窄帶電力線通信技術(shù)解決OFDM問題

在我們的行業(yè)中似乎一遍又一遍地發(fā)生的一件事是一個(gè)新產(chǎn)品領(lǐng)域的出現(xiàn)，它在工程領(lǐng)域引起了巨大的轟動(dòng)，然后在黑暗干燥的角落里苦苦掙扎多年。技術(shù)聽起來(lái)不錯(cuò)！我們可以用它來(lái)徹底改變我們的產(chǎn)品。然后，隨著一些公司提供一些新版本，這項(xiàng)技術(shù)逐漸衰落并徘徊了幾年。但是，它從來(lái)沒有真正成為大時(shí)代。幾年后，它終于成為一種非?？尚械姆椒ǎ⒃诟鞯厥褂?。

這種情況經(jīng)常發(fā)生，因?yàn)楫a(chǎn)品并沒有真正達(dá)到炒作產(chǎn)生的預(yù)期?；蛘?，可能有如此多的競(jìng)爭(zhēng)版本，以至于沒有人完全弄清楚該轉(zhuǎn)向哪種方式。然后技術(shù)成熟并運(yùn)行良好，你會(huì)看到它在你轉(zhuǎn)向的任何地方都被使用。

在我看來(lái)，電力線通信 （PLC） 就是這種情況。幾年前，PLC 似乎是許多通信問題的解決方案。但后來(lái)它消失了，現(xiàn)在它似乎終于開始大踏步前進(jìn)了。它被用于公用事業(yè)智能電網(wǎng)和抄表應(yīng)用程序、家庭自動(dòng)化以及我們稍后將討論的許多其他領(lǐng)域。當(dāng)然，它的一大優(yōu)勢(shì)是不需要新的布線。而且，PLC 可以在相當(dāng)長(zhǎng)的距離上使用。

實(shí)際上，通過電力線發(fā)送數(shù)據(jù)在很久以前就被認(rèn)為是一件好事。在用于配電的同一對(duì)電線上發(fā)送通信信號(hào)的概念可以追溯到 1924 年實(shí)現(xiàn)“電力電路載波傳輸”的專利。用于語(yǔ)音電話的 PLC 始于 20 世紀(jì)初，并于 1920 年代末在歐洲和美國(guó)普及。

電力線通信方式現(xiàn)在分為寬帶和窄帶。寬帶用于在家中發(fā)送高速數(shù)據(jù)，如以太網(wǎng)，而窄帶則以更悠閑的速度工作，用于公用事業(yè)抄表、工業(yè)命令和控制、家庭自動(dòng)化和許多照明控制應(yīng)用。

可以肯定的一件事是，PLC 的工作環(huán)境很艱苦。未絞合的電源線不僅起到天線的作用，而且在工業(yè)環(huán)境或家庭中總是有多個(gè)電路，通信信號(hào)可能必須先到達(dá)主電路面板，然后再到達(dá)目的地接收器。來(lái)自主面板的每個(gè)電路都有多個(gè)抽頭，創(chuàng)建了一個(gè)非常復(fù)雜的阻抗和噪聲環(huán)境，以便在其中發(fā)送射頻信號(hào)。電源線通常是一種極其困難和嘈雜的通信介質(zhì)，其特點(diǎn)是幾種不可預(yù)測(cè)的強(qiáng)烈干擾形式。

寬帶PLC

特別是寬帶系統(tǒng)在抑制干擾和產(chǎn)生干擾方面都遇到了困難。HomePlug AV 于 2005 年推出，現(xiàn)已成為寬帶 PLC 的中流砥柱。適配器可用于宣傳 200Mbps、500Mbps 和現(xiàn)在超過 1Gbps 的物理速率。雖然 HomePlug 連接的理論最大速度可能為 200Mbps，但大多數(shù)實(shí)際產(chǎn)生的速度約為 30Mbps 到 50Mbps——只要它可靠且一致，在大多數(shù)情況下仍足以將視頻從路由器傳輸?shù)诫娨?。HomePlug 已獲得 IEEE? 1901 規(guī)范的批準(zhǔn)，可確?；ゲ僮餍?。

窄帶PLC

但今天我們想談?wù)務(wù)瓗щ娏€通信。

長(zhǎng)距離電力線（交流和高壓直流）的通信是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。自動(dòng)化公用事業(yè)抄表現(xiàn)在是無(wú)處不在的常態(tài)。照明、暖通空調(diào)和電器的家庭自動(dòng)化是一個(gè)重要且不斷增長(zhǎng)的使用領(lǐng)域。所有這些領(lǐng)域都在使用窄帶PLC。工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者正在利用這項(xiàng)技術(shù)。其他迅速出現(xiàn)的應(yīng)用包括路燈、自動(dòng)售貨機(jī)、太陽(yáng)能電池板和電動(dòng)汽車充電的控制。

用于使用電力線的通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)展。最初部署的方案包括基本單載波頻移鍵控 （FSK） 和相移鍵控 （PSK） 調(diào)制的變體。這些技術(shù)在可靠地應(yīng)對(duì)惡劣的電力線環(huán)境的能力方面受到限制，因此，早期的 PLC 系統(tǒng)遇到了問題。

目前窄帶有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：G3 和 PRIME。一般來(lái)說(shuō)，G3（或類似的 IEEE P1901.2）標(biāo)準(zhǔn)更側(cè)重于魯棒性。對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，您必須確定數(shù)據(jù)會(huì)到達(dá)，也許不是以最快的速度到達(dá)，但它確實(shí)到達(dá)了。G3 提供 20.36Kbps、34.76Kbps 和 46Kbps（帶編碼）數(shù)據(jù)速率、前向糾錯(cuò) （FEC） 以及與 6LoWPAN/IPv6 的兼容性。G3 在歐洲的 CENELEC-A 或 –B 頻段 （20Kbps–40Kbps） 上運(yùn)行，并可用于整個(gè) FCC 頻段，在美國(guó)提供高達(dá) 400Kbps 的數(shù)據(jù)速率。它提供第 2 層 128 位 AES 加密以提供數(shù)據(jù)安全性。

OFDM 解決問題

G3 和 PRIME 使用正交頻分復(fù)用 （OFDM），這是一種通過噪聲信道傳輸大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的技術(shù)。它結(jié)合了許多慢速數(shù)據(jù)速率的載波以形成整體更高的數(shù)據(jù)速率。自動(dòng)選擇一組載波頻率或信道以遠(yuǎn)離干擾。多個(gè)子信號(hào)以不同的（正交）頻率同時(shí)傳輸。每個(gè)數(shù)據(jù)子載波都使用 PSK 或 QAM 進(jìn)行調(diào)制。這與糾錯(cuò)一起確保在非常嘈雜的環(huán)境中可以無(wú)錯(cuò)誤地接收數(shù)據(jù)。

圖 1. 多個(gè)等幅 OFDM 子載波的頻譜。

使 OFDM 成為實(shí)際傳輸系統(tǒng)的技巧是將子載波調(diào)制率鏈接到子載波。通過將子載波間隔設(shè)置為符號(hào)率的倒數(shù)，峰值和零點(diǎn)完美對(duì)齊，這樣在任何子載波頻率上，子載波都是正交的，并且它們之間沒有干擾。

用于工業(yè)控制的窄帶 PLC 控制器 IC

一些芯片供應(yīng)商制造支持 PRIME、G3 和 IEEE 1901.2 標(biāo)準(zhǔn)的控制器。OFDM 以及糾錯(cuò)技術(shù)使窄帶 PLC 在其典型的電噪聲環(huán)境中非常適用于工業(yè)控制系統(tǒng)。這些技術(shù)確實(shí)使用了一些非常繁重的數(shù)學(xué)函數(shù)，并且需要一些強(qiáng)大的計(jì)算能力?，F(xiàn)在這不是什么大問題，但請(qǐng)確保您選擇的控制器芯片有能力處理您的特定環(huán)境。

窄帶 PLC 控制器 IC 的一個(gè)例子是 Maxim 的 ZENO MAX79356，它使用兩個(gè)流水線 32 位 RISC 處理器。該芯片已通過 G3-PLC 認(rèn)證，其可編程性確保它可以處理標(biāo)準(zhǔn)的修訂和國(guó)家變化。

MAX79356 在聆聽模式下的最大功耗僅為 80.6mW。該 IC 包括一個(gè)完整的模擬前端 （AFE） 并具有一個(gè) AES-CCM 加密引擎，以實(shí)現(xiàn)高安全性。它采用 48 引腳 LQFP 封裝，工作溫度范圍為 -40° 至 85°C。

審核編輯：郭婷