基于電力線載波技術(shù)的船舶通信研究

李 妍

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

1 引言

現(xiàn)在船舶各數(shù)據(jù)終端的通訊連接一般通過(guò)船用電纜實(shí)現(xiàn)，常使用雙絞線，其通信效率高，抗干擾能力強(qiáng)。隨著科技的發(fā)展，船舶中許多設(shè)備不斷的更新與添加，而每種設(shè)備的增加，通信接口的增加都要求更多的電纜來(lái)連接。電纜的鋪設(shè)不僅耗費(fèi)不少人力物力，而且還需要不少時(shí)間。考慮到船舶中已有的最普及的網(wǎng)絡(luò)——船舶配電網(wǎng)絡(luò)，并且受到近幾年開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的電力線寬帶上網(wǎng)技術(shù)的啟發(fā)，如果可以將電力線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于船舶通信系統(tǒng)，則可免去不少鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)的麻煩。

2 船舶電力線載波通信技術(shù)存在的問(wèn)題

電力線載波通信技術(shù)(Power Line Carrier Communication Technology)，簡(jiǎn)稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和語(yǔ)音信號(hào)的一種通信方式。高速電力線載波通信應(yīng)用的主要領(lǐng)域是電力線上網(wǎng)。通過(guò)電力線組成局域網(wǎng)，然后通過(guò)相應(yīng)的電網(wǎng)貓與其它的寬帶相連接實(shí)現(xiàn)無(wú)布線組網(wǎng)。

對(duì)于高速數(shù)據(jù)通信，電力線是一個(gè)環(huán)境非常惡劣的信道，許多技術(shù)問(wèn)題一直困擾人們。其中，最主要的問(wèn)題在于噪音和信號(hào)衰減。電力線通信的噪音主要來(lái)自于低壓電網(wǎng)相連的負(fù)載，以及無(wú)線電廣播的干擾。負(fù)載的開(kāi)關(guān)會(huì)引起電流的波動(dòng)，在電力線的周?chē)a(chǎn)生電磁輻射，這樣，沿電力線傳送數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)許多意想不到的問(wèn)題。在這樣的噪聲環(huán)境下，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。而且，電力線通信的噪音和信號(hào)衰減是隨時(shí)間變化的，很難找到規(guī)律。因此，電力線通信的環(huán)境極為惡劣。

3 船舶電力線載波通信技術(shù)中噪音問(wèn)題的解決方法

解決這個(gè)問(wèn)題的，正是正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)。這一調(diào)制解調(diào)技術(shù)解決了在電力線環(huán)境中實(shí)現(xiàn)載波通信所存在的許多問(wèn)題，如信號(hào)干擾與衰減問(wèn)題。也正是這項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用使得高速電力線載波通信成為可能。

OFDM是一種無(wú)線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。無(wú)線信道的頻率響應(yīng)曲線大多是不平坦的，該技術(shù)的基本原理是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)，并在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個(gè)子信道是相對(duì)平坦的，在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸，信號(hào)帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，就可以大大消除信號(hào)波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個(gè)子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時(shí)又提高了頻譜利用率。而且大大擴(kuò)展了符號(hào)的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。

3.1 OFDM的調(diào)制

OFDM 調(diào)制由快速傅立葉變換 FFT過(guò)程產(chǎn)生，M位數(shù)據(jù)被編碼至圖1所示頻域內(nèi)的N個(gè)子載波上。M=N×B，B為每個(gè)調(diào)制符號(hào)的位數(shù)。在QPSK或DQPSK中，B=2；16-QAM中，B=4；64-QAM中，B=8。使用反向FFT(IFFT)將頻域子載波轉(zhuǎn)換到時(shí)域，產(chǎn)生一個(gè)OFDM符號(hào)，其時(shí)間長(zhǎng)度等于子載波間隔的倒數(shù)，同速率相比，它是一段非常長(zhǎng)的時(shí)間。

糾錯(cuò)處理采用疊加編碼和Viterbi編碼，編碼壓縮率為1/2，9/16，2/3，3/4。

3.2 OFDM的解調(diào)

OFDM使用發(fā)信的反向過(guò)程解調(diào)信號(hào)，周期前綴被從時(shí)域信號(hào)中剔除，每個(gè)符號(hào)都使用FFT轉(zhuǎn)換到頻域。當(dāng)使用 DQPSK調(diào)制方式時(shí)，通過(guò)檢查相鄰 OFDM 符號(hào)之間子載波的相位差進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼。

3.3 多徑反射

每個(gè)OFDM符號(hào)前加入一個(gè)周期前綴，用以在一個(gè)由多徑反射引起的時(shí)間色散信道中維持完全正交。前綴是復(fù)制符號(hào)的最后部分，將其加到符號(hào)的開(kāi)始部分而產(chǎn)生的，見(jiàn)圖2。長(zhǎng)的OFDM符號(hào)周期一般持續(xù)幾微秒，同占OFDM符號(hào)周期很小比例的周期前綴組合，是在時(shí)間色散信道中提高性能的關(guān)鍵因素。

3.4 多徑衰落

盡管OFDM可以消除多徑反射帶來(lái)的ISI，但還有一個(gè)叫做衰落的問(wèn)題也是由多徑反射帶來(lái)的。衰落是由反射信號(hào)到達(dá)后抵消了先前到達(dá)的信號(hào)(即 180°相移)所引起的，一般只發(fā)生在某些特定頻率或子頻率。因?yàn)榉瓷鋾r(shí)延一般是固定不變的，而相角卻是隨頻率變化的。其結(jié)果是丟失了一些子載波承載的數(shù)據(jù)。

解決該問(wèn)題的方法是增加頻譜交錯(cuò)和錯(cuò)誤碼來(lái)恢復(fù)丟失的位，這一般歸類為編碼 OFDM(COFDM)。DAB和DVB標(biāo)準(zhǔn)都使用COFDM。

4 結(jié)論

隨著電力線載波通信技術(shù)的成熟，相關(guān)電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，電力線載波通信技術(shù)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在船舶通信系統(tǒng)中使用這一技術(shù)是一種大膽的嘗試。

通過(guò)研究，高速電力線載波通信完全可以應(yīng)用于艦船通信中。本文主要解決了電力線載波通信在船舶通信中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，即采用OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)解決電力線傳輸噪聲的問(wèn)題。

[1]吳虹, 安亞?wèn)|, 盧桂章. 基于 OFDM 技術(shù)的高速數(shù)據(jù)通信的研究. 南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版, 2005,(3).

[2]徐斌, 殷小貢. 基于電力線的 OFDM 配電自動(dòng)化通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).可編程控制器與工廠自動(dòng)化(PLC FA), 2005, (6).

[3]閻世梁. OFDM 的原理及技術(shù)特點(diǎn). 信息技術(shù)(哈爾濱), 2004,(10).

[4]李引凡. OFDM 技術(shù)原理及其應(yīng)用. 信息技術(shù)與信息化, 2004, (5).

[5]肖金煌, 殷小貢. 基于 INT51X1芯片的調(diào)制技術(shù)在10 kV配電網(wǎng)自動(dòng)化通信系統(tǒng)中的應(yīng)用. 電力系統(tǒng)通信, 2005, (2).