2021-4-10 | 通信技术
1 如今在大、中型海洋调查测量船上都安装有多种调查测量设备,且各设备之间都需要布设网线进行频繁的数据传输,但布线时要依据船体结构实施,如果同时安装网线和电源线,不仅受船体空间限制,还浪费网络建设成本。通过电力线进行数据传输,就可实现即插即用,轻松组建数据传输网络。再者随着调查测量技术的迅速发展,船上原有的设备不断被更新,或随测量任务的需要,还要不断加装一些新的测量设备,对这些事先未布置有线网络的新设备的数据传输,也可通过现有电线传输数据,实现扩展网络而无需另外布设网线。本文结合海洋测量船构建的数据传输系统,研究了电力线通信的特点及其应用。
2 电力线通信原理与网络适配器组成
2•1 电力线通信原理
电力线通信(powerlinecommunication)技术就是通过电力线网络适配器,把数字宽带信号调制在一定的信号频率范围内并加载到220V市电中进行传输。这样在电网范围内的任何一个节点上,都可以通过另一个网络适配器把电网中调制信号解调成原来的宽带数字信号,达到把电网变成宽带网络的目的,这种技术也称为PLC技术。PLC技术分为窄带传输技术和宽带传输技术,窄带技术通常用于电力线集中抄表系统,而宽带技术则用作数据传输。
市面上的宽带PLC产品分为14Mbps、85Mbps和200Mbps几种物理传输速度标准。
电力线信道和无线信道二者都易受到噪声、衰落、多径和干扰的影响。为了应对这些问题,必须要有相应的调制技术和编码技术。在HomePlug电力线联盟中应采用正交频分复用(OFDM),因为OFDM使用多载波调制,对抗噪声和干扰特别有效。
OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道,在每个子信道上使用一个子载波进行调制,并且各子载波并行传输。OFDM每个载波所使用的调制方法可以不同。各个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式,比如BPSK、QPSK、8PsK、16QAM、64QAM等,以频谱利用率和误码率之间的最佳平衡为原则。在HomePlug1.0标准中载波的频率范围是4•5~21MHz。在HomePlugAV标准中载波的频率范围是2~28MHz。
当载波的频率范围内,某一个频段受到了干扰,只影响到频段中的子信道,并不影响到未受干扰频段中的子信道。因此,在复杂的电力线的环境下,电力线的传输速率能维持相对的稳定,满足客户对于带宽的需求。
在PLC数据传输网络中,电力线可以被多个设备同时接入。为了决定哪个设备有权发送数据,需要MAC层协议。最常用的有线MAC协议———载波检测多址/碰撞检测(CSMA/CD),虽然也可用于电力线网络,但是由于电力线中的噪声变动很大,使碰撞检测变得非常困难,所以人们在电力线网络上使用更有效的带有冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA/CA)协议。
2•2 网络适配器的组成
电力线通信就是利用网络适配器组成对等计算机组成电力线宽带传输网络,实现多台计算机之间的文件共享和数据交换,实现打印机或其他设备的共享。网络适配器主要由电力线网络控制器与电力线数据存取接口(PDAI)组成。
2•2•1 电力线网络控制器
电力线网络控制器由内核采用与8051指令兼容的微处理器及数据收发器组成,具有网络的MAC/PHY层的控制功能。使用外加的ROM存储程序以完成电力线网络的协议控制、数据的调制/解调等功能。该处理器的程序存储和外部数据存储空间均为64KB,内部数据存储器为256B,寄存器区为配合电力线网络通信而增加了几个特殊的寄存器,如数据指针选择(DPS)、看门狗时标控制(WDTCR)等。该芯片内部带有2KB缓冲区的RAM,具有较强的安全及出错检测能力,如32B的加密阵列,256位密钥,数据包级认证,16位硬件CRC。该芯片在硬件上提供了电力线交换的嵌入式协议。控制器与网络相关操作包括两方面:将数据分成独立的数据包;对来自其他节点的数据包进行分发或接收。在电力线网络控制器内置了用于数据信号调制/解调及转换的数据发送器和接收器,数据发送使用4个通道同时发送到PDAI。数据的每一个字节在完成了并行—串行转换之后,可以选用两种调制方式———BPSK或QPSK进行PSK编码。数据接收器为并行4通道接收器,用于接收来自PDAI的4路电力线载波数据,每一个接收通道内均有独立的缓存,8051微控制器在开始初始化接收工作后,数据包的接收由接收器完成。
2•2•2 电力线数据存取接口PDAI
PDAI是电力线与电力线网络控制器的连接部分,主要完成信号的变换、功放、滤波等工作。
数据接收部分:按照OFDM调制方式,数据利用4个频率通道进行调制。来自电力线的数据由带通滤波器进行滤波,每一通道的中心频率都是不同的。中频部分使用Motorola公司的宽带中频电路MC13158。每一个通道使用不同的频率(频率范围为13•8~18•9MHz)进行混合,得到10•7MHz的中频信号。信号经陶瓷滤波器滤波后,由限幅器转换为数字信号。
数据发送部分:先由高速DAC将数据转换成模拟信号,经过一个频率为2~10MHz的多阶LC带通滤波器滤波后,通过差分驱动的功率放大直接送到电力线信号耦合变压器,该耦合变压器保证了适配器的低压部分与电力线电压隔离,从而保证使用者的安全。
3 电力线通信的特点
3•1 电力线通信的优点
对于复杂的网络环境来说,如果在拓展上遇到了麻烦,电力线适配器是一种很好的解决方案。电力线通信利用现有电力线网络组网,能更好满足数据语音、视频、IPTV、VoIP等多应用的需求,有效促进宽带数据网、电话网、有线电视网和低压配电网的四网融合。
(1)无需布线:利用已有的电力线组网,无需为组网单独布线,节省人力和成本;(2)传输稳定:通过实体电力线传输,不受障碍物影响,数据传输稳定不掉线;(3)移动便捷:电源插座分布密度远远高于以太网接口,电力线网络使局域网范围内有插座的地方都可以上网,移动便捷、扩展方便;(4)使用简便:只需要将设备插在电源插座上便可以享受高速宽带网络,无需设置;(5)高效环保:功耗低,且使用实体电力线进行信号传输,基本无辐射,绿色环保。