低壓電力線載波通信技術(shù)研究

低壓電力線載波通信技術(shù)研究

一、plc技術(shù)特點電能線加載波通信技術(shù)（ppp）是利用現(xiàn)有的傳輸手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的技術(shù)。該技術(shù)出現(xiàn)于上世紀二十年代初期,最早主要應(yīng)用電力線傳輸電話信號。廣義的PLC技術(shù)包含兩個大的分支,一個是面向配電網(wǎng)自動化的,簡稱DLC(配電線路載波);另一個是面向進戶線路和戶內(nèi)線路的,稱為PLC(線路通信)。兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)為使用對象,技術(shù)特征,如線路條件、速率要求、線路共享方式以及用戶密度方面的不同。本文主要針對面向進戶線路和戶內(nèi)線路的,即PLC技術(shù),也就是指在220伏/380伏的低壓配電網(wǎng)上實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)、語音傳輸?shù)募夹g(shù)的低壓電力載波技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進行了詳細分析。二、壓力線壓波通信的基本理論2.1fsk系統(tǒng)的頻率調(diào)制技術(shù)對于低壓電力線載波通信而言,PSK系統(tǒng)的綜合性能最好,因此在載波通信技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。FSK系統(tǒng)要求傳輸帶寬比較大,一般用于低速數(shù)據(jù)傳輸,但ASK系統(tǒng)由于誤碼率指標很差,實際中較少使用。由于FSK系統(tǒng)是使用2個不同頻率的高頻載波傳送“0”、“1”信號,這樣通信不必過分依賴于電力線路的質(zhì)量,能較好地適應(yīng)頻繁變化的線路阻抗和噪聲干擾,同時其所需的頻帶較窄,可以通過劃分頻帶的辦法實現(xiàn)多路復(fù)用以提高信道的利用效率。既兼顧了設(shè)備的抗干擾性能,又不致使系統(tǒng)復(fù)雜、昂貴。另外,由于頻率調(diào)制技術(shù)相對成熟而可靠,又有著成本低廉的優(yōu)勢,所以在當(dāng)前得到了廣泛應(yīng)用。s(t)為二進制矩形脈沖序列,e(t)為2FSK信號。傳統(tǒng)載波通信的弱點是去噪聲能力差,隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化以及人們對通信質(zhì)量要求的不斷增加,傳統(tǒng)電力線載波通信方法越來越受到挑戰(zhàn)。2.2頻帶b/n的變換由香農(nóng)公式:C=Blog(1+P/N)(其中:C為信道容量;B為頻帶寬度;P/N為信躁比)可看出,頻帶B和信噪比P/N是可以互換的,這意味著如果增加頻帶的寬度,就可以在較低的信噪比的情況下用相同的信息率以任意小的差錯概率來傳輸信息。這一性質(zhì)表明,擴頻技術(shù)的實質(zhì)是以犧牲信道帶寬來換取對信噪比的要求。頻譜擴展技術(shù)具有極高的抗干擾性能和極好的信號隱蔽性能,適應(yīng)低壓電力網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜多變的各種干擾和噪聲。2.3dm調(diào)制方式在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中,符號序列被調(diào)制到一個載波上進行串行傳輸,每個符號的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM調(diào)制方式是將可用的頻譜分成N個頻帶較窄、相對低速率傳輸?shù)淖虞d波,子載波的幅頻響應(yīng)相互重疊和正交。這樣碼元周期被延長了N倍,從而提高了抗多徑干擾的能力。三、電力載波技術(shù)難點眾所周知,電力線是給用電設(shè)備傳送電能的,而不是用來傳送數(shù)據(jù)的,所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制:(1)配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用,所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送信號。(2)三相電力線間有很大的信號損失(10dB—30dB)。通信距離很近時,不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。(3)不同信號耦合方式對電力載波信號的損失不同,耦合方式有線—地耦合和線—中線耦合。線地耦合方式與線中線耦合方式相比,電力載波信號少損失十幾dB,但線地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。(4)電力線存在本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電為50Hz,則周期為20ms。在每一交流周期中,出現(xiàn)兩次峰值,兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾,即電力線上有固定的100Hz的脈沖干擾,干擾時間約為10ms,固定的干擾必須加以處理。(5)電力線上存在高噪聲。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備,有阻性的、感性的、容性的,有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉,就會給電力線帶來各種噪聲干擾,而且幅度較大。用耦合電感從電力線上耦合下來的噪聲一般就在10mv以上,而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mv,如不采用電力線專用的Modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號,通信距離會相當(dāng)短。(6)電力線對載波信號造成高削減。當(dāng)電力線上負荷很重時,線路阻抗可達1歐姆以下,造成對載波信號的高削減。實際應(yīng)用中,當(dāng)電力線空載時,點對點的載波信號傳輸可達幾km。但當(dāng)電力線上負荷很重時,只能傳輸幾十米。(7)電力線引起數(shù)據(jù)信號變形。電力線是一個分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò),不同點、不同時間對數(shù)據(jù)信號的影響是不一樣的。同時電力線是時刻動態(tài)變化的,不同時間對數(shù)據(jù)信號的影響也不一樣,這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號經(jīng)過電力線后,接收到的信號是嚴重變形、參差不齊的信號,所以必須加以特殊處理。由以上分析,欲使電力載波通信形成實用,是一個艱難的過程。因此,對電壓電力載波的研究具有重要的實際意義。四、高效電力線及寬帶系統(tǒng)國外對電力線載波通信技術(shù)的研究起步較早,已有多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片,并制定了電力線載波通信適用范圍的標準,尤其是在德國、韓國、美國、瑞士等國,該項技術(shù)都已近于實用。有文獻報導(dǎo),NORWEB公司在世界上首次成功實現(xiàn)配電網(wǎng)上的25個終端用戶的電話與數(shù)據(jù)通信試驗后(1992-1993),已開發(fā)出在2MHz帶寬內(nèi)數(shù)據(jù)傳送速率為1Mbps的系統(tǒng)。1993年,英國SWEB公司成功地在一地區(qū)性有限遙測系統(tǒng)(RMS)中采用中、低壓配電網(wǎng)進行兩路數(shù)字載波通信,將已有的水、氣表計與電能表計連接起來,能提供包括水、天然氣、電能的自動抄表等功能。另外,美國AN公司于1996年推出了100kbit/s的電力線調(diào)制解調(diào)器芯片。1999年3月I1日,德國RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司向公眾展示了利用公用電網(wǎng)傳輸電話和數(shù)據(jù)的技術(shù),使用戶可通過低壓電網(wǎng),以高于當(dāng)時ISDN技術(shù)20倍的速度在因特網(wǎng)上瀏覽、傳送數(shù)據(jù)。最近幾年,德國、日本、韓國和新加坡等國都相繼報道已經(jīng)實現(xiàn)了利用低壓電力線的高速互聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù),并正在各自國家進行推廣應(yīng)用,國際上對高速PLC專用芯片的研制也取得了突飛猛進的發(fā)展,美國的Intellon公司的14Mbit/s芯片己經(jīng)達到實用化水平。為了推進PLC的標準化工作,國際上成立了一些PLC組織,但至今沒有統(tǒng)一的國際標準。我國研究PLC技術(shù)起步較晚,但發(fā)展速度較快。早在2001年5月18日,中國信息產(chǎn)業(yè)部就己經(jīng)正式批準了國電通信中心的ISP業(yè)務(wù)申請,國電通信中心就已經(jīng)具備了開展上網(wǎng)業(yè)務(wù)的通行證。據(jù)最新報道,中國電力科學(xué)研究院已開發(fā)出了2Mbit/s和14Mbit/s的電力線高速通信系統(tǒng),并在沈陽建立了第一個寬帶接入實驗小區(qū)U,福建省電力試驗研究院也研制成功了10Mbit/s的電力調(diào)制解調(diào)器,并在北京善果胡同開辟寬帶小區(qū)網(wǎng)進行試驗191清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校和科研單位也對此進行研究,有的完成了自己的樣機并進行了小范圍試驗測試。五、推出更多正演更頻的信號傳輸技術(shù)可以樂觀地預(yù)見,低壓電力線載波通信技術(shù)必將成為未來幾年內(nèi)新的研究熱點,引起世界各國的廣泛關(guān)注。其誘人之處在于它利用已有的低壓電力網(wǎng)作為信息傳輸?shù)男诺?從而不必再進行新的通信網(wǎng)絡(luò)的投資與建設(shè)。低壓電力線載波通信的核心問題是載波信號的調(diào)制(Modulate)與解調(diào)(Demodulate),也即電力載波調(diào)制與解調(diào)芯片(Modem)。隨著低壓電力載波通信技術(shù)的發(fā)展,電力載波通信的速率、傳送數(shù)據(jù)量、抗干擾能力都得到了很大的提高,為電力載波通信市場化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于國內(nèi)芯片制造業(yè)的現(xiàn)狀,目前在國內(nèi)應(yīng)用的全是國外的Modem芯片。中國的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布狀況決定了電力線載波通信的應(yīng)用領(lǐng)域等方面與國外有一些不同之處。因此,使電力線載波通信Modem芯片的瓶頸現(xiàn)象越來越突出,從而使國內(nèi)電力載波通信市場難以迅速增長,應(yīng)用中也延緩了用戶對低壓電力線載波通信技術(shù)的認同和接受。目前,已有相關(guān)公司正切入這一市場,積極與國外相關(guān)公司聯(lián)系、合作,相信在未來的幾年內(nèi),就能推出真正適應(yīng)國內(nèi)市場需求的電力線載波通信芯片,為載波通信打開一個光明的前景。傳統(tǒng)低壓電力線載波通信一般采用頻帶傳輸,也就是用載波調(diào)制的方法將攜帶信息的數(shù)字信號的頻譜搬移到較高的載波頻率上?；镜恼{(diào)制式分為幅值鍵控(ASK),頻移鍵控(FSK),相移鍵控(PSK)。擴展頻譜技術(shù)是近年來發(fā)展迅猛的一門學(xué)科,不僅在軍事通信中發(fā)揮了不可取代的優(yōu)勢,而且廣泛地滲透到了民用通信的各個領(lǐng)域。所謂擴頻技術(shù)是指將發(fā)送的信息展寬到一個比信息帶寬寬得多的頻帶上去,接收端通過相關(guān)接收,將其恢復(fù)到信息帶寬的一種技術(shù)。擴頻通信利用偽隨機編碼將待傳送的信息數(shù)據(jù)