电力载波通信调制技术研究
张高境 张金凤 余占东
摘要：电力载波通信的众多优点得到了大量学者的研究，同时，产生的干扰也降低了数据传输的可靠性和高效性。从调制技术角度而言，文章分析了现有的几种抑制干扰措施，扩频技术，OFDM技术等，以减小干扰对电力线通信的影响。最后提出了调制技术必须根据PLC网络介质的特性来确定。
关键字：电力载波通信；扩频；OFDM；调制
1引言
20世纪50年代就有在10kV线路上使用电力线通信（Power Line Communication）窄带载波技术的先例。20世纪80年代末，我国也曾经使用小型集成电路农电载波机实现点对点的通信。随着通信技术的高速发展，高速带宽PLC技术的研究也悄然兴起。21世纪以来，PLC技术不断提升，传输速率、抗干扰性能等研究工作得到了加强。但是电力线不是专门的通信线路，在整个电力载波通信系统中存在着大量干扰，严重的影响了通信系统的性能。
PLC网络结构的复杂性：电力线上的阻抗不仅和传输信号的频率有关，而且和负载有关，电力线上负载的数量、类型不同，不同频率的阻抗变化也不同，变压器及导线特性阻抗的变化导致阻抗的变化多端，阻抗匹配问题显得十分复杂；大量的设备随时随地都可能打开或关闭，PLC拓扑结构致使多径效应更为严重，信号随着传输距离和频率的变化而变化，并且频率越高传输线的效应就越明显，发生谐波导致某一频率下衰减会急速增加，信息的传输得到严重衰减；PLC脉冲噪声带来的干扰尤为严重，如果这类噪声的持续时间过长，超过使用纠错码能容忍的检测和改正时间限度时，会产生严重的突发错误。因此必须找到应对该噪声的干扰模型，特别是基于OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）系统的抗干扰模型。
2PLC接入系统的抗干扰分析
PLC最终是实现数据交换的，但是电网的拓扑结构、恶劣的传输信道、电磁兼容等问题严重阻碍了信号的传输，因此PLC调制解调技术的研究十分有必要，也是解决干扰的有效途径。
2.1传统的调制技术
ASK是振幅键控方式，这种调制方式根据信号的不同来调节正弦波的幅度，传输效率比较低，抗噪能力比较低，尤其是抗衰落能力也不强，一般指适宜在恒参信道下采用，不能应对PLC信道的时变性，随机性要求。
PSK是相移键控，发送消息在载波的相位中，有很好的抗干扰性，在衰落信道中也能获得较好的效果，但是对于高速数据传输率来说，系统要求接受机有精确和稳定的参考相位来分辨所使用的各种相位。
FSK是频移键控，用数字信号去调制载波的频率，比较容易实现，抗干扰和抗衰减较好，适合窄带的低速数据传输，如果干扰源固定并跟中心频率差不多，会带来致命的错误。
2.2扩频技术
PLC并不是在标准化的通信线上传输，而是在易受电气设备等噪声和衰减影响的电力线上传输的，为此必须找一个特殊的调制技术——扩频（SS）技术。该SS技术是将传输信号带宽扩展到比原信号传输需要的频带更宽后，再进行传输。具有可秘密通信、抗噪声和衰减能力强、能保持稳定的通信质量等优点，在军事上收到很大的追捧。其目的是，第一，发射出的扩频信号称为伪噪声信号，敌人很难检测出发射信号；第二，信号不容易被干扰信号破坏。
扩频技术可以分为：直接序列（DS，Direct Sequence）扩频、跳频（FH，Frequency Hopping）扩频、跳时（TH，Time Hopping）扩频和多载波（MC，Muti-Carrier）扩频。也可以把这几种技术混合一起同时获取它们的优点。DS是一种平均类型的系统，主要是通过把干扰在更长时间间隔内取平均来减弱干扰的影响。FH和TH系统属于避让系统，它们是通过在大的时间片内避开干扰来减弱干扰的影响。直接扩频方式的通信框如图1所示。
但是在实际中，对于低压电线中的脉冲噪声，扩频技术不能很好的克服，还需要结合信道编码技术，这就有降低了扩频增益。而且受带宽的限制，生产出的芯片，频率利用效率低，不适合高速PLC的数据传输。
2.3OFDM技术
OFDM技术是一种多载波调制技术，不再采用一个正弦波震荡做载波，具有传输时间长，窄带较窄的特性，具有一定的抑制PLC多径干扰和脉冲干扰的效果。目前主要应用的领域有非对称数字用户环路（ADSL），高清晰度电视（HDTV）信号传输，数字频域广播（DVB），无线局域网（WLAN）等。OFDM系统实现框如图2所示。
（1）OFDM属于将信号分割为多个子载波，多个相互正交的子载波传输，子信道的频谱可以部分重叠，提高了频谱利用率。（2）串行的高速信号转化成并行的低速信道上，使OFDM对脉冲干扰和多径时延失真抵抗力变强。另外OFDM系统把频率选择性衰落和脉冲干扰的影响分散到多个符号上去，将由衰落和脉冲引起的突发性错误变随机化，这样再统一的信道编码，也起到了消弱脉冲干扰及多径时延的作用。（3）OFDM技术可以把整个系统的带宽划分为许多子信道，对于每个子信道而言，符号周期变长，每个信道上的频率响应也平坦了，符号干扰降低，所需的均衡比串行系统简单，只需要简单的算法就能使每个子信道上的均方误差最小化。（4）每个子信道的载波信息可映射，每个子信道上可以设置不同的调制方式，而且可以将任何子载波设置为不用状态，很容易避开其它无线电设备的干扰，提高系统性能。（5）易物理层的非对称高速数据传输，即下行链路的传输数据量要远大于上行链路的数据传输量，而OFDM系统可以很容易地通过使用不同数量的子信道来实现。
3结语
PLC网络传输在物理上呈拓扑结构，但在逻辑上PLC接入网可以当总线网络，使用的是共享传输介质，因此需要一定介质访问控制策略（MAC）。基站控制对整个或部分PLC网络介质的访问，同样也会连接WAN（Wide Area Network）的接入点，附加的PLC设备，比如中继器或网管也可以实现接入。但是较远距离的交换信息比较复杂，使用的设备可能不同，信息的流动可能跨越若干不同传输技术的网络，PLC的物理层依据电力线传输介质的特性来组织，所以调制解调技术必须要适应PLC的传输信道。
