窄帶電力通信引入OFDM技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速率
來(lái)源：電子產(chǎn)品世界
摘要： 當(dāng)前，電力線通信應(yīng)用范圍從高速寬帶因特網(wǎng)連接到窄帶控制應(yīng)用和低帶寬數(shù)據(jù)收集，在這些應(yīng)用中，低成本和高可靠性是主要的設(shè)計(jì)限制。在室內(nèi)環(huán)境中，窄帶電力線通信使家庭和樓宇中的供暖、空調(diào)、照明、房間設(shè)計(jì)方案編程和安全系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。在室外，窄帶電力線網(wǎng)絡(luò)允許控制街道照明或遠(yuǎn)程收集功率表中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而簡(jiǎn)單流程節(jié)省大量的能源。
Abstract：
Key words :
電力線網(wǎng)絡(luò)是迄今為止世界上最大的網(wǎng)絡(luò)。使用電力線通信的想法最早可追溯至1920年，當(dāng)時(shí)安裝在專用線纜上的通信設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于目前在交流電力線上安裝的設(shè)備數(shù)量。
當(dāng)前，電力線通信應(yīng)用范圍從高速寬帶因特網(wǎng)連接到窄帶控制應(yīng)用和低帶寬數(shù)據(jù)收集，在這些應(yīng)用中，低成本和高可靠性是主要的設(shè)計(jì)限制。在室內(nèi)環(huán)境中，窄帶電力線通信使家庭和樓宇中的供暖、空調(diào)、照明、房間設(shè)計(jì)方案編程和安全系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化。在室外，窄帶電力線網(wǎng)絡(luò)允許控制街道照明或遠(yuǎn)程收集功率表中的數(shù)據(jù)，進(jìn)而簡(jiǎn)單流程節(jié)省大量的能源。
OFDM VS FSK
電力線通信調(diào)制解調(diào)器技術(shù)面臨多個(gè)挑戰(zhàn)，其中包括電力線固有的噪聲、各種不同的電力線通信調(diào)制解調(diào)器協(xié)議和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，所有這些挑戰(zhàn)都要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有靈活性。
但是，廣泛遍布的交流電力線對(duì)環(huán)境很敏感，是一種最困難的有線通信媒介。眾多不可預(yù)知的干擾、衰減和失真，包括寬范圍的阻抗變化、高衰減電平、多路徑時(shí)延傳播等等。10kHz至500kHz的低頻區(qū)域最容易受串?dāng)_、背景噪聲、脈沖噪聲和群延遲等的影響。要在如此惡劣的條件下可靠、準(zhǔn)確、低時(shí)延地傳輸高速寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)，必須找到一種能克服各種障礙的綜合技術(shù)。很多公司嘗試了多種不同的調(diào)制技術(shù)，如：擴(kuò)展頻譜以及其它窄帶方法。但是沒(méi)有一個(gè)方案能夠達(dá)到目前應(yīng)用所需的長(zhǎng)距離、高速可靠的數(shù)據(jù)通信要求。
電力線通信調(diào)制解調(diào)器技術(shù)面臨多個(gè)挑戰(zhàn)，其中包括電力線固有的噪聲、各種不同的電力線通信調(diào)制解調(diào)器協(xié)議和不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)，所有這些挑戰(zhàn)都要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有靈活性。
但是，廣泛遍布的交流電力線對(duì)環(huán)境很敏感，是一種最困難的有線通信媒介。眾多不可預(yù)知的干擾、衰減和失真，包括寬范圍的阻抗變化、高衰減電平、多路徑時(shí)延傳播等等。10kHz至500kHz的低頻區(qū)域最容易受串?dāng)_、背景噪聲、脈沖噪聲和群延遲等的影響。要在如此惡劣的條件下可靠、準(zhǔn)確、低時(shí)延地傳輸高速寬帶數(shù)據(jù)信號(hào)，必須找到一種能克服各種障礙的綜合技術(shù)。很多公司嘗試了多種不同的調(diào)制技術(shù)，如：擴(kuò)展頻譜以及其它窄帶方法。但是沒(méi)有一個(gè)方案能夠達(dá)到目前應(yīng)用所需的長(zhǎng)距離、高速可靠的數(shù)據(jù)通信要求。
實(shí)現(xiàn)PLC技術(shù)突破的基本技術(shù)是在物理層采用OFDM，即“正交頻分復(fù)用”技術(shù)；以及在MAC層采用CSMA/CA，即“帶碰撞檢測(cè)的載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)”技術(shù)。
正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)可以高效利用帶寬，因此可采用更先進(jìn)的通道編碼技術(shù)。能夠在窄帶干擾、脈沖噪聲和頻率選擇性衰減的情況下提供非?？煽康耐ㄐ拧D1顯示了OFDM要比窄帶數(shù)據(jù)通信性能優(yōu)異的原因。對(duì)于 OFDM (圖1a)，10kHz至95kHz之間采用八個(gè)載頻，可有效利用 85kHz通道帶寬。相比之下，窄帶方案(圖1b)在相同帶寬僅可采用兩個(gè)載頻送數(shù)據(jù)。兩種情況都發(fā)送 4位數(shù)據(jù)位和 4位糾錯(cuò)位。圖1a中，OFDM可采用單個(gè)字符發(fā)送全部8位數(shù)據(jù)。圖1b中，窄帶發(fā)送同樣數(shù)據(jù)需要四個(gè)字符。由于OFDM的頻譜利用率更高，因此可以使用相同通道發(fā)送更多數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以保證高度安全的可靠通信網(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō)，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點(diǎn)分布網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)功能保證可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。還可以集成快速DES加密/解密協(xié)處理器，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。
正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制技術(shù)可以高效利用帶寬，因此可采用更先進(jìn)的通道編碼技術(shù)。能夠在窄帶干擾、脈沖噪聲和頻率選擇性衰減的情況下提供非?？煽康耐ㄐ拧D1顯示了OFDM要比窄帶數(shù)據(jù)通信性能優(yōu)異的原因。對(duì)于 OFDM (圖1a)，10kHz至95kHz之間采用八個(gè)載頻，可有效利用 85kHz通道帶寬。相比之下，窄帶方案(圖1b)在相同帶寬僅可采用兩個(gè)載頻送數(shù)據(jù)。兩種情況都發(fā)送 4位數(shù)據(jù)位和 4位糾錯(cuò)位。圖1a中，OFDM可采用單個(gè)字符發(fā)送全部8位數(shù)據(jù)。圖1b中，窄帶發(fā)送同樣數(shù)據(jù)需要四個(gè)字符。由于OFDM的頻譜利用率更高，因此可以使用相同通道發(fā)送更多數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率。
先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以保證高度安全的可靠通信網(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō)，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點(diǎn)分布網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)功能保證可靠的數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收。還可以集成快速DES加密/解密協(xié)處理器，以增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。
采用OFDM的MAX2990
2008年12月，法國(guó)電力集團(tuán)的全資子公司法國(guó)電網(wǎng)輸送公司(ERDF)宣布將制定和開(kāi)發(fā)下一代電力線通信(PLC)規(guī)范及解決方案的合同交給Maxim公司。ERDF計(jì)劃在全法國(guó)配備AMM基礎(chǔ)設(shè)施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC調(diào)制解調(diào)芯片MAX2990，管理整個(gè)電力供應(yīng)鏈——從電力供應(yīng)商直至終端用戶。
據(jù)Maxim SP&C產(chǎn)品線中國(guó)區(qū)經(jīng)理Henry Chan介紹，AMM基礎(chǔ)設(shè)施將通過(guò)現(xiàn)有的電力線，在儀表、傳感器和中繼之間實(shí)現(xiàn)雙向通信，從而提升ERDF的監(jiān)測(cè)和控制能力，同時(shí)還將提高終端用戶了解電力使用情況的透明度，加強(qiáng)客戶端的用電管理。
Henry還透露，Maxim在國(guó)內(nèi)的推廣也在進(jìn)行中。一月份Maxim和北京的一家公司合作在某個(gè)小區(qū)里進(jìn)行了電力信號(hào)的傳輸測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了從地下二層的配電室到200米外的大樓的18層的成功傳輸。
MAX2990是Maxim在2008年6月推出的首款基于OFDM的PLC調(diào)制解調(diào)器。MAX2990采用具有DBPSK調(diào)制和前向糾錯(cuò)(FEC)功能的OFDM技術(shù)，能夠在存在窄帶干擾、群延遲、信號(hào)阻塞、脈沖噪聲和選頻衰減等干擾的情況下進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)通信。MAX2990符合國(guó)際電力線通信規(guī)范，包括CENELEC、FCC和ARIB。在工作頻率范圍10kHz至490kHz內(nèi)，支持大于100kbps的有效數(shù)據(jù)速率。
Henry表示，評(píng)估調(diào)制解調(diào)器時(shí)，最重要的一個(gè)因素是在給定信噪比(SNR)條件下的誤碼率(BER)。BER為在特定噪聲級(jí)別下，錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與傳輸總比特?cái)?shù)的比值。
典型的FSK系統(tǒng)在2kbps數(shù)據(jù)速率、12dB SNR條件下具有104的BER，MAX2990在10kHz至95kHz的Cenelec波段、32kbps的數(shù)據(jù)速率、4dB SNR條件下可達(dá)到相同的BER。所以，采用具有糾錯(cuò)的OFDM技術(shù)能夠在更高的數(shù)據(jù)速率下提升8dB的性能。
OFDM系統(tǒng)具有更多數(shù)量的信號(hào)頻點(diǎn)，因而MAX2990能夠完成諸如Reed Solomon和卷積編碼等數(shù)據(jù)恢復(fù)算法。這些通道譯碼技術(shù)提供糾錯(cuò)位，能夠在不同的頻點(diǎn)上與數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，以提高數(shù)據(jù)恢復(fù)能力。
MAX2990在單個(gè)芯片內(nèi)集成了物理層(PHY)和媒體訪問(wèn)控制(MAC)層，以及Maxim的16位RISC
MAXQ微控制器。MAX2990具有32kB的閃存，用于運(yùn)行MAC編碼和用戶定義的應(yīng)用軟件，器件還帶有8kB的SRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，MAX2990支持通過(guò)UART、SPI和I2C等串行接口與電力線和網(wǎng)絡(luò)上的其它設(shè)備進(jìn)行通信。
圖2 MAX2990 結(jié)構(gòu)圖
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