窄带电力线通信技术解决OFDM问题

在我们的行业中似乎一遍又一遍地发生的一件事是一个新产品领域的出现，它在工程领域引起了巨大的轰动，然后在黑暗干燥的角落里苦苦挣扎多年。技术听起来不错！我们可以用它来彻底改变我们的产品。然后，随着一些公司提供一些新版本，这项技术逐渐衰落并徘徊了几年。但是，它从来没有真正成为大时代。几年后，它终于成为一种非常可行的方法，并在各地使用。

这种情况经常发生，因为产品并没有真正达到炒作产生的预期。或者，可能有如此多的竞争版本，以至于没有人完全弄清楚该转向哪种方式。然后技术成熟并运行良好，你会看到它在你转向的任何地方都被使用。

在我看来，电力线通信 （PLC） 就是这种情况。几年前，PLC 似乎是许多通信问题的解决方案。但后来它消失了，现在它似乎终于开始大踏步前进了。它被用于公用事业智能电网和抄表应用程序、家庭自动化以及我们稍后将讨论的许多其他领域。当然，它的一大优势是不需要新的布线。而且，PLC 可以在相当长的距离上使用。

实际上，通过电力线发送数据在很久以前就被认为是一件好事。在用于配电的同一对电线上发送通信信号的概念可以追溯到 1924 年实现“电力电路载波传输”的专利。用于语音电话的 PLC 始于 20 世纪初，并于 1920 年代末在欧洲和美国普及。

电力线通信方式现在分为宽带和窄带。宽带用于在家中发送高速数据，如以太网，而窄带则以更悠闲的速度工作，用于公用事业抄表、工业命令和控制、家庭自动化和许多照明控制应用。

可以肯定的一件事是，PLC 的工作环境很艰苦。未绞合的电源线不仅起到天线的作用，而且在工业环境或家庭中总是有多个电路，通信信号可能必须先到达主电路面板，然后再到达目的地接收器。来自主面板的每个电路都有多个抽头，创建了一个非常复杂的阻抗和噪声环境，以便在其中发送射频信号。电源线通常是一种极其困难和嘈杂的通信介质，其特点是几种不可预测的强烈干扰形式。

宽带PLC

特别是宽带系统在抑制干扰和产生干扰方面都遇到了困难。HomePlug AV 于 2005 年推出，现已成为宽带 PLC 的中流砥柱。适配器可用于宣传 200Mbps、500Mbps 和现在超过 1Gbps 的物理速率。虽然 HomePlug 连接的理论最大速度可能为 200Mbps，但大多数实际产生的速度约为 30Mbps 到 50Mbps——只要它可靠且一致，在大多数情况下仍足以将视频从路由器传输到电视。HomePlug 已获得 IEEE® 1901 规范的批准，可确保互操作性。

窄带PLC

但今天我们想谈谈窄带电力线通信。

长距离电力线（交流和高压直流）的通信是电网基础设施的重要组成部分。自动化公用事业抄表现在是无处不在的常态。照明、暖通空调和电器的家庭自动化是一个重要且不断增长的使用领域。所有这些领域都在使用窄带PLC。工业控制系统的设计者正在利用这项技术。其他迅速出现的应用包括路灯、自动售货机、太阳能电池板和电动汽车充电的控制。

用于使用电力线的通信技术已经发展。最初部署的方案包括基本单载波频移键控 （FSK） 和相移键控 （PSK） 调制的变体。这些技术在可靠地应对恶劣的电力线环境的能力方面受到限制，因此，早期的 PLC 系统遇到了问题。

目前窄带有两个主要标准：G3 和 PRIME。一般来说，G3（或类似的 IEEE P1901.2）标准更侧重于鲁棒性。对于工业应用，您必须确定数据会到达，也许不是以最快的速度到达，但它确实到达了。G3 提供 20.36Kbps、34.76Kbps 和 46Kbps（带编码）数据速率、前向纠错 （FEC） 以及与 6LoWPAN/IPv6 的兼容性。G3 在欧洲的 CENELEC-A 或 –B 频段 （20Kbps–40Kbps） 上运行，并可用于整个 FCC 频段，在美国提供高达 400Kbps 的数据速率。它提供第 2 层 128 位 AES 加密以提供数据安全性。

OFDM 解决问题

G3 和 PRIME 使用正交频分复用 （OFDM），这是一种通过噪声信道传输大量数字数据的技术。它结合了许多慢速数据速率的载波以形成整体更高的数据速率。自动选择一组载波频率或信道以远离干扰。多个子信号以不同的（正交）频率同时传输。每个数据子载波都使用 PSK 或 QAM 进行调制。这与纠错一起确保在非常嘈杂的环境中可以无错误地接收数据。

图 1. 多个等幅 OFDM 子载波的频谱。

使 OFDM 成为实际传输系统的技巧是将子载波调制率链接到子载波。通过将子载波间隔设置为符号率的倒数，峰值和零点完美对齐，这样在任何子载波频率上，子载波都是正交的，并且它们之间没有干扰。

用于工业控制的窄带 PLC 控制器 IC

一些芯片供应商制造支持 PRIME、G3 和 IEEE 1901.2 标准的控制器。OFDM 以及纠错技术使窄带 PLC 在其典型的电噪声环境中非常适用于工业控制系统。这些技术确实使用了一些非常繁重的数学函数，并且需要一些强大的计算能力。现在这不是什么大问题，但请确保您选择的控制器芯片有能力处理您的特定环境。

窄带 PLC 控制器 IC 的一个例子是 Maxim 的 ZENO MAX79356，它使用两个流水线 32 位 RISC 处理器。该芯片已通过 G3-PLC 认证，其可编程性确保它可以处理标准的修订和国家变化。

MAX79356 在聆听模式下的最大功耗仅为 80.6mW。该 IC 包括一个完整的模拟前端 （AFE） 并具有一个 AES-CCM 加密引擎，以实现高安全性。它采用 48 引脚 LQFP 封装，工作温度范围为 -40° 至 85°C。

审核编辑：郭婷