窄帶電力通信引入OFDM技術(shù)實現(xiàn)高速率
來源：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(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(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(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(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。但是沒有一個方案能夠達(dá)到目前應(yīng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn),，所有這些挑戰(zhàn)都要求系統(tǒng)設(shè)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(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(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。但是沒有一個方案能夠達(dá)到目前應(yīng)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(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“帶碰撞檢測的載波監(jiān)聽多路訪問”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?。圖1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(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),。具體來說,，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點分布網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，自動重復(fù)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(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?。圖1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(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),。具體來說,，用CSMA/CA方法控制多節(jié)點分布網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流，自動重復(fù)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(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。
采用OFDM的MAX2990
2008年12月,，法國電力集團(tuán)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(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)品線中國區(qū)經(jīng)理Henry Chan介紹,，AMM基礎(chǔ)設(shè)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(qiáng)客戶端的用電管理,。
Henry還透露，Maxim在國內(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小區(qū)里進(jìn)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(shù),，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(jìn)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(dá)到相同的BER,。所以，采用具有糾錯的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(fù)算法。這些通道譯碼技術(shù)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(fù)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(yīng)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(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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