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(diǎn)電能線加載波通信技術(shù)（ppp）是利用現(xiàn)有的傳輸手段實(shí)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(jì)二十年代初期,最早主要應(yīng)用電力線傳輸電話信號(hào)。廣義的PLC技術(shù)包含兩個(gè)大的分支,一個(gè)是面向配電網(wǎng)自動(dòng)化的,簡(jiǎn)稱DLC(配電線路載波);另一個(gè)是面向進(jìn)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(duì)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(duì)面向進(jìn)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(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸?shù)募夹g(shù)的低壓電力載波技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)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(duì)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(biāo)很差,實(shí)際中較少使用。由于FSK系統(tǒng)是使用2個(gè)不同頻率的高頻載波傳送“0”、“1”信號(hào),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(shí)其所需的頻帶較窄,可以通過劃分頻帶的辦法實(shí)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(duì)成熟而可靠,又有著成本低廉的優(yōu)勢(shì),所以在當(dāng)前得到了廣泛應(yīng)用。s(t)為二進(jìn)制矩形脈沖序列,e(t)為2FSK信號(hào)。傳統(tǒng)載波通信的弱點(diǎn)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(duì)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(cuò)概率來傳輸信息。這一性質(zhì)表明,擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)質(zhì)是以犧牲信道帶寬來?yè)Q取對(duì)信噪比的要求。頻譜擴(kuò)展技術(shù)具有極高的抗干擾性能和極好的信號(hào)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(hào)序列被調(diào)制到一個(gè)載波上進(jìn)行串行傳輸,每個(gè)符號(hào)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(gè)頻帶較窄、相對(duì)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(zhǎng)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(diǎn)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(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制:(1)配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用,所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送信號(hào)。(2)三相電力線間有很大的信號(hào)損失(10dB—30dB)。通信距離很近時(shí),不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。(3)不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)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(hào)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(huì)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(shí)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(huì)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(hào)會(huì)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(hào),通信距離會(huì)相當(dāng)短。(6)電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí),線路阻抗可達(dá)1歐姆以下,造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)電力線空載時(shí),點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的載波信號(hào)傳輸可達(dá)幾km。但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí),只能傳輸幾十米。(7)電力線引起數(shù)據(jù)信號(hào)變形。電力線是一個(gè)分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò),不同點(diǎn)、不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的影響是不一樣的。同時(shí)電力線是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的,不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的影響也不一樣,這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過電力線后,接收到的信號(hào)是嚴(yán)重變形、參差不齊的信號(hào),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(shí)用,是一個(gè)艱難的過程。因此,對(duì)電壓電力載波的研究具有重要的實(shí)際意義。四、高效電力線及寬帶系統(tǒng)國(guó)外對(duì)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(biāo)準(zhǔn),尤其是在德國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、瑞士等國(guó),該項(xiàng)技術(shù)都已近于實(shí)用。有文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo),NORWEB公司在世界上首次成功實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)上的25個(gè)終端用戶的電話與數(shù)據(jù)通信試驗(yàn)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(guó)SWEB公司成功地在一地區(qū)性有限遙測(cè)系統(tǒng)(RMS)中采用中、低壓配電網(wǎng)進(jìn)行兩路數(shù)字載波通信,將已有的水、氣表計(jì)與電能表計(jì)連接起來,能提供包括水、天然氣、電能的自動(dòng)抄表等功能。另外,美國(guó)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(guó)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(shí)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(guó)、日本、韓國(guó)和新加坡等國(guó)都相繼報(bào)道已經(jīng)實(shí)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(guó)家進(jìn)行推廣應(yīng)用,國(guó)際上對(duì)高速PLC專用芯片的研制也取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,美國(guó)的Intellon公司的14Mbit/s芯片己經(jīng)達(dá)到實(shí)用化水平。為了推進(jìn)PLC的標(biāo)準(zhǔn)化工作,國(guó)際上成立了一些PLC組織,但至今沒有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)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(guó)信息產(chǎn)業(yè)部就己經(jīng)正式批準(zhǔn)了國(guó)電通信中心的ISP業(yè)務(wù)申請(qǐng),國(guó)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(bào)道,中國(guó)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(yáng)建立了第一個(gè)寬帶接入實(shí)驗(yàn)小區(qū)U,福建省電力試驗(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)191清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等高校和科研單位也對(duì)此進(jìn)行研究,有的完成了自己的樣機(jī)并進(jìn)行了小范圍試驗(yàn)測(cè)試。五、推出更多正演更頻的信號(hào)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(diǎn),引起世界各國(guó)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(jìn)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(hào)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(chǎng)化奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。由于國(guó)內(nèi)芯片制造業(yè)的現(xiàn)狀,目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的全是國(guó)外的Modem芯片。中國(guó)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(guó)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(guó)內(nèi)電力載波通信市場(chǎng)難以迅速增長(zhǎng),應(yīng)用中也延緩了用戶對(duì)低壓電力線載波通信技術(shù)的認(rèn)同和接受。目前,已有相關(guān)公司正切入這一市場(chǎng),積極與國(guó)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(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的電力線載波通信芯片,為載波通信打開一個(gè)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(hào)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(kuò)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(shì),而且廣泛地滲透到了民用通信的各個(gè)領(lǐng)域。所謂擴(kuò)頻技術(shù)是指將發(fā)送的信息展寬到一個(gè)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(kuò)頻通信利用偽隨機(jī)編碼將待傳送的信息數(shù)據(jù)