窄帶電力通信引入OFDM技術實現(xiàn)高速率
來源：電子產(chǎn)品世界
摘要： 當前,，電力線通信應用范圍從高速寬帶因特網(wǎng)連接到窄帶控制應用和低帶寬數(shù)據(jù)收集，在這些應用中,，低成本和高可靠性是主要的設計限制,。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、房間設計方案編程和安全系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化,。在室外,，窄帶電力線網(wǎng)絡允許控制街道照明或遠程收集功率表中的數(shù)據(jù)，進而簡單流程節(jié)省大量的能源,。
Abstract：
Key words :
電力線網(wǎng)絡是迄今為止世界上最大的網(wǎng)絡,。使用電力線通信的想法最早可追溯至1920年，當時安裝在專用線纜上的通信設備數(shù)量遠遠多于目前在交流電力線上安裝的設備數(shù)量,。
當前,，電力線通信應用范圍從高速寬帶因特網(wǎng)連接到窄帶控制應用和低帶寬數(shù)據(jù)收集，在這些應用中,，低成本和高可靠性是主要的設計限制,。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、房間設計方案編程和安全系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化,。在室外，窄帶電力線網(wǎng)絡允許控制街道照明或遠程收集功率表中的數(shù)據(jù),，進而簡單流程節(jié)省大量的能源,。
OFDM VS FSK
電力線通信調(diào)制解調(diào)器技術面臨多個挑戰(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)展的標準,，所有這些挑戰(zhàn)都要求系統(tǒng)設計具有靈活性。
但是,，廣泛遍布的交流電力線對環(huán)境很敏感,，是一種最困難的有線通信媒介。眾多不可預知的干擾,、衰減和失真,，包括寬范圍的阻抗變化、高衰減電平,、多路徑時延傳播等等,。10kHz至500kHz的低頻區(qū)域最容易受串擾,、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,、準確、低時延地傳輸高速寬帶數(shù)據(jù)信號,，必須找到一種能克服各種障礙的綜合技術,。很多公司嘗試了多種不同的調(diào)制技術，如：擴展頻譜以及其它窄帶方法,。但是沒有一個方案能夠達到目前應用所需的長距離,、高速可靠的數(shù)據(jù)通信要求。
電力線通信調(diào)制解調(diào)器技術面臨多個挑戰(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)展的標準,，所有這些挑戰(zhàn)都要求系統(tǒng)設計具有靈活性。
但是,，廣泛遍布的交流電力線對環(huán)境很敏感,，是一種最困難的有線通信媒介。眾多不可預知的干擾,、衰減和失真,，包括寬范圍的阻抗變化、高衰減電平,、多路徑時延傳播等等,。10kHz至500kHz的低頻區(qū)域最容易受串擾,、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,、準確、低時延地傳輸高速寬帶數(shù)據(jù)信號,，必須找到一種能克服各種障礙的綜合技術,。很多公司嘗試了多種不同的調(diào)制技術，如：擴展頻譜以及其它窄帶方法,。但是沒有一個方案能夠達到目前應用所需的長距離,、高速可靠的數(shù)據(jù)通信要求。
實現(xiàn)PLC技術突破的基本技術是在物理層采用OFDM,，即“正交頻分復用”技術,；以及在MAC層采用CSMA/CA，即“帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多路訪問”技術,。
正交頻分復用(OFDM)調(diào)制技術可以高效利用帶寬,，因此可采用更先進的通道編碼技術。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,。對于 OFDM (圖1a),，10kHz至95kHz之間采用八個載頻，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位糾錯位,。圖1a中,，OFDM可采用單個字符發(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),，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率,。
先進的網(wǎng)絡技術可以保證高度安全的可靠通信網(wǎng)絡。具體來說,，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點分布網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流,，自動重復請求(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，以增強數(shù)據(jù)安全性,。
正交頻分復用(OFDM)調(diào)制技術可以高效利用帶寬,，因此可采用更先進的通道編碼技術。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,。對于 OFDM (圖1a),，10kHz至95kHz之間采用八個載頻，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位糾錯位,。圖1a中,，OFDM可采用單個字符發(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),，實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率,。
先進的網(wǎng)絡技術可以保證高度安全的可靠通信網(wǎng)絡。具體來說,，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點分布網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)流,，自動重復請求(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，以增強數(shù)據(jù)安全性,。
采用OFDM的MAX2990
2008年12月,，法國電力集團的全資子公司法國電網(wǎng)輸送公司(ERDF)宣布將制定和開發(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計劃在全法國配備AMM基礎設施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC調(diào)制解調(diào)芯片MAX2990,，管理整個電力供應鏈——從電力供應商直至終端用戶,。
據(jù)Maxim SP&C產(chǎn)品線中國區(qū)經(jīng)理Henry Chan介紹，AMM基礎設施將通過現(xiàn)有的電力線,，在儀表,、傳感器和中繼之間實現(xiàn)雙向通信，從而提升ERDF的監(jiān)測和控制能力,，同時還將提高終端用戶了解電力使用情況的透明度,，加強客戶端的用電管理。
Henry還透露,，Maxim在國內(nèi)的推廣也在進行中,。一月份Maxim和北京的一家公司合作在某個小區(qū)里進行了電力信號的傳輸測試，實現(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(FEC)功能的OFDM技術，能夠在存在窄帶干擾,、群延遲,、信號阻塞、脈沖噪聲和選頻衰減等干擾的情況下進行可靠的數(shù)據(jù)通信,。MAX2990符合國際電力線通信規(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,，評估調(diào)制解調(diào)器時,，最重要的一個因素是在給定信噪比(SNR)條件下的誤碼率(BER)。BER為在特定噪聲級別下,，錯誤比特數(shù)與傳輸總比特數(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條件下可達到相同的BER,。所以，采用具有糾錯的OFDM技術能夠在更高的數(shù)據(jù)速率下提升8dB的性能。
OFDM系統(tǒng)具有更多數(shù)量的信號頻點,，因而MAX2990能夠完成諸如Reed Solomon和卷積編碼等數(shù)據(jù)恢復算法,。這些通道譯碼技術提供糾錯位，能夠在不同的頻點上與數(shù)據(jù)同時傳輸,，以提高數(shù)據(jù)恢復能力,。
MAX2990在單個芯片內(nèi)集成了物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)層，以及Maxim的16位RISC
MAXQ微控制器,。MAX2990具有32kB的閃存,，用于運行MAC編碼和用戶定義的應用軟件，器件還帶有8kB的SRAM用于數(shù)據(jù)存儲,。此外,，MAX2990支持通過UART、SPI和I2C等串行接口與電力線和網(wǎng)絡上的其它設備進行通信,。
圖2 MAX2990 結構圖
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