基于OFDM的電力載波數據傳輸模塊研究與設計

摘要：為了實(shí)現利用現有的電力線(xiàn)路實(shí)現數據傳輸，提出利用正交頻分復用(OFDM)技術(shù)芯片LME2980設計電力載波通信(PLC)模塊。通過(guò)分析電力載波傳輸信道特性和OFDM調制解調技術(shù)基本原理，完成電力載波數據傳輸模塊的設計，實(shí)現利用現有的電力線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。
關(guān)鍵詞：PLC；OFDM；LME2980；數據傳輸

電力載波通信技術(shù)(PLC)利用現有的電力線(xiàn)通過(guò)載波技術(shù)進(jìn)行數據傳輸的技術(shù)。由于低壓電力線(xiàn)載波傳輸信道的干擾問(wèn)題是制約低壓電力線(xiàn)載波通信發(fā)展和普及的主要障礙，而正交頻分復用(OFDM)調制技術(shù)具有抗干擾、抗衰落能力強的特點(diǎn)，采用正交頻分復用(OFDM)調制技術(shù)的芯片設計電力載波數據傳輸模塊，能更好的克服電力線(xiàn)的強干擾、強衰減等缺陷。因此，文中提出一種基于OFDM的電力線(xiàn)載波數據傳輸模塊設計方案，利用現有的電力線(xiàn)實(shí)現載波通信。

1 載波通信信道特性
利用電力線(xiàn)載波進(jìn)行數據傳輸，可以充分發(fā)揮電力資源優(yōu)勢，從而推動(dòng)電力線(xiàn)載波通信的廣泛應用，電力載波的數據傳輸系統框圖如圖1所示。

但在電力線(xiàn)上的數據傳輸，還未達到令人滿(mǎn)意的水平，這在一定程度上限制了電力載波通信的廣泛應用。主要原因有：電力線(xiàn)上的負載接入較多，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(xiàn)上存在高噪聲，各種用電設備經(jīng)常頻繁開(kāi)閉，就會(huì )給電力線(xiàn)上帶來(lái)各種噪聲干擾，而且幅度比較大。電力線(xiàn)對載波信號造成高削減。當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，造成對載波信號的高削減。因此，利用電力線(xiàn)載波的方式傳輸數據時(shí)，需要進(jìn)行以下幾方面考慮：
1)較高的頻譜利用率，以適應電力線(xiàn)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(xiàn)呈現較高的輸入阻抗，減小對載波信號的衰減。

2 OFDM技術(shù)
2．1 OFDM介紹
OFDM(正交頻分復用)技術(shù)實(shí)際上是MCM(Multi-Carrier Modulation，多載波調制)的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，調制到在每個(gè)子信道上進(jìn)行傳輸。正交信號可以通過(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，信道均衡變得相對容易。
2．2 OFDM技術(shù)的特點(diǎn)
1)有效降低衰減對通信質(zhì)量的影響
低壓電力線(xiàn)上普遍存在著(zhù)頻率選擇性衰落，而且這種衰減還具有時(shí)變性。電力線(xiàn)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機性的誤碼。這樣就可以利用編碼糾錯技術(shù)恢復出所傳輸的信息。
2)抗碼間干擾(ISI)能力強
在電力線(xiàn)信道中，由于存在多徑效應，多個(gè)信號在不同的路徑傳輸，所以到達接收機時(shí)會(huì )有一定時(shí)延，這就造成ISl。OFDM將高速的串行數據分割為Ⅳ個(gè)子信號，這樣分割后碼元的速率降低了Ⅳ倍。周期延長(cháng)Ⅳ倍。同時(shí)再在碼元間加入保護間隙和循環(huán)前綴，這樣只要數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。
3)頻譜利用率高
OFDM允許重疊的正交子載波作為子信道，而不是傳統的利用保護頻帶分離子信道的方式，提高了頻率利用效率。
4)OFDM對頻率偏移比較敏感。由于子信道的頻譜相互覆蓋，這就對它們之間的正交性提出了嚴格的要求。由于信道的時(shí)變性，在傳輸過(guò)程中出現的信號頻譜偏移或發(fā)射機與接收機本地振蕩器之間存在的頻率偏差，都會(huì )使OFDM系統子載波之間的正交性遭到破壞，導致載波間干擾(ICI)。
因此，采用正交頻分復用(OFDM)調制技術(shù)的芯片設計的電力載波數據傳輸系統能很好的解決數據傳輸過(guò)程中信號衰減大、碼間干擾嚴重、頻譜利用率不高的應用難題。

3 電力載波通信模塊的設計
為了設計穩定、可靠、誤碼率低的電力載波數據傳輸模塊，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是國內首款OFDM低壓電力線(xiàn)載波芯片，針對國內電網(wǎng)環(huán)境及低壓電力線(xiàn)載波通信應用需求而優(yōu)化設計，具有國際領(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，對電網(wǎng)信道具有自適應能力，通信可靠、穩定。這主要是由于OFDM采用多個(gè)正交子載波(通常數百個(gè)甚至上千個(gè))同時(shí)傳輸數據。
2)通信速率高，因而通信效率高，實(shí)時(shí)性強。OFDM典型的通信速率在幾十kbps。
電力載波數據傳輸模塊由LME2980芯片電路，信號耦合和接收濾波電路，信號放大濾波電路，過(guò)零檢測電路和接口電路組成。數據傳輸模塊系統框圖如圖2所示。

3．1 LME2980電力載波電路
LME2980內置MCU，可運行用戶(hù)定義的通信協(xié)議及應用軟件。同時(shí)，LME2980內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，應用方案成本低，使用方便。LME2980電力載波電路如圖3所示。

3．2 信號放大濾波電路
信號放大濾波電路的功能是把從LME2980芯片輸出的模擬信號進(jìn)行放大，進(jìn)行簡(jiǎn)單的濾波后，由信號耦合電路耦合到電纜線(xiàn)上，滿(mǎn)足電力線(xiàn)傳輸的要求。信號放大濾波電路如圖4所示。

3．3 信號耦合和接收濾波電路
由信號耦合變壓器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，F1是12V的TVS管，用于消除來(lái)自電力線(xiàn)上的高頻高強度干擾，從而保護內部電路。信號耦合和接收濾波電路如圖5所示。
3．4 過(guò)零檢測電路
過(guò)零檢測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。過(guò)零檢測電路如圖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。

4 測試
將設計好的電力載波數據傳輸模塊分別安裝在電力線(xiàn)的兩端，利用串口助手進(jìn)行收數據測試(串口的設置為：波特率為115200、起始位為1b、數據位8b、停止位1b和無(wú)流控制協(xié)議)，模塊一發(fā)送數據：WHAT IS NAME?模塊二接收后發(fā)送：CSUST ZHangLi測試過(guò)程中沒(méi)有亂碼和無(wú)碼產(chǎn)生，系統正常工作，系統測試如圖8所示。

5 結束語(yǔ)
文中通過(guò)分析電力載波傳輸信道特性和OFDM調制解調技術(shù)基本原理，選用OFDM低壓電力線(xiàn)載波芯片設計電力載波數據傳輸模塊，通過(guò)對模塊進(jìn)行測試，模塊正常收發(fā)傳輸數據。
利用現有的電力線(xiàn)作為傳輸媒介，通過(guò)電力線(xiàn)傳輸數據，節省普通通信所需要的數據傳輸媒體，對于推動(dòng)電力載波通信在物聯(lián)網(wǎng)的應用具有積極的意義。