基于OFDM的電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊研究與設(shè)計(jì)

張禮，劉橋

（長(zhǎng)沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

電力載波通信技術(shù)[1]（PLC）利用現(xiàn)有的電力線通過(guò)載波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。由于低壓電力線載波傳輸信道的干擾問(wèn)題是制約低壓電力線載波通信發(fā)展和普及的主要障礙，而正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)具有抗干擾、抗衰落能力強(qiáng)的特點(diǎn)，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊，能更好的克服電力線的強(qiáng)干擾、強(qiáng)衰減等缺陷。因此，文中提出一種基于OFDM的電力線載波數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)方案，利用現(xiàn)有的電力線實(shí)現(xiàn)載波通信。

1 載波通信信道特性

利用電力線載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以充分發(fā)揮電力資源優(yōu)勢(shì)，從而推動(dòng)電力線載波通信的廣泛應(yīng)用，電力載波的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。

但在電力線上的數(shù)據(jù)傳輸，還未達(dá)到令人滿意的水平，這在一定程度上限制了電力載波通信的廣泛應(yīng)用。主要原因有：電力線上的負(fù)載接入較多，電器頻率特性各不相同，阻抗時(shí)變大，很難做到阻抗匹配。電力線上存在高噪聲，各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開(kāi)閉，就會(huì)給電力線上帶來(lái)各種噪聲干擾，而且幅度比較大。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)，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。因此，利用電力線載波的方式傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，需要進(jìn)行以下幾方面[2]考慮：

圖1 電力載波的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖Fig.1 Electric power carrier data transmission system

1）較高的頻譜利用率，以適應(yīng)電力線信道有效帶寬窄的特點(diǎn)。

2）較好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失。

3）較強(qiáng)的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。

4）載波頻率的選取，盡可能使電力線呈現(xiàn)較高的輸入阻抗，減小對(duì)載波信號(hào)的衰減。

2 OFDM技術(shù)

2.1 OFDM介紹

OFDM（正交頻分復(fù)用）技術(shù)實(shí)際上是MCM（Multi-Carrier Modulation，多載波調(diào)制）的一種。 其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號(hào)可以通過(guò)在接收端采用相關(guān)技術(shù)來(lái)分開(kāi)，這樣可以減少子信道之間的相互干擾（ICI）。每個(gè)子信道上的信號(hào)帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個(gè)子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號(hào)間干擾。而且由于每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對(duì)容易。

2.2 OFDM技術(shù)的特點(diǎn)

1）有效降低衰減對(duì)通信質(zhì)量的影響

低壓電力線上普遍存在著頻率選擇性衰落，而且這種衰減還具有時(shí)變性。電力線網(wǎng)絡(luò)中的各種不確定性因素使得網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常發(fā)生突發(fā)性的衰減。OFDM系統(tǒng)將突發(fā)性的衰減造成的誤碼分散到了各個(gè)互不相關(guān)的子信道上，從而變?yōu)殡S機(jī)性的誤碼。這樣就可以利用編碼糾錯(cuò)技術(shù)恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔3]。

2）抗碼間干擾（ISI）能力強(qiáng)

在電力線信道中，由于存在多徑效應(yīng)，多個(gè)信號(hào)在不同的路徑傳輸，所以到達(dá)接收機(jī)時(shí)會(huì)有一定時(shí)延，這就造成ISI。OFDM將高速的串行數(shù)據(jù)分割為Ⅳ個(gè)子信號(hào).這樣分割后碼元的速率降低了Ⅳ倍。周期延長(zhǎng)Ⅳ倍。同時(shí)再在碼元間加入保護(hù)間隙和循環(huán)前綴，這樣只要數(shù)字碼元周期大于最大延時(shí)時(shí)間就可以有效抑制ISI干擾[4]。

3）頻譜利用率高

OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統(tǒng)的利用保護(hù)頻帶分離子信道的方式，提高了頻率利用效率。

4）OFDM對(duì)頻率偏移比較敏感。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對(duì)它們之間的正交性提出了嚴(yán)格的要求。由于信道的時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的信號(hào)頻譜偏移或發(fā)射機(jī)與接收機(jī)本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì)使 OFDM系統(tǒng)子載波之間的正交性遭到破壞，導(dǎo)致載波間干擾（ICI）[5]。

因此，采用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)的芯片設(shè)計(jì)的電力載波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能很好的解決數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中信號(hào)衰減大、碼間干擾嚴(yán)重、頻譜利用率不高的應(yīng)用難題。

3 電力載波通信模塊的設(shè)計(jì)

為了設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠、誤碼率低的電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊，本課題采用力合微電子有限公司生產(chǎn)的電力載波芯片LME2980作為模塊的核心芯片。LME2980是國(guó)內(nèi)首款OFDM低壓電力線載波芯片，針對(duì)國(guó)內(nèi)電網(wǎng)環(huán)境及低壓電力線載波通信應(yīng)用需求而優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有國(guó)際領(lǐng)先的技術(shù)及性能。芯片具有以下特點(diǎn)：

1）抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)電網(wǎng)信道具有自適應(yīng)能力，通信可靠、穩(wěn)定。這主要是由于OFDM采用多個(gè)正交子載波（通常數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)）同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。

2）通信速率高，因而通信效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。OFDM典型的通信速率在幾十kbps。

電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊[6]由LME2980芯片電路，信號(hào)耦合和接收濾波電路，信號(hào)放大濾波電路，過(guò)零檢測(cè)電路和接口電路組成。數(shù)據(jù)傳輸模塊系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊的系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of electric power carrier data transmission module

3.1 LME2980電力載波電路

LME2980內(nèi)置MCU，可運(yùn)行用戶定義的通信協(xié)議及應(yīng)用軟件。同時(shí)，LME2980內(nèi)置模擬接收前端電路，大動(dòng)態(tài)范圍自動(dòng)增益接收放大器等，外圍電路簡(jiǎn)單，應(yīng)用方案成本低，使用方便。 LME2980電力載波電路如圖3所示。

圖3 LME2980電力載波電路Fig.3 Electric power carrier circuit of LME2980

3.2 信號(hào)放大濾波電路

信號(hào)放大濾波電路的功能是把從LME2980芯片輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波后，由信號(hào)耦合電路耦合到電纜線上，滿足電力線傳輸?shù)囊蟆Ｐ盘?hào)放大濾波電路如圖4所示。

3.3 信號(hào)耦合和接收濾波電路

由信號(hào)耦合變壓器T1和C11組成的高通濾波電路，用于隔離高電壓的工頻交流電，F(xiàn)1是12V的TVS管，用于消除來(lái)自電力線上的高頻高強(qiáng)度干擾，從而保護(hù)內(nèi)部電路。信號(hào)耦合和接收濾波電路如圖5所示。

圖4 信號(hào)放大濾波電路Fig.4 Signal amplification filter circuit

圖5 信號(hào)耦合和接收濾波電路Fig.5 Signal coupling and receive filter circuit

3.4 過(guò)零檢測(cè)電路

過(guò)零檢測(cè)電路的功能是把工頻交流電的過(guò)零時(shí)刻以 脈沖的方式告知載波芯片，從而為分時(shí)通信以及相位判斷提供依據(jù)。過(guò)零檢測(cè)電路如圖6所示。

3.5 接口電路

接口電路的主要作用是為載波模塊與外界提供接口，提供電源并建立通信。接口電路如圖7所示。

圖6 過(guò)零檢測(cè)電路Fig.6 Zero crossing detection circuit

圖7 接口電路Fig.7 Interface circuit

4 測(cè) 試

將設(shè)計(jì)好的電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊分別安裝在電力線的兩端，利用串口助手進(jìn)行收數(shù)據(jù)測(cè)試（串口的設(shè)置為：波特率為115200、起始位為1b、數(shù)據(jù)位8b、停止位1b和無(wú)流控制協(xié)議），模塊一發(fā)送數(shù)據(jù)：WHAT IS NAME?模塊二接收后發(fā)送：CSUST ZHangLi測(cè)試過(guò)程中沒(méi)有亂碼和無(wú)碼產(chǎn)生，系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)測(cè)試如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)測(cè)試Fig.8 System test

5 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)分析電力載波傳輸信道特性和OFDM調(diào)制解調(diào)技術(shù)基本原理，選用OFDM低壓電力線載波芯片設(shè)計(jì)電力載波數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過(guò)對(duì)模塊進(jìn)行測(cè)試，模塊正常收發(fā)傳輸數(shù)據(jù)。

利用現(xiàn)有的電力線作為傳輸媒介，通過(guò)電力線傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省普通通信所需要的數(shù)據(jù)傳輸媒體，對(duì)于推動(dòng)電力載波通信在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用具有積極的意義。

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