1)對頻率與定時的要求特別高，同步誤差不僅造成輸出信噪比下降，還會破壞子載波間的正交性，造成載波間干擾，從而大大影響系統性能；(2)OFDM信號的峰值平均功率比往往很大，使其對放大器的線性范圍要求高，同時也降低放大器的效率。

4 基于OFDM的電力線載波系統

圖4為高壓電力線載波系統組合。整個系統由電力線載波裝置、電力線路和耦合裝置組成。
 

4．1 耦合模塊

耦合裝置包括阻波器、耦合電容器、組合濾波器。電力線載波裝置的作用是調制解調原始信號，使其滿足通信質量要求。耦合電容器和結合濾波器組成一個帶通濾波器，通過高頻載波信號，并組織電力線上的工頻高壓和工頻電流進入載波設備，以確保人身、設備安全。線路阻波器串接在電力線路和母線之間，是對電力系統一次設備的“加工”，故又稱為“加工設備”，是通過電力電流、組織高頻載波信號漏到電力設備(變壓器或電力線分支線路)，以減小變電所或分支線路對高頻信號的介入衰減，以及同母線不同電力線路上高頻通道之間的相互串擾。需要注意的是：耦合電容器應接接地刀閘，以便于高壓載波通信裝置的檢修。

4．2 電力線載波模塊

電力線載波模塊是系統設計的核心．圖5為基于OFDM的調制解調模塊框圖。

該模塊是基于DSP設計，其數據傳輸流程：在發送端，二進制數據首先通過PC機串口傳送到UART器件，通過UART器件串并轉換，并行數據由UART并口輸出給DSP并口，DSP再對數據進行調制算法處理，然后數據通過D／A轉換器，將數字信號轉換為模擬信號，并發送到信道中；在其接收端，A／D轉換器輸入端接收信道中傳輸的模擬信號，首先將模擬信號進行A／D轉換，然后，將轉換的數字信號通過DSP進行解調的算法處理，數據再由DSP并口傳送給 UART，從而實現并串轉換，再由PC機串口發送給PC機。

5 結束語

介紹了OFDM技術的基本原理，理論研究并實現以高壓電力線為媒介的信號傳輸，給出硬件框架圖。隨著通信技術的進一步完善，以及相應器件產品的研究和開發，電力載波通信將會有更好的發展。