1　如今在大、中型海洋調查測量船上都安裝有多種調查測量設備,且各設備之間都需要布設網線進行頻繁的數據傳輸,但布線時要依據船體結構實施,如果同時安裝網線和電源線,不僅受船體空間限制,還浪費網絡建設成本。通過電力線進行數據傳輸,就可實現即插即用,輕松組建數據傳輸網絡。再者隨著調查測量技術的迅速發展,船上原有的設備不斷被更新,或隨測量任務的需要,還要不斷加裝一些新的測量設備,對這些事先未布置有線網絡的新設備的數據傳輸,也可通過現有電線傳輸數據,實現擴展網絡而無需另外布設網線。本文結合海洋測量船構建的數據傳輸系統,研究了電力線通信的特點及其應用。

2　電力線通信原理與網絡適配器組成

2•1　電力線通信原理

電力線通信(powerlinecommunication)技術就是通過電力線網絡適配器,把數字寬帶信號調制在一定的信號頻率范圍內并加載到220V市電中進行傳輸。這樣在電網范圍內的任何一個節點上,都可以通過另一個網絡適配器把電網中調制信號解調成原來的寬帶數字信號,達到把電網變成寬帶網絡的目的,這種技術也稱為PLC技術。PLC技術分為窄帶傳輸技術和寬帶傳輸技術,窄帶技術通常用于電力線集中抄表系統,而寬帶技術則用作數據傳輸。

市面上的寬帶PLC產品分為14Mbps、85Mbps和200Mbps幾種物理傳輸速度標準。

電力線信道和無線信道二者都易受到噪聲、衰落、多徑和干擾的影響。為了應對這些問題,必須要有相應的調制技術和編碼技術。在HomePlug電力線聯盟中應采用正交頻分復用(OFDM),因為OFDM使用多載波調制,對抗噪聲和干擾特別有效。

OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸。OFDM每個載波所使用的調制方法可以不同。各個載波能夠根據信道狀況的不同選擇不同的調制方式,比如BPSK、QPSK、8PsK、16QAM、64QAM等,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。在HomePlug1.0標準中載波的頻率范圍是4•5~21MHz。在HomePlugAV標準中載波的頻率范圍是2~28MHz。

當載波的頻率范圍內,某一個頻段受到了干擾,只影響到頻段中的子信道,并不影響到未受干擾頻段中的子信道。因此,在復雜的電力線的環境下,電力線的傳輸速率能維持相對的穩定,滿足客戶對于帶寬的需求。

在PLC數據傳輸網絡中,電力線可以被多個設備同時接入。為了決定哪個設備有權發送數據,需要MAC層協議。最常用的有線MAC協議———載波檢測多址/碰撞檢測(CSMA/CD),雖然也可用于電力線網絡,但是由于電力線中的噪聲變動很大,使碰撞檢測變得非常困難,所以人們在電力線網絡上使用更有效的帶有沖突避免的載波偵聽多路訪問(CSMA/CA)協議。

2•2　網絡適配器的組成

電力線通信就是利用網絡適配器組成對等計算機組成電力線寬帶傳輸網絡,實現多臺計算機之間的文件共享和數據交換,實現打印機或其他設備的共享。網絡適配器主要由電力線網絡控制器與電力線數據存取接口(PDAI)組成。

2•2•1　電力線網絡控制器

電力線網絡控制器由內核采用與8051指令兼容的微處理器及數據收發器組成,具有網絡的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲程序以完成電力線網絡的協議控制、數據的調制/解調等功能。該處理器的程序存儲和外部數據存儲空間均為64KB,內部數據存儲器為256B,寄存器區為配合電力線網絡通信而增加了幾個特殊的寄存器,如數據指針選擇(DPS)、看門狗時標控制(WDTCR)等。該芯片內部帶有2KB緩沖區的RAM,具有較強的安全及出錯檢測能力,如32B的加密陣列,256位密鑰,數據包級認證,16位硬件CRC。該芯片在硬件上提供了電力線交換的嵌入式協議。控制器與網絡相關操作包括兩方面:將數據分成獨立的數據包;對來自其他節點的數據包進行分發或接收。在電力線網絡控制器內置了用于數據信號調制/解調及轉換的數據發送器和接收器,數據發送使用4個通道同時發送到PDAI。數據的每一個字節在完成了并行—串行轉換之后,可以選用兩種調制方式———BPSK或QPSK進行PSK編碼。數據接收器為并行4通道接收器,用于接收來自PDAI的4路電力線載波數據,每一個接收通道內均有獨立的緩存,8051微控制器在開始初始化接收工作后,數據包的接收由接收器完成。

2•2•2　電力線數據存取接口PDAI

PDAI是電力線與電力線網絡控制器的連接部分,主要完成信號的變換、功放、濾波等工作。

數據接收部分:按照OFDM調制方式,數據利用4個頻率通道進行調制。來自電力線的數據由帶通濾波器進行濾波,每一通道的中心頻率都是不同的。中頻部分使用Motorola公司的寬帶中頻電路MC13158。每一個通道使用不同的頻率(頻率范圍為13•8~18•9MHz)進行混合,得到10•7MHz的中頻信號。信號經陶瓷濾波器濾波后,由限幅器轉換為數字信號。

數據發送部分:先由高速DAC將數據轉換成模擬信號,經過一個頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后,通過差分驅動的功率放大直接送到電力線信號耦合變壓器,該耦合變壓器保證了適配器的低壓部分與電力線電壓隔離,從而保證使用者的安全。

3　電力線通信的特點

3•1　電力線通信的優點

對于復雜的網絡環境來說,如果在拓展上遇到了麻煩,電力線適配器是一種很好的解決方案。電力線通信利用現有電力線網絡組網,能更好滿足數據語音、視頻、IPTV、VoIP等多應用的需求,有效促進寬帶數據網、電話網、有線電視網和低壓配電網的四網融合。

(1)無需布線:利用已有的電力線組網,無需為組網單獨布線,節省人力和成本;(2)傳輸穩定:通過實體電力線傳輸,不受障礙物影響,數據傳輸穩定不掉線;(3)移動便捷:電源插座分布密度遠遠高于以太網接口,電力線網絡使局域網范圍內有插座的地方都可以上網,移動便捷、擴展方便;(4)使用簡便:只需要將設備插在電源插座上便可以享受高速寬帶網絡,無需設置;(5)高效環保:功耗低,且使用實體電力線進行信號傳輸,基本無輻射,綠色環保。