OFDM电力线载波通信系统中同步技术研究.pdf

总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 o 4期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n Vo 1 4 7 NoS 3 2 Ap r 2 0 1 0 O F D M电力线载波通信系统中同步技术研究 王勇 ， 徐娟娟 ( 1 广 东电网公司东莞供 电局 ， 广 东 东莞 5 2 3 0 0 8 ； 2 深圳林洋电子科技有限公 司， 广东 深圳 5 1 8 0 5 7 ) 摘要： O F D M( O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s io n M u l t ip le x in g ) 系统能够对抗电力线环境中的频率选择性衰落、 多径干 扰、 脉冲噪声等。由于符号定时偏差和载波频率偏差将会产生较为严重的符号问干扰( I S I ) 和信道间干扰( I C I ) ， 从而降低O F D M系统性能， 所以O F D M 关键技术之一同步技术的好坏占有较为重要的地位。 本文对O F D M同步技 术做了系统的研究和分析， 给出四种同步算法， 能够较好地进行符号定时同步和载波频偏估计， 可针对不同的 电力线通信环境选用不同的同步算法。 关键词： P L C ； O F D M； I S I ； I C I ； 同步； 符号定时同步； 频率同步 中图分类号 ： T N 9 1 4 ， T M7 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 3 5 0 5 S t u d y a n d An a l y s i s o n S y n c h r o n i z a t i o n f o r OF DM Ba s e d P o we r Li n e Co mm unic a t i o n Sy s t e m s WA N G Y o n g ， X U J u a n - - j u a n ( 1 D o n g g u an P o w e r S u p p l y B u r e a u o f G u a n g d o n g P o w e r G r i d C o r p ， D o n g g u an 5 2 3 0 0 8 ， G u ang d o n g ， C h i n a 2 S h e n z h e n L i n y a n g E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y C O ， S h e n z h e n 5 1 8 0 5 7 ， G u ang d o n g ， C h i n a ) A b s t r a c t ： O r t h o g o n a l F r e q u e n c y D i v i s i o n Mu l t i p l e x i n g ( O F D M)e ff e c t i v e l y mi t i g a t e s f r e q u e n c y s e l e c t i v e f a d i n g ， mu t i -p a t h， i mp ul s e i n t e rfe r e n c e a n d o t h e r i mp a i r me n t s o f p o we r l i ne c h a n n e l s Th e t i me o f f s e t a n d f r e q u e n c y o f f s e t wi l l i n t r o d u c e I n t e r S y m b o l I n t e rf e r e n c e ( I S I ) a n d I n t e r C a r r i e r s I n t e rf e r e n c e ( I C I ) ， w h i c h d e g r a d e t h e p e rf o r m a n c e ， t h u s s y n c h r o n i z a t i o n t e c h ni qu e a s t he k e y p o i n t o f OF DM p l a y s an i mp o r t a nt r o l e Ba s e d o n t h e s t ud y a n d a n a l y s i s o f s y n c h r o n i z a t i o n t e c h n i q u e ， f o u r e ffe c t i v e l y a l g o r i t h ms wh i c h c a n s up p o r t fin e s y mb o l t i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n an d c a r r i e r f r e q u e n c y o ffs e t e s t i ma t i o n ， a r e i n t r o d u c e d f o r d i ffe r e n t p o we r l i n e c ha n ne l s Ke y wo r d s ： PLC， OFDM， I SI ， I CI ， s y n c h r o n i z a t i o n ， s y mb o l t i mi n g s y n c hr o n i z a t i o n， f r e q ue nc y s y n c h r o n i z a t i o n 0引 言 电力线载波通信( P L C) 是电力系统特有的、 基本 的通信方式 。早在2 0 世纪2 0 年代 ， 电力线载波通信就 开始应用到1 0 k V 配电网络线路通信中，并形成了相 关的国际标准和国家标准 。在P L C 发展的这么多年 里， 曾经使用过很多技术， N F S K、 P S K、 扩频等 ， 也有 许多半导体公司推 出电力载波芯片 ，较早有美 国的 I n t e l l o n 和国家半导体公司都曾推出专用芯片。 目 前国 内主流的芯片方案大致有以下几种， 分别为窄带通信 的 法 国 S T 7 5 3 8和 美 国 E C HE L O N (埃 斯 朗 ) 的 P L 3 1 2 0 3 1 5 0 ， 扩频通信 的北京福星晓程 、 青 岛东软 、 青岛鼎信、 深圳瑞斯康和北京国电龙源。通信速率在 1 0 0 5 0 0 0 b p s 之间。 为满足智能电网高传输速率的发展需求 ， 全球相 关组织和企业正积极研发新的电力线载波通信调制 方式。欧洲提出的正交频分复用( O F D M ) 多载波调制 方式引发了全球 电力线载波技术 的新一轮研发热潮。 几家国外企业 ，包括美 国美信 、西班牙A D D 和德国 i A D，法国s T 都已经推出了基于O F D M调制方式的电 力线载波通信芯片 ，国内清华力合也 即将推出新 的 O F D M电力载波芯片。同时欧洲推出了专门针对电力 线载波通信的P R I M E 标准 ， O F D M 调制方式将成为下 一 代电力线载波通信的主流。 1 OF DM系统模型 假设为O F D M子载波 的个数 ( 包括 虚拟子载 波) ， 即做F F T 点数。 为传输的调制符号 ， 则做I F 兀后 一 3 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0 年第0 4 期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r ume n t a t i o n V0 1 4 7 No 5 3 2 Ap r 2 0 1 0 的输出为 1 l： 一1 ， ， p I j 2 rrk n o 1 ，2 ， ，N - l ( 1 ) V k = 0 、 V 加 入循 环前 缀 后 ， 一 个 O F D M符 号 可 表示 为 X N ， X N - I 。 ， ， X N - 1 ，前G 个点 为循环前缀 ， 是 O F D M符号最后G 个点的复制， 用于消除符号问干扰。 2 同步偏差对OF D M系统的影响 在O F D M系统中，同步技术占据很重要的地位， 同步 陛能不好将会严重影响O F D M系统的性能。而对 于具有突发性通信特征的电力线信道来说同步技术 更显现得尤为重要， 在突发性通信的电力线环境中， 由于信号包长较短， 信号转瞬即逝， 如果不能及时捕 捉到信号， 则丢包情况频频发生， 严重影响通信性能。 在电力线载波通信中载波频段一般为9 5 0 0 k H z ， 属 于低频段 ，受影响较大的是符号定时同步与频率同 步， 下面将分别对这两种 同步偏差所导致的系统性能 影响作分析。 2 1 符号定时同步偏差对O F D M系统的影响 在接收端， 信息符号是连续接收的， 需要找到一 个O F D M 帧中F F T 窗口的起始位置才能进行正确的解 调 。如果定时同步位置不准确 ， 那么F F T 窗 口就会包 含相邻两个O F D M帧的采样点 ， 从而引起符号间的干 扰( I S I ) 。 在加性高斯白噪声信道下， 接收端收到的信号可 以表示为： + ( 2 ) 式中 、 X 、 W 分别为接收数据 、 发射数据 、 高斯白噪 声在频域上的表示 。 假定O F D M系统的定时同步偏差为 ， F P r 窗 口中 包含了第i 个O F D M帧的样值点以及第i + 1 个O F D M帧 的样值点 ， 如果不对定时同步偏差做任何校正， 经过 F F r 后得到恢复的第 个O F D M符号的第k 个子载波上 的调制数据为2 ,3 1 ： 7 1L1 y ( S i+l,N_G _l+ae -J2akaV4- -j2-knN + W n = 0 n _ l 7 1 = 1 ( 厶s - j2 rrk ( s 吼 ) e -J2 k,cN ) + V n ： 0 n = 0 = + + ( 3 ) 式 中y 表示第i 个O F D M符号的第 个子载波的F F r 输 出值 ； 是原发送信号 ； 厶 为定时 同步偏差 引起 的 块 间干扰 ； W 为加性高斯 白噪声 。如果不考虑 S i + l 岳 与 之间的相关性 ，可以近似得到存在定时 一 36一 偏差时的信噪比： E E Nn = 一 = 一 ( 4) No +2 E l + l 、 o 其中E 和n 分别表示符号能量和噪声功率谱密 度， 从式f 4 ) 中可以看出， 定时偏差越大， 引起的解调信 噪比下降越大， 因此会对解调性能产生严重的影响。 2 , 2 载波频偏对O F D M系统的影响 载波的频率偏移如果是子载波间隔的整数倍 ， 虽 然不影响子载波之间的正交性， 但是频率偏移了整数 倍子载波 间隔的位置 ，造成子载波上的数据发生错 乱 ， 会导致误码率高达5 0 以上 。如果载波的频率偏 移是子载波间隔的小数倍， 则会破坏子载波间的正交 性 ， 导致信道间的干扰( I C I ) ， 严重影O F D M系统的 性能。 假定在接收端 已经获得了理想的符号定时和采 样同步， 假定分数频偏为 ， 此时接收到的信号可以表 示为Z 3 1 ： Y k = X + 帆 + W ( 5 ) N s i n ( r r N) 其中： ， c 4 = 卜 6 ) I C I k H 第k 个O F D M符号的信道间干扰。 从式( 5 ) 中可以看 出， 由于分数频偏 的存在 ， 不仅 使有用信号 在幅度上衰减了 ， 相位旋 转 了j ( - 1 ) ， 而且子载波之间的正交性被破坏 ， 引入了载波间的干扰， C 。 3 四种同步算法在电力线通信环境中的研究和分析 现有的O F D M同步算法 主要分为两类 ： 一类是基 于循环前缀的同步算法， 一类是基于训练序列的同步 算法。 基于循环前缀的同步算法 由于仅靠循环前缀的 相关性 ， 所采用的样点数较少 ， 容易受噪声影响， 另一 方面又易于受载波回波的影响， 在高噪声和存在多径 的电力线环境中不太适用， 所以主要采用基于训练序 列的同步算法。 基于训练序列的同步算法一般采用最大相关准 则， 其特征在于训练序列的设计。 第一种同步算法中采用的训练序列由 训练序 lJ 1 和 训练序列2 构成， 其中训练序列1 的结构为 A ， 由 两个相同的N 2 序列再加上循环前缀组成。 训练序列2 由一普通O F D M 信号帧组成。训练序列l 用来做符号 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 0 4期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e nt a t i o n V0 l - 4 7 No 5 3 2 Apr 2 01 0 定时同步和小数频偏的估计。训练序列2 用来做整数 频偏的估计。 假设 为子载波个数 ， G 为循环前缀长度 ， 时域接 收信号为r ， 则同 ： M1 ( d ) ： ( 7 ) R ( d ) N 2 1 P 1 ( d ) ： r ( d + m ) r ( + m + N 2 ) ( 8 ) m = 0 一 1 R ， ( d ) ： Ir ( d + m ) l ( 9 ) ( d ) = () P 1 ( d + 1 ) = 只( d ) + r( d + N 2 ) r ( d + N) 一 r( d ) r ( d + N 2 ) ( 1 O ) l= a r g m a x M ( d ) ( 1 1 ) 式中 。 ( ) 、 P ( d ) 是在 个样值长度的窗 口内计算前 半个序列和后半个序列的相关函数 ； R ， 是前半个序 列 的能量 ， 用作对P ( d ) 的能量进行归一化从而产生 ( d ) ， 使相关函数M ( d ) 的值与信号能量无关。定时 同步点的位置在Ml ( d ) 取最大点 的位置 ， 即 。另外尸 l ( d ) 可用递推的方式来求， 如式( 1 0 ) 。 图2 是I N = 5 1 2 ， G = 6 4 时， 在加有1 0 d B 现场办公室 电力线环境 中采集的噪声( 引入的电力线噪声的时域 波形如图1 所示 ， 选择此噪声的原因是线路噪声较大 ， 图 1办公室电力线环境 中的噪声 Fi g 1 Offi c e p o we r l i n e n o i s e 06 闼 04 0 2 0 3 f ， l t 0 20 0 4 0 O 6O 0 8 0 0 1 0 00 1 2 0 0 时间 样值 图2算法一在1 0 d B0 E力线噪声环境 中的定时同步效果 F i g 2 T i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n f o r 1 0 d B o f fi c e p o we r l i n e n o i s e c h a n n e l ( A l g o ri t h m 1 ) 5 O 米内有近3 O 台电脑在在同相线工作，接近于实际的 恶劣噪声环境) ，并引入5 5 倍载波间隔频偏的信道环 境下的M ( d ) 曲线， 同步序列为第2 个O F D M 符号， 从图 2 中可以看出M ( d ) 有一个平台区， 而这个平台区的长 度正好等于保护间隔C P 的长度， 这是由于第一训练序 列前后的G 个样值相同。精确的同步位置应该是在从 训练序列的第一个样值开始后延时G 个样值的位置。 训练序列1 同时可以做小数频偏的估计。假设信 道冲击响应在一个O F D M 帧间隔时间内不变， 则经过 高斯白噪声信道后， 后一部分的信号只是在前一部分 对应信号的基础加上频率偏移引起的相位差： q = t r T A f ( 1 2 ) 此相位差可以估计为 ： = a n g l e ( P ( d ) ) ( 1 3 ) 则小数频偏 ： a f = &( c r r ) ( 1 4 ) 对训练序列1 和训练序列2 先做小数频偏校正， 然 后再做F F T 变换， 输出的值为 ， ， 为训练序y lJ 2 和 训练序列1 的频域差分值。整数频偏使得解调后的数 据是原始数据的移位， 估计函数可以表示为： 日( g ) = 2x l + 2 gv k x z + I X ( 1 5 ) 2 ( ) k E 则整个频偏的估计函数为 ( 盯 ) + ( 2 ) 。 通过模拟仿真 ， 由图3 可以看 出， 加现场办公室电力线 环境中采集的噪声在S N R 为0 d B 以上时所估计出的频 偏值的精度可达0 1 以下， 满足系统需求。 第二种 同步算法是为 了去除第一种 同步算法中 的平台效应而做的改进 ， 对训练序列做 了处理。训练 序列的结构只有一个前后1 2 相同的训练序列，并且 在这个序列上做了处理， 而在第一种同步算法中用来 图3算法一在不同信噪比噪声环境 中的频偏估计效果 F i g 3 F r e q u e n c y o f f s e t e s t i ma t i o n f o r d i f f e r e n t S NR n o i s e c h a n n e l s( A l g o ri t h m 1 ) 一 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 0 4期 电测与仪表 Ei e c t r i c a l M e a s u r e m e n t I ns t r u m e nt a t i o n VO l _4 7 No 5 3 2 Apr 2 01 0 做整数频偏估计的训练序列2 去掉了， 其差分关系V 由训练序列1 中延迟2 位形成的新序列替代。 定时同步 函数与第一种同步算法略为不同， 频偏估计函数与第 一 种同步算法相 同。 训练序列的前1 2 个序列等于后1 2 个序列乘以一 个含有【 1 1 j _ j 的伪随机序列 ， 设这个伪随机序列为 p( m) ， 则 同步相关函数改为： IP 尬 ( ) = , ( d) 一 l ( 1 6 ) R ，2 ( d ) 2 尺 2 ( d ) = I r ( d + m) l m ： 0 N 2 - 1 1 1 P 2 ( d ) = P( m) r( d + m) r ( d + m + N 2 ) ( 1 7 ) ( 1 8 ) d 2 = a r g ma x M2 ( d ) ( 1 9 ) 频偏估计函数参见第一种同步算法中的频偏估 计函数。 图4 是取J7v = 5 l 2 ， G = 6 4 时，在加有1 0 d B 现场办公室 电力线环境中采集的噪声， 并引入频偏的信道环境下的 M 2 ( d ) 曲线， 同步序列为第2 个O F D M 符号， 从图4 中可以 看到个明显的冲击峰 ， 这个峰值就是要找的定时同步 点。频偏估计同算法一同样可获得较理想的效果。 0 8 o 6 闭 0 4 担 营 0 2 0 I L ， 0 2 U U 4 00 6 0 0 8 0 0 1 0 00 1 2 00 时间群 值 图4算法二在1 0 d B 电力线噪声环境 中的定时同步效果 Fi g 4 Ti mi n g s y n c h r o n i z a t i o n f o r 1 0 d B o f f i c e p o we r l i n e n o i s e c h a n n e l ( A l g o ri t h m 2 ) 第三种 同步算法在原理上也与第一种 同步算法 相同， 不同的是所采用的训练序列 ， 其利用共轭结构 的训练序列来进行符号定时同步 ， 频偏的估计与第一 种同步算法相同。训练序列的结构为 问 ： c M D c D ， 其中c 与D 互为反转序列， c 与c ， D 与D 互 为共轭序列， 同步相关函数改为： ( d ) ： ( 2 0 ) 尺， ( d ) N 2 1 R ( d ) ： Ir ( d + m ) l ( 2 1 ) ( d ) = ( ) 一 3 8一 N 2 1 、 P 3 ( d ) = r ( d - m) r ( d + m + 1 ) ( 2 2 ) m = 0 d 3 = a r g ma x M3 ( d ) ( 2 3 ) 频偏估计 函数参见第一种 同步算法 中的频偏估 计函数 。 图5 是取 5 1 2 ， G = 6 4 时，在加有l O d B 现场办公室 电力线环境中采集的噪声， 并引入频偏的信道环境下的 ( d ) 曲线 ， 同步序列为第2 O F D M符号 ， 从图5 中可以 看到个明显的冲击峰 ， 这个峰值就是要找的定时同步 点。频偏估计同算法一同样可获得较理想的效果。 l O8 蠢 。 一6 闺 0 4 0_2 O l I I 止 0 2 0 0 4 00 6 00 8 0 0 1 0 0 0 l 2 OO 时间群 值 图5算法三在1 0 d B 电力线噪声环境中的定时同步效果 F i g 5 T i m in g s y n c h r o n i z a t i o n f o r 1 0 d B o f fi c e p o w e r l i n e n o i s e c h a n n e l ( A l g o ri t h m 3 ) 第四种同步算法是针对符号定时同步所设计的， 没有频偏估计， 但是在较为恶劣的环境中能表现出较 好的性能。 训练序列采用的是P R I M E E C B 中的前导序 列。其结构为： p 一 p j2 r(一 ( ) ( 2 4 ) 式 中n = O ， 1 ， 2 ， ， J7、 r ， 为O F D M载波个数 为 O F D M的开始和结束频率 为采样频率； 哟 O F D M 符 号周期； R 为常数。其符号定时同步函数为翻 ： ( d ) = ( 2 5 ) 、 ly ( d k ) l T k = 0 L 一般取值为2 到8 ，是为了对抗电力线环境中的 时延扩展所设计。 图6 是取N = 5 1 2 ， G = 6 4 ， L = 2 时 ，在加有 1 0 d B 现场 办公室电力线环境中采集的电力线噪声的信道环境 下的 ( d ) 曲线， 从图6 中可以看到一个明显的冲击 峰， 这个峰值就是要找的定时同步点。 由于电力线载波通信环境复杂， 通常具有非常低 的信噪比， 下面论述中取 _ 5 1 2 ， G = 6 4 ， 在加有一 1 0 d B 一 。 一 一 一 丌 L 、 = 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 2期 2 0 1 0年第 0 4期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r u m e nt at i o n VO 1 4 7 No 5 3 2 Apr 2 0 1 0 S 籁 闰 担 留 _ 山 “ L 一 I - U 2 0 0 4 0 0 6 00 8 0 0 l 0 0 0 l 2 0 0 时间， 样 值 图6算法四在1 0 d B 电力线噪声环境中的定时同步效果 F i g 6 Ti mi n g s y n c h r o n i z a t i o n f o r 1 0 dB o f fic e p o we r l i n e n o i s e c h a n i e l ( A l g o r i t h m 4 ) 现场办公室电力线环境 中采集 的电力线噪声中对以 上四种同步算法的定时同步效果进行对比。 如图7 所示，第一种和第二种同步算法中平台或 波峰已经被噪声淹没 ， 无法找到同步点 ， 第三种 同步 蠢 阔 耋 留 算法可以找到同步波峰， 但是旁边的波峰已经快要超 越同步波峰， 可能会引起一定几率的误同步。第四种 算法在一 1 0 d B 的高噪声环境下仍然能表现很好的同 步性能， 波峰突显。由此可见第四种算法在低信噪比 的恶劣环境 中的同步效果具有较强的鲁棒性。 4 结束语 本文对O F D M电线载波通信环境中的四种同步 技术进行了研究和分析， 分析结果表明后三种同步方 案均可在信噪比较好的电力线通信环境中获得较好 的定时同步效果。 前三种同步方案对频偏的估计也较 为准确。而在信噪比极低的恶劣环境中， 第四种同步 算法具有较强的鲁棒性， 同步效果明显优于前三种同 步算法， 但由于电力线通信环境的多样性， 可根据特 定的电力线环境同时结合算法的复杂度选择较适合 的同步算法。 0 2 0 0 40 0 6 0 0 8 00 l 0 0 O 1 2 0 0 时间胖 值 时间 图7 四种算法在一 l O d B 力线噪声环境中的定时同步效果 F i g 7 T i mi n g s y n c h r o n i z a t i o n f o r一 1 0 d B o f f i c e p o we r l i n e n o i s e c h a n n e l o f a t h e f o u r a l g o ri t h ms 参 考 文 献 1 1 R i c h a r d v a n N e e ，Ra m j e e P r a s a d O F D M f o r Wi r e l e s s Mu l t i me d i a C o m mu n i c a t i o n s Z A r te c h H o u s e ，2 0 0 0 【 2 张海滨 正交频分复用的基本原理与关键技术 M 】 国防工业出版社 ， 2 0 0 6 1 【 3 艾渤， 林之初数字移动电视广播原理与D S P 实现【 M 电子工业出版 社 ， 2 0 0 8 7 4 G B u m i l l e r ,L L a mp e F a s t B u r s t S y n c h r o n i z a t i o n fo r P o w e r L i n e C o m mu n i c a t i o n S y s t e ms Z E U R A S I P , 2 0 0 7 【 5 M Ho c h，G B u mi l l e r I n t e rop e r a b i l i t y o f C a r ti e r - Mo d u l a t e d O F DM S y s t e ms w i t h P R I ME Z 】 S ma r t G fi d s f o r D i s t r i b u t i o n , 2 0 0 8 6 T MS c h m i d l a n d D C C o x ，R o b u s t fr e q u e n c y and t i mi n g s y n c h ron i z a ti o n f o r O F D M J I E E E T r a n s C o mmu n ， 1 9 9 7 ， 4 5 ： 1 6 1 3 1 6 2 1 【 7 】B y u n o o n P a r k，Hy u n s o o C h e o n ，C h a n g e o n K a n g ,D a i k H a n g ：A N o v e l T i mi n g E s t i m a t i o n Me t h o d fo r OF D M S y s t e m s J I E E E C o mm u n ， 2 0 0 3 , 7 ( 5 ) 作者简介 ： 王勇( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 汉族， 安徽省肥东人， 硕士， 从事电能计量管理、 电能 计量 自动化 系统研究应用工作。E mi a h w a n g y o n g g d d g c s g c n 徐娟娟( 1 9 8 2 一 ) ， 女， 汉族 ， 湖北省武汉人 ， 硕士， 从事电能计量及电力 线载波通信系统研究工作。 收稿 E t 期 ： 2 0 0 9 1 2 0 5 ( 常会敏编发 ) 一 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m