基于多載波調制技術的低壓電力線通信的研究

孟威　楊海峰?吳旭　劉春亮

摘要：隨著數字化時代的到來，低壓電力線通信方式受到了越來越多的關注。文章介紹了低壓電力線通信原理，詳細闡述了影響通信質量的各種因素，通過分析比較得出基于濾波多音調制技術的低壓電力線通信系統具有一定的優勢。

關鍵詞：低壓電力線通信；FMT；調制解調

中圖分類號：TN913 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0020-02

1 研究背景及意義

為了保證電力系統能夠安全穩定運行，利用電力線傳遞信息的技術即“電力線載波通信”得以產生。電力線載波通信（Power Line Carrier Communication）簡稱PLC，即人們常說的“電力線上網”，是借助于電力線這種介質來進行載波傳輸信息的一種通信方式，是電力系統特有的、基本的通訊方式。它是建立在電力輸送網絡基礎上的，實現電力線通信網絡內部的各個節點之間以及與其他通信網絡通信的系統。作為電網調度自動化、管理現代化、運營市場化的核心與電力通信網絡的基礎，電力線載波通信一直是相關部門研究和發展的重點。

2 低壓電力線載波通信

2.1 低壓電力線載波通信原理

低壓電力線載波通信作為電力系統基本、獨有的通信方式，它用低壓配電線作為傳輸介質來進行信息的傳遞。實現了電力線通信網絡內部的節點與節點之間的連接，并且能夠與其他外部網絡進行通信，是建立在低壓配電網絡基礎上的通信系統。

2.2 低壓電力線載波通信的優點

低壓PLC的優點表現在以下三個方面：

經濟性能好：低壓電力線載波通信可在已有的配電網絡傳輸，不用另外新布線，因此減少了投入，節省了成本，并且對外界的破壞也降低。

應用范圍廣：電力資源與人們的生活早已密不可分，我國的用電用戶已經超過了10億以上，電力線網絡是我國分布最廣的網絡之一，所以電力線通信很容易地滲透到了千家萬戶以及各種公共場所，作為其他寬帶接入方式的延伸和補充，為互聯網更為廣闊的發展提供便利的條件。

傳輸速率較高：目前的低壓PLC傳輸速率得到了很大的提升，一般在1～200M之間。利用PLC接入網絡的傳輸速率已經遠高于ISDN、ADSL、撥號上網等其他方式，而且隨著相關技術的發展，更多的高速率PLC產品將會越來

越多。

2.3 低壓電力線載波通信的主要性能指標衡量

一個通信系統的性能如何一般通過以下八個指標來衡量：有效性、可靠性、適應性、經濟性、保密性、標準性、維修性和工藝性。通信系統的功能就是將傳輸的消息快速、準確、穩定地進行交換。所以從通信系統的功能來考慮，我們把信息傳輸的有效性和可靠性這兩項指標作為評價通信系統性能的主要參考。

2.4 影響低壓電力線通信的主要因素

低壓電力線本身只是為了輸送電能而設計的，不同于專用的通信線路，因此以低壓電力線作為通信介質相比于其他專用通信線路有著更多的復雜性和不確定性。

線路阻抗、負載阻抗和噪聲影響是電力線作為通信載體的自身弱點。

噪聲干擾：對低壓電力線通信造成影響的主要是噪聲干擾。低壓配電網信道中的噪聲頻率一般從幾十萬赫茲到二十兆赫茲之間。

線路阻抗：配電線路本所用到的金屬材料的粗細傳輸的距離以及老化程度都對阻抗有直接影響，阻抗越大，信號的衰減程度越大；地電容影響著一些地下電纜的通信過程，隨著頻率升高，信號衰減同時也會越來越大。

負載阻抗：當啟動低壓電力線上的不同用電設備時，傳輸信號會在其工作頻點產生具有阻抗特性的深度衰落。雖然這種負載不會在整個頻域內出現，但其產生的時段性、突發性和普遍性會對通信質量帶來一定的影響。

3 多載波調制技術

多載波調制（Multicarrier Modulation）技術采用了多個載波信號，它把所要傳輸的數據流分解為若干個子數據流，利用這些子數據分別去調制若干個子載波。在多載波調制信道中，數據傳輸速率相對較低，碼元周期加長，只要時延擴展與碼元周期相比小于一定的比值，就避免碼傳輸系統中的ISI，同時多載波調制對于一般通信信道的時間彌散特性不敏感。目前在實際應用中具有代表性的多載波技術有擴頻通訊技術（SS）、多載波正交頻分復用（OFDM）技術以及濾波多音調制（FMT）技術等。

3.1 擴頻通信技術

擴頻通信技術（Spread Spectrum Communication）可以簡單的描述為：一種擴展頻譜的通信技術。在發送端頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成，然后再通過編碼和調制的方法來實現。這個過程與所傳輸的信息本身無關。在接收數據的一端，利用與發送端相對應的碼序列進行接收與解擴等過程后，對所傳輸的數據信息進行恢復。簡言之，擴頻通信是將所要傳輸的信號帶寬擴展到很寬的頻帶中進行傳輸的一種通信方式。

3.2 正交頻分復用技術

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交頻分復用技術是多載波調制的一種，也是一種復用技術。它在指定的頻段內選取若干個子載波，將信息符號調制在多個子載波上同時發送，每一個子載波相當于一個窄帶傳輸。

OFDM將編碼后的數據進行串并轉換后，利用若干個子載波分別進行調制。所采用的子載波具有在頻率上等間隔的特點，各子載波采用數字符號調制，各載波上的信號功率形成都是相同的通過選擇載波間隔的方式，使這些子載波在整個符號周期上保持頻譜的正交性，各子載波上的信號在頻譜上相互重疊；接收端，利用載波之間的正交性可以無失真地恢復發送信息。在使用正交頻分復用技術的低壓電力線載波通信系統中，可以同時結合頻域自適應等技術，用來傳輸信息的各子載波的數量、編碼、同步等方式完全可以根據信道不同而進行調整，所以正交頻分復用技術能夠在一定程度上解決低壓電力線信道中時變性的問題。

3.3 濾波多音調制技術

1999年Giovanni Chenrubini等人提出了濾波多音調制（Filtered Multitone Modulation，FMT），并論證了采用子信道頻帶不重疊劃分方法的濾波多音調制技術，能彌補一些高速數字接入技術中的缺點，例如能有效地降近端串擾（NEXT）、遠端串擾（FEXT）、回聲（ECHO）所帶來的信道間的干擾問題（ICI）。基于濾波多音調制技術的系統實現的復雜度較高，因此目前仍處于理論研究階段。

3.4 三種調制技術的性能比較

擴頻調制技術的優點主要表現在以下四個方面：（1）干擾性強；（2）低功率頻譜密度；（3）高保密性；（4）容量大、地址多。其缺點主要有：（1）系統實現復雜；（2）在頻帶資源有限的的情況下主要弱點為傳輸信息需要的最小帶寬遠遠小于擴頻后的頻帶帶寬；（3）實現高質量的擴頻碼分多址方面仍存在一些困難。

OFDM技術的優點包括：（1）可以最大限度利用頻譜資源；（2）可以實現較高的安全傳輸性能，它允許數據在復數的高速的視頻上被編碼；（3）容易和其他接入方法結合應用，形成OFDMA系統，實現了多用戶同時信息傳輸功能；（4）對傳輸線路上的多路徑外界信號干涉有較強的抵抗力，非常適合工作在一些惡劣的通信環境中。

FMT調制技術的最大優點是能夠避免通信系統中的碼間串擾；其主要的缺點是結構復雜。因為它的優于OFDM的頻帶抑制能力是通過在系統的各個子信道加入了一個具有相當復雜度的濾波器為代價來獲得的，因此直接實現的FMT系統在運算量上相對較大，但通過采用了FMT系統有效實現方法，濾波多音調制系統在復雜度上的差距得以明顯減小。

4 結語

文章首先敘述了低壓電力線通信的國內外現狀以及發展電力線通信的現實意義，通過其通信原理總結出影響電力線通信的主要因素。目前在低壓電力線通信中多載波調制技術具有良好的性能，通過與其他調制方式的對比，得出濾波多音調制技術能夠彌補傳統多載波技術的一些缺點。同時分析了目前多載波調制技術中擴頻調制技術、OFDM頻分復用技術和濾波多音調制技術三種調制技術的原理和特點。

參考文獻

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作者簡介：孟威（1980—），男，遼寧錦州人，遼寧省電力有限公司信息通信分公司工程師，研究方向：電力信息通信。