孫建軍 吳太虎
(軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所天津市，300161)
摘 要：本文主要介紹了電力線通信(PLC)的最新發(fā)展和電力線通信的優(yōu)缺點，強調了電力線信道存在的噪聲和衰減，以及克服這些不利因素的解決方案。著重敘述了擴頻通信(SSC)技術和正交多載波調制(OFDM)技術的原理及它們對各種噪聲和衰減的抵抗能力，并列舉了很多國內外分別采用了這兩種技術的通信產品實例。最后，討論了電力線通信技術在國內的應用情況和發(fā)展前景。
關鍵詞：電力線載波 擴頻通信 正交多載波調制 網絡能信
1電力線通信(Power Line Communication)技術概況
電力線通信(PLC)技術是采用電力線傳送數據和話音信號的一種通信方式。該技術是將載有信息的高頻信號加載到電力線上，用電線進行數據傳輸，通過專用的電力線調制解調器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設備［1］。它的應用范圍主要是在一個變壓器范圍內進行數據的傳輸，用電力線調制解調器將電信號從電力線上提取下來。目前，該技術主要應用于水、煤氣、電表等的自動抄表系統(tǒng)，同時該技術也是局域網接入很有競爭力的一種接入技術。
電力線通信在未來幾年有著極其誘人的前景和潛在的巨大市場。2001年6月26日Homeplug電力線聯(lián)盟頒布了1.0版技術規(guī)范，將會對PLC技術的產品和網絡化家用電器產生重大的影響。在美國、加拿大、英國和德國，電力線通信技術已經進入了實用階段，德國RWE電力線通信公司2001年7月1日開始PLC的商用化，2001年5月7日Homeplug電力線聯(lián)盟結束了為期半年的PLC現場試驗，在美國和加拿大進行了500戶的室內聯(lián)網試驗和1萬次插座至插座的連接測試，并取得了圓滿成功。目前，在國內除了自動抄表方面的應用外，該技術在醫(yī)療監(jiān)控和自動報警方面都有很好的應用前景，將集成有電力線收發(fā)模塊的儀器儀表插在電源插座上，就可以方便的實現通信。
2電力線通信技術的特點
電力線無論在城市、鄉(xiāng)村，還是偏遠落后的地區(qū)到處都是，只要用電的地方就會有電力線存在，不鋪設額外的通信線路而直接利用已有的電力線資源進行數據或話音信號的傳輸，將會大大降低通信成本，并且電力線通信有著它自身的一些優(yōu)勢。采用電力線通信有以下幾個方面的優(yōu)點：
2.1實現成本低
因為有效的利用了已有的配電網作為傳輸線路，不用鋪設額外的線路，從而大大減少線路投資，節(jié)約了成本，而且避免了因鋪設網絡線路帶來的一些問題，如住宅打孔，帶來的對住宅的破壞作用。
2.2數據傳輸速率高
PLC的傳輸速率目前可以達到4.5M～45Mbps，比采用ADSL、ISDN和撥號上網的速率都快。目前已經有不少電力線載波芯片研制成功，Intellon的PowerPackket產品可以達到14Mbps，并且已被Homeplug所采用。
2.3永遠在線
以電力線作為通信信道，可以靈活的實現“即插即用”，不用繁瑣的撥號過程，接入電源就等于接入了網絡，只要插上電源就永遠在線。
2.4范圍廣
民用電力線是世界上最普及的網絡，這是電話和有線電視都不能比擬的優(yōu)勢。PLC可以輕松的滲透到每個家庭，為現代家庭智能化和互聯(lián)網的發(fā)展提供廣闊的發(fā)展空間。
電力線通信除了以上幾點優(yōu)勢外，還存在著很多問題。主要是電力線信道存在著嚴重的干擾和非常大的時變衰減。根據噪聲干擾的不同性質可分為［2］：A)有色背景噪聲干擾，這種干擾主要來源于交直流兩用電動機，近似服從高斯分布，他的功率一般一般不大；B)隨機脈沖干擾，主要由閃電和負載的開關操作所產生，近似服從泊松分布，0＜λ＜5ⅹ10-3，這種干擾的功率較大，頻率一般為電力系統(tǒng)頻率的2倍，而且離接收機越近影響越大；C)異步脈沖噪聲，這類干擾主要是保護開關瞬間開閉產生的脈沖，電暈噪聲也歸為該類，這類噪聲可以說是電力線通信的最大障礙；D)周期性同步噪聲和周期性異步噪聲［3］，前一種是由電壓觸發(fā)的晶閘管整流器產生，而后一種主要由電視接收機和顯示器產生。這兩種噪聲的功率很小，一般不超過-45dB。
另外，電力線信道中還存在著極大的時變衰減。電力線信道中的衰減主要由兩部分組成［4］：一部分是耦合衰減，另一部分是線路衰減。一般耦合器的內阻可以做得相當小，這樣衰減就主要線路衰減決定。據相關資料表明［5］，線路衰減是距離的函數，距離越大，則衰減越大，農村比城市或工業(yè)的衰減大。時變性表現在同一時刻不同結點的衰減不同，同一節(jié)點在不同時刻的衰減也不同，一般可以達到20dB以上。為克服電力線通信人道的這些噪聲影響和時變衰減，電力線通信采用了一系列的新技術和新產品。
3電力線通信的實現方案
3.1 擴頻通信(Saread Spectrum communication)技術
擴頻通信是用高速偽隨機序列去擴展所傳輸信息的帶寬，然后進行傳輸，在接收端采用發(fā)送端相同的同步偽隨機序列進行信號的相關解擴，恢復所傳輸信息的一種技術［6］。其原理框圖如圖1所示：
擴頻通信的理論基礎為信息論的Shannon定理：C=Blog2(1+S/N)，從公式中可以看出信道容量C一定時，傳輸的信號帶寬B和信噪比S/N的互換關系：在一定的差錯概率的情況下，可以用較大的帶寬換取信噪比的下降，這正是擴頻通信技術的原理。擴頻技術通常包括［7］直接序列擴頻(Direct Sequence Spread Spec-trum)、跳頻(Frequency Hopping)、跳時(Time Hopping)和寬帶線性調頻(Chirp)。其性能指標主要有：擴頻增益Gp=擴頻信號帶寬/信息信號帶寬；抗干擾容限M=Gp-(S/N)0，其中(S/N)0為要求的差錯概率所需要的信噪比。
由于擴展頻譜后的信號能量分布在一個很寬的頻帶上，因此信號在傳輸過程中所疊加的窄帶脈沖干擾會在接收端對信息進行相關解擴時，使得干擾的頻譜展寬，幅度下降若干倍；相反，信息的頻譜被壓縮，幅度上升若干倍。因此，擴頻通信技術具有很強的抗各種脈沖干擾的能力。另外，由于擴展頻譜，使得信號的頻譜展寬若干倍，幅度下降，某一時刻某一頻率的干擾及衰減不會對整個信號產生嚴重影響，所以擴頻通信具有很強的抗多徑干擾和強衰減的能力。并且，利用偽隨機碼的多址功能，可以實現碼分多址(CDMA)，一個偽隨機碼對應一個用戶，具有很強的保密功能和巨大的用戶容量。
擴頻通信有保密性好、抗干擾和衰減能力強的特點，所以最早這應用在軍事通信中，例如軍事用跳頻(FH)電臺和直擴(DS)坦克電臺等。擴頻通信是在現代通信中應用最為廣泛的一種技術，如CDMA通信系統(tǒng)和電力線通信。擴頻通信自身的特點，使得他非常適合電力線通信信道。目前，有很多廠家都生產出了電力線擴頻載波芯片，如Intellon的SSC 300/485［8］網絡接口控制器采用了線性調頻(Chirp)技術，Echelon的PLT-10采用了直接序列擴頻(DS-SS)技術，還有國內目前使用較多的PL2000和SC1128擴頻芯片，都采用了直接列擴頻技術。
3.2正交多載波調制(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術
正交多載波調制(OFDM)是把高速的串行數據轉換成N路的低速數據流，去分別調制N路相互正交的了載波，然后將N路子載波合并成一路進行傳輸的一種調制效率很高的技術。OFDM系統(tǒng)原理框圖如圖2所示：
OFDM系統(tǒng)的數據傳輸速率很高，可以趨近于信道傳輸速率的極限，這主要是由OFDM的頻域特性來決定的。當碼元為矩形脈沖時，其頻譜如圖3所示：圖3(a)是單個子頻帶，圖3(b)是OFDM信號頻譜。從圖中可以看出，單個碼元的頻譜為sinx/x型，頻帶利用率不高，而OFDM的頻譜總的來看近似為矩形，且其邊帶分量相互疊加后，變得很小。所以，OFDM信號的頻譜利用率理論上可以達到Shannon信息論的極限。
OFDM系統(tǒng)有很強的抗脈沖干擾能力，這是由于OFDM信號的解調是在一個很長的碼無周期內積分，從而使脈沖噪聲的影響得以分散。根據CCITT的測試報告，能夠引起多載波系統(tǒng)發(fā)生錯誤的脈沖噪聲門限比單載波系統(tǒng)高11dB。另外，OFDM系統(tǒng)由于把信息分散到許多載波上，從而大大降低了各子載波的信號速率，使得碼元周期比多徑延遲長，因此可以有效的克服多經傳播的影響。OFDM允許相鄰信號頻譜有1/2重疊，必定會引起碼間串擾，可以采用循環(huán)前綴和時域均衡等措施來有效的降低碼間串擾的影響。
由于OFDM具有抗脈沖干擾和多徑效應能力強的特點［9］，所以它也很適合電力線通信。因為OFDM可以用FFT(快速傅立葉變換)算法來實現，所以可以采用基于DSP的軟件來實現，在第四代移動通信的開發(fā)中，很多公司都采用了OFDM技術，利用其高速率的特性，能夠為視頻點播和圖像傳輸等多媒體服務提供足夠的帶寬。目前,Intellon的PowerPacket電力線載波芯片就是采用了OFDM技術［10］，能夠提供14Mbps的數據傳輸速率，使得電力線真正成為一種可以和光纖相媲美的接入方式。ISPLC(電力線通信及應用國際學術年會)從1997年開始，每年舉行一次，前兩屆都是以擴頻和CDMA在電力線通信中的應用為主要內容，CDMA退居次要地位。圖4是PowerPacket中OFDM的實現［10］：
電力線通信除了采用以上兩種方案外，還有如較早的LM1893芯片所采用的調頻方式，由于調頻難以滿足電力線信道的抗噪聲及時變衰減的能力，所以該芯片在國內基本上沒有采用。然而，美國的Echelon公司在它的LONWORKS系列新產品PLT-22中采用了一種雙頻調制技術［11］，該技術是采用115kHz和132kHz兩個工作頻率，當主頻32kHz傳輸受阻時，改用115kHz進行數據的傳輸。實踐表明即使主頻受阻，系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定的工作。由于Echelon的國際標準，使得PLT-22配合神經元芯片FT-3120/FT-3150可以在全世界的范圍內使用。據國內資料表明，PLT-22是在國內使用效果最好的電力線載波芯片，但由于其成本太高，很難在國內進行大規(guī)模推廣。在實踐中，到底采用那一種方案要考慮實際情況來選取，對于實現監(jiān)控和抄表等對數據速率要求不高的應用，采用擴頻和雙調頻方式較好；而對于實現高速率的數據通信或圖象傳輸，則采用OFDM實現較好。
4 電力線通信技術的應用前景
在國內，電力線通信技術最成功的應用是遠程集中抄表系統(tǒng)，即抄表系統(tǒng)將電表、水表、氣表與管理部門的中心站計算機聯(lián)網，通過公用電話網、Internet和低壓配電網傳輸數據，自動完成抄讀用戶三表的數據，自動的進行查詢、分析和監(jiān)視用戶的水、電、氣的使用情況，方便的完成計費、收費工作。以電力線為傳輸媒質，很容易在集中式居民區(qū)、廠礦企業(yè)、醫(yī)院等地方建立起小范圍的電力線網絡，而不用額外的投資就可實現網絡化管理。這幾年在國外，電力線作為一種家庭總線，主要應用于家庭智能化和網絡服務的接入。利用已有電力線網絡，可以在醫(yī)院或家庭建立起醫(yī)療監(jiān)控網，實現重癥監(jiān)護功能，病人的血壓、心率、癥狀等信息可以在家里通過電力線監(jiān)控網傳送至小區(qū)控制中心，再通過公共電話網或Internet傳送到較大的醫(yī)療單位，進行分析、處理和監(jiān)護。同樣，醫(yī)院可以將治療或注意事項等信息通過網絡傳送至小區(qū)控制中心，再傳送到病人家里，對病人進行遠程診療。在醫(yī)院，不僅可以用電力線通信實現病人的監(jiān)護功能，而且可以配合醫(yī)療器械智能化，實現智能醫(yī)療監(jiān)控、報警、自動化管理和集中會診等功能。例如，可以用電力線通信網監(jiān)視輸液液面，當達到一定的液面，需要斷開時，可以及時的向監(jiān)護中心的護士發(fā)出警報，而不用護士不斷的去觀察，這個事例在大醫(yī)院里是很有實際意義的。因此，用電力線載波來實現一些需要經常在線的報警、防盜以及監(jiān)護等應用，每一個方面都有廣闊的發(fā)展前景和巨大的市場機遇。
5 結語
現今國內外已經有不少的電力線產品，而且相應的標準已經比較成熟，因此用電力線來進行水、煤、電等的自動抄表以及寬帶Internet的接入服務已成為現實。可是國內的電力線通信還沒有形成規(guī)模，所以還需要有關部門的科研人員的不斷努力，開發(fā)出適合中國電網特性的電力線載波芯片，確定可靠的電力線通信標準。另外，電力線通信在目前的現狀下，對發(fā)展農村和偏遠山區(qū)等地區(qū)的信息產業(yè)有非常重大的意義。
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