基于電力線載波技術的船舶通信研究

李 妍

（渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島 125005）

1 引言

現(xiàn)在船舶各數(shù)據(jù)終端的通訊連接一般通過船用電纜實現(xiàn)，常使用雙絞線，其通信效率高，抗干擾能力強。隨著科技的發(fā)展，船舶中許多設備不斷的更新與添加，而每種設備的增加，通信接口的增加都要求更多的電纜來連接。電纜的鋪設不僅耗費不少人力物力，而且還需要不少時間。考慮到船舶中已有的最普及的網(wǎng)絡——船舶配電網(wǎng)絡，并且受到近幾年開始發(fā)展起來的電力線寬帶上網(wǎng)技術的啟發(fā)，如果可以將電力線網(wǎng)絡應用于船舶通信系統(tǒng)，則可免去不少鋪設網(wǎng)絡的麻煩。

2 船舶電力線載波通信技術存在的問題

電力線載波通信技術(Power Line Carrier Communication Technology)，簡稱PLC，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和語音信號的一種通信方式。高速電力線載波通信應用的主要領域是電力線上網(wǎng)。通過電力線組成局域網(wǎng)，然后通過相應的電網(wǎng)貓與其它的寬帶相連接實現(xiàn)無布線組網(wǎng)。

對于高速數(shù)據(jù)通信，電力線是一個環(huán)境非常惡劣的信道，許多技術問題一直困擾人們。其中，最主要的問題在于噪音和信號衰減。電力線通信的噪音主要來自于低壓電網(wǎng)相連的負載，以及無線電廣播的干擾。負載的開關會引起電流的波動，在電力線的周圍產(chǎn)生電磁輻射，這樣，沿電力線傳送數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)許多意想不到的問題。在這樣的噪聲環(huán)境下，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|量。而且，電力線通信的噪音和信號衰減是隨時間變化的，很難找到規(guī)律。因此，電力線通信的環(huán)境極為惡劣。

3 船舶電力線載波通信技術中噪音問題的解決方法

解決這個問題的，正是正交頻分復用技術(OFDM)。這一調制解調技術解決了在電力線環(huán)境中實現(xiàn)載波通信所存在的許多問題，如信號干擾與衰減問題。也正是這項技術的推廣應用使得高速電力線載波通信成為可能。

OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是不平坦的，該技術的基本原理是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)，并在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。而且大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。

3.1 OFDM的調制

OFDM 調制由快速傅立葉變換 FFT過程產(chǎn)生，M位數(shù)據(jù)被編碼至圖1所示頻域內的N個子載波上。M=N×B，B為每個調制符號的位數(shù)。在QPSK或DQPSK中，B=2；16-QAM中，B=4；64-QAM中，B=8。使用反向FFT(IFFT)將頻域子載波轉換到時域，產(chǎn)生一個OFDM符號，其時間長度等于子載波間隔的倒數(shù)，同速率相比，它是一段非常長的時間。

糾錯處理采用疊加編碼和Viterbi編碼，編碼壓縮率為1/2，9/16，2/3，3/4。

3.2 OFDM的解調

OFDM使用發(fā)信的反向過程解調信號，周期前綴被從時域信號中剔除，每個符號都使用FFT轉換到頻域。當使用 DQPSK調制方式時，通過檢查相鄰 OFDM 符號之間子載波的相位差進行數(shù)據(jù)解碼。

3.3 多徑反射

每個OFDM符號前加入一個周期前綴，用以在一個由多徑反射引起的時間色散信道中維持完全正交。前綴是復制符號的最后部分，將其加到符號的開始部分而產(chǎn)生的，見圖2。長的OFDM符號周期一般持續(xù)幾微秒，同占OFDM符號周期很小比例的周期前綴組合，是在時間色散信道中提高性能的關鍵因素。

3.4 多徑衰落

盡管OFDM可以消除多徑反射帶來的ISI，但還有一個叫做衰落的問題也是由多徑反射帶來的。衰落是由反射信號到達后抵消了先前到達的信號(即 180°相移)所引起的，一般只發(fā)生在某些特定頻率或子頻率。因為反射時延一般是固定不變的，而相角卻是隨頻率變化的。其結果是丟失了一些子載波承載的數(shù)據(jù)。

解決該問題的方法是增加頻譜交錯和錯誤碼來恢復丟失的位，這一般歸類為編碼 OFDM(COFDM)。DAB和DVB標準都使用COFDM。

4 結論

隨著電力線載波通信技術的成熟，相關電磁干擾標準的規(guī)范，電力線載波通信技術得到越來越廣泛的應用。在船舶通信系統(tǒng)中使用這一技術是一種大膽的嘗試。

通過研究，高速電力線載波通信完全可以應用于艦船通信中。本文主要解決了電力線載波通信在船舶通信中應用的關鍵技術，即采用OFDM調制解調技術解決電力線傳輸噪聲的問題。

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