基于OFDM的電力線通信（PLC）技術(shù)——G3-PLC

　　批準的 ITU G3-PLC 網(wǎng)絡(luò)標準支持跨現(xiàn)有電力線的高速、高度可靠的基于 IP 的通信，允許數(shù)據(jù)和控制消息在構(gòu)成區(qū)域智能電網(wǎng)的發(fā)電、輸電和配電系統(tǒng)中流動（圖 1 ）。它的開發(fā)是為了在智能電網(wǎng)元素之間提供強大的連接，以允許將先進的計費和需求管理技術(shù)應(yīng)用于客戶負載，并有效地整合傳統(tǒng)和基于可再生能源的分布式能源，包括太陽能或風(fēng)電場。盡管最初是由Maxim Integrated Products

　　共同開發(fā)的和 Electricite Reseau Distribution France （ERDF），G3-PLC 是一種非專有規(guī)范，已被選為國際標準開發(fā)工作的基礎(chǔ)技術(shù)，例如 IEEE P1901.2、ITU Ghnem/G.9955 和 IEC/ CENELEC T13。

　　圖 1：像 G3-PLC 這樣的電力線通信技術(shù)對于在組成智能電網(wǎng)的許多元素之間提供可靠的數(shù)據(jù)鏈接至關(guān)重要（由 G3-PLC 聯(lián)盟提供）。

　　與早期的 PLC 技術(shù)一樣，G3-PLC 無需額外的電線或光纖即可跨現(xiàn)有電力線進行通信。與以前的窄帶電力線通信 （NB-PLC） 標準相比，這種基于 IPv6 的開放標準提供更高的數(shù)據(jù)速率、更遠的覆蓋范圍和更好的糾錯能力，將加速基于互聯(lián)網(wǎng)的能源管理系統(tǒng)的廣泛發(fā)展。對 G3-PLC 標準的簡要介紹旨在概述其功能、其使用的技術(shù)以及支持它的第一波半導(dǎo)體產(chǎn)品。

　　G3-PLC內(nèi)部

　　與 Home Plug PLC 標準不同，該標準旨在支持建筑物內(nèi)短距離的相對較高的數(shù)據(jù)速率，G3-PLC 是一種所謂的“窄帶”電力線通信技術(shù)，它使用較低的載波頻率和較慢的數(shù)據(jù)速率提供更遠距離和更可靠的服務(wù)。正如我們將很快看到的那樣，它結(jié)合了自適應(yīng)正交頻分調(diào)制 （OFDM）、前向糾錯 （FEC） 技術(shù)和重復(fù)編碼，以支持 3 到 5 英里長的高度可靠的數(shù)據(jù)鏈路跨越嘈雜的環(huán)境，通常在電力線上發(fā)現(xiàn)的具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境。

　　與通常用于通過電話線推送寬帶數(shù)據(jù)的 ADSL/VDSL 技術(shù)非常相似，G3-PLC 使用 OFDM 調(diào)制，它在分配的任何頻譜塊上創(chuàng)建多個通道（或“音調(diào)”）。每個音調(diào)占用一個 25 kHz 的通道，并且根據(jù)線路條件，可以使用差分四相移鍵控 （DQPSK） 或差分 8 相移鍵控 （D8PSK） 進行調(diào)制。如果需要最大范圍或抗干擾性，可以使用更簡單的雙二進制相移鍵 （DBSK） 調(diào)制來調(diào)制音調(diào)。在線路條件特別差的情況下，DBPSK 模式可以使用可選的“魯棒操作”（ROBO） 模式進一步增強，該模式提供更強的糾錯和重復(fù)編碼（以降低信道的有效數(shù)據(jù)速率為代價）。

　　G3-PLC 的媒體訪問控制協(xié)議 （MAC） 旨在支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲。由于通常有許多 PLC 設(shè)備通過一條電力線進行通信，因此它使用改進的 CSMA/CA（載波檢測，多路訪問/沖突避免）MAC，在分配之前監(jiān)聽載波信號和正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的長度本身就是一個隨機的退避期。

　　用于生成 OFDM 音調(diào)的卷積算法可以調(diào)整為在特定國家分配給 PLC 網(wǎng)絡(luò)的 10 到 490 kHz 頻譜的任何部分內(nèi)工作。它支持 FCC 為美國電力線通信定義的完整 145.3 至 478.1 MHz 頻段。PLC-3 的音調(diào)也可以調(diào)整以覆蓋歐洲大部分地區(qū)使用的 35.9 到 90.6 kHz “CENLEC A”頻段內(nèi)的四個頻段中的任何一個或全部，以及占據(jù) 98.4 到 121.8 kHz 的 CENELC B 和 C 頻段，以及分別為 128 至 137 kHz。G3-PLC 執(zhí)行“音調(diào)掩蔽”（即打開或關(guān)閉各個OFDM 音調(diào)）的能力使其能夠避免部分頻譜被外部噪聲源占用。音調(diào)掩蔽還允許它與可能共享信道的任何現(xiàn)有通信技術(shù)（例如 IEC 61334、IEEE P1901 和 ITU G.hn）共存。

　　選擇提供最佳通道特性的音調(diào)的相同能力有助于 G3 跨越位于配電網(wǎng)絡(luò)高壓、中壓和低壓部分之間邊界的變壓器。通過選擇更容易通過變壓器感抗的頻率并應(yīng)用可選 ROBO 模式中可用的糾錯功能，G3-PLC 信號可以以足夠的信號強度出現(xiàn)，以達到更遠的距離。這使得位于低壓社區(qū)環(huán)路上的多個儀表和網(wǎng)關(guān)能夠與位于配電網(wǎng)絡(luò)中壓側(cè)的單個數(shù)據(jù)集中器進行通信。最近的測試證明了它能夠支持 3.1 英里長的連接，其中包括通過 MV/LV 變壓器的過渡（圖 2）。這種能力在北美配電網(wǎng)絡(luò)中尤其重要，在北美配電網(wǎng)絡(luò)中，單個中壓支路通常為許多家庭服務(wù)。它還可以通過允許更少的集中器支持隔離儀表來顯著降低農(nóng)村地區(qū)的部署成本。

　　圖 2：G3-PLC 的穩(wěn)健特性使其能夠支持跨變壓器的數(shù)據(jù)鏈路（德州儀器提供）。

　　G3-PLC 的幀結(jié)構(gòu)（圖 3）旨在承載封裝的壓縮 IPv6 （6LoWPAN） 數(shù)據(jù)包。每個幀都以一個前導(dǎo)碼開始，由 SYNCP 和 SYNCHM 符號組成，用于同步和檢測，并提供已知序列以促進 AGC 自適應(yīng)。接下來是幀控制頭（FCH），它包含解調(diào)數(shù)據(jù)幀所需的控制信息，接下來傳輸數(shù)據(jù)符號。PHY 還支持較短的 ACK/NACK 幀，該幀僅由前導(dǎo)碼和 FCH 組成，用于驗證是否成功接收到消息。由于 G3-PLC 網(wǎng)絡(luò)基于 IPv6，因此其他協(xié)議（例如 IEC4-32 上的 AMI/AMR DLMS-COSEM）必須在進入網(wǎng)絡(luò)時進行封裝。

　　圖 3：典型的 G3-PLC 數(shù)據(jù)幀（由 Maxim IC 和 G3PLC 聯(lián)盟提供）。

　　實施問題

　　將連接智能電網(wǎng)的 G3-PLC 系統(tǒng)元素的電力線調(diào)制解調(diào)器通常包括耦合變壓器、模擬前端 （AFE）、信號處理器/控制器和調(diào)制解調(diào)器主處理器的接口和其他資源（圖 4）。AFE 包括一個有源輸入帶通濾波器，可提供低噪聲、低諧波失真和低輸入偏置。AFE 的可編程增益放大器 （PGA） 可縮放輸入信號的幅度，以匹配模數(shù)轉(zhuǎn)換器（通常為 10 至 12 位）的范圍，該轉(zhuǎn)換器為調(diào)制解調(diào)器的數(shù)字信號處理元件提供數(shù)據(jù)流，從中提取數(shù)據(jù)流。

　　圖 4：典型電力線調(diào)制解調(diào)器的元件（德州儀器提供）。

　　輸出數(shù)據(jù)包由具有高輸出電流的 PLC 發(fā)射器級注入回電網(wǎng)。發(fā)射器級的數(shù)字部分將輸出數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換為一系列 xPSK 調(diào)制音，然后轉(zhuǎn)換為模擬信號。這種轉(zhuǎn)換是使用脈寬調(diào)制（PWM，再次參見圖 4）或快速 ADC 完成的。生成的模擬信號經(jīng)過帶外發(fā)射過濾，并傳遞到與交流電源線的低阻抗相匹配的高功率驅(qū)動器/變壓器級。

　　開放標準促進多種硅解決方案

　　由于其作為非專有規(guī)范的地位、其高性能和先進功能，G3-PLC 技術(shù)目前得到智能電網(wǎng)領(lǐng)域幾家主要 IC 制造商和設(shè)備制造商的支持，包括 Enexis、ERDF、Maxim Integrated Products、STMicroelectronics、德州儀器、思科、Itron、Landis & Gyr、Nexans、Sagemcom 和 Trialog。在撰寫本文時，Maxim 和德州儀器已提供硅解決方案，意法半導(dǎo)體預(yù)計將在今年某個時候推出自己的支持 G3-PLC 的產(chǎn)品。

　　Maxim 推出了第一款完全兼容的 G3-PLC 調(diào)制解調(diào)器芯片組，它將 MAX2992 處理器（MAX2990電力線調(diào)制解調(diào)器的增強版）與MAX2991 AFE。兩種調(diào)制解調(diào)器均基于 32 位 MAXQ30 微控制器內(nèi)核，實現(xiàn)物理 （PHY） 層和 MAC 層。2990 使用軟件和硬件加速器內(nèi)核的組合來執(zhí)行信道估計、自適應(yīng)音調(diào)映射和路由協(xié)議。具有 AES-128 加密/解密的片上身份驗證協(xié)處理器提供安全性和身份驗證。

　　MAX2991 工作在 10 至 490 kHz 頻段，是第一款專為電力線 OFDM 信號傳輸而設(shè)計的 AFE（圖 5）。該器件擁有一個集成的頻帶選擇濾波器、AGC 和一個 10 位 Rx ADC。傳輸路徑具有集成波形整形濾波器、可編程預(yù)驅(qū)動器增益和 10 位 DAC。AFE 的可編程濾波器使其能夠配置為符合 CENELEC、FCC 和 ARIB 標準。還提供基于芯片組的評估套件。

　　圖 5：Maxim 的 MAX2991 模擬前端具有一個 10 位 ADC/DAC，與自適應(yīng)均衡和數(shù)字可編程濾波器配對（由 Maxim Integrated Products 提供）。

　　Texas Instruments 的 G3-PLC 調(diào)制解調(diào)器解決方案基于 F28069（F28069 的開發(fā)套件， F2806x的產(chǎn)品培訓(xùn)模塊），這是其面向 DSP 的C2000 Piccolo系列 MCU 和 AFE032 模擬前端的特定應(yīng)用變體。該處理器包括用于 FFT、Viterbi 和 CRC 功能的硬件加速器模塊，這些功能旨在作為 CPU 指令集的擴展。消除通常用于加速器內(nèi)核的單獨讀取、寫入和中斷服務(wù)例程可以幫助將執(zhí)行特定功能所需的代碼從數(shù)百行壓縮到數(shù)十行。

　　因此，該器件可以支持 G3-PLC 的 MAC 和 PHY 功能以及匯聚層 API。它還具有足夠的備用內(nèi)存和處理能力，以支持接收器的標準透明性能增強（包括前導(dǎo)碼檢測和自適應(yīng)均衡），從而能夠在極具挑戰(zhàn)性的信道損傷下運行，其中許多在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施老化的地區(qū)很常見。TI 還提供TMS320F28027套件，這是一個完整的 PLC 調(diào)制解調(diào)器開發(fā)套件。該套件包括兩個調(diào)制解調(diào)器、兩個控制卡、電纜、一個電源以及設(shè)計和開發(fā) PLC 系統(tǒng)所需的所有必要軟件。

　　總結(jié)

　　快速、安全、可靠和經(jīng)濟高效的通信對于“智能電網(wǎng)”至關(guān)重要。G3-PLC 是一種新的基于 OFDM 的電力線通信 （PLC） 技術(shù)?；?G3-PLC 的雙向通信網(wǎng)絡(luò)將為電網(wǎng)運營商提供智能監(jiān)測和控制能力，以便他們能夠優(yōu)化利用現(xiàn)有資源并無縫整合新的能源收集可再生資源。本文研究了 G3-PLC 的基本原理，并討論了符合標準的芯片組解決方案。更多產(chǎn)品信息可通過 Digi-Key 網(wǎng)站提供的鏈接獲得。深入的 G3-PLC 規(guī)范可以從下面的參考資料和資源列表中獲得。