船舶通信中應用OFDM電力線載波通信技術研究

蔡新梅

（葫蘆島市渤海船舶職業(yè)學院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

船舶有線通信主要包括船內(nèi)電話、廣播、電視、局域網(wǎng)等。這些終端設備一般都通過船用電纜連接，各種終端設備都需要自己專用的信號線，設備的增添和減少都需要進行電纜線路的改變，使組網(wǎng)線路復雜、成本增大。為了減少線路的鋪設數(shù)量，利用現(xiàn)有船舶電力線資源，采用先進的電力線傳輸技術，結合OFDM調(diào)制技術，將使船舶通信的質(zhì)量提高。

1 船舶低壓電力線載波通信技術

我國鋼質(zhì)海船入級與建造規(guī)范規(guī)定：船舶電網(wǎng)的標準頻率為50 Hz、60 Hz，船舶電網(wǎng)的額定電壓為400 V、450 V，因此，我國船舶電網(wǎng)的電壓、頻率采用的是固定制，即船用電網(wǎng)電壓、頻率都不變。

電力線載波通信技術（PLC），是指利用電網(wǎng)中的電力線進行傳輸數(shù)據(jù)和信號的一種通信方式。 船舶低壓電力線最初是作為輸電線路，而非通信所用。因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。低壓電力線信道的通信環(huán)境惡劣，存在變化的阻抗，不可預測的噪聲干擾，強烈的信號衰減，這些都是由信道本身的特性決定的[1]。近年來，隨著PLC芯片技術的突破，尤其是多載波正交頻分復用（OFDM）技術的應用，對電力線載波通信中存在的抗干擾、抗阻抗失配、抗多徑衰落以及信號沖突等問題提出了有效的解決方案，從而為實現(xiàn)電力線上的高速數(shù)據(jù)通信提供了有力的技術保證，目前正朝著實用化的方向發(fā)展。

2 OFDM 技術

OFDM（正交頻分復用）是MCM （多載波調(diào)制）技術的一種。OFDM技術是一種能有效的對抗頻譜衰落的調(diào)制方式, 它通過DFT（離散傅立葉變換） 將串行數(shù)據(jù)調(diào)制到并行的正交子載波上,因而能夠?qū)剐诺赖亩鄰叫头栭g干擾[2]。OFDM技術使用了自適應調(diào)制，根據(jù)信道條件的好壞來選擇不同的調(diào)制方式。

3 OFDM 應用于低壓電力線通信的可行性分析

OFDM技術作為一種多載波調(diào)制技術和頻分復用技術在通信的有效性和可靠性方面都有著比較明顯的優(yōu)勢，采用OFDM技術用以實現(xiàn)低壓電力線通信已成為目前研究的熱點。

1） 消除電力線信道符號間干擾ISI和子載波間干擾ICI。

OFDM將數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到N個子信道中傳輸，使每個子信道中的符號周期增加為原來的N倍，因此可以減少由于信道的多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性帶來的ISI對系統(tǒng)所造成的影響。OFDM在碼元間插入保護間隔，使保護間隔大于信道最大多徑時延，則所有時延均小于符號的保護間隔長度，其多徑分量都不會對下一個符號產(chǎn)生影響，從而避免子載波之間的串擾ICI。

2） 降低電力線信道的頻率選擇性衰減造成的影響。OFDM技術將電力線信道造成的頻率選擇性衰落等突發(fā)性干擾分配到相互正交的子信道上，使這種干擾變?yōu)殡S機干擾，在接收端采用前向糾錯編碼就可以恢復原始信號。

3） 抵抗窄帶衰落。OFDM通過動態(tài)比特分配以及動態(tài)子信道分配的方法，充分利用信噪比較高的子信道，從而提高系統(tǒng)的性能。由于窄帶干擾只能影響小部分的子載波，因此，OFDM系統(tǒng)可以在某種程度上抵抗這種窄帶干擾。

4） 頻譜利用率高[3]。OFDM的子載波相互正交，這一特性決定了即使在子載波之間的頻譜間隔Δf很小，子載波頻譜相互重疊的情況下，子信道間也沒有相互干擾。因此與常規(guī)的頻分復用系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)頻帶利用率大為提高，從而節(jié)省通信頻帶資源。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖1為基于OFDM電力線傳輸?shù)拇巴ㄐ畔到y(tǒng)結構。在發(fā)送時，利用OFDM調(diào)制技術將用戶數(shù)據(jù)進行調(diào)制，然后在電力線上進行傳輸；在接收端，信號先經(jīng)過放大后，再由濾波器將調(diào)制信號濾出，再經(jīng)過解調(diào)及前向糾錯控制，就可以得到原通信信號[4]。

1） 物理層器件選擇

本系統(tǒng)可選用SPC200C進行設計，該器件MAC層采用TDMA和CSMA組合技術，既能提高網(wǎng)絡服務質(zhì)量，并且具有即插即用的性能，是目前業(yè)界首款能支持64個終端用戶的解決方案。SPC200C是電力線通信物理層專用器件，也是目前速度最快、最為完善的高速PLC器件之一。

2） 電力線調(diào)制解調(diào)器

在整個通信系統(tǒng)中，調(diào)制解調(diào)器是核心部分，擔負著數(shù)據(jù)流的控制及數(shù)據(jù)的調(diào)制、解調(diào)任務。INT5200是Intellon公司最新的基于PLC寬帶接入的調(diào)制/解調(diào)芯片，第一次將MAC/PHY和AFE集成在一塊芯片內(nèi)部，是INT51X1的更新替代產(chǎn)品。在84個載波上利用DBPSK/DQPSK調(diào)制原理使其傳輸速率最高可達14 Mbps。它的媒質(zhì)訪問控制（MAC）采用的是載波多路偵聽/沖突避免（CSMA/CA），并有56位的密匙管理以保證PLC通信安全。協(xié)議棧中還內(nèi)置了自適應頻率選擇使其能自動調(diào)整信道，再加上前向糾錯、優(yōu)先權限設計及自清除重發(fā)（ARQ）等措施，即使在惡劣的環(huán)境下，仍能保證很高的信噪比。

3） 信號耦合電路模塊

考慮到系統(tǒng)的瞬時保護問題，避免器件受到過電壓等因素的沖擊而破壞，因此，要考慮到使用保護器件。由于采用的是電力線進行信號的傳送，連接到AC交流插座的低壓電子設備很容易受到放電和開關等瞬時現(xiàn)象的影響，電感耦合是利用變壓器電磁感應耦合的原理，高頻載波信號作為原邊線圈，電力線線圈作為副邊線圈，通過高導磁率的磁環(huán)構成一個信號傳輸變壓器，則原邊電流源信號由電磁耦合到副邊電力線路上去，由此可知，副邊電力線上的高頻信號的變化也會感應到原邊信號線上，為調(diào)制解調(diào)設備所接受。耦合器的抗衰減要求非常嚴格，應不大于6 dB[5]。

5 結束語

在船舶通信系統(tǒng)中使用OFMD技術是船舶通信中的一種新技術。通過相關研究，OFDM 技術具有較高的頻譜利用率,能夠抗多徑時延、頻率選擇性衰落和突發(fā)干擾的性能,適用于供電線路局部區(qū)域內(nèi)的計算機及電電力線載波通信,是一種很有潛力及前景的傳輸調(diào)制方式。OFDM 技術已成為電力線載波通信的關鍵技術,隨著OFDM 技術的不斷發(fā)展,必將在電力線載波通信中發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 吳慎山,付會凱. 基于 OFDM 技術的電力線載波通信研究[J]. 微計算機信息, 2009，25（2）:165-166.

[2] 賈景譜, 耿煊. 基于OFDM 系統(tǒng)的低壓電力線通信信道估計的研究[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè),2007，（2）:164-165.

[3] 宦若虹, 金向東. OFDM技術及其在電力線通信中的應用[J]. 低壓電器, 2006，（4）:50-52.

[4] 呂海峰, 王贊基, 郭靜波. 電力線正交頻分復用通信的實時信道估計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2003，27（9）:29-31.

[5] 孫藝敏. 基于OFDM的中壓電力線寬帶通信設計.廣西電力, 2010,（2）:19-21.