CN103209155B - 一种低峰均比电力线ofdm调制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低峰均比电力线OFDM调制方法及装置。其方法包括以下步骤：导频符号生成步骤，按照算法生成导频符号c(k)；导频符号插入步骤，将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；逆离散傅里叶变换步骤，对所述OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；其中，c(k)表示第k个导频符号，N是所述序列的周期，*表示共轭复数。由此产生的序列组成的信号的峰值与均值的比值均很低，将其作为导频符号，从而使得电力线OFDM时域数据的峰均比很低；同时，复数伪随机序列的实部和虚部的随机性，进一步降低了电力线OFDM时域数据的峰均比，进而在电磁干扰强烈的电力环境下得到良好的通信质量。

Description

一种低峰均比电力线OFDM调制方法及装置

【技术领域】

本发明涉及电力线通信领域，具体涉及一种电力线OFDM调制方法及装置。

【背景技术】

电力线载波通信技术(PLC,Power Line communication)，是指利用已有的配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种技术。由于PLC技术充分利用最为普及的电力网络资源，建设速度快、投资少、户内不用布线，能够通过遍布各个房间的电源插座实现数据传输，为用户提供Internet接入、家庭局域网、远程抄表、智能家居等应用，具备了其它接入方式不可比拟的优势，因此，电力线载波通信技术具有不可替代的广阔应用前景。

然而，由于电力线本身并不是为了通信而设计的，其电力线环境非常恶劣，存在诸多问题：

●电力线信道的时变衰减大；

●信道模型随位置、网络拓扑结构和连接在网络上的负载变化而变化；

●由噪声负载引入的干扰强；

●背景噪声幅度大；

●不同类型的脉冲噪声复杂；

●电磁兼容(EMC)限制发射机发送的信号能量。

因此，电力线信道并不是十分合适的通信媒介，存在严重的干扰、严重阻抗失配和多径衰落严重等问题。

而OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交频分复用）技术作为一种多载波调制技术，其特点是各子载波相互正交。OFDM技术主要有如下几个优点：

首先，抗衰落能力强。由于低压输电线上阻抗变化幅度较大，信号传输时会出现严重的衰落。OFDM通过简单的打开和关闭某些子信道的方式来防止信道衰落。同时，OFDM技术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。其次，频率利用率高。OFDM所有子载波信号叠加到一起时，信号频谱接近于矩形频谱，因而其频谱利用率理论上可以达到香农（Shannon）信息论的极限。再者，适合高速数据传输。OFDM自适应调制机制使不同的子载波可以按照信道情况和噪音背景的不同使用不同的调制方式。当信道条件好的时候，采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，采用抗干扰能力强的调制方式。此外，抗码间干扰(ISI)能力强。OFDM将信道分为N个子载波，速度变为原信号的1/N，符号周期也相应的延长N倍，因为通常N都很大，所以OFDM具有相当强的抗ISI能力。可见，OFDM技术非常适合PLC的通信。

与单载波系统相比，由于OFDM符号是由多个独立的经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生较大的峰值功率，由此会带来较大的峰值平均功率比。而OFDM系统的一个主要缺点就是峰值平均功率比（简称峰均比，PAPR）过高的问题。所谓峰均比是指发射机输出信号为非恒包络信号时，其峰值功率和平均值功率的比值。而相对单载波系统而言，OFDM系统的输出信号瞬时值波动较大，进而可能导致信号的非线性失真，产生谐波，造成明显的频谱扩展干扰及带内信号畸变，导致整个系统性能下降，同时还增加A/D和D/A转换器的复杂度并降低它们的性能。因此，降低OFDM的峰均比具有重要意义。

目前，降低OFDM峰均比的方法主要有：1、信号预畸变技术，即在信号经过放大之前，首先要对功率值大于一定门限的信号进行非线性畸变处理，包括限幅、峰值加窗或者峰值消除。这些信号畸变不可避免的对系统性能造成了损害；2、编码方法，针对信号采用特定的编码图样处理，这种方法的缺陷在于，可供使用的编码图样数量非常少，编码效率也非常低；3、信号扰码法，其基本思想是利用一系列的扰码序列优化OFDM子信道的载波相位以寻找最小的峰均比相位组合。这种方法可以大大降低峰值出现的概率，降低畸变技术的不利影响，但该类方法的实现往往较为复杂。

【发明内容】

为了降低电力线OFDM通信中的峰均比，进而在电磁干扰强烈的电力环境下得到良好的通信质量，本发明提供了一种电力线OFDM调制方法及装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种电力线OFDM调制方法，包括以下步骤：

导频符号生成步骤，按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入步骤，将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；

逆离散傅里叶变换步骤，对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；

其中，c(k)表示第k个导频符号，N是所述序列的周期，τ是任意数，*表示共轭复数。

优选地，所述c(k)=exp[jrπk²/N]，其中，r为整数，且与N互质，j表示复数的虚数单位。

优选地，还包括复数伪随机调制步骤，对所述导频符号插入步骤形成的OFDM数据，用复数伪随机序列进行调制，形成OFDM符号；所述逆离散傅里叶变换步骤中的OFDM数据是所述OFDM符号。

优选地，所述复数伪随机序列的每个复数均包含实部和虚部。

优选地，所述复数伪随机序列通过算法

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(i\right)=[(1-{2P}_I)+j(1-{2P}_Q)]\\ P_I=X^{m\_i}\\ P_Q=X^{m\_q}\end{array}\right.$

生成；其中，P_C(i)表示所述复数伪随机序列第i个复数，X^m_i和X^m_q分别表示本原多项式为g_m(X)=X^m+a_m-1X^m-1+...+a₁X+a₀的级数为(m+1)的反馈移位寄存器的第m_i和m_q级输出，其中m_i∈[1,2,3,...,m],m_q∈[1,2,3,...,m]，且m_i≠m_q；(2^m-1)不小于OFDM所有子载波的个数，a_m-1表示反馈移位寄存器第(m-1)级的值。。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种电力线OFDM调制装置，包括：

导频符号生成装置，用于按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入装置，用于将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；

逆离散傅里叶变换装置，用于对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；

其中，c(k)表示第k个导频符号，N是所述序列的周期，τ是任意数，*表示共轭复数。

优选地，所述c(k)=exp[jrπk²/N]，其中，r为整数，且与N互质，j表示复数的虚数单位。

优选地，还包括复数伪随机调制装置，对所述导频符号插入装置形成的OFDM数据，用复数伪随机序列进行调制，形成OFDM符号；所述逆离散傅里叶变换装置中的OFDM数据是所述OFDM符号。

优选地，所述复数伪随机序列的每个复数均包含实部和虚部。

优选地，所述复数伪随机序列通过算法

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(i\right)=[(1-{2P}_I)+j(1-{2P}_Q)]\\ P_I=X^{m\_i}\\ P_Q=X^{m\_q}\end{array}\right.$

生成；其中，P_C(i)表示所述复数伪随机序列第i个复数，X^m_i和X^m_q分别表示本原多项式为g_m(X)=X^m+a_m-1X^m-1+...+a₁X+a₀的级数为(m+1)的反馈移位寄存器的第m_i和m_q级输出，其中m_i∈[1,2,3,...,m],m_q∈[1,2,3,...,m]，且m_i≠m_q；(2^m-1)不小于OFDM所有子载波的个数，a_m-1表示反馈移位寄存器第(m-1)级的值。

由导频符号生成步骤，按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 产生序列组成峰值与均值比很低的信号，将其作为导频符号，从而使得电力线OFDM时域数据的峰均比很低；

优选地，利用复数伪随机序列的实部和虚部的随机性，进一步降低了电力线OFDM时域数据的峰均比，进而在电磁干扰强烈的电力环境下得到良好的通信质量。

【附图说明】

图1是本发明电力线OFDM调制方法的一种具体实施例的流程图；

图2是本发明电力线OFDM调制装置的一种具体实施例的框图；

图3是本发明电力线OFDM调制方法的另一种具体实施例的流程图；

图4是本发明导频插入的四种具体实现方式的导频结构；

图5是本发明导频插入的另一种具体实现方式的导频结构。

【具体实施方式】

下面结合具体的实施案例，进一步阐述本发明。应理解，此实施案例仅用于说明本发明而不仅仅限制本发明的范围。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的电力线OFDM调制方法的一种具体实施例的流程图，包括以下步骤：

导频符号生成步骤，按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入步骤，将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；逆离散傅里叶变换步骤，对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；

如图2所示，本发明的电力线OFDM调制装置的一种具体实施方式，包括：

导频符号生成装置，用于按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{c}N,\mathrm{\τ}=0\\ 0,\mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入装置，用于将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；

逆离散傅里叶变换装置，用于对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换。

如图3所示，本发明的电力线OFDM调制方法的一种具体实施例的流程图，在本实施例中，导频子载波、数据子载波和子载波总数的个数分别为464、1856和2560个。

导频符号生成步骤，按照c(k)=exp[jrπk²/N]生成导频符合序列，N取本发明OFDM系统最大导频个数464个，即N=464，1≤k≤N，取r=N-1=463。

导频符号插入步骤，按照图4所示的导频图案，将导频符号c(k)插入数据符号之间，并插入无效子载波数据，形成子载波数据序列D_i,i=1,2,3,...,N_{sub_carrier}，N_{sub_carrier}表示OFDM所有子载波（包括导频子载波、数据子载波和无效子载波）的个数，即N_{sub_carrier}=2560。其中，导频图案根据系统的要求进行设计，可以是如图4所示的块状、梳状、方形及散状等各种导频图案，也可以是如图5所示的导频结构；数据的调制方式可以采用通信领域通常的BPSK、QPSK、16QAM调制方式。

复数伪随机调制步骤，包括产生二进制伪随机序列、产生复数伪随机序列和复数调制。具体而言：

首先，产生二进制伪随机序列。反馈移位寄存器在无线通信等领域已经获得了普遍的应用。选择合适的m位数和相应的合适的本原多项式g_m(X)，并设定一定的初始相位，利用反馈移位寄存器产生长度为M=2^m-1的伪随机序列。其中，g_m(X)=X^m+a_m-1X^m-1+...+a₁X+a₀，m的选取必须确保，使得伪随机序列的长度M大于等于OFDM所有子载波（包括导频子载波、数据子载波和无效子载波）的个数N_{sub_carrier}，即M≥N_{sub_carrier}。

本实施例中，取m=12，其对应的反馈移位寄存器产生长度为M=2¹²-1的伪随机序列，对应的本原多项式为g₁₂(X)，选取一个合适的多项式g₁₂(X)，可取g₁₂(X)=X¹²+X¹¹+X⁸+X⁶+1，并设定一定的初始相位，即该反馈移位寄存器的初始二进制取值状态。

其次，产生复数伪随机序列。根据上述步骤产生的伪随机序列，产生另一组特殊的伪随机序列，该序列是复数伪随机序列，既有实部也有虚部。该复伪随机序列P_C(i)生成方式见下式：P_C(i)=[(1-2P_I)+j(1-2P_Q)]。其中，P_I和P_Q均为0或者1组成的二进制伪随机数，并且均由生成多项式移位生成，即 $\left\{\begin{array}{c}{P}_I=X^{m\_i}\\ P_Q=X^{m\_q}\end{array}\right.$ m_i∈[1,2,3,...,m],m_q∈[1,2,3,...,m]。其中，X^m_i和X^m_q分别表示反馈移位寄存器第m_i和m_q级的输出。为了确保相同时刻情况下复伪随机序列实部和虚部的随机性，还要求m_i≠m_q。本实施例中，取P_I=X¹¹，P_Q=X⁹。

最后，复数调制。利用该复数伪随机序列对子载波数据序列进行复数调制，形成最终的频域OFDM符号S_i，即S_i=D_i×P_C(i),i=1,2,3,...,N_{sub_carrier}正是由于复数伪随机序列的实部和虚部的随机性，导致调制后的频域OFDM符号S_i也具有很强的随机性，进而确保产生的OFDM时域数据具有较低的峰均比特性。

逆离散傅里叶变换步骤，对最终的频域OFDM符号进行离散傅立叶变换(IDFT)，得到时域OFDM数据，并耦合到电力线上进行发送，即

$s_k=\underset{i=0}{\overset{N_{\mathrm{sub}\_{\mathrm{carrier}}^{-1}}}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{i+1}\·\exp (j-\frac{2\mathrm{\πik}}{N_{\mathrm{sub}\_\mathrm{carrier}}}),0\≤k\≤N_{\mathrm{sub}\_\mathrm{carrier}}$

按照上述步骤调制的时域OFDM数据，通过计算机进行算法，其结果如下表所示：

不同情况下仿真峰均比(PAPR)

从上表可以看出，不采用任何处置方法的原始OFDM信号在不同调制方式下的峰均比PAPR超过13.04dB的概率可达到1%，而本发明方法处理后的OFDM信号峰均比达到1%概率的门限值仅为9.25dB左右，相对于原始信号降低约4dB，降低幅度达30%。可见，本发明的电力线OFDM调制方法对于降低峰均是非常有效的。

Claims (10)

1.一种电力线OFDM调制方法，其特征是，包括以下步骤：

导频符号生成步骤，按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{cc}N,& \mathrm{\τ}=0\\ 0,& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入步骤，将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；

逆离散傅里叶变换步骤，对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；

其中，c(k)表示第k个导频符号，N是所述序列的周期，τ是任意数，*表示共轭复数，OFDM表示正交频分复用，mod表示数学取模运算。

2.如权利要求1所述的电力线OFDM调制方法，其特征是：所述c(k)＝exp[jrπk²/N]，其中，r为整数，且与N互质，j表示复数的虚数单位，π表示圆周率，exp为数学指数运算。

3.如权利要求1所述的电力线OFDM调制方法，其特征是：还包括复数伪随机调制步骤，对所述导频符号插入步骤形成的OFDM数据，用复数伪随机序列进行调制，形成OFDM符号；所述逆离散傅里叶变换步骤中的OFDM数据是所述OFDM符号。

4.如权利要求3所述的电力线OFDM调制方法，其特征是，所述复数伪随机序列的每个复数均包含实部和虚部。

5.如权利要求4所述的电力线OFDM调制方法，其特征是，所述复数伪随机序列通过算法

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(i\right)=[(1-2P_I)+j(1-2P_Q)]\\ P_I=X^{m\_i}\\ P_Q=X^{m\_q}\end{array}\right.$

生成；其中，P_C(i)表示所述复数伪随机序列第i个复数，X^m_i和X^m_q分别表示本原多项式为g_m(X)＝X^m+a_m-1X^m-1+...+a₁X+a₀的级数为(m+1)的反馈移位寄存器的第m_i和m_q级输出，其中m_i∈[1,2,3,...,m],m_q∈[1,2,3,...,m]，且m_i≠m_q；(2^m-1)不小于OFDM所有子载波的个数，a_m-1表示反馈移位寄存器第(m-1)级的值。

6.一种电力线OFDM调制装置，其特征是，包括：

导频符号生成装置，用于按照算法 $\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}c\left(k\right)c^{*}{(k+\mathrm{\τ})}_{\mathrm{mod}N}=\left\{\begin{array}{cc}N,& \mathrm{\τ}=0\\ 0,& \mathrm{\τ}\≠0\end{array}\right.$ 生成导频符号c(k)；

导频符号插入装置，用于将导频符号c(k)插入数据符号之间，形成OFDM数据；

逆离散傅里叶变换装置，用于对OFDM数据进行逆离散傅里叶变换；

其中，c(k)表示第k个导频符号，N是所述序列的周期，τ是任意数，*表示共轭复数，OFDM表示正交频分复用，mod表示数学取模运算。

7.如权利要求6所述的OFDM调制装置，其特征是：所述c(k)＝exp[jrπk²/N]，其中，r为整数，且与N互质，j表示复数的虚数单位，π表示圆周率，exp为数学指数运算。

8.如权利要求6所述的OFDM调制装置，其特征是：还包括复数伪随机调制装置，对所述导频符号插入装置形成的OFDM数据，用复数伪随机序列进行调制，形成OFDM符号；所述逆离散傅里叶变换装置中的OFDM数据是所述OFDM符号。

9.如权利要求8所述的OFDM调制装置，其特征是：所述复数伪随机序列的每个复数均包含实部和虚部。

10.如权利要求9所述的OFDM调制装置，其特征是：所述复数伪随机序列通过算法

$\left\{\begin{array}{c}{P}_C\left(i\right)=[(1-2P_I)+j(1-2P_Q)]\\ P_I=X^{m\_i}\\ P_Q=X^{m\_q}\end{array}\right.$

生成；其中，P_C(i)表示所述复数伪随机序列第i个复数，X^m_i和X^m_q分别表示本原多项式为g_m(X)＝X^m+a_m-1X^m-1+...+a₁X+a₀的级数为(m+1)的反馈移位寄存器的第m_i和m_q级输出，其中m_i∈[1,2,3,...,m],m_q∈[1,2,3,...,m]，且m_i≠m_q；(2^m-1)不小于OFDM所有子载波的个数，a_m-1表示反馈移位寄存器第(m-1)级的值。