探析電力線通信技術在船舶上的應用

近年來，現代船舶的自動化程度越來越高，船舶中許多設備不斷的更新與添加，電力線通信技術發展為實現船舶電力線通信提供了有利條件。在船舶電網環境下，不需要線路的基礎建設投資和日常的維護費用，將電力線通信技術應用于船舶，實現數據傳遞和信息的交換，不必做任何新的線路鋪設，可免去不少鋪設網絡的麻煩。如何在船舶上應用電力線通信技術是當前船舶電力線通信關注的焦點。因此，研究電力線通信技術具有十分重要的現實意義。鑒于此，筆者對電力線通信技術在船舶上的應用進行了初步探討。

一、電力線通信技術在船舶上存在的問題

電力線通信技術作為電力系統傳輸信息的一種基本手段，其電力線通信應用的主要領域是電力線上網。電力線通信技術在船舶上的應用，是指通過電力線組成局域網，然后通過相應的電網貓與其它的寬帶相連接實現無布線組網。當前電力線通信技術在船舶上的應用，還存在著諸多亟待解決的問題，這些問題使得電力線通信技術在船舶上的應用現狀不容樂觀。具體說來，電力線通信技術在船舶上應用的主要問題是噪音和信號衰減。在電力線通信的噪音方面，電力線通信的噪音主要來自于低壓電網相連的負載，以及無線電廣播的干擾。負載的開關會引起電流的波動，在電力線的周圍產生電磁輻射，這樣，沿電力線傳送數據時，會出現許多意想不到的問題。船舶電力線通信在這樣的噪聲環境下，很難保證數據傳輸的質量。而且，電力線通信的噪音和信號衰減是隨時間變化的，這樣也給船舶電力線通信造成了一定的困難。由此可見，電力線通信的環境極為惡劣。

二、解決船舶電力線通信技術問題的方法

在船舶電網環境下，采用正交頻分復用技術(OFDM)，可以在一定程度上解決電力線通信技術在船舶上應用的問題。OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。為解決船舶電力線通信技術中出現的噪音和信號衰減等問題，該技術在消除信號波形間的干擾問題上發揮了重要的作用。其基本原理是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，將高速串行數據變換成多路相對低速的并行數據，并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。盡管總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。而且大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。關于OFDM的調制、OFDM的解調、多徑反射和多徑衰落，下文將逐一進行分析。

1.OFDM的調制

OFDM采用一種不連續的多音調技術，具有在雜波干擾下傳送信號的能力。OFDM調制由快速傅立葉變換FFT過程產生，M位數據被編碼至圖1所示頻域內的N個子載波上。M=N×B，B為每個調制符號的位數。在QPSK或DQPSK中，B=2；16-QAM中，B=4；64-QAM中，B=8。使用反向FFT(IFFT)將頻域子載波轉換到時域，產生一個OFDM符號，其時間長度等于子載波間隔的倒數，同速率相比，它是一段非常長的時間。糾錯處理采用疊加編碼和Viterbi編碼，編碼壓縮率為1/2，9/16，2/3，3/4。

2.OFDM的解調

OFDM的解調是指用于解調正交頻分復用(OFDM)信號。OFDM使用發信的反向過程解調信號，是解決電力線載波通信在船舶通信中應用的關鍵技術。周期前綴被從時域信號中剔除，把信號從時域轉變回頻域，每個符號都使用FFT轉換到頻域，FFT算法都起著極為重要的作用。DQPSK是對QPSK信號特性進行改進的一種調制方式，當使用DQPSK調制方式時，具有天然的抗非線性抵抗力，通過檢查相鄰OFDM符號之間子載波的相位差進行數據解碼。

3.多徑反射

多徑反射信號是指無線電信號從發射天線經過多個路徑抵達接收天線的信號。前綴是復制符號的最后部分，在每個OFDM符號前加入一個周期前綴，可以保證在一個FFT周期內，由多徑反射引起的時間色散信道中維持完全正交，用來組成一個完整的OFDM符號。如圖2所示，長的OFDM符號周期一般持續幾微秒，同占OFDM符號周期很小比例的周期前綴組合，是在時間色散信道中提高性能的關鍵因素。

4.多徑衰落

由于多徑傳播引起的信號衰落稱為多徑衰落。盡管OFDM可以消除多徑反射帶來的ISI，但在多徑傳播中還存在著一個問題，就是多徑衰落的問題。衰落是由反射信號到達后抵消了先前到達的信號(即180°相移)所引起的，一般只發生在某些特定頻率或子頻率。解決船舶電力線通信技術問題，必須解決多徑衰落問題，如采用分級接收、信號設計、自適應通信技術等，可以在一定程度上解決多徑衰落問題。

圖1 在子載波上使用相干調制的OFDM

圖2 頻域到時域變換和加入周期前綴

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