吳伯農(nóng),武加睿

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100144)

電力線通信技術(shù)是指利用現(xiàn)有的電力線作為數(shù)據(jù)信息的傳輸媒介,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和信息交換的一種通信方式。該技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)是在現(xiàn)有的電力線上實(shí)現(xiàn)能量和信息的同時(shí)傳遞,不需要重新布線,連接方便。電力線是用于傳輸電能的,當(dāng)把它作為一種數(shù)據(jù)傳輸媒介時(shí),信道上會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減嚴(yán)重、噪聲干擾大、時(shí)變性強(qiáng)及工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn),因此必須采取相應(yīng)的有效技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)電力線高速數(shù)據(jù)通信?；诟道锶~變換及其反變換的正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)可以有效地解決上述問題。

1 OFDM技術(shù)原理

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,正交頻分復(fù)用)技術(shù)的基本原理是,將有線信道或者無線信道分成若干個(gè)正交子信道,將高速數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成并行的多路低速子數(shù)據(jù)流,再將每一路低速子數(shù)據(jù)流調(diào)制到每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸,構(gòu)成一個(gè)由多路低速數(shù)據(jù)并行傳輸?shù)膫鬏斚到y(tǒng)。因?yàn)楦鱾€(gè)子信道互相正交,所以每個(gè)子信道的頻譜可以重疊,從而可以提高頻譜的利用率,減小子信道間的相互干擾。正交信號(hào)可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開。每個(gè)子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分,且只傳輸高速數(shù)據(jù)流的一部分,因此每個(gè)子信道可以看成窄帶平坦衰落信道,從而可以減少碼間串?dāng)_,信道均衡變得相對(duì)容易。

OFDM是利用離散傅里葉變換及其反變換來實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)送端,設(shè)OFDM符號(hào)周期為T,串行數(shù)據(jù)先經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼形成N個(gè)復(fù)數(shù)序列X(0),X(1),…,X(N-1),并將其分別調(diào)制到N個(gè)子載波f0,f1,…,fN-1上,f0為最低子載波頻率,相鄰子載波頻率間隔為1/T,所以第 N個(gè)子載波頻率可表示為：

則調(diào)制后的復(fù)信號(hào)S(t)為：

在接收端,由于子載波的正交性,用N個(gè)子載波對(duì)接收到的合成信號(hào)分別進(jìn)行混頻和積分可分離出調(diào)制在各個(gè)子載波上的數(shù)據(jù)信號(hào),則接收端第 m路子載波的輸出信號(hào)R(m)為：

由此可知R(m)與 X(m)僅差一個(gè)恒定系數(shù),每個(gè)子載波都可以解調(diào)出相應(yīng)的原始信號(hào)。OFDM是一種多載波調(diào)制技術(shù)。在單載波調(diào)制系統(tǒng)中,單個(gè)衰落或者干擾就可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓,但是在多載波的OFDM系統(tǒng)中只會(huì)有一小部分載波信道受影響。此外,糾錯(cuò)碼的使用還可以恢復(fù)載波上的—些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。通過合理地挑選子載波位置,使OFDM的頻譜波形既可以保持平坦,又保證了各個(gè)子載波之間的正交。但是OFDM也有其不足之處,比如發(fā)射功率控制、同步技術(shù)及信道均衡估計(jì)等。

2 基于電力線的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)框圖

本方案由外圍設(shè)備、微處理器、調(diào)制解調(diào)器、耦合模塊等組成。主機(jī)發(fā)出控制指令讀取接收端設(shè)備的信號(hào),主機(jī)信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、輸出放大等處理后耦合到接收端設(shè)備的電源線上,經(jīng)過通信介質(zhì)傳輸?shù)街付ń邮斩?再通過耦合電路和解調(diào)電路,把信號(hào)分離出來。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 調(diào)制解調(diào)器介紹

本系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器采用INT5200。INT5200采用了ROBO/DBPSK/DQPSK調(diào)制解調(diào)方法的正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM),具有84個(gè)子載波,可根據(jù)收發(fā)端信噪比選擇可用的子載波,以解決噪聲干擾及多徑衰落的影響等問題,在低信噪比信道中不需要導(dǎo)頻信號(hào)也可以完成同步。芯片應(yīng)用了Intellon公司專有的PowerPacket技術(shù),對(duì)所有將要被發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)位的載波進(jìn)行合并處理,把眾多的單個(gè)信號(hào)合并成一個(gè)獨(dú)立的傳輸信號(hào)進(jìn)行發(fā)送,增加了數(shù)據(jù)的吞吐量,提高了數(shù)據(jù)的傳輸速度,符合 HomePlug1.0技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。INT5200結(jié)構(gòu)功能圖如圖2所示。

圖2 INT5200結(jié)構(gòu)功能圖

Powerpacket MAC模塊主要完成鏈路層功能,是芯片的核心部分。INT5200在MAC層采用了具有優(yōu)先級(jí)的載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)(CSMA/CA)技術(shù)和自動(dòng)重傳請(qǐng)求(ARQ)技術(shù),提高了傳輸數(shù)據(jù)包的可靠性。同時(shí),由于數(shù)據(jù)包優(yōu)先級(jí)的靈活設(shè)定,INT5200具有較強(qiáng)的突發(fā)業(yè)務(wù)處理能力;其允許多幀傳輸,極大地減輕了對(duì)網(wǎng)絡(luò)接收端的要求,使網(wǎng)絡(luò)吞吐量達(dá)到最大,同時(shí)保證了最短延遲時(shí)間和最優(yōu)的信號(hào)穩(wěn)定性。

PowerPacket PHY模塊實(shí)現(xiàn)物理層功能,主要提供建立、維持和拆除物理連接的電氣手段,保證電力線上數(shù)據(jù)流的透明傳輸。該模塊主要由1個(gè)物理層邏輯序列、1個(gè)與MAC子層DMA通道對(duì)應(yīng)的FIFO堆棧以及1個(gè)前向模擬通道組成。此外,還集成有對(duì)外加運(yùn)算放大器的自動(dòng)增益控制(AGC)電路。1對(duì)高速的10位A/D、D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成了前向模擬通道,其采樣速率為50 Mbps,參考電壓獨(dú)立于片內(nèi),可實(shí)現(xiàn)低功耗操作。該芯片還集成了模擬前端(AFE)模塊,其包含了輸入/輸出增益控制、濾波D/A轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換等功能,其后可通過AC交流耦合裝置直接與電源線相連。

4 AX11015簡(jiǎn)介

AX11015為集成以太網(wǎng)實(shí)體層、媒體存取控制器、TCP/IP硬件加速器及閃存的高性能的8位微處理器芯片,兼容標(biāo)準(zhǔn)8051/80390指令集,性能可達(dá)100 MIPS,內(nèi)建電源管理單元,可編程看門狗定時(shí)器,3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,512 KB的閃存與32 KB的RAM內(nèi)存,并且可以外部擴(kuò)展。它具有豐富的串行通信及并行接口資源,包含1個(gè)I2C接口、1個(gè)SPI、1個(gè)1-wire主模式控制器接口、3個(gè) UART接口(其中1個(gè)可支持 921.6 kbps)、外接擴(kuò)充內(nèi)存接口、32個(gè)4組GPIO端口、局域總線及可選的MII(用于連接HomePNA和HomePlug)接口等。可通過Ethernet或 UART口進(jìn)行應(yīng)用程序的在線升級(jí)。AX11015內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 AX11015內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

5 耦合模塊

耦合模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)與電源能量耦合和解耦的關(guān)鍵電路,也是載波信號(hào)的發(fā)送和接收通路。在載波通信系統(tǒng)中耦合電路必須對(duì)載波信號(hào)具有較高的傳輸效率,能夠隔離電源能量,降低各種干擾對(duì)系統(tǒng)的影響。能不能防止電源能量涌入載波通信電路中,直接影響載波通信系統(tǒng)的安全性。

在電力線載波通信系統(tǒng)中,載波信號(hào)的耦合方式常用電容耦合和電感耦合。本系統(tǒng)采用電容耦合方式,即用1個(gè)電容耦合器來實(shí)現(xiàn)信號(hào)與能量的耦合,可將高頻信號(hào)直接發(fā)送到電源線上,同時(shí)也可以接收高頻載波信號(hào),如圖4所示。TX_N、TX_P為高頻載波信號(hào)的發(fā)送端口,RX_N、RX_P為高頻載波信號(hào)的接收端口。mov200是雙極性陶瓷半導(dǎo)體器件,可感知和限制瞬時(shí)電壓浪涌和干擾對(duì)電路的沖擊損害,從而對(duì)電路起到保護(hù)作用。耦合器的前端和電容器C組成了1個(gè)高通濾波器,允許載有數(shù)據(jù)的高頻載波信號(hào)通過,也可削弱低頻噪聲和一些無用信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的干擾。兩個(gè)200 kΩ的電阻用于斷電時(shí)消耗掉存儲(chǔ)在耦合電容兩端的電荷。

圖4 系統(tǒng)耦合電路

6 數(shù)據(jù)傳輸接口電路原理圖

在電力線測(cè)控系統(tǒng)等場(chǎng)合中,各臺(tái)儀表之間、主站與節(jié)點(diǎn)之間需要不斷地進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的交換和信息的傳輸,這需通過通信接口按照一定的協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用常用的串行通信,方便主站與從站之間的連接,如圖5所示。

圖5 接口電路部分原理圖

從主站發(fā)送出去的控制信息經(jīng)過串口DB9輸出,輸出的RS-232信號(hào)經(jīng)過ICL3222實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成AX11015能識(shí)別的UART電平。AX11015對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理,通過MII接口傳輸?shù)絀NT5200內(nèi)的相應(yīng)主控單元,在其控制下送往核心部件收發(fā)器,對(duì)輸入的控制信號(hào)進(jìn)行OFDM調(diào)制、數(shù)據(jù)包加密等處理,即把控制信號(hào)加載到高頻信號(hào)上,調(diào)制成適合電力線信道傳輸?shù)腛FDM信號(hào)。然后由濾波緩沖單元完成對(duì)OFDM信號(hào)的去雜處理和流量傳送控制、D/A轉(zhuǎn)換、放大等處理,最后經(jīng)由TXOUT_P和TXOUT_N發(fā)送給耦合電路的TX_P和TX_N,把載有控制信號(hào)的高頻信號(hào)耦合到電源線上。

接收端通過耦合電路把控制信號(hào)分離出來,接收端處的通信接口通過對(duì)載有控制信號(hào)的高頻信號(hào)經(jīng)過保護(hù)電路、帶通濾波器、解調(diào)電路等電路,對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行濾波、A/D轉(zhuǎn)換、增益調(diào)整、OFDM 解調(diào)、并串轉(zhuǎn)換、錯(cuò)誤檢測(cè)等處理,最后發(fā)送給接收端的微處理器。接收端的微處理器對(duì)接收到的控制信號(hào)進(jìn)行分析,根據(jù)控制信號(hào)的內(nèi)容來訪問接收端設(shè)備。與處理器相連的節(jié)點(diǎn)串口RXD和TXD不需要交叉。接收端的設(shè)備還可以按照相反的過程把所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)或狀態(tài)信息發(fā)送給主機(jī)。

結(jié) 語

基于OFDM的載波通信技術(shù)通信速率高,對(duì)信號(hào)波形間的干擾、窄帶干擾和頻率選擇性衰落等具有很強(qiáng)的抗干擾性。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電力線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集及電網(wǎng)自動(dòng)化等,還可以用于實(shí)現(xiàn)智能家電的集中監(jiān)控管理和遠(yuǎn)程控制等。

[1]Athero Corporation.INT5200 Datasheet,2004.

[2]ASIX Corporation.AX11015 Datasheet,2006.

[3]賀良華,蔡紅娟.基于INT5200的低壓電力線通信模塊設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(3-2).

[4]梁秀敏,于鵬.基于低壓電力線載波通信的耦合技術(shù)電路研究[J].裝備制造技術(shù),2009(3).

[5]王子敬,鄧?yán)?基于OFDM 的電力線載波通信的研究[J].電子設(shè)計(jì)工程,2009(7).