如何设计一款“合格”的智能电表？

　　平衡供需

　　电力公司面临着极具挑战性的任务，即以固定的供电电量满足高度可变的需求。高峰期间，电力需求可能是平常的数倍，资本高度密集的发电厂很难完全满足这种电力需求。为消费者提供激励性的分时电价或对高消费设备的用电时间进行远程管理是更有效可控的平衡电力供需的方式。要提供分时电价，电力公司必须清楚了解用户消耗电力的时间情况，也就是说，必须有连接电力公司和用户电表的通信路径。

　　为何不使用无线网络？

　　显然，无线标准可以用于电力公司电表通信，但有些问题。有人建议使用基于 ZigBee 的 2.4 GHz 技术，但在实践中，在20-50米的短距离范围内，它们都无法经济高效地将信息反馈给电力公司。添加网状网络可以扩展 Zigbee 网络的范围，然而，在农村和城市郊区以及干扰较大的建筑结构中，电表之间的距离更大，为 ISM2.4GHz 频段的无线通信带来了挑战。例如，一幢拥挤的多层公寓大楼会有复杂的覆盖和连接问题，安装和维护无线网络的费用高昂。最新的 IEEE 802.15.4g 智能电力公司网络（SUN）标准旨在利用各种频段应对这些挑战，但还未做好大规模部署准备。无线网络最大的缺陷是需要使用稀缺而宝贵的频谱，这可能是非常昂贵而且/或者并非随时可用。

　　电线通信

　　最显而易见的通信路径就是电线通信，为何不在供应电力时捎带一个信号呢？

　　长期以来，电力公司一直使用电线与发电设备进行通信并提供子站之间的语音通信，包括在高压线上添加一个信号。这些信号通常采用振幅调制或频移键控，平均速率为1 kb /s或更低，低数据传输速率可以实现信号的长距离传送。这项技术被用来切入切出配电单元、检查电网的完整性并为远程发电和子站提供基本的语音通信。然而电表的数量要比配电单元多上数千个，这种方法无法有效扩展用于电力公司电表链接。

　　为了实现与电表的通信，需要更高的数据速率和一项可以在灵活的半自治通信网络中支持多用户的技术。G3-PLC 窄带正交频域复用（OFDM）电线通信标准专为此而设计，提供克服特殊电线通信挑战的能力。该标准借鉴了多项无线技术，例如OFDM通信、Reed‐Solomon等前向纠错机制、Viterbi 卷积解码以及时间和频域交织技术等等。

　　电线本身极具挑战性，在许多方面比无线信道还要嘈杂。电线上的噪声是高度非平稳的，配备一个Gaussian组件（类似于无线），另配备一个非 Gaussian 脉冲噪声分量（与无线非常不同），可以是周期性的或非周期性的（图1）。电线上的干扰可以来自网络上的其他设备或其他通信网络，分为窄带干扰或宽带干扰。例如，工业机械、洗衣机、冰箱等使用的感应电动机经常有许多循环式平稳噪声。广泛应用于手机和笔记本电脑充电器的开关模式电源也有噪声。因为电线是物理媒介，它们会受到分支影响; 即使在同一所房子里，网络中某一个点的阻抗也会和其他地方的阻抗相当不同。接通、关断设备可以瞬间改变网络中某一个点的阻抗。通常情况下，电线阻抗的范围为 0.1 至 200Ω。总而言之，电线信道是复杂和嘈杂的。图1和图2例举了 G3-PLC 调制解调器在时域和时间-频率域必须承受的电线噪声。

　　

　　图1：对工业建筑中典型电线噪声的时域捕获（a）原电线噪声样本，（b） G3-PLC调制解调器的 Cenelec‐A频段电线噪声

　　

　　图2：（a）原电线噪声的时间频率摄谱仪显示了电线噪声的复杂结构。注意各种循环平稳噪声成分及其光谱内容；（b） G3-PLC 调制解调器所见的 Cenelec‐A频段内的电线噪声。注意在62至72kHz的频率范围内120/240Hz噪声分量强50dB。

　　飞思卡尔和智能电表

　　在飞思卡尔，我们的团队为智能电表特别是电线通信开发技术 。我们使用电线调制解调器（PLM）建立通信网络，包括一个配备嵌入式数字和模拟信号处理、一个模拟前端和一个线路耦合器（参见图2）的微控制器。调制解调器根据 G3-PLC 标准实现 PHY，再加上我们开发出的专有信号处理，提高我们 PLM 的性能。模拟前端将调制解调信号处理器的数字输出转换为符合电线上信号规定的模拟电压。然而，模拟前端的输出是一种低电压信号，需要通过线路驱动器被放大并使用第三种元素线路耦合器添加至电线。电线阻抗会发生很大的变化，所以通常会配置线路驱动器驱动电线信号，带时变阻抗。我们面临的整体挑战是要建立一个系统，支持多用户并在时变和严苛的信道条件下拥有良好的性能，并最大化降低成本。

　　

　　图3：电线模型规格及性评估的模拟/建模策略

　　通过模拟进行设计

　　显然，硬件构建非常昂贵，我们的目标是要在组件选择上做到万无一失并一次成功。也就是说，模拟阶段非常重要 -构建硬件之前，我们要在模拟中解决我们的系统问题。所以我们从使用MATLAB和Simulink（见图4）编写的广泛的端到端系统级模型开始。

　　

　　图4：在Matlab / Simulink中实现G3-PLC传输模型

　　首先，我们模拟系统的数字部分。和大多数标准一样，G3-PLC会指定传输算法，参见图4，但接收端的细节较少。接收到的信号到达G3-PLC指定的物理层之前，我们需要确保我们编写的信号恢复算法能够提取噪声和线上反射的信号。我们在MATLAB中模仿那些算法并使用我们的系统建模在实际硬件部署之前动态地验证广泛条件下的算法性能。我们还进行模拟，研究在调制解调器前端增强性能所要进行的改变并降低整个系统使用的物料和成本。

　　除了数字模拟之外，我们需要为嵌入在调制解调器芯片中的模拟信号处理以及外部模拟前端的组件建模。模拟组件的性能和价格各不相同。Simulink模拟可用来确定位于电线调制解调器外部的前端组件的关键规格并检查组件对系统性能的影响。每个系统包括多个模拟、混合信号和数字元件，我们需要对它们之间的相互作用进行建模和模拟。每个系统组件都有特定的线性度、信号带宽和频率响应。非线性度会严重影响系统的性能，因此我们需要检查IP2、IP3、P1dB和频谱再生（见图5）。选择某些组件有时会意想不到地阻碍系统性能。如果无法改变组件，我们可能需要在系统中的某个地方纠正其非线性度。在系统级别，我们关注的是增益控制算法的性能，我们要评估使用真正电线时的BER和接收器灵敏度。当然，我们的目标是要以最低的价格实现我们的需求，因此要进行大量的模拟，模拟速度也变得至关重要。我们在Simulink中使用一个广泛的端到端混合信号误码率（BER）模拟，运用简单的Gaussian噪声信道模型削减计算成本。

　　图5：传输线预驱动阶段的线性分析（a）IP3的要求， （b） IP2要求

　　我们使用类似的流程来指定线路耦合器的组件。根据我们想要的电线通信类型，可以耦合到110V或220V的低电压或者甚至是一个6kV或22kV的中压电线。在线路耦合器内可能进行数个组件取舍，因此我们使用模拟来对其性能影响建模和调查。我们的输出也受到规定约束。CENELEC（欧洲电气工程标准化机构）规定我们在整个带宽上可以添加至220V电线的最大信号为134dBμV。我们的组件选择流程之一是核查组件是否在这一范围内并满足带内和带外的频谱要求。　　

　　一旦我们有了备用模拟组件，我们需要了解系统在一系列操作条件下是否稳健。也就是说，比起简单的Gaussian模型，我们需要一个更为精密的信道模型。我们开发了一个广泛的电线信道模型，包括脉冲噪声、频率选择性噪声、Gaussian噪声和其他效果。该模型比简单的Gaussian信道模型精密细致得多，但需要增加计算能力。因为更精密的信道模型需要更长的运行时间，我们将其用于出现在系统开发快要结束时、更为精密的系统建模。我们广泛应用这个模型，检查系统是否符合我们的需求。在实践中，我们使用MATLAB脚本对模型运行参数扫描。

　
　图6： 孤立清洁的电线上G3-PLC窄带OFDM电线通信系统的误帧率

　　调制方案取决于信道条件。G3-PLC标准包括不同的调制类型，可以根据接收信号的信噪比灵活选择。例如，噪声较多时，可选择ROBO 或 DBPSK ，噪声较小时可选择 DQPSK，信道噪声极小时可选择D8PSK。系统必须能够根据电线上的噪声电平在不同的调制方案之间动态切换，所以全系统的评估工作必需包括对此特性的测试（见图6）。

　　在开发过程中，我们的模拟需求会发生变化，因此模型的复杂性也会随之变化。起初，我们需要在发送和接收物理层之间模拟一个直接连接，之后我们需要加入前端模型、信道模型、线路耦合器模型等。为了使生活更轻松，我们创建了一个可配置的MATLAB模型，能够针对我们需要的模拟架构进行模型配置。我们在工具中指定要模拟哪些组件以及如何连接。例如，我们可以指定要将发送物理层模型（用 MATLAB 编写）连接到一个模拟前端（用 Simulink 编写），包括线路耦合器模型。我们的工具就会实现所有必要的连接。

　　当然，设计作品会最终告一段落，是时间完成组件并构建真正硬件的时候了。构建之后，需要对硬件进行测试，所以我们再次使用模拟环境验证硬件特性。我们的模型可以针对广泛的操作条件生成测试向量。我们也会对我们硬件、MATLAB物理层模型及其在噪声环境下的性能进行逐步比较。我们的 MATLAB 模型精确到比特，所以我们的模型和硬件在处理链的各个阶段及对所有数据输入表现都将一致。

　　电力的平衡

　　在不久的将来，智能电表会是一项重要技术，但是模拟、数字和电线系统的结合给我们带来了独特的挑战。我们必须在这些组件之间实现电力的平衡-模仿速度对及时构建系统至关重要。

　　目前，我们正通过试点项目对使用 G3-PLC 通信技术的智能电表进行评估。我们的目标是促进该技术的普及。未来几年，该项技术将走进千家万户。

　　作者：飞思卡尔半导体微控制器产品部卓越连接中心杰出技术人员Khurram Waheed