市场需求响应--宽带载波技术及应用浅析1029

宽带载波电力线通信技术及应用浅析

研发中心--李勇

电力线载波通讯PLC（Power Line Communication），是一种通过电线进行数据传输的通信技术。宽带电力线通信BPL (Broadband over Power Line)，是指带宽限定在2～30MHz之间、通信速率通常在1Mbps以上的电力线载波通信。宽带电力线通信技术和窄带电力线通信技术均是是利用现有电网作为信号的传递介质，使电网在传输电力的同时可以进行数据通讯。

图1：电力线载波带宽分布

一、宽带载波的技术信息

采用扩频通信(SSC)技术的PLC通常称为窄带PLC。但在用电设备类型日益丰富，电路中开关电源和无功补偿装置等电容性负载日益增多的环境下，信号吸收和突发干扰大大降低了窄带载波通信系统的适应性和可靠性。为克服电力线通信线路噪声显著且信号衰减严重问题，满足日益增长的信息传输要求，宽带载波技术采用了扩频、OFDM(正交频分复用)等调制技术，不但使频带利用率进一步提高，而且还能消除子信道之间的干扰，从而实现数据的高速可靠通信。

1、相比窄带载波SSC技术，宽带载波OFDM技术具有以下的优点：

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（1）抗衰减能力强。OFDM通过多个子载波传输用户信息，对脉冲噪声 (ImpulseNoise)和信道快衰落的抵抗力很强。同时，通过子载波的联合编码，OFDM实现了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。

（2）频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统上利用保护频带分离子信道的方式，因此提高了频率利用效率。

图2：OFDM系统频谱图

（3）适合高速数据传输。OFDM的自适应调制机制，使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的情况选择不同的调制方式。当信道条件好的时候，子载波采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，子载波采用抗干扰能力强的调制方式。而且，OFDM加载算法技术，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上，以高速率的方式进行传送。

（4）抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多。实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。由于OFDM采用了循环前缀，因此，对抗码间干扰的能力很强。

2、OFDM技术亦有以下不足：

（1）对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术利用各个子载波之间严格的正交性来区分各个子信道。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。

（2）峰均功率比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率降低。与单载波系统相比，由于OFDM 信号是由多个独立的、经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰均功率比。

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（3）负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。

3、宽带载波技术性能指标

? 中心频率2MHz-12MHz，可选择工作频率2.5~5.7MHz，8~11.2MHz ? 采用OFDM调制方式,子载波支持BPSK，QPSK，8QAM，16QAM，64QAM调

制

? 子载波自适应调制

? 支持FEC和CRC功能，强大的去噪和纠错能力 ? 针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构

4、宽带载波抄表性能指标

? 模块节点掉线时间<3min ? 点抄时间（一个量）<1s

? 轮抄时间（300块表、一个量）<1min ? 对客户端事件的响应时间<5min ? 通讯距离大于500-1000m

宽带电力载波技术满足国网、南网的技术规范；满足全费控、防窃电等关键功能的实现；能提供实时数据满足大客户用电管理的需求。

5、宽带载波芯片

目前市场上的2-12M的宽带载波模块，所用芯片是中电华瑞技术有限公司和华为海思共同研发的专门针对国内电力环境定制的一款芯片，避免了从国外高速电力线载波芯片改造而来造成水土不服的芯片使用问题。2-12M宽带载波芯片在和电能表接口和集中器接口上与窄带载波没有任何差别，完全兼容。特别是国网推出2013标准，在本地通信接口实现互换性后，宽带模块完全可以和符合国网13标准的集中器无缝衔接。相较窄带载波而言，宽带载波在实时性、通信速率、动态组网上有明显优势。

（1）芯片关键指标

? 物理层速率100Kbit/s～16Mbit/s ? 应用层速率30Kbit/s～4Mbit/s

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? 芯片工作功耗<600mW，待机功耗<100mW ? 表侧通信模块工作功耗<1.2W，待机功耗<250mW （2）物理层特性

? 工作频率范围200KHz～12.5MHz，带宽2MHz，并支持频率扩展 ? 采用OFDM技术，子载波支持BPSK、QPSK、8QAM、16QAM、64QAM调

制

? 子载波自适应调制

? 支持FEC和CRC功能，强大的去噪和纠错能力 ? 针对复杂电力信道设计的高鲁棒性帧结构

? 可在 240 VAC, 120 VAC, 24 VAC或直流电力线上稳定工作，最大

传输距离大于1K

（3）MAC特性

? 支持TDMA和CSMA/CA，提供冲突避免机制 ? 支持数据分段和重组，提高传输效率 ? 支持数据重传机制

? 支持AES/3DES/DES数据加解密

? 支持4级QoS，满足不同业务服务质量需求 （4）组网特性

? 支持自动快速组网 ? 支持终端个数1000个

? 支持自动中继，最大可支持15级中继 ? 支持动态路由，多路径寻址 ? 支持静态路由 （5）网络共存

? 支持ITU G.9972 ISP协议，与家庭互联设备共存 ? 支持集中器级联，支持跨台变识别、避免串扰 （6）CPU

? 高性能的ARM处理器，工作频率266MHz ? 内嵌I-Cache 8KB、D-Cache 8KB、ITCM（4KB）

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（7）存储接口

? 内嵌SDRAM存储器，最大支持16MB ? 支持SPI外接存储器 (8) 外围接口

? 1个MII接口，支持10/100Mbit/s网络扩展（Hi3911C支持） ? 1个SPI Master/Slave接口（Hi3911C支持） ? 4个UART接口 ? 32个GPIO接口 ? 1个I2C接口 (9) 封装

? Hi3911T：QFN64 9mm×9mm 0.5mm封装

? Hi3911C：Epad-LQFP128 14mm×14mm 0.4mm封装 ? 工作温度：-40℃～+85℃ ? 工作电压：IO 3.3V、Core 1.2V

二、宽带载波的现场应用实现方案

1、宽带载波集抄系统构成

宽带电力集抄系统由三部分组成：A主站软件（应用服务），B集中器终端，C采集器终端，系统组成简介方便，无需改动窄带电力集抄系统原有网络线路，如下框图：

图3：系统构成框图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ound.html