基于OFDM技術(shù)的船舶電力線載波通信模塊的設(shè)計

周乃義，劉國平，陳庭勛

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基于OFDM技術(shù)的船舶電力線載波通信模塊的設(shè)計

周乃義，劉國平，陳庭勛

（浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院, 浙江 舟山 316022）

船用電纜通信的缺陷是電纜的成本高，設(shè)備的添加和減少都要對電纜進行變動。隨著科技的發(fā)展,船舶設(shè)備的數(shù)量在不斷增加，使得船舶電纜的鋪設(shè)變得雜亂無章、維護成本大大增加。借鑒電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的電力線載波通信技術(shù)（PLC），則可以有效減少船用電纜的鋪設(shè)量，降低船舶通信的成本。作者提出了一種成本低廉且實用的基于OFDM技術(shù)的船舶電力線載波通信模塊的設(shè)計。文中介紹了OFDM船舶電力線載波通信系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，并完成了系統(tǒng)外圍電路各個模塊的設(shè)計。

正交頻分復(fù)用 船舶電力線載波通信 載波模塊

0 引言

PLC技術(shù)利用電力線進行數(shù)據(jù)和信號通信。多年來，PLC在電力網(wǎng)通信領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在船舶上的應(yīng)用尚處于理論研究階段。船舶配電網(wǎng)絡(luò)的電力線原本僅作為電路使用，要達到載波通信的要求還有很多問題。比如說船舶電力線的通信信道存在噪音大、干擾強等缺陷，因此通信環(huán)境很差。OFDM技術(shù)的引入和優(yōu)化是實現(xiàn)基于船舶電力線的高速通信的關(guān)鍵。

OFDM技術(shù)實際上就是一種調(diào)制方式，它能夠根據(jù)通信信道的質(zhì)量選擇不同的調(diào)制方式，然后把高速的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路的低速數(shù)據(jù)流，再分別調(diào)制多路相互正交的子載波，最后將多路子載波合并成一路進行傳輸?shù)囊环N調(diào)制效率很高的技術(shù)。OFDM調(diào)制把信息分散到許多載波上，使得各子載波的信號速率大大減慢，從而造成碼元周期比多徑延遲時間還要長，最終克服了通信時的多徑傳播影響。

1 基于OFDM技術(shù)的船舶電力線載波通信的系統(tǒng)組成

OFDM的調(diào)制由IDFT實現(xiàn)，解調(diào)過程由DFT實現(xiàn)。通過對經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼形成的復(fù)數(shù)序列進行離散傅里葉反變換(IDFT)后，得到OFDM調(diào)制后的輸出復(fù)包絡(luò)信號。載波接收時，對采樣信號進行離散傅里葉變換(DFT)得到原始的數(shù)據(jù)序列。

基于OFDM的船舶電力線載波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

圖1 基于OFDM的電力線通信系統(tǒng)框圖

2 船舶電力線載波通信模塊的硬件設(shè)計

船舶電力線載波模塊利用船舶的交流過零點來傳輸高頻的載波信號。硬件部分包括載波主控芯片及外圍接口電路、載波發(fā)送電路、載波接收電路、載波信號耦合電路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 船舶電力線載波模塊載波模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 載波主控芯片及外圍接口電路

船舶載波產(chǎn)品作為一種智能控制網(wǎng)絡(luò)，需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的自動路由以及自適應(yīng)才能維持其穩(wěn)定性。穩(wěn)定性對載波芯片的物理層通信的性能、接收載波信號的質(zhì)量監(jiān)控、被動態(tài)地設(shè)置為路由模式、協(xié)議棧提出了比較嚴格的要求。載波通訊芯片RISE3501E恰好能夠滿足要求。其中，晶振電路的晶振頻率為10 MHz，最高工作頻率可以達到60 MHz。載波主控芯片外圍接口電路如圖3所示。

2.2 載波發(fā)送電路

在載波發(fā)送電路中，載波發(fā)送信號控制寄存器由底層軟件進行配置。通過實驗，實測RISE3501E芯片引腳DAC _OUT輸出電平的峰值VPP約為0.8-1，然后經(jīng)載波發(fā)送電路進行放大處理后，TX_OUT輸出電平在空載時的輸出峰值電壓VPP為11-13；當(dāng)帶1.5 ?負載時，輸出電平范圍在2.5-4 Vpp；載波發(fā)送電路如圖4所示。

2.3 載波接收電路

載波接收電路僅讓132 kHz的載波信號通過，衰減132 kHz以外的頻率的信號。從載波耦合電路過來的載波信號從TX_OUT進入到載波接收電路，通過三階帶通（BPF）濾波器和衰減控制電路進入載波芯片RISE3501E的PGC_VIN引腳，然后由RISE3501E進行接收，最后由RISE3501E內(nèi)部集成的載波模塊進行解調(diào)。解析處理過程完全由底層硬件、軟件程序自動完成。載波接收電路如圖5所示。

2.4 載波信號耦合電路

在設(shè)計載波信號耦合電路時，阻抗應(yīng)盡量小，讓發(fā)射的載波功率最大地耦合到船舶電力線上。同時，耦合線圈漏感應(yīng)該盡量小，讓耦合到船舶電力線上的信號強度達到最大。載波信號耦合電路如圖6所示。為了隔離交流電，同時讓有用的高頻載波信號自由通過，本文在輸入端火線A、B上分別串一個0.2 μF/280V的聚酯電容。另外，選擇一個電感量2.1~2.3 mH的，變比為 1：1的耦合線圈來隔離無用的高壓電、傳輸有用的載波信號。這樣設(shè)計的話，讓大部分高壓都降在兩個聚酯電容上，避免后面的電路出現(xiàn)高壓。在進行載波信號的接收時，耦合線圈的輸出信號再經(jīng)電容進一步濾波后，直接傳輸給載波信號接收電路。在進行載波信號的發(fā)送時，同樣可以順利把載波信號耦合到船舶電力線上。最后，為了保護后面的電路，防止瞬間的高能量沖擊破壞后面的電路，應(yīng)在載波信號的耦合電路的末端加一個TVS瞬變二極管。

圖3 載波主控芯片及外圍接口電路

圖6 載波信號耦合電路

2.5 過零檢測電路

過零檢測電路過零正向?qū)?，電路如圖7所示。過零檢測的端口ZERO與載波芯片RISE3501E的引腳相連。實驗表明，當(dāng)交流信號經(jīng)過過零檢測電路時，正過零延時的大致時間為0.5~0.59 ms。為了讓干擾降到最小，確保在延時時間內(nèi)進行載波通信。如果硬件參數(shù)跟本電路不一致，則需要通過實驗測試實際的零點延遲時間。

圖7 過零檢測電路

3 載波模塊的軟件設(shè)計

載波模塊進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收由NEC單片機的外部中斷子程序控制。OFDM的實現(xiàn)也是由NEC中的軟件模塊承擔(dān)。載波信號發(fā)送/接收子程序流程圖如圖8所示。主程序函數(shù)包含各功能寄存器的的初始化，等待發(fā)送載波信號等。中斷子程序負責(zé)對外部輸入進行響應(yīng)，然后通過船舶電力線發(fā)送（接收）數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

針對船舶上獨特噪音特點，仍需要采用并改進以下技術(shù)手段進行改進。首先，可從信號的接收端著手，解決頻譜可能覆蓋信號頻譜的噪音問題，從而提高信號接收端的靈敏度和可靠性，提高識別信號而過濾噪音的能力。其次，為了避免突發(fā)性和周期性噪音的干擾，要加強信號收發(fā)的運行體制，強化糾錯功能、重發(fā)機制、預(yù)讀機制等。最后，采用擴頻通信技術(shù)來克服信號衰減和噪音干擾的問題。實際上，要從根本上改善PLC技術(shù)在船舶通信中的噪音問題，還需要很長一段時間繼續(xù)將OFDM調(diào)制技術(shù)進行優(yōu)化。在調(diào)制解調(diào)過程中，強化OFDM技術(shù)的編碼和解碼能力，并優(yōu)化其抗衰減能力。

圖8 載波信號發(fā)送/接收子程序流程圖

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Design of Ship Power Line Carrier Communication Module Based on OFDM

Zhou Naiyi, Liu Guoping, Chen Tingxun

（Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China）

U664.82 TP273

A

1003-4862（2014）12-0049-04

2014-05-14

周乃義（1989-），男，碩士。研究方向：遠洋漁船自動化與儀器儀表。