基于OFDM的电力载波数据传输模块研究与设计

张礼，刘桥

（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410004）

电力载波通信技术[1]（PLC）利用现有的电力线通过载波技术进行数据传输的技术。由于低压电力线载波传输信道的干扰问题是制约低压电力线载波通信发展和普及的主要障碍，而正交频分复用（OFDM）调制技术具有抗干扰、抗衰落能力强的特点，采用正交频分复用（OFDM）调制技术的芯片设计电力载波数据传输模块，能更好的克服电力线的强干扰、强衰减等缺陷。因此，文中提出一种基于OFDM的电力线载波数据传输模块设计方案，利用现有的电力线实现载波通信。

1 载波通信信道特性

利用电力线载波进行数据传输，可以充分发挥电力资源优势，从而推动电力线载波通信的广泛应用，电力载波的数据传输系统框图如图1所示。

但在电力线上的数据传输，还未达到令人满意的水平，这在一定程度上限制了电力载波通信的广泛应用。主要原因有：电力线上的负载接入较多，电器频率特性各不相同，阻抗时变大，很难做到阻抗匹配。电力线上存在高噪声，各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，造成对载波信号的高削减。因此，利用电力线载波的方式传输数据时，需要进行以下几方面[2]考虑：

图1 电力载波的数据传输系统框图Fig.1 Electric power carrier data transmission system

1）较高的频谱利用率，以适应电力线信道有效带宽窄的特点。

2）较好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带中，降低功率损失。

3）较强的噪声抑制能力，并能在信噪比很低的情况下正常工作。

4）载波频率的选取，尽可能使电力线呈现较高的输入阻抗，减小对载波信号的衰减。

2 OFDM技术

2.1 OFDM介绍

OFDM（正交频分复用）技术实际上是MCM（Multi-Carrier Modulation，多载波调制）的一种。 其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。

2.2 OFDM技术的特点

1）有效降低衰减对通信质量的影响

低压电力线上普遍存在着频率选择性衰落，而且这种衰减还具有时变性。电力线网络中的各种不确定性因素使得网络中经常发生突发性的衰减。OFDM系统将突发性的衰减造成的误码分散到了各个互不相关的子信道上，从而变为随机性的误码。这样就可以利用编码纠错技术恢复出所传输的信息[3]。

2）抗码间干扰（ISI）能力强

在电力线信道中，由于存在多径效应，多个信号在不同的路径传输，所以到达接收机时会有一定时延，这就造成ISI。OFDM将高速的串行数据分割为Ⅳ个子信号.这样分割后码元的速率降低了Ⅳ倍。周期延长Ⅳ倍。同时再在码元间加入保护间隙和循环前缀，这样只要数字码元周期大于最大延时时间就可以有效抑制ISI干扰[4]。

3）频谱利用率高

OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。

4）OFDM对频率偏移比较敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于信道的时变性，在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使 OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致载波间干扰（ICI）[5]。

因此，采用正交频分复用（OFDM）调制技术的芯片设计的电力载波数据传输系统能很好的解决数据传输过程中信号衰减大、码间干扰严重、频谱利用率不高的应用难题。

3 电力载波通信模块的设计

为了设计稳定、可靠、误码率低的电力载波数据传输模块，本课题采用力合微电子有限公司生产的电力载波芯片LME2980作为模块的核心芯片。LME2980是国内首款OFDM低压电力线载波芯片，针对国内电网环境及低压电力线载波通信应用需求而优化设计，具有国际领先的技术及性能。芯片具有以下特点：

1）抗干扰能力强，对电网信道具有自适应能力，通信可靠、稳定。这主要是由于OFDM采用多个正交子载波（通常数百个甚至上千个）同时传输数据。

2）通信速率高，因而通信效率高，实时性强。OFDM典型的通信速率在几十kbps。

电力载波数据传输模块[6]由LME2980芯片电路，信号耦合和接收滤波电路，信号放大滤波电路，过零检测电路和接口电路组成。数据传输模块系统框图如图2所示。

图2 电力载波数据传输模块的系统框图Fig.2 System block diagram of electric power carrier data transmission module

3.1 LME2980电力载波电路

LME2980内置MCU，可运行用户定义的通信协议及应用软件。同时，LME2980内置模拟接收前端电路，大动态范围自动增益接收放大器等，外围电路简单，应用方案成本低，使用方便。 LME2980电力载波电路如图3所示。

图3 LME2980电力载波电路Fig.3 Electric power carrier circuit of LME2980

3.2 信号放大滤波电路

信号放大滤波电路的功能是把从LME2980芯片输出的模拟信号进行放大，进行简单的滤波后，由信号耦合电路耦合到电缆线上，满足电力线传输的要求。信号放大滤波电路如图4所示。

3.3 信号耦合和接收滤波电路

由信号耦合变压器T1和C11组成的高通滤波电路，用于隔离高电压的工频交流电，F1是12V的TVS管，用于消除来自电力线上的高频高强度干扰，从而保护内部电路。信号耦合和接收滤波电路如图5所示。

图4 信号放大滤波电路Fig.4 Signal amplification filter circuit

图5 信号耦合和接收滤波电路Fig.5 Signal coupling and receive filter circuit

3.4 过零检测电路

过零检测电路的功能是把工频交流电的过零时刻以 脉冲的方式告知载波芯片，从而为分时通信以及相位判断提供依据。过零检测电路如图6所示。

3.5 接口电路

接口电路的主要作用是为载波模块与外界提供接口，提供电源并建立通信。接口电路如图7所示。

图6 过零检测电路Fig.6 Zero crossing detection circuit

图7 接口电路Fig.7 Interface circuit

4 测 试

将设计好的电力载波数据传输模块分别安装在电力线的两端，利用串口助手进行收数据测试（串口的设置为：波特率为115200、起始位为1b、数据位8b、停止位1b和无流控制协议），模块一发送数据：WHAT IS NAME?模块二接收后发送：CSUST ZHangLi测试过程中没有乱码和无码产生，系统正常工作，系统测试如图8所示。

图8 系统测试Fig.8 System test

5 结束语

文中通过分析电力载波传输信道特性和OFDM调制解调技术基本原理，选用OFDM低压电力线载波芯片设计电力载波数据传输模块，通过对模块进行测试，模块正常收发传输数据。

利用现有的电力线作为传输媒介，通过电力线传输数据，节省普通通信所需要的数据传输媒体，对于推动电力载波通信在物联网的应用具有积极的意义。

[1]奇淑清.电力线通信技术与应用[M].北京：中国电力出版社，2005：3-8.

[2]Ferreira H C，Lampe L，Newbury J，et la.Power Line Communications:Theory and Applications for Narrowband and Broadband Communications over Power Lines.NY:Wiley&Sons，2010.

[3]ZHANG You-bing，CHENG Shi-jie，NGUIMBIS J，etla.Analysis and simulation of a low-voltage powerline channel using Orthogonal Frequency Divisio Multiplexing[J].Multiplexing.Istanbul University-Journal of Electrical&Electronics Engineering，2003，3（1）:154-177.

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[5]顾威.基于 OFDM的高速电力线载波通信系统设计[D].北京：清华大学，2005.

[6]Galli S，Scaglione A，Wang Z.For the Grid and Through the Grid:The Role of Power Line Communications in the Smart Grid[J].Proc.IEEE，2011，99（6）：998-1027.