青岛鼎信通讯有限公司 电力载波技术简介

电力线载波通信技术介绍
1.电力线载波通信简要介绍
通信:是指通过电力线作为载体来进行信息交互的过程。

包括发送和接收两个过程。

发送过程:
●编码:将要传输的数据按照一定的规则进行重新组合，同时加入一些已知信息，这些信
息成为冗余码，用于解码时纠错校验。

●交织:将信息能量按照固定的规则打散分布到不同的时段或频段的过程叫做交织。

交织
的目的是尽量降低在连续一段时间或连续一个频段内的持续干扰给信息完整性的破坏程度，一位解码时对连续的误码是很难纠错的，容易造成误判。

●同步:同步是电力线载波通信的一个技术难点，其作用就是要发端加载一些不易误判的
已知信息-----这些已知信息叫同步前导，接收端根据这些已知信息来确定发送数据的起始帧，这个过程就叫同步。

●调制:送的数字信号转换为适应模拟信道传输的信号的过程。

●滤波去带外干扰:为了降低对电网质量的影响，发送时要尽量抑制有效信号频带以外的
能量，因此一般在功放前端都有抑制带外干扰的滤波器。

●功放:将调制出来的弱信号放大，以增加通讯距离。

●耦合:由于电力线是~220V强电，调制的信号不能直接加载到电力线上，因此必须通过
电感或电容将通讯信号耦合到电力线上。

接收过程:
●滤波:这里主要指模拟滤波，将带外的噪声滤掉便于接收处理。

●解调:将接收到的模拟信号转换为数字信息的过程。

●去交织:将分散到不同时域或频域上的能量，按照一定的规则还原，用于纠错解码。

●解码:就是将发送信息通过一定的规则还原的过程。

2.电力线通信的调制方式
通信最基本的调制方式只有三种:AM（调幅）、FM（调频）、PM（调相）。

AM（调幅）:以信号波形的幅度来定为“1”或“0”。

FM（调频）:通过不同的载波频率来定为“1”或“0”。

PM（调相）:通过不同的载波相位来定为“1”或“0”。

一般来说，电力线上电网谐波严重，经常会产生周期性“震荡波”，因此AM（调幅）方式是不适合用于电力线通信传输，目前大家在电力线通信主要采用FM（调频）和PM（调相）两种方式。

这里着重说明一下电力线载波通信技术是多种通讯技术互相配合应用的综合体现，单一谈调制技术是不能代表其技术的整体性能，目前有些人在这里存在认识的误区，FM（调频）和PM（调相）在不同的电网环境下，是可以有不同的性能表现，无条件的谈FM（调频）好，还是调相好是没有意义的。

当然，FM（调频）包括FSK、BFSK、SFSK、DCSK，PM（调相）包括BPSK、QPSK、4 QAM 、16QAM、64 QAM。

在这里就不详细介绍了。

3.模拟和数字的区别
大家都知道，电路有模拟和数字的区别。

通信芯片也分数字通信芯片和模拟通信芯片，他们是如何定义的呢？又有什么区别？定义数字通信和模拟通信主要看接收端，如果接收端采用A/D采集，在通过信号处理算法解调就是数字通信，如果通过模拟电路进行波形匹配进行解调就是模拟通信。

模拟通信的优点：成本低、简单易实现。

但通信效果受环境变化影响较大，尤其是温度，当通讯双方存在温度差时，模拟信号易失真；其次，模拟通信带宽利用率低下，通信容量和速率有瓶颈。

移动通信的1G技术--FDM（频分复用），就是模拟通信技术，邻近的两个工作频点不能有旁瓣交合，因此频谱利用率低下。

用过“大哥大”的人们都知道当时的手机又大又笨、通讯效果又差。

而现在的手机又灵巧、通话质量又好。

拿电视举例大家可能更清楚了，上个世纪九十年代家里用的都是模拟电视，电视台发送的也是模拟信号，画面质量差雪花重影、频道少、大锅盖式的标志形天线在我们儿时的记忆留下了深刻印象，而现在的数字电视，即使在高速奔驰的火车中，用一根小天线都可以接收到高清流畅的电视画面，这就是数字通信给我们带来的全新世界。

电力行业人事，这时就会问道那在电力线通信并没有看出模拟和数字通信效果有什么差
别啊？有时模拟通信效果反到比数字通信效果好啊！你又如何解释这个问题。

不错，你说的是目前电力线载波通信的一个事实，这主要是由以下两个主要原因所导致的。

第一点、电力线载波通信应用市场刚刚兴起，其他领域的通信专家还没有投身到电力线载波通信技术研发中，导致电力线通信技术研发一直处于低迷状态，没有长足的进步；第二点、成本因素，由于前些年受半导体技术和大规模集成电路技术发展的制约，数字通信成本明显高于模拟通信成本，而当前电力线载波仅用于简单的抄表，模拟通信的低速率也能满足要求，因此应用需求导致低成本要求高，数字通信价格竞争没有优势，这也是导致前些年数字通信领域的企业没有涉足电力线载波通信领域的主要原因，当然伴随着近两年半导体技术和大规模集成电路技术快速发展，数字通信成本已经大大降低，成本已经不是阻碍数字通信在电力线载波通信应用的主要障碍了。

总的来说，伴随着电力用户业务和管理不断增长，对数据通信速率、容量、可靠性、稳定性、安全性的要求不断提高，模拟通信注定满足不了实际发展的需求，模拟通信终究会被数字通信取代，这是各个通信应用领域的大势所趋。

4.影响电力线通信的主要因素
电力线本身是个输送电力的线路，而非专用通信线路，因此电力线通信与其他专用通信线路有着更多的复杂性和不确定性。

这里从两个方面来谈，第一、电力线本身影响通信的因素。

第二、载波通信设计本身影响通信的因素。

电力线本身的影响通信的因素。

总的来说有三个：线路阻抗、负载阻抗和噪声。

（1）线路阻抗：配电线路本身的阻抗和配电线路的材料、粗细、距离、老化程度有关，线路阻抗越大对通讯衰减越大，当然地下电缆通信受对地电
容影响，频率越高、信号衰减越大。

（2）负载阻抗：由于电力线上有许多电力设备，当这些电力设备启动工作时，会在其工作频点和倍频频点产生的阻抗特性的深度衰落，因此说负载阻
抗越小对通讯信号吸收越大，不利于通讯信号传输见图2.，但这种负载
阻抗只是产生针对某些频点深度衰落，而不会在整个频域内出现。

（3）噪声可以分为具有单一频点或多频点的周期性全时域或某一时域内的噪声如：开关电源、白炽灯，以及高能量、全频段的瞬间脉冲噪声如电气
设备的瞬间启动和关闭，当然还有全频域、全频段的白噪声尤其能量较
小，对通讯影响不大，所以在设计时，可以不做重点考虑因素。

低压配
电网的电网噪声主要集中在100Khz以内，伴随着频率的提高电网噪声
也随之成指数衰减，400Khz以上电网噪声已对通讯影响不大了。

当然，
由于150khz以上为广播AM长波通讯频率范围，因此电力部门建议要
在3khz~95khz频带内进行通信。

载波通信设计本身影响通信的因素
（1）频偏敏感度：如果接收端对频率偏差过于敏感，这将对通信环境要求很严格，尤其通讯双方温度差不能过大，尤其是采用FM（调频）调制方式。

（2）A/D的位数决定接收灵敏度、动态范围。

动态范围定义：在规定的信噪比、失真等条件下，输出的最小有用信号和最大不失真信号之间的电平差，即
信号的幅度变化范围。

（3）采样的速率也是决定接收效果的一个重要因素，否则会由于采样速率不足造成接收信号失真。

（4）编解码的运行效率和纠错能力是考核接收数据可靠性、准确性和抗干扰性的重要设计指标。

如：卷积码、TURBO码、维特比码等等。

（5）滤波器：分为模拟滤波和数字滤波，考虑到温度变化对模拟滤波器影响以及模拟滤波器本身不稳定性模拟滤波一般设计为较宽的通频带，滤除带外
噪声，数字滤波可以设计窄带滤波完善滤波效果，因此，在电力线通信中，
模拟和数字滤波器的结合是比较合理，而且有效的。

当然，采用不同的调制方式、解调技术、交织方法等等通讯具体的技术都会影响通
信的质量。

因此来说，电力线通信质量好坏是多种通讯技术在复杂的电力通信环境
下综合应用的体现。

5. 扩频通信技术
（1） 扩频通信原理
扩频通信技术目前主要应用在无线通信领域，现在正在兴起的3G 移动通信技术就 是基于扩频通信技术。

它的技术特点就是以牺牲信号带宽资源为代价，来提高通信性能。

跟据Shannon （香农）定理：
)/1(2N S Log B C +∙=
-------------C 是信道容量、B 是要求的信道带宽、S/N 是信噪比
扩频是通过注入一个更高频率的信号将基带信号扩展到一个更宽的频带内的通信系统，即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样。

扩展带宽与初始信号之比称为处理增益(dB)，典型的扩频处理增益可以从10dB 到60dB 。

扩频通信工作原理和基本的通信系统原理一样，只不过增加了扩频和解扩环节。

参加下列示意图。

图三 扩频通信原理示意图
在载波发送链路的某处简单的引入相应的扩频码，这个过程称为扩频处理，结果将信息扩散到一个更宽的频带内。

在接收链路中数据恢复之前移去扩频码，称为解扩。

解扩是在信号的原始带宽上重新构建信息。

显然，在信息传输通路的两端需要预先知道扩频码。

图四扩频处理的带宽效果图
图五解扩处理的带宽效果
（2）扩频的调制方式
直序扩频(DSSS)：伪随机码直接加入载波调制器的数据上。

直接序列扩频所发送的低速数据符号用具有一定码长的PN序列表示，因而将低速数据流变成高速码流，实现频谱扩展。

扩频后的高速码流一般通过FSK或BPSK调制发射。

在接收端，首先进行FSK或BPSK 解调恢复高速码流，然后再通过对PN序列的相关检测，并根据相关结果判决PN序列所代表的数据符号。

所使用的PN序列的长度称为扩频增益，它决定了直接序列扩频技术的抗干扰性能。

简单地说，PN序列的长度决定相关检测的输出能量。

在一定的信道条件下，所恢复的高速码流的误码率一定，这时码长越长，相关检测的输出能量越大，正确判决的可能性越大，最终的数据误码率越小。

但在另一方面，码长越长信号带宽越大，使得FSK或BPSK解调后的码流的误码率增加。

在国内低压电力线载波芯片中，直接序列扩频是使用得最多的一种技术。

与上述窄带调制相比，直接序列扩频在性能上有一定的提高，但由于信号带宽的限制，数据速率上不去，扩频增益也有限，因而进一步改善和提升的空间很小。

优点：简单易实现；缺点：信号频谱利用率低。

图六直序扩频频谱分析图
跳频扩频技术(FHSS)：指载波频率在一定范围内按一定的规律跳变，通过跳变达到“回避”干绕的目的。

在一定时间内观察，跳频信号呈现“宽带”信号（由跳频范围决定），但在任何瞬间它仍然是一个窄带信号。

通过“回避”干扰，跳频技术在抗窄带干扰方面有一定的改善，但由于信号带宽的增大，接收机在任何瞬间接收信号的性能比上述窄带调制要差。

此外，接收机要跟踪发射端跳变的载波，其实现复杂度加大。

优点：复杂难实现；缺点：信号频谱利用率相对较高。

图七跳频扩频频谱分析图
（3）扩频的优缺点
优点是通过扩频可以获得较高的抗干扰和抗阻塞特性，缺点是对于有限的电力通信频段是一种极大的频带资源浪费。

6. OFDM通信技术
OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)即正交频分复用技术，多载波调制的一种。

它在指定的频段内选取若干个子载波，将信息符号调制在多个子载波上同时发送，每一个子载波相当于一个窄带传输，可根据信道质量情况采用BPSK、QPSK、4QAM、16QAM等调制方式。

OFDM系统允许使用频域自适应技术，在子载波数量、调制及编码方式上可根据信道的变化动态调整，从而彻底解决电力线信道的时变问题。

OFDM作为新一代通信技术目前已广泛应用于恶劣信道环境下的高速数据传输，如WiFi无线局域网, 移动数字电视，HomePlug高速电力线载波，4G移动通信等。

OFDM技术具有以下技术特点：
频谱效率高
各子载波可以部分重叠，相互正交，理论上可以接近Nyquist极限。

因而具有很高的频
带利用率。

图八正交频分复用信号的频谱示意图
带宽扩展性强
由于OFDM系统的信号带宽取决于使用的子载波的数量，因此OFDM系统具有很好的带宽扩展性。

从5kHz~500kHz可以划分为上千个子载波，但实际系统中可选用合适的带宽。

抗多径衰落
由于OFDM将宽带传输转化为很多子载波上的窄带传输，每个子载波上的信道可以看作水平衰落信道，从而大大降低了接收机均衡器的复杂度。

在低压电力线网络中，OFDM 可以有效地对付由于负载不匹配所引起的反射而导致的“多径效应”。

频谱资源灵活分配
OFDM系统可以通过灵活的选择适合的子载波进行传输，来实现动态的频域资源分配，从而充分利用频率分集和多用户分集，以获得最佳的系统性能。

抗干扰能力强
窄带噪声会干扰掉相应频率的信号，但通过前期的交织编码、接收纠错，可以将原有的信息还原。

通讯速率高
目前国内采用的扩频通讯技术通讯速率一般都在几百bps左右，无法满足电力事业部门未来应用的需求。

采用OFDM技术，即便在CENELEC(欧洲电子技术标准化委员会)的A波段（3kHz~95kHz），也可以达到超过100Kbps的通讯速率。

图十OFDM的信号发送和接收原理。