电力线通信技术第五章

第五章目录•5.1传统的载波调制方案•5.2OFDM调制技术的研究•5.3电力线载波芯片•5.1传统的载波调制方案•5.2OFDM调制技术的研究•5.3电力线载波芯片第五章目录5.1传统的载波调制方案ASK是指振幅键控方式。这种调制方式是根据信号的不同，调节正弦波的幅度。幅度键控可以通过乘法器和开关电路来实现。载波在数字信号1或0的控制下通或断，在信号为1时载波接通，此时传输信道上有载波出现；在信号为0时载波关断，此时传输信道上无载波传送。那么在接收端我们就可以根据载波的有无还原出数字信号的1和0。二进制幅度键控信号的频带宽度为二进制基带信号宽度的2倍。5.1.1ASKASK的载波幅度是随着调制信号而变化的，其最简单的形式是，载波在二进制调制信号控制下通断，此时又可称为开关键控法（OOK）。多电平MASK调制方式是一种比较高效的传输方式，但由于它的抗噪声能力较差，尤其是抗衰落的能力不强，因而一般只适宜在恒参信道下采用。现在以二进制振幅键控为例，对ASK进行简单的说明。最简单的二进制键控方式称为通-断监控（OnOffKeying，OOK），其表达式为cOOKcos,10,10AtPeP以概率发送以概率发送（5-1）载波在二进制基带信号是s(t)控制下通-断变化，所以这种键控又称为通-断键控。在OOK中，某一种符号（“0”或“1”）用没有电压来表示。2ASKc()()ettt=scos（5-2）式中s()()nnstagtnT（5-3）式中，为码元持续时间；g(t)为持续时间为的几个脉冲波形。为了简便起见，通常假设g(t)是高度为1、宽度等于的矩形脉冲；是第n个符号的电平取之。若nasTsTsT1,0,1nPaP概率为概率为则相应的2ASK信号就是OOK信号。2ASK/OOK信号的产生方法通常有两种：模拟调制法（相乘器）和键控法。与AM信号的解调方法一样，2ASK/OOK信号也有两种基本的解调方法：非相干解调（包络检波法）和相干解调（同步检测法）。与模拟信号的接收系统相比，这里增加了一个“抽样判决器”方框，这对于提高数字信号的接收性能是必要的。5.1.2PSK1.1.2visualSTATE事件处理机制PSK（Phase-ShiftKeying）：相移键控，是一种使用很广的调制技术，发送信息包含在载波相位中。对于某些调制解调器中用于数据传输的调制系统，在最简单的方式中，二进制调制信号产生0°和180°偏转。载波相位来表示信号占和空或者二进制1和0。对于有线线路上较高的数据传输速率，可能发生4个或8个不同的相移，系统要求在接收机上有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。利用不同的连续相移键控，这个参考相位被按照相位改变而进行的编码数据所取代，并且通过将相位与前面的位进行比较来检测。PSK相移键控调制技术在数据传输中，尤其是在中速和中高速的数传机（2 400～4 800 bp）中得到了广泛的应用。相移键控有很好的抗干扰性，在有衰落的信道中也能获得很好的效果。在实际应用中还有八相及十六相调。下面以2PSK为例，对此进行说明。2PSK信号的时域表达式为：2PSKc()cos()netAt=（5-4）式中，表示第n个符号的绝对相位：n0,01,1n发送发送因此，式（5-4）可以改写为c2PSccos,cos,1KAtPeAtP以概率以概率（5-5）由于表示信号的两种码元的波形相同，极性相反，故2PSK信号一般可以表述为一个双极性全占空比矩形脉冲序列与一个正弦载波相乘，即：2PSKc()s()cos()et=tt（5-6）式中s()()nnstagtnT（5-7）1,1,1nPaP概率为概率为式中，g(t)是脉宽为的单个矩形脉冲，而的统计特性为sTna即进行二进制符号“0”时（取+1），取0相位；发送二进制符号“1”时（取−1），取相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应二进制数字信号的调制方式，称为二进制绝对相移方式。与2ASK信号的产生方法相比较，只是对s(t)的要求不同，在2ASK中s(t)是单极性的，在2PSK中s(t)是双极性的基带信号。2PSK信号的解调通常采用相干解调法。在相干解调中，如何得到与接收的2PSK信号同频同相的相干载波是个关键问题。na2PSK()etna2PSK()et5.1.3FSKFSK（Frequency-ShiftKeying）：频移键控，就是用数字信号去调制载波的频率。是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的应用。FSK是利用基带数字信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术。最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。下面以2FSK为例进行说明。在2FSK中，载波的频率虽二进制基带信号在和两个频率点间变化，故其表达式为2f1f12FSK2cos(),1cos(),0nnAteAt发送发送（5-8）2FSK信号的时域表达式又可写成2FSKs1s2()cos()()cos()nnnnnneagtnTtagtnTt（5-9）式中，g(t)为单个矩形脉冲，脉宽为。sT1,0,1nPaP概率为概率为式中是的反码，若=1，则=0；若=0，则=1，于是nananananana110nPaP概率为概率为和分别是第n个信号码元（1或0）的初始相位。在移频键控中，和不携带信息，通常可令和为零。因此2FSK信号的表达式可简化为nnnnn2FSK1122()cos()()cos()nnesttstt（5-10）1s()()nnstagtnT2s()()nnstagtnT（5-11）（5-12）2FSK信号的产生方法主要有两种：一种可以采用模拟调频电路实现；另一种可以采用键控法来实现，即二进制基带矩形脉冲序列的控制下通过开关电路对两个不同的独立频率源进行选通，使其在每个码元期间输出两个载波之一。两种方法产生2FSK信号的差异在于：由调频发产生的2FSK信号在相邻码元之间的相位是连续变化的；而键控法产生的则是不连续的。12ff或sT2FSK的解调方法可以采用非相干解调（包络检波）和相干解调。其解调原理是将2FSK信号分解为上下两路2ASK信号分别进行解调，然后进行判决（decision）这里抽样判决是直接比较两路信号抽样值的大小，可以不专门设置门限。技术上的FSK有两个分类，非相干和相干的FSK。对于非相干的FSK，瞬时频率之间的转移是两个分立的价值观，分别命名为马克和空间频率。在另一方面，在相干频移键控或二进制的FSK，输出信号的相位是连续变化的。5.1.4三者的简单比较FSK：调频方式。比如说中心频率为800 MHz，那么700 MHz就表示数据0，而900 MHz则表示数据1，这样即使存在干扰源也不会使数据错误。但是如果干扰源是固定的且与中心频率相差不大，这个对FSK是致命的。所以现在的通信技术（如蓝牙等）都使用跳频方式，3G手机用的是BPSK、QAM等更高级的方式，这样就算是同频干扰也不怕了。ASK：调幅键控，就像是模拟信号一样。只要在中心频率出现一个干扰，那么就是一个误码，这个很容易理解的。PSK：相移键控。理论上对辅载波PSK与FSK具有相同的抗干扰能力，不过当干扰源与中心频率存在某种关系时，例如干扰与中心波率是成倍关系或与接收器的中频存在成倍或相减相加后与中心频有一定的关系，这会在接收器产生一个误码。•5.1传统的载波调制方案•5.2OFDM调制技术的研究•5.3电力线载波芯片第五章目录5.2OFDM调制技术的研究OFDM技术是一种特殊形式的多载波调制。与BPSK和QPSK相比，OFDM具有传输的符号持续时间长，带宽窄的特性。如果符号的持续时间小于或等于最大延迟扩展，与其他的调制一样，会出现符号间干扰（ISI）。通常，OFDM系统被设计使每个子载波为经历频率平坦衰落而足够的窄。这就允许子载波能够在一个频率有选择性但时不变的信道上保持正交。如果一个OFDM调制符号被传输在这样一个信道上，每个子载波经历一个不同的衰减。通过对数据流编码，在衰减的子载波发生的错误可以通过正常接收端的前向纠错（FEC）来进行探测和纠正。除了被频率选择的健壮性，众所周知，信道的任何时变特性对系统的行为有诸多的限制。时变性大大地损伤了子载波的正交性。这种情况下，就会产生子载波干扰（ICI）。通过在N个子载波上传输信息，一个OFDM符号的持续时间相当于在单个子载波上传输相同信息的N倍长。相应地，线性时间分散信道所引入的ISI影响被最小化了。尽管如此，为了完全消除ISI，一个长于信道脉冲响应的保护间隔被插入。而且，为了消除ICI，保护间隔应当被循环扩展。也就是说，在线性分散信道，一个合适的保护间隔可以避免ISI而不是ICI，除非保护间隔被循环扩展，这就是CP。虽然CP的引入减小了在线性分散信道中的ISI和ICI的影响，但它同时引入了信噪比的损失（SNR），计算公式为：lossCPSNR(dB)10logTTT（5-13）5.2.1OFDM基本原理正交频分复用（OrthoganalFrequency-DivisionMultiplexing，OFDM）可以看做一种调制或复用技术，是由并行传输体制发展而来的。从原理上讲是一种特殊的多载波传输方案，单个用户的数据流串/并变换为多路的低速率并行数据流，每个码流都用一个载波发送。与普通的多载波传输方式不同，OFDM的子载波之间是相互正交的。多载波传输和低速码流增强了OFDM抗频率选择性衰落和抗窄带干扰的能力。在单载波系统中，单个衰落或者干扰可能导致整条链路不可用。但在多载波系统中，只会有一小部分载波受到影响，这样即使在高信道误码的环境下，通过使用纠错编码技术，也可以帮助恢复一些信道条件较差的载波上的信息，从而使整个多载波系统的性能在频率选择性衰落环境中呈现较好的健壮性。图5.1是OFDM的原理简图。图5.1OFDM原理简图5.2.2多载波调制和FFTOFDM是一种多载波传输技术。设为N个子载波频率，则一般的多载波已调信号在第i个码元间隔内可以表示成：(1,2,,)kfkNL1i0()(,)exp(2)NikkstXktjft式中，是信号在第i个码元间隔内所携带的信息，它决定了信号的幅度和相位，一般情况下是只与码元标号有关的复常数，携带了要传输的信息；例如，若第k个子载波采用QPSK调制时，设采用π/4方式的星座，当第个码元为00时，根据码元和星座的映射关系可以知道。(,)iXkt2(,)(1)2iXktj(,)iXkt10s()()exp(2)NikktXkjft（5-15）为叙述方便，在只需研究一个多载波信号码元的时候，常常省略码元标号i；而当子载波采用普通（没有采用波形形成）的QAM或MPSK调制时，与时间无关，从而可简写成，根据上下文这样不会产生歧义。按照上述约定，式（5-14）可以写成()iXk经过细致的分析可以发现，上述多载波传输系统的调制解调都可以利用离散傅里叶变换（DiscreteFourierTransform，DFT）实现，快速FFT（FastFourierTransform）算法使得多载波传输系统实现起来大为简化，特别是利用FFT实现的OFDM系统，以其结构简单、频谱利用率高而受到广泛重视。下面分析多载波传输系统可以用DFT实现的条件。为了确定子载波间的频率间隔，我们需要考虑接收端如何对信号解调。首先对接收信号（暂不考虑噪声和失真的影响）以抽样率进行抽样，利用DFT对抽样信号进行解调。利用N点的DFT可以计算出信号的第k个频谱分量为：sf（5-16）1s0()(/)exp(2/)NnSkfsnfjnkN式中，是第k个频谱分量；是抽样信号，是DFT的分辨率。为使DFT正确计算出频率，信号必须在N点抽样周期性