基于OFDM的PLC调制解调器设计.pdf
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代号代号分类号分类号学号学号密级密级1070110701TN913.8TN913.8公开公开10121211091012121109题题（中、英文）（中、英文）目目基于基于OFDMOFDM的的PLCPLC调制解调器设计调制解调器设计DesignofthePLCmodembasedonOFDM作者姓名作者姓名张若愚张若愚指导教师姓名指导教师姓名、职务职务楼顺天楼顺天教授教授学科门类学科门类工学工学提交论文日期提交论文日期二一三年三二一三年三月月学科、专业学科、专业模式识别与模式识别与智能系统智能系统西安电子科技大学西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
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摘要电力线载波通信（PLC）是利用电力线作为介质传输信号一种通信手段，随着现代电子技术的发展，通过PLC高速传输数据已经成为可能，尤其是OFDM技术的成熟，使得PLC的传输速率可以达到500MB，因此论文选题具有广泛的应用前景。
论文简要介绍了PLC技术和OFDM技术，探讨了OFDM技术的原理、信道特性及其优缺点。
给出了以Intellon公司的INT6400和INT1400为核心的宽带PLC调制解调器方案，讨论了基于OFDM技术的PLC调制解调器组成结构，设计了电源模块、INT6400模块、INT1400模块、存储器模块及其以太网控制器模块电路，最后给出了测试结果。
关键词：
电力线载波通信正交频分复用PLC调制解调器ABSTRACTPowerlinecarriercommunication（PLC）usesthepowerlineasthemediumtotransmitdata.Asthedevelopmentofmodernelectronictechnology,high-speeddatatransmissionthroughpowerlinehasbecomepossible.WiththematurityofOFDMtechnology,PLCmodemtransferrateupto500MB.Sotheapplicationofthistopicinthearticleisextensive.ThisarticlegivesusabriefintroductionofPLCtechnologyandtheOFDMtechnology,andweexploredthetheoryofOFDMtechnology,channelcharacteristics,advantagesanddisadvantages.WeshowtheschemeofPLCmodemthatbasedonINT6400/INT1400chipset,andthendiscussthestructureofthePLCmodembasedonOFDMtechnology.Wedesignedthepowersupplymodule,INT6400module,INT1400module,memorymoduleandEthernetcontrollermodulecircuit.Finally,weshowtheresultofourexperiment.Keywords:
PowerLineCarrierOFDMPLCmodem目录摘要.1ABSTRACT.7目录.9第一章绪论.11.1课题背景及意义.11.2低压电力线载波通信技术.21.2.1低压电力线载波通信技术在智能小区系统中的应用.21.2.2低压电力线载波通信技术在自动抄表系统中的应用.21.2.3低压电力线载波通信技术在家居智能化系统中的应用.21.3电力线载波通信技术的发展状况.31.4论文主要内容.4第二章电力线载波原理综述.52.1电力线载波系统总体结构.52.2电力线载波通信的特点.62.2.1电力线上的干扰噪声.72.2.2电力线上的输入阻抗.72.2.3电力线上的衰减.82.3PLC通信技术.92.3.1传统PLC通信技术.92.3.2扩频载波通信（SSC）技术.92.3.3正交频分复用原理.102.4Homeplug协议.112.5几款电力线载波芯片.112.6本章小结.13第三章基于OFDM的PLC调制解调器设计.153.1宽带PLC调制解调器的设计要求.153.2OFDM技术.173.2.1OFDM的基本原理.173.2.2OFDM信号的频谱特性.193.2.3OFDM信道的调制与解调.213.2.4OFDM循环前缀.233.2.5OFDM技术的优缺点.273.3基于OFDM的PLC调制解调器设计.283.3.1基于OFDM的PLC调制解调器的硬件结构.283.3.2电源模块设计.303.3.3INT6400模块设计.323.3.4INT1400模块设计.343.3.5存储器模块设计.343.3.6以太网收发控制器模块设计.363.4本章小结.37第四章总结与实验.39致谢.43参考文献.45作者在读期间研究成果.47第一章绪论1第一章绪论1.1课题背景及意义电力线载波（PLC,PowerLineCarrier）是电力系统一种独特的通信方式，电力线载波通讯技术指的是利用现有的电力线，通过载波，把模拟或是数字信号进行高速传输的通信技术。
它最大的特点是不需要重新组建网络，只要有电力线的地方就可以实现数据传递。
随着信息技术和网络技术的迅猛发展，国内国外都开展了利用低压电力线作为介质来传输高速信号的电力线载波技术的研究，该技术在现有电力线上实现语音、数据和视频等多种数据传播。
电力线载波的高速通信技术不断的在进步，它现在已经可以传输数据、视频、语音和电力作为一个整体，是充满了创新精神的一种技术。
除了这些，电力线通信技术的组网的可靠性高、利于实现、构造简单、成本较低等特点也受到了越来越多的人们的关注。
尤其是“十一五”规划方案中已经把PLC（电力线载波通信）列入到了国家重点研究项目，其中的低压电力线载波的发展方向十分明确，说明国家已经把研究电线上网的技术原理和应用技术作为了当前电力线载波通信技术的研究重点，探讨电线上网的政策和电力线载波运营方式，为实现全方位电线上网打好基础作为发展重点1。
这都是我们研究电力线载波通信的动力源泉。
就当前状况来说，由于电力线载波技术自身不完善，高速的电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用。
大家都知道，电力线（PL）的主要作用就是用来传输电能得。
在线路上电流大、噪声大、电压高、负载的种类多，要想在电力线上传输信号的话就对电力线载波技术的设备抗干扰性和稳定性提出了很大的挑战。
电力线中的信道噪声干扰是电力线通信发展中遇到的比较复杂的问题，电力线载波通信作为宽带接入技术问题的关键就是怎样解决这个问题。
所以，目前国际上高速电力线载波通信所采用的主要调制技术有三类：
单载波技术、扩展频谱技术与正交频分复用（OFDM,OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）调制技术2。
文章在系统全面的讲解了低压电力线载波通信的原理以及相关技术的现有成果基础上，论述了OFDM调制解调技术的基本原理，还有它在高速低压电力线载波通信中的应用。
论文中有分析论述和仿真，阐述了把OFDM技术作为电力线载波通信的关键技术的原因。
2基于OFDM的PLC调制解调器设计1.2低压电力线载波通信技术电力线载波通信（PLC）作为一种“新无线”技术，利用现有的电力网作为信道，实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景。
其主要应用领域包括：
智能小区系统、自动抄表系统、家居智能化系统等。
1.2.1低压电力线载波通信技术在智能小区系统中的应用智能小区系统涉及多方面，主要有安全自动化、通讯自动化、管理自动化等。
安全自动化包括室内防盗报警系统、煤气泄漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系统等；通讯自动化包括数字信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统等；管理自动化包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系统、公共信息显示系统等。
这些系统如果采用网线来实现架线，其材料成本是非常高的，并且施工费用也很高。
而采用现有的电力线来实现这些系统，其施工成本和材料成本要减少很多3。
1.2.2低压电力线载波通信技术在自动抄表系统中的应用随着社会主义市场经济的发展，社会民生的稳步提升。
居民数量和独立的电能表数量迅速的增长，各种电价制度横空出世，传统的人工抄表的电价计算方式显然已经不能满足人们的需求了。
自动抄表，顾名思义就是自动获取电表信息的一种技术（如：
电表、水表、煤气表、冷气表等），目前采集数据方法有：
利用电力线、无线电、电话线和红外线等。
基于电力线的数据收集不但方便快捷地实现自动化抄表同时可以有效地降低系统的成本。
再者来说，由于这种系统采用的半双工的通信方式，使得它很容易地做到监控用户用电参数，欠费断电等等其他系统没有的功能。
1.2.3低压电力线载波通信技术在家居智能化系统中的应用把电力线通信技术与网络技术，微控制器相结合，能在现有的基础上用最经济最实惠的方法推进家庭电力线载波技术在家居应用中的发展，这种方法就是把电力线作为物理媒介进行信号的传输，把分布在住宅里面各个地点的微型控制器和家电，PC链接从而成一个网络。
这样一来，电力线通信技术就体现出了明显的优势，例如：
电力线和信号线合一，无须布设信号线；原本维护和使用电器的习惯都不受信号通信影响，家电的供电过程无须增加红外、双绞线等接口，只要在第一章绪论3家电内部安装电力线载波通信芯片，再更新程序就可以实现，在老式家电的改造中也相当具有优势；家电控制所需要的信息量少，电力线载波的速度并没有对家电通信造成太大影响。
所以说电力线载波技术在家居智能化应用方面有着很光明的前景，尤其是在中速率信号传输方面，因电力线载波通信技术具有可靠性高和造价低廉的优势，使得它可以与蓝牙通信相媲美4。
1.3电力线载波通信技术的发展状况电力线是目前我们认知范围内最普及和最广阔的一种物理介质，电力线载波通信技术作为上世纪20年代左右的产物，一直到目前利用电力线高速数据通信技术仍然是国内国外大公司大企业的研究的热点。
电力线载波通信技术的研究始于1997年，在这一年，英国的Norweb公司和加拿大的Nortel（北电网络）公司利用其开发出的数字电力线载波通信技术，实现了电力线载波通信的远程通信和1Mbit/s的传输速率，并将该技术在市场上进行推广。
1997年以后，多数国家和大公司也都不甘落后的开展了高速电力线通信技术的研发，通信的传输速率也从1Mbit/s的基础上发展到了2、14、24Mbit/s甚至更高。
国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片，其中主要有美国Intellon公司的14、54、85和200Mbit/s的电力线载波芯片，其中包括西班牙DS2公司的芯片ST7536芯片等。
众多芯片中以美国Intellon公司的200Mbit/s芯片应用最为普遍，绝大部分的电力线载波通信系统是基于这个芯片的设计方案开发的。
现在的电力线载波通信技术在欧洲发展比较快，欧盟为乐促进电力线载波技术的发展，在2004年启动了OPERA计划是OpenPLCEuropeanResearchAlliance的缩写，推动了PLC通信的大规模商用，并将电力线载波技术作为振兴欧洲的重要技术手段。
美国政府也不甘落后的成立了Homeplug“家庭插电联盟”，致力于电力线载波通信标准研究，在2004年发布了第一个PLC协议HomePlug1.0，到目前为止，日本也对电力线载波进行了大量的实验。
电力线载波通信技术的试验网络已经在各个大洲有了一定的规模。
我国在二十世纪八十年代出现了利用电力线载波通信技术进行调频和调幅的载波电话机，九十年代初我国自主研制的近距离电力线载波通信系统也投入了使用。
我国开展电力线载波应用技术的大规模研究是在20世纪初，目前广泛采用的载波通信方式有OFDM及OMCM技术，其中窄带调制成本低廉实用性强。
我国在高速电力线载波研究方面起步较晚。
在2001年英国退出了电力线载波通信技术的一系列研究之后，我国的研究单位也开始了对高速PLC通信进行深入研究，已经取得了一定的成果。
我国高层方面高度重视PLC技术研发，设立了很多PLC科技项目2。
由于我国低压配电网的供电方式、负荷特性、结构和国外有很大的4基于OFDM的PLC调制解调器设计不同，国外的产品不能在我国直接使用。
所以针对我们自己配电网的特点，提出了多种方案解决问题，确定了多种试验方案后，于2001年底正式投入使用，建成了我们首个以电力线为介质的电力线载波接入的英特网试验小区。
2002年3月引进了欧洲的电力线载波产品进行了语音传输试验，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打电话。
小规模试验确定成功之后，我们在不同场合进行了大规模接入试验，目的在于研究不同配电网结构中电力线载波产品的耦合方式以及组网模式的特点。
扩大改进电网的试验规模之后，随后的实验验证了同一网络对不同设备的兼容性和可用性。
随着PLC技术的突破以及应用的深入，PLC在国内商业化只是迟早的事2。
1.4论文主要内容文章主要介绍基于OFDM的PLC调制解调器的设计，其中包括电力线载波原理介绍和电力线载波的特点，及整体过程中电力线载波的技术难点，通过对几款目前比较流行的电力线载波芯片的研究，最终选定了INT6400/INT1400芯片组作为PLC调制解调器的解决方案。
第三章对OFDM原理进行了详细的描述，分别从OFDM的基本原理、OFDM的频谱特性、OFDM信道的调制与解调、OFDM的循环前缀几个方面讲解了OFDM理论。
随后给出了系统硬件的设计，包括电源系统的设计、存储系统的设计、以太网网络接口的设计、INT6400模块设计、INT1400模块设计等。
第二章电力线载波原理综述5第二章电力线载波原理综述2.1电力线载波系统总体结构有线通信领域里，信道硬件成本是通信系统中占比较大的部分，特别在较远距离的通信系统之中，信道的成本在整个系统成本中占比更大。
要降低有线通信系统成本，就要从减小信道成本着手。
减小有线信道的成本一开始必须考虑的就是要利用已经有信息传输了的物理链路。
从目前的状况开来,可以用做信息传输的物理链路中，入户率最高的链路是低压电力线，入户率已达到100%。
采用电力线载波技术把低压线路当做通信系统物理信道，是目前物理信道链路研究的一个重要方向。
电力载波通信技术，简称PLC，是利用1.630MHz的频带范围在电力线上传输信号。
发送时利用GMSK或OFDM调制技术，把用户数据进行线路耦合、调制，然后在电力线上进行载波传输。
在接收端，首先经过滤波、耦合，把调制信号从电力线上滤出，然后经过解调还原成原信号。
目前可达到的通信速率依具体设备在4.545MB/s之间。
电力线载波设备分调制解调器和局端,局端用来负责与内部电力线载波调制解调器的通信并与外部网络的连接。
在通信的时候，来自用户的数据进入调制解调器后，通过用户提供的配电线路传输到局端设备，局端将设备信号解调出来，再转到外部的英特网7。
个电力线通信系统有5个基本的组成部分：
基站变压器、本地基站、交换结点、保险盒和通信模块。
1.本地基站本地基站其实就是用户接入英特网的控制器，这个节点把数据送往网络中心，数据业务流由该节点出发回到英特网和本地电信网络。
2.基站变压器基站变压器室为住宅区提供服务的基础电力线设备，因为射频信号不通过电力线变压器所以在变压器处必须再生。
3.保险盒在各户的保险盒内应该把供电线路和电表连接处的电信业务和电力线通信功能区别开。
4.交换结点结点把基站控制器连接到核心数据网络。
由光纤或其他传输媒质连接到本地电信交换业务提供者，并最终连接到互联网或PSTN。
5.通信模块6基于OFDM的PLC调制解调器设计通信模块的作用就是把计算机和外部控制器连接的模块。
他可以通过远程或室内的控制其实现。
2.2电力线载波通信的特点电力线载波通信（PLC）是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的技术。
我们所介绍的系统是基于低压电力线载波通信的电力线载波系统，低压电力线载波与高压电力线载波相比，有较大的区别。
低压电力线载波有以下特点：
线路阻抗小，工作环境恶劣，信号衰减强，干扰大且时变性大。
所以在我们介绍具体的OFDM原理在电力线载波的应用之前，先对电力线载波的信道进行分析。
总体上讲，电力线载波通信的信道上含有直流分量和谐波频率分量，所以往往不能作为传输信号在复杂的电力线信道中直接传输。
所以说对基带的信号进行调制是必须的，把基带信号转换为相对基带频率而言频率高出许多的高频信号以适应电力线信道。
基于调制器把输入信号进行调制，这样的调制可以分为模拟调制即连续调制和数字调制即非连续调制。
模拟调制是指用从信号源进入的模拟信号进行直接的调频调幅或是调相，从而得到AM、FM、PM信号。
然而数字信号的调制就是指利用数字信号进行调频，调幅或是调相，从而得到ASK（振幅键控）、FSK（频率键控）和PSK（相移键控）信号。
和模拟调制不同的是数字调制有许多优点，主要包括容易传输不同形式的信息（如声音、数据和图像）、对信道扰动的鲁棒性高、抗噪声能力强、安全性好等2。
调制方式在很大程度上决定了一个通信系统的质量的好坏。
调制其实是为了匹配信道特性和信号特征，所以说调制方式是由信道特性来决定的。
那么明显的，不同的信道特性将相应存在着不同类型的调制方式。
电力线载波通信中，信道的基本特征有以下五点：
第一就是时变衰减较大。
在一般的用电家庭中我国采用220V交流两线供电方式。
而由于电网上各种负载随机的接入和切出，使信道特性中时变特性变的很强。
电力线本身所具有的阻抗也会让时变衰减增大；第二点是信号变化复杂。
实际测量表明电力线上不同位置不同性质的负载使得信号的变化相当复杂，随着负载在电力线上的连入或断开，不同时刻的信号衰减有不同的特点，负载的变化是随机导致信号衰减也会随机地发生变化；第三，干扰噪声的多样性。
同样由于复杂的负载，干扰噪声也是信道特征中极大的可变因素。
第二章电力线载波原理综述72.2.1电力线上的干扰噪声电力线载波通信的最大干扰是噪声，其主要来源是电力网上的所有负载、无线电广播和天电等。
电力线的噪声在室内和室外有所不同，总体上可以分为五类：
第一类是有色背景噪声，交直流两用电动机的使用造成了有色背景噪声的产生，有色背景噪声的功率谱密度随着频率的增大而减小；第二类窄带噪声是由电力线短波广播和驻波的谐振产生的，窄带噪声的功率谱密度在频段内基本没有变化；第三类是与工作频率异步的周期性干扰噪声，来源于电力线周围的电子用电设备，主要分布在50Hz-200Hz；第四类是与工作频率同步的干扰噪声，一般是工作在电网周围的开关器件所造成的周期性噪声覆盖范围广，持续时间长，功率大，功率谱的密度也随着频率上升减少；第五类是突发性噪声，由电器的突然开关引起，出现的时间不固定，其噪声功率谱密度高，频谱宽2。
噪声对电力线载波通信的影响如图2.1所示。
窄带噪声有色背景噪声突发性噪声与工频异步的周期性噪声与工频同步的周期性噪声h（t）H（t）发送器接收器图2.1噪声对电力线载波通信的影响总之，针对电力线载波通信信道的以上特点，已调信号应具有高的频谱利用率、抗噪声和抗干扰能力强、适宜于在衰落信道中传输的特点。
高的抗干扰和抗多径衰落性能，要求在恶劣信道环境下能很好地工作，经过调制解调后的输出信噪比（S/N）较大或误码率较低。
2.2.2电力线上的输入阻抗输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。
输入阻抗与网络的输入功率和发送机的效率问题密切相关。
由研究可知，低压电力线上的输入阻抗与其传输的信号频率之间有着紧密的联系。
在理想情况下，即无负载的情况下，电力线相当于一根均匀分布的传输线，输入阻抗由于受到分布电容及分布电感的影响随8基于OFDM的PLC调制解调器设计着传输信号频率的增大而逐渐减小。
根据不同的负载类型，不同频率的阻抗对应的变化也不相同，因此实际情况会复杂许多，甚至于不可预测输入阻抗的变化。
已知电力线上的输入阻抗随着频率的变化而变化，变化程度非常剧烈，甚至可以从0.1变化到大于100，变化范围超过1000倍之大。
而且，在实际实验过程中，在实验所测的频率范围内，输入阻抗并没有随着频率的增大而减小，这与人们印象中的理论规律不符10。
为了解释这一问题，我们可将电力线看做是一根传输线。
上面连接有各种复杂的负载，而电力线本身以及这些负载组合成许多共振电路，在共振频率以及它的附近频率上形成低阻抗区，并在局部违反阻抗随负载增大而降低这个一般性的规律。
同时，由于负载会在电力线上随时随机的连上或是断开，所以在不同时间，电力线上的输入阻抗可能会发生较大幅度的改变2。
同样，电力线上不同位置的输入阻抗也不尽相同。
在由很多电容、电阻和电感构成地网络中，不同位置测量得到的输入阻抗也是不同的。
由于低压电力线输入阻抗的这些变化因素，发送机的功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗很难保持实时匹配，给电路设计构造带来很大的困难。
2.2.3电力线上的衰减在电力线上传输高频信号时产生的衰减是PLC（电力线载波通信）遇到的又一个困难。
对高频信号来说，低压电力线是一根分布非均匀的信号传输线，各种不同性质的负载都在这根线的任意位置随机地连接或断开。
所以，高频信号在低压电力线上的传输必然存在着衰减。
显然，这种衰减和信号频率、通信距离等都有密切联系。
大体上讲，电力线上信号的衰减是随着频率的增加而增加的，但处于某些频段时，由于负载所产生的传输线效应和共振现象的影响，衰减就会出现迅速突然的增加。
因此，我们认为信号传输距离决定了信号的衰减程度。
信号的衰减是随着距离的增加而迅速增加的。
跨相传播中，一般来说，信号衰减比同相传播的衰减大10dB以上。
而且随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。
由于在不同时间不同地点的衰减程度各不相同，甚至出现剧烈变化，因此对载波通信设备的设计要求也各有不同。
根绝我们对低压电力线载波的了解，低
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