低压电力线通信的实现方案

2022-09-10

常用的低电压电力线通信网络是指民用的380V及220V电力线网络, 由于电力线作为传输媒介的特殊性, 要在低压电力线上实现可靠的通信, 必须采用高级的调制解调技术[1]。在过去的几十年中, 低压PLC之所以没有得到飞速发展, 其中一个重要原因就是电力线作为传输媒介有其自身所特有的一些缺点, 加之缺乏有效的针对PLC特点的调制方法, 造成了PLC长时期的发展迟缓状态。在220V/380V低压电力线上进行信号传输, 具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。利用电力线作为通信信道, 主要困难是:信号衰减严重且可变;负载特性复杂;信径杂乱;干扰严重。由于我国电器的电磁兼容性没有欧美控制的严格, 因此我国的电网干扰要比欧美严重得多, 这对我国从事低压电力线通信技术研究的工作者来说, 提出了更加严格的挑战。

1 几种通信方式介绍

1.1 传统窄带频带通信方式

传统的低压电力线通信一般采用频带传输, 也就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬到较高的载波频率上。其基本的调制方式分为幅移键控、频移键控和相移键控。在此基础上, 又派生出了差分移相键控、最小移频键控、四相移相键控、正交幅度调制等[2]。

传统的载波通信方式的最大的弱点就是去噪声能力不强, 随着配电网结构的不断复杂和人们对低压载波通信质量要求的不断提高, 传统的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量的要求。典型的代表芯片为ST公司的ST7536、ST7538。这两款芯片是ST公司专为电力线载波通信而设计的Modem芯片, 除有一般Modem芯片的信号调制解调功能外, 还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段[3]。

1.2 扩频通信方式

扩频通信即扩展频谱通信, 是指在系统中传输的已调信号带宽远大于被调制信息占有带宽的一种信息传输方式[4]。扩频通信系统有以下几个特点:信号占用的带宽远远超出发送信息所需的最小带宽;扩频是由扩频信号实现的, 扩频信号通常称为编码信号, 由PN码 (Pseudo-random Code产生器产生, 与数据无关;接收端解扩 (恢复原始信号) 是将接收到的扩频信号与扩频信号的同步副本通过相关完成的。扩频通信系统有四种基本的扩频方式:直接序列系统、跳频系统、脉冲线性调频系统以及跳时系统。另外, 还有由这四种系统组成的混合系统, 常见的组合有跳频/直扩 (FH/DS) 系统、跳时/直扩 (TH/DS) 系统、线性调频/直扩 (CS/DS) 系统、跳频/跳时 (FH/TH) 系统等。本课题主要采用脉冲线性调频的扩频通信方式。

1.3 正交频分复用通信方式

正交频分复用技术在频域把信道分成许多正交子信道, 各子信道的载波间保持正交, 频谱相互重叠, 这样减小了子信道间的相互干扰, 提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远小于信道带宽, 因此每个子信道是相对平坦的, 大大减小了符号间的干扰, 这也使得信道均衡可以得到简化。OFDM具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点, 因此受到广泛关注, 目前在有线和无线领域的研究都很多, 在全数字电力载波通信中的研究也方兴未艾, Intellon公司的Power Packet电力载波芯片INT5130采用了OFDM技术, 能提供14Mbps的数据传输速率, 使得电力线真正成为一种可以和光纤相媲美的接入方式。

1.4 其他通信方案

美国的Echelon公司在它的LONWORKS系列产品PLT-22中采用了一种双频调制技术, 该技术是采用115k Hz和132k Hz两个工作频率, 当主频3 2 k H z传输受阻时, 改用115k Hz进行数据的传输。实践表明即使主频受阻, 系统仍然可以稳定的工作。由于Echelon的国际标准, 使得PLT-22配合神经元芯片FT-3120/FT-3150可以在全世界的范围内使用。据国内资料表明, PLT-22是在国内使用效果最好的电力线载波芯片, 但由于其成本太高, 很难在国内进行大规模推广。以色列Yitran公司的IT800D采用专利的微分码位移键控扩频调制技术, 支持载波监听多路访问/冲突避免协议 (类似于以太网的CSMA/CD) , 提供最大的传输可靠性。

2 实现方案

ST7535、ST7538采用FSK方式, 具有一定的抗干扰能力, 且价格低廉, 因此被不少系统使用。缺点是在低频段干扰严重, 特别是众多的开关电源辐射出的几十千赫兹干扰;而在高频段信号衰减严重;通信速率较低。目前采用OFDM技术的电力线数据收发芯片的价格比较昂贵, 现阶段难以将其作为使用推广产品开发。SSC P300和IT800D都采用扩频通信技术, 并支持总线竞争, 但是由于IT800D芯片技术资料保密, 相关技术支持较少, 而SSC P300符合电子总线标准EIA-600 (即CEBus:Consumer Electronic Bus) , 可以按照标准的CEBus总线协议进行设计。SSC P300所采用的100k Hz~400k Hz的线性扫频信号, 扩频增益可达30d B或更大, 有效保证了电力线通信的可靠性。CEBus即用户电子总线, 是电子工业协会制定的一个开放标准 (EIA-600) , 是描述住宅内各消费电子产品之间进行网络互联的协议在设计中选用SSC P300芯片进行通信模块的设计。

实现过程中扩频通信采用的chirp波, 本身对其他设备来言, 就是一种干扰源。通信模块功放电路使用的电源为18V, 输出到电力线的高频信号幅值峰峰值约为10V。需要在确保通信质量的前提下, 对硬件设计进行改进, 特别是输入滤波电路、功率放大电路、耦合电路, 尽量降低输出幅值, 减少干扰。