船舶通信中應(yīng)用OFDM電力線載波通信技術(shù)研究

蔡新梅

（葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

船舶有線通信主要包括船內(nèi)電話、廣播、電視、局域網(wǎng)等。這些終端設(shè)備一般都通過船用電纜連接，各種終端設(shè)備都需要自己專用的信號線，設(shè)備的增添和減少都需要進(jìn)行電纜線路的改變，使組網(wǎng)線路復(fù)雜、成本增大。為了減少線路的鋪設(shè)數(shù)量，利用現(xiàn)有船舶電力線資源，采用先進(jìn)的電力線傳輸技術(shù)，結(jié)合OFDM調(diào)制技術(shù)，將使船舶通信的質(zhì)量提高。

1 船舶低壓電力線載波通信技術(shù)

我國鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范規(guī)定：船舶電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率為50 Hz、60 Hz，船舶電網(wǎng)的額定電壓為400 V、450 V，因此，我國船舶電網(wǎng)的電壓、頻率采用的是固定制，即船用電網(wǎng)電壓、頻率都不變。

電力線載波通信技術(shù)（PLC），是指利用電網(wǎng)中的電力線進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)和信號的一種通信方式。 船舶低壓電力線最初是作為輸電線路，而非通信所用。因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。低壓電力線信道的通信環(huán)境惡劣，存在變化的阻抗，不可預(yù)測的噪聲干擾，強(qiáng)烈的信號衰減，這些都是由信道本身的特性決定的[1]。近年來，隨著PLC芯片技術(shù)的突破，尤其是多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的應(yīng)用，對電力線載波通信中存在的抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落以及信號沖突等問題提出了有效的解決方案，從而為實現(xiàn)電力線上的高速數(shù)據(jù)通信提供了有力的技術(shù)保證，目前正朝著實用化的方向發(fā)展。

2 OFDM 技術(shù)

OFDM（正交頻分復(fù)用）是MCM （多載波調(diào)制）技術(shù)的一種。OFDM技術(shù)是一種能有效的對抗頻譜衰落的調(diào)制方式, 它通過DFT（離散傅立葉變換） 將串行數(shù)據(jù)調(diào)制到并行的正交子載波上,因而能夠?qū)剐诺赖亩鄰叫?yīng)和符號間干擾[2]。OFDM技術(shù)使用了自適應(yīng)調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。

3 OFDM 應(yīng)用于低壓電力線通信的可行性分析

OFDM技術(shù)作為一種多載波調(diào)制技術(shù)和頻分復(fù)用技術(shù)在通信的有效性和可靠性方面都有著比較明顯的優(yōu)勢，采用OFDM技術(shù)用以實現(xiàn)低壓電力線通信已成為目前研究的熱點。

1） 消除電力線信道符號間干擾ISI和子載波間干擾ICI。

OFDM將數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到N個子信道中傳輸，使每個子信道中的符號周期增加為原來的N倍，因此可以減少由于信道的多徑時延擴(kuò)展所產(chǎn)生的時間彌散性帶來的ISI對系統(tǒng)所造成的影響。OFDM在碼元間插入保護(hù)間隔，使保護(hù)間隔大于信道最大多徑時延，則所有時延均小于符號的保護(hù)間隔長度，其多徑分量都不會對下一個符號產(chǎn)生影響，從而避免子載波之間的串?dāng)_ICI。

2） 降低電力線信道的頻率選擇性衰減造成的影響。OFDM技術(shù)將電力線信道造成的頻率選擇性衰落等突發(fā)性干擾分配到相互正交的子信道上，使這種干擾變?yōu)殡S機(jī)干擾，在接收端采用前向糾錯編碼就可以恢復(fù)原始信號。

3） 抵抗窄帶衰落。OFDM通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。由于窄帶干擾只能影響小部分的子載波，因此，OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。

4） 頻譜利用率高[3]。OFDM的子載波相互正交，這一特性決定了即使在子載波之間的頻譜間隔Δf很小，子載波頻譜相互重疊的情況下，子信道間也沒有相互干擾。因此與常規(guī)的頻分復(fù)用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)頻帶利用率大為提高，從而節(jié)省通信頻帶資源。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖1為基于OFDM電力線傳輸?shù)拇巴ㄐ畔到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。在發(fā)送時，利用OFDM調(diào)制技術(shù)將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，然后在電力線上進(jìn)行傳輸；在接收端，信號先經(jīng)過放大后，再由濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)及前向糾錯控制，就可以得到原通信信號[4]。

1） 物理層器件選擇

本系統(tǒng)可選用SPC200C進(jìn)行設(shè)計，該器件MAC層采用TDMA和CSMA組合技術(shù)，既能提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，并且具有即插即用的性能，是目前業(yè)界首款能支持64個終端用戶的解決方案。SPC200C是電力線通信物理層專用器件，也是目前速度最快、最為完善的高速PLC器件之一。

2） 電力線調(diào)制解調(diào)器

在整個通信系統(tǒng)中，調(diào)制解調(diào)器是核心部分，擔(dān)負(fù)著數(shù)據(jù)流的控制及數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)任務(wù)。INT5200是Intellon公司最新的基于PLC寬帶接入的調(diào)制/解調(diào)芯片，第一次將MAC/PHY和AFE集成在一塊芯片內(nèi)部，是INT51X1的更新替代產(chǎn)品。在84個載波上利用DBPSK/DQPSK調(diào)制原理使其傳輸速率最高可達(dá)14 Mbps。它的媒質(zhì)訪問控制（MAC）采用的是載波多路偵聽/沖突避免（CSMA/CA），并有56位的密匙管理以保證PLC通信安全。協(xié)議棧中還內(nèi)置了自適應(yīng)頻率選擇使其能自動調(diào)整信道，再加上前向糾錯、優(yōu)先權(quán)限設(shè)計及自清除重發(fā)（ARQ）等措施，即使在惡劣的環(huán)境下，仍能保證很高的信噪比。

3） 信號耦合電路模塊

考慮到系統(tǒng)的瞬時保護(hù)問題，避免器件受到過電壓等因素的沖擊而破壞，因此，要考慮到使用保護(hù)器件。由于采用的是電力線進(jìn)行信號的傳送，連接到AC交流插座的低壓電子設(shè)備很容易受到放電和開關(guān)等瞬時現(xiàn)象的影響，電感耦合是利用變壓器電磁感應(yīng)耦合的原理，高頻載波信號作為原邊線圈，電力線線圈作為副邊線圈，通過高導(dǎo)磁率的磁環(huán)構(gòu)成一個信號傳輸變壓器，則原邊電流源信號由電磁耦合到副邊電力線路上去，由此可知，副邊電力線上的高頻信號的變化也會感應(yīng)到原邊信號線上，為調(diào)制解調(diào)設(shè)備所接受。耦合器的抗衰減要求非常嚴(yán)格，應(yīng)不大于6 dB[5]。

5 結(jié)束語

在船舶通信系統(tǒng)中使用OFMD技術(shù)是船舶通信中的一種新技術(shù)。通過相關(guān)研究，OFDM 技術(shù)具有較高的頻譜利用率,能夠抗多徑時延、頻率選擇性衰落和突發(fā)干擾的性能,適用于供電線路局部區(qū)域內(nèi)的計算機(jī)及電電力線載波通信,是一種很有潛力及前景的傳輸調(diào)制方式。OFDM 技術(shù)已成為電力線載波通信的關(guān)鍵技術(shù),隨著OFDM 技術(shù)的不斷發(fā)展,必將在電力線載波通信中發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 吳慎山,付會凱. 基于 OFDM 技術(shù)的電力線載波通信研究[J]. 微計算機(jī)信息, 2009，25（2）:165-166.

[2] 賈景譜, 耿煊. 基于OFDM 系統(tǒng)的低壓電力線通信信道估計的研究[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2007，（2）:164-165.

[3] 宦若虹, 金向東. OFDM技術(shù)及其在電力線通信中的應(yīng)用[J]. 低壓電器, 2006，（4）:50-52.

[4] 呂海峰, 王贊基, 郭靜波. 電力線正交頻分復(fù)用通信的實時信道估計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2003，27（9）:29-31.

[5] 孫藝敏. 基于OFDM的中壓電力線寬帶通信設(shè)計.廣西電力, 2010,（2）:19-21.