电力宽带载波分析

1.PLC技术及工作原理

PLC(Power Line Communication) 电力线通信是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。电力线是一个极其不稳定的高躁声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上各种因素如：噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。

PLC目前主要采用2种技术:

扩频通信(SSC)

正交频分复用(OFDM)

1.1SSC技术

SSC就是用伪随机编码将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。


　　香农公式C＝Wlog2（1＋P／N）（其中：C为信道容量，W为频带宽度，P／N为信噪比）指出，频带W和信噪比P／N是可以互换的，这意味着如果增加频带的宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通信的核心所在。

就低压电力载波通信而言，应用扩频通信的主要优点如下：

　　1、抗干扰能力强，适合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据信息。
　　2、可以实现码分多址技术，在低压配电网上实现不同用户的同时通信。
　　3、信号的功率谱密度很低，具有良好的隐蔽性，不易被截获。

　 扩频通信虽然抗干扰能力较强，但受其原理制约。传输速率最高只能 达到1Mbit／s左右。采用SSC技术的PLC通常称为窄带PLC。

1.2OFDM技术

OFDM技术把所传输的高速数据流分解成若干个子比特流。每个子比特流具有低得多的传输速率，并且用这些低速数据流调制若干个子载波。

　　假设1个周期内传送的码元序列d0，d1，…，dN－1通过串--并转换器分别调制在N个子载波f0，f1，…，fN－1上，这些子载波满足正交特性，其频谱相互重叠。所谓子载波频谱正交，是指在传统的频分复用（FDMA）系统中2个相邻子载波的频率相差系统的码元传输速率为fs，2个相邻子信道的中心频点至少相差fs的3-5倍，以防止邻道干扰。而OFDM的相邻子载波十分接近，大大提高了频谱利用率。它们在频域上是相互交叠的，其频谱分布如图1所示。

图1

研究表明，只要子载波之间满足特定的正交约束条件，采用变频和积分的手段就可以有效地分离出各个子信道信号。

　　OFDM调制的原理虽然是用N个相互正交的载频分别调制N路子信道码元序列，但是在实际系统中很难采用这种方式，因为我们无法防止子信道之间严重的邻道干扰。OFDM调制之所以成功应用的一个重要原因是它可以采用DSP技术来实现调制和解调过程。

　　实际上系统通常采用DSP芯片由快速傅里叶反变换（IFFT）实现上述过程。发送部分由串－并转换器、基带调制模块、IFFT、合路器和D／A转换器组成。工作过程如下：发送端将高速数据流通过串－并转换器分解成N个低速数据块，对每路低速数据进行基带调制（可采用BPSK，QPSK，QAM，TCM等），然后通过IFFT将基带调制信号搬移到N路子载波上合路后发出。发送信号通过叠加了各种噪声和干扰的电力线信道传递到接收端。（图2即从网上摘抄的一个实际结构图）

图2

接收器用A／D转换器、带通滤波器、FFT、解调模块等部分组成。其工作过程为：采用FFT恢复基带信号，并采用相应的解调方式解调出N路低速数据，最后通过并－串转换合成原始高速数据流。

相比SSC技术，OFDM具有以下的优点：

1、是抗衰减能力强。OFDM通过多个子载波传输用户信息，对脉冲噪声(ImpulseNoise)和信道快衰落的抵抗力很强。同时，通过子载波的联合编码，OFDM实现了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，OFDM就没有必要再外加时域均衡器。

2、是频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统上利用保护频带分离子信道的方式，因此提高了频率利用效率。

3、是适合高速数据传输。OFDM的自适应调制机制，使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的情况选择不同的调制方式。当信道条件好的时候，子载波采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，子载波采用抗干扰能力强的调制方式。而且，OFDM加载算法技术，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上，以高速率的方式进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。

4、是抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多。实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。由于OFDM采用了循环前缀，因此，对抗码间干扰的能力很强。

OFDM技术亦有以下不足：

1、是对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术利用各个子载波之间严格的正交性来区分各个子信道。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

2、是峰均功率比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率降低。与单载波系统相比，由于OFDM 信号是由多个独立的、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比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰均功率比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况。通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。峰均功率比高会提高其对射频放大器的要求，并导致射频信号放大器的功率效率降低。

3、是负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。并且，当终端移动速度每小时高于30公里时，已经不适合采用自适应调制技术。

2.OFDM技术市场分析

欧洲提出的正交频分复用(OFDM)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。虽然BPL(电力线传输宽带)技术还存在一些技术障碍，标准方面的争斗，但是BPL支持者认为BPL（电力线传输宽带）将会与DSL和有线电缆形成竞争。国际上多家产商都推出了电力宽带载波芯片，如表1：

表1

表1(续)

不过值得注意的是以上厂家芯片真正得到应用的不多。Intellon虽然是北美老大，而且在中国知名度最高，历史最长，但是相比其他而言仍然是窄带。

Maxim推出的Max2990，从其介绍而言是真正的宽带产品，遗憾的是现在连DATASHEET(http://china.maxim-ic.com/quick_view2.cfm/qv_pk/5890）都没有完善。估计离面市还早的很。

Yitran的IT800(http://www.yitran.com/index.aspx?id=3360(IT800))已经量产应用，但是国内都没见用。

DS2的DSS9101已经被国内多家公司应用，并且推出了成熟的产品，而且经过一些测试了。看来DS2在国内的前景最为看好。

Spidcom拥有的SPC300也不错。

西班牙ADD(AdvancedDigi-talDesign)公司也已经推出一款基于OFDM调制方式的电力线载波通信芯片ADD1020。该芯片包括物理层和MAC控制协议，集成了微控制器。工作频段在42kHz～88kHz之间，数据速率从20kbps到128kbps。
德国公司iAD与其合作伙伴arivus公司推出的最新OFDM电力线载波通信芯片为DLC-2B。该芯片包括物理层和MAC控制层，也集成了微控制器。工作频段在10kHz～490kHz之间，数据速率从9.6kbps到576kbps。

3.电力低压宽带集抄

虽然BPLC支持者会列出一长串的好处，但是无论在国内还是国外都面临困难。当然国内就更明显了。国内电网质量差，楼宇在建设时电力线走向和规格都不符合标准，所以线路虚接线路串扰的现象还是非常普遍的，在日常用电时不觉得，一旦网络数据从电线中流过则会发现所有隐患问题。现在上网搜索一下，就会列出更多的困难条件。在国外由于电压很稳定加上国家鼓励用电，电力资源丰富，所以通过电力线上网没有出现国内速度不稳定的情况。但是也会面临诸如radio爱好者的强烈抗议等，令人吃惊的是PLC必须注意这些抗议。PLC还有标准不统一的问题，Intellon是HomePlug标准的拥护者，但是DS2并不赞同HomePlug家庭组网标准，而是大力提倡UPA（通用电力线联盟）和最新的ITU G.hn标准。G.hn可以兼容UPA，并且也得到其它几个标准组织的支持，包括HomePAN、HomeGrid和CABA等。G.hn成立于2006年，现在已有40多个成员公司，得到英国电信和英特尔公司的大力支持。此外，IEEE也在搞一个统一的标准P1901，这与G.hn形成直接竞争。中国也在制定自己的标准。

所以如果现在使用PLC技术的话，最好用在一些特定的工业领域。比如说电力低压宽带集抄。过去，电力线载波通信技术主要基于FSK（频移键控）等调制方式。但当电表数量达到上百万台之后，要保证电表与控制中心之间安全、可靠的通信变得越来越困难。而且，智能电网相关功能所需的实时通信也变得越来越困难。这时候OFDM电力线载波技术具有的抗衰减能力强、频率利用率高、适合高速数据传输以及抗码间干扰(ISI)能力强等优势就在自动抄表系统及未来智能电网的发展中有一定的竞争力了。

3.1电力线宽带集抄系统的特点

A.拓扑结构简单

B.覆盖面广，成本低，无需再走线。可靠性高，传输率高。不仅大大提高了抄表工作的效率，而且能够为供电企业提供远程用电管理的双向网络通信平台，从而轻易实现用电预付费、断复电和防窃电功能，并可增值用户电费查询、网上缴费等网络服务功能，是提高电力用户用电信息管理水平的重要技术手段。

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