基于多載波調(diào)制技術(shù)的低壓電力線通信的研究

孟威　楊海峰?吳旭　劉春亮

摘要：隨著數(shù)字化時(shí)代的到來，低壓電力線通信方式受到了越來越多的關(guān)注。文章介紹了低壓電力線通信原理，詳細(xì)闡述了影響通信質(zhì)量的各種因素，通過分析比較得出基于濾波多音調(diào)制技術(shù)的低壓電力線通信系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：低壓電力線通信；FMT；調(diào)制解調(diào)

中圖分類號(hào)：TN913 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）17-0020-02

1 研究背景及意義

為了保證電力系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，利用電力線傳遞信息的技術(shù)即“電力線載波通信”得以產(chǎn)生。電力線載波通信（Power Line Carrier Communication）簡(jiǎn)稱PLC，即人們常說的“電力線上網(wǎng)”，是借助于電力線這種介質(zhì)來進(jìn)行載波傳輸信息的一種通信方式，是電力系統(tǒng)特有的、基本的通訊方式。它是建立在電力輸送網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的，實(shí)現(xiàn)電力線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間以及與其他通信網(wǎng)絡(luò)通信的系統(tǒng)。作為電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化、管理現(xiàn)代化、運(yùn)營(yíng)市場(chǎng)化的核心與電力通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，電力線載波通信一直是相關(guān)部門研究和發(fā)展的重點(diǎn)。

2 低壓電力線載波通信

2.1 低壓電力線載波通信原理

低壓電力線載波通信作為電力系統(tǒng)基本、獨(dú)有的通信方式，它用低壓配電線作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行信息的傳遞。實(shí)現(xiàn)了電力線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的連接，并且能夠與其他外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，是建立在低壓配電網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的通信系統(tǒng)。

2.2 低壓電力線載波通信的優(yōu)點(diǎn)

低壓PLC的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

經(jīng)濟(jì)性能好：低壓電力線載波通信可在已有的配電網(wǎng)絡(luò)傳輸，不用另外新布線，因此減少了投入，節(jié)省了成本，并且對(duì)外界的破壞也降低。

應(yīng)用范圍廣：電力資源與人們的生活早已密不可分，我國(guó)的用電用戶已經(jīng)超過了10億以上，電力線網(wǎng)絡(luò)是我國(guó)分布最廣的網(wǎng)絡(luò)之一，所以電力線通信很容易地滲透到了千家萬戶以及各種公共場(chǎng)所，作為其他寬帶接入方式的延伸和補(bǔ)充，為互聯(lián)網(wǎng)更為廣闊的發(fā)展提供便利的條件。

傳輸速率較高：目前的低壓PLC傳輸速率得到了很大的提升，一般在1～200M之間。利用PLC接入網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率已經(jīng)遠(yuǎn)高于ISDN、ADSL、撥號(hào)上網(wǎng)等其他方式，而且隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，更多的高速率PLC產(chǎn)品將會(huì)越來

越多。

2.3 低壓電力線載波通信的主要性能指標(biāo)衡量

一個(gè)通信系統(tǒng)的性能如何一般通過以下八個(gè)指標(biāo)來衡量：有效性、可靠性、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、保密性、標(biāo)準(zhǔn)性、維修性和工藝性。通信系統(tǒng)的功能就是將傳輸?shù)南⒖焖?、?zhǔn)確、穩(wěn)定地進(jìn)行交換。所以從通信系統(tǒng)的功能來考慮，我們把信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃赃@兩項(xiàng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)通信系統(tǒng)性能的主要參考。

2.4 影響低壓電力線通信的主要因素

低壓電力線本身只是為了輸送電能而設(shè)計(jì)的，不同于專用的通信線路，因此以低壓電力線作為通信介質(zhì)相比于其他專用通信線路有著更多的復(fù)雜性和不確定性。

線路阻抗、負(fù)載阻抗和噪聲影響是電力線作為通信載體的自身弱點(diǎn)。

噪聲干擾：對(duì)低壓電力線通信造成影響的主要是噪聲干擾。低壓配電網(wǎng)信道中的噪聲頻率一般從幾十萬赫茲到二十兆赫茲之間。

線路阻抗：配電線路本所用到的金屬材料的粗細(xì)傳輸?shù)木嚯x以及老化程度都對(duì)阻抗有直接影響，阻抗越大，信號(hào)的衰減程度越大；地電容影響著一些地下電纜的通信過程，隨著頻率升高，信號(hào)衰減同時(shí)也會(huì)越來越大。

負(fù)載阻抗：當(dāng)啟動(dòng)低壓電力線上的不同用電設(shè)備時(shí)，傳輸信號(hào)會(huì)在其工作頻點(diǎn)產(chǎn)生具有阻抗特性的深度衰落。雖然這種負(fù)載不會(huì)在整個(gè)頻域內(nèi)出現(xiàn)，但其產(chǎn)生的時(shí)段性、突發(fā)性和普遍性會(huì)對(duì)通信質(zhì)量帶來一定的影響。

3 多載波調(diào)制技術(shù)

多載波調(diào)制（Multicarrier Modulation）技術(shù)采用了多個(gè)載波信號(hào)，它把所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分解為若干個(gè)子數(shù)據(jù)流，利用這些子數(shù)據(jù)分別去調(diào)制若干個(gè)子載波。在多載波調(diào)制信道中，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，碼元周期加長(zhǎng)，只要時(shí)延擴(kuò)展與碼元周期相比小于一定的比值，就避免碼傳輸系統(tǒng)中的ISI，同時(shí)多載波調(diào)制對(duì)于一般通信信道的時(shí)間彌散特性不敏感。目前在實(shí)際應(yīng)用中具有代表性的多載波技術(shù)有擴(kuò)頻通訊技術(shù)（SS）、多載波正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)以及濾波多音調(diào)制（FMT）技術(shù)等。

3.1 擴(kuò)頻通信技術(shù)

擴(kuò)頻通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication）可以簡(jiǎn)單的描述為：一種擴(kuò)展頻譜的通信技術(shù)。在發(fā)送端頻帶的擴(kuò)展是通過一個(gè)獨(dú)立的碼序列來完成，然后再通過編碼和調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程與所傳輸?shù)男畔⒈旧頍o關(guān)。在接收數(shù)據(jù)的一端，利用與發(fā)送端相對(duì)應(yīng)的碼序列進(jìn)行接收與解擴(kuò)等過程后，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行恢復(fù)。簡(jiǎn)言之，擴(kuò)頻通信是將所要傳輸?shù)男盘?hào)帶寬擴(kuò)展到很寬的頻帶中進(jìn)行傳輸?shù)囊环N通信方式。

3.2 正交頻分復(fù)用技術(shù)

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復(fù)用技術(shù)是多載波調(diào)制的一種，也是一種復(fù)用技術(shù)。它在指定的頻段內(nèi)選取若干個(gè)子載波，將信息符號(hào)調(diào)制在多個(gè)子載波上同時(shí)發(fā)送，每一個(gè)子載波相當(dāng)于一個(gè)窄帶傳輸。

OFDM將編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后，利用若干個(gè)子載波分別進(jìn)行調(diào)制。所采用的子載波具有在頻率上等間隔的特點(diǎn)，各子載波采用數(shù)字符號(hào)調(diào)制，各載波上的信號(hào)功率形成都是相同的通過選擇載波間隔的方式，使這些子載波在整個(gè)符號(hào)周期上保持頻譜的正交性，各子載波上的信號(hào)在頻譜上相互重疊；接收端，利用載波之間的正交性可以無失真地恢復(fù)發(fā)送信息。在使用正交頻分復(fù)用技術(shù)的低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，可以同時(shí)結(jié)合頻域自適應(yīng)等技術(shù)，用來傳輸信息的各子載波的數(shù)量、編碼、同步等方式完全可以根據(jù)信道不同而進(jìn)行調(diào)整，所以正交頻分復(fù)用技術(shù)能夠在一定程度上解決低壓電力線信道中時(shí)變性的問題。

3.3 濾波多音調(diào)制技術(shù)

1999年Giovanni Chenrubini等人提出了濾波多音調(diào)制（Filtered Multitone Modulation，F(xiàn)MT），并論證了采用子信道頻帶不重疊劃分方法的濾波多音調(diào)制技術(shù)，能彌補(bǔ)一些高速數(shù)字接入技術(shù)中的缺點(diǎn)，例如能有效地降近端串?dāng)_（NEXT）、遠(yuǎn)端串?dāng)_（FEXT）、回聲（ECHO）所帶來的信道間的干擾問題（ICI）?；跒V波多音調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度較高，因此目前仍處于理論研究階段。

3.4 三種調(diào)制技術(shù)的性能比較

擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：（1）干擾性強(qiáng)；（2）低功率頻譜密度；（3）高保密性；（4）容量大、地址多。其缺點(diǎn)主要有：（1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜；（2）在頻帶資源有限的的情況下主要弱點(diǎn)為傳輸信息需要的最小帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于擴(kuò)頻后的頻帶帶寬；（3）實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的擴(kuò)頻碼分多址方面仍存在一些困難。

OFDM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)包括：（1）可以最大限度利用頻譜資源；（2）可以實(shí)現(xiàn)較高的安全傳輸性能，它允許數(shù)據(jù)在復(fù)數(shù)的高速的視頻上被編碼；（3）容易和其他接入方法結(jié)合應(yīng)用，形成OFDMA系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多用戶同時(shí)信息傳輸功能；（4）對(duì)傳輸線路上的多路徑外界信號(hào)干涉有較強(qiáng)的抵抗力，非常適合工作在一些惡劣的通信環(huán)境中。

FMT調(diào)制技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠避免通信系統(tǒng)中的碼間串?dāng)_；其主要的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因?yàn)樗膬?yōu)于OFDM的頻帶抑制能力是通過在系統(tǒng)的各個(gè)子信道加入了一個(gè)具有相當(dāng)復(fù)雜度的濾波器為代價(jià)來獲得的，因此直接實(shí)現(xiàn)的FMT系統(tǒng)在運(yùn)算量上相對(duì)較大，但通過采用了FMT系統(tǒng)有效實(shí)現(xiàn)方法，濾波多音調(diào)制系統(tǒng)在復(fù)雜度上的差距得以明顯減小。

4 結(jié)語

文章首先敘述了低壓電力線通信的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展電力線通信的現(xiàn)實(shí)意義，通過其通信原理總結(jié)出影響電力線通信的主要因素。目前在低壓電力線通信中多載波調(diào)制技術(shù)具有良好的性能，通過與其他調(diào)制方式的對(duì)比，得出濾波多音調(diào)制技術(shù)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)多載波技術(shù)的一些缺點(diǎn)。同時(shí)分析了目前多載波調(diào)制技術(shù)中擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)、OFDM頻分復(fù)用技術(shù)和濾波多音調(diào)制技術(shù)三種調(diào)制技術(shù)的原理和特點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：孟威（1980—），男，遼寧錦州人，遼寧省電力有限公司信息通信分公司工程師，研究方向：電力信息通信。