OFDM_PLC_WS

1OFDM电力线载波通信技术刘鲲博士深圳清华大学研究院深圳市力合微电子有限公司2智能供电与智能用电通过对用户用电信息全面并实时地掌握，更优化地规划及调配电力资源，达到节省成本，创造更大效益之目的。通过对用户提供实时动态分时电价信息，以及通过“智能家电”的发展，实现居民智能用电，节约用电。用户预付费信息交互，实时管理信息交互是关键，成为未来发展及待突破的重点供电运营商电力用户电力信息交互3用户用电信息交互电表成为运营商与用户之间信息交互的“门户”用户用电实时信息采集（上传）动态分时电价信息广播（下传）用户预付费信息（上传）智能家居增值业务（双向）4信息交互要求数据速率：兼顾低压电力线通信频段带宽，信息交互业务需求等，数据速率应在x10kbps-100kbps.实时性：从目前要求的24小时，提高至准实时及实时通信发端至收端通信最大延迟应从目前的分钟级降低到秒级甚至毫秒级可靠性：对时间/季节/地点/环境的自适应性保密性：实现安全通信（需要数据速率，实时性及可靠性支持）5低压电力线载波通信现状数据速率：目前国内市场使用的载波速率大部分为x100bps.有些较新的技术可达xkbps,但10kbps实时性:24小时抄通,点抄不保证一次成功,最长时间可达分钟级可靠性:比较依赖地点及时间环境保密性及安全通信:无.目前的速率及可靠性无法实施加密通信6低压电力线载波信道的问题随时间及地点而变化的频率选择性衰落：各种不同特性的负载，随时间接入或断开，对不同频率呈现不同的响应，导致信道的频率响应极不平坦，且无法据预测。干扰及噪声：各种电器设备产生严重的带内干扰（连续型的，脉冲型的）和噪声，尤其是国内电网环境。7传统载波技术的局限基于固定频点、窄带、简单调制技术对时变、频率选择性衰落不具备自适应能力对窄带干扰不具备自适应能力数据速率低导致：这时通、那时不通，这里通、那里不通等问题。由于物理层的性能局限，导致MAC层中继或路由协议复杂在实时性、可靠性、数据速率等方面无法满足新一代智能电网应用要求8OFDM高速PLC技术9OFDM正交多载波技术频域复用先进数字调制技术，广泛用于恶劣信道环境下的现代通信系统在工作频带内，以一定的频率间隔使用N个相互正交的子载波，经过编码后的数据块调制到N个子载波上发送子载波数、自载波频点、每个子载波的调制方式、编码方式可以灵活地根据信道状况自适应调整独特的抗多径能力可极大地简化MAC路由协议10OFDM在通信中的应用数字音频广播(DAB):取代模拟FM广播数字电视:有线数字电视(DVB-C),地面无线数字电视(DVB-T),卫星数字电视(DVB-S)中国移动数字电视标准:中国地面无线数字电视(DTMB),中国手机电视(CMMB)电话线宽带上网:ADSL无线局域网:WiFi/IEEE802.11宽带电力线载波:HomePlug,UPA,…高速电力线载波:PRIME,…….11OFDM高速电力线载波通信工作频段:~500kHz,用户可选择频带欧洲:CENELECA(~95kHz)FCC:~490kHz中国:~450kHz数据速率：几十~几百kbps与宽带PLC(工作在2–30MHz频段)相比,信号具有较小衰减,因而具有更远的通信距离,但此频段干扰大.与宽带PLC相比具有较低实现成本,可以直接嵌入电表12国外最新发展状况MAXIM(美国)10–490kHz,OFDM/BPSK32kbps(10-95kHz),100kbps(10–490kHz)iAD(德国)10–490kHz,OFDM/DBPSK,DQPSK,D8PSK9.6–576kbpsPRIME(西班牙)10–95kHz,OFDM/DBPSK,DQPSK,D8PSK20–128kbps13低压电力线载波信道干扰模型多径，衰减H(z)ADDinputoutput有色背景噪声突发脉冲噪声窄带噪声与工频异步的周期脉冲与工频同步的周期脉冲14低压电力线载波信道幅频特性15低压电力线载波信道幅频响应模型00.20.40.60.811.21.41.61.8-22-21-20-19-18-17-16-15-14-13-12Frequency(MHz)Magnitude(dB)MagnitudeResponse(dB)M.Zimmermann十五径模型幅频响应16低压电力线载波信道噪声及干扰有色噪声:电力线信道背景噪声由各种低频噪声源叠加而产生，不是白噪声,低频噪声大.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-145-140-135-130-125-120-115-110-105-100-95Frequency(MHz)Power/frequency(dB/Hz)PowerSpectralDensityEstimateviaWelch17低压电力线载波信道噪声及干扰窄带噪声:由窄带无线设备造成,500kHz以内都可能发生,带宽大约3kHz.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-200-180-160-140-120-100-80Frequency(MHz)Power/frequency(dB/Hz)PowerSpectralDensityEstimateviaWelch18低压电力线载波信道脉冲干扰工频同步脉冲干扰:主要由可控硅调节器产生，目前可控硅器件被大量使用在调光灯、电风扇、复印机等电器中，产生大量的谐波。脉冲频率为工频或其高次谐波。工频异步脉冲:周期为50Hz~200kHz，这种类型的噪声主要由开关电源、显示器的扫描等产生。该噪声的幅度最大比背景噪声高40dB，脉冲宽度几百微秒。突发随机脉冲:由于电网中负荷的投切所引起开关设备的通断造成的，如开灯，开电视时产生的脉冲噪声。典型的单脉冲噪声幅度为1伏左右，持续的时间为1ms左右。19低压电力线载波信道噪声及干扰00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-130-120-110-100-90-80-70-60Frequency(MHz)Power/frequency(dB/Hz)PowerSpectralDensityEstimateviaWelch有色背景噪声，窄带噪声与三种脉冲构成了电力线信道的加性干扰。20OFDM正交多载波信号频谱21OFDM抗干扰能力分析22载波调制基本原理tfjncncnceAtfQtfItS2Re2sin2cos)(10In=1In=-1BPSK00QnInQPSK100111AnAn23OFDM调制基本原理24低压电力线OFDM调制在频域对所发送的数据符号进行映射,然后进行富立叶反变换25OFDM信号产生470kHz共有1280个子载波将要发送的数据经编码后进行以BPSK或QPSK方式在频域映射到子载波上将所有子载波作为频谱分量进行富立叶反变换,产生时域信号26OFDM信号帧OFDM信号帧由OFDM帧体及循环前缀(CP)组成.帧体的长度Tu与子载波数(自载波间隔)有严格的关系,以保证子载波间的正交性27双重纠错编码28时域及频域双重交织29OFDM导频设计30发送成形滤波器31OFDM过零发送信号32OFDM实际发送信号频谱(10-470kHz)实际信号频谱位置33OFDM实际发送信号频谱(40-95kHz)实际信号频谱位置34OFDM实际接收信号频谱(10-470kHz)实际信号频谱位置35OFDM实际信号解调(10-470kHz)36OFDM实际接收信号频谱(40-95kHz)实际信号频谱位置37OFDM实际信号解调(40-95kHz)38芯片设计外部接口CPUMEMCPU总线寄存器收发buffer收发前端D/A内部总线OFDM发送OFDM接收A/D接收预处理39OFDM载波通信分层协议构架单一芯片集成物理层及MAC层协议40主要技术指标41总结为进一步解决目前低压电力线载波的问题,以及满足新一代智能电网的应用需求,必需发展新一代电力线载波通信技术OFDM做为适用于恶劣信道环境的当今先进的通信技术已成为国内外新一代电力线载波通信的主流技术经验已证明,中国低压电力线载波通信问题,需要我们自己来解决!42谢谢！THANKS用自己的芯,做天下事!