基于OFDM技術的船舶電力線載波通信模塊的設計

周乃義，劉國平，陳庭勛

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基于OFDM技術的船舶電力線載波通信模塊的設計

周乃義，劉國平，陳庭勛

（浙江海洋學院船舶與海洋工程學院, 浙江 舟山 316022）

船用電纜通信的缺陷是電纜的成本高，設備的添加和減少都要對電纜進行變動。隨著科技的發展,船舶設備的數量在不斷增加，使得船舶電纜的鋪設變得雜亂無章、維護成本大大增加。借鑒電力網絡應用的電力線載波通信技術（PLC），則可以有效減少船用電纜的鋪設量，降低船舶通信的成本。作者提出了一種成本低廉且實用的基于OFDM技術的船舶電力線載波通信模塊的設計。文中介紹了OFDM船舶電力線載波通信系統的整體設計方案，并完成了系統外圍電路各個模塊的設計。

正交頻分復用 船舶電力線載波通信 載波模塊

0 引言

PLC技術利用電力線進行數據和信號通信。多年來，PLC在電力網通信領域得到廣泛應用，但在船舶上的應用尚處于理論研究階段。船舶配電網絡的電力線原本僅作為電路使用，要達到載波通信的要求還有很多問題。比如說船舶電力線的通信信道存在噪音大、干擾強等缺陷，因此通信環境很差。OFDM技術的引入和優化是實現基于船舶電力線的高速通信的關鍵。

OFDM技術實際上就是一種調制方式，它能夠根據通信信道的質量選擇不同的調制方式，然后把高速的串行數據轉換成多路的低速數據流，再分別調制多路相互正交的子載波，最后將多路子載波合并成一路進行傳輸的一種調制效率很高的技術。OFDM調制把信息分散到許多載波上，使得各子載波的信號速率大大減慢，從而造成碼元周期比多徑延遲時間還要長，最終克服了通信時的多徑傳播影響。

1 基于OFDM技術的船舶電力線載波通信的系統組成

OFDM的調制由IDFT實現，解調過程由DFT實現。通過對經過數據編碼形成的復數序列進行離散傅里葉反變換(IDFT)后，得到OFDM調制后的輸出復包絡信號。載波接收時，對采樣信號進行離散傅里葉變換(DFT)得到原始的數據序列。

基于OFDM的船舶電力線載波通信系統結構如下圖1所示。

圖1 基于OFDM的電力線通信系統框圖

2 船舶電力線載波通信模塊的硬件設計

船舶電力線載波模塊利用船舶的交流過零點來傳輸高頻的載波信號。硬件部分包括載波主控芯片及外圍接口電路、載波發送電路、載波接收電路、載波信號耦合電路，其結構示意圖如圖2。

圖2 船舶電力線載波模塊載波模塊結構示意圖

2.1 載波主控芯片及外圍接口電路

船舶載波產品作為一種智能控制網絡，需要實現網絡系統的自動路由以及自適應才能維持其穩定性。穩定性對載波芯片的物理層通信的性能、接收載波信號的質量監控、被動態地設置為路由模式、協議棧提出了比較嚴格的要求。載波通訊芯片RISE3501E恰好能夠滿足要求。其中，晶振電路的晶振頻率為10 MHz，最高工作頻率可以達到60 MHz。載波主控芯片外圍接口電路如圖3所示。

2.2 載波發送電路

在載波發送電路中，載波發送信號控制寄存器由底層軟件進行配置。通過實驗，實測RISE3501E芯片引腳DAC _OUT輸出電平的峰值VPP約為0.8-1，然后經載波發送電路進行放大處理后，TX_OUT輸出電平在空載時的輸出峰值電壓VPP為11-13；當帶1.5 ?負載時，輸出電平范圍在2.5-4 Vpp；載波發送電路如圖4所示。

2.3 載波接收電路

載波接收電路僅讓132 kHz的載波信號通過，衰減132 kHz以外的頻率的信號。從載波耦合電路過來的載波信號從TX_OUT進入到載波接收電路，通過三階帶通（BPF）濾波器和衰減控制電路進入載波芯片RISE3501E的PGC_VIN引腳，然后由RISE3501E進行接收，最后由RISE3501E內部集成的載波模塊進行解調。解析處理過程完全由底層硬件、軟件程序自動完成。載波接收電路如圖5所示。

2.4 載波信號耦合電路

在設計載波信號耦合電路時，阻抗應盡量小，讓發射的載波功率最大地耦合到船舶電力線上。同時，耦合線圈漏感應該盡量小，讓耦合到船舶電力線上的信號強度達到最大。載波信號耦合電路如圖6所示。為了隔離交流電，同時讓有用的高頻載波信號自由通過，本文在輸入端火線A、B上分別串一個0.2 μF/280V的聚酯電容。另外，選擇一個電感量2.1~2.3 mH的，變比為 1：1的耦合線圈來隔離無用的高壓電、傳輸有用的載波信號。這樣設計的話，讓大部分高壓都降在兩個聚酯電容上，避免后面的電路出現高壓。在進行載波信號的接收時，耦合線圈的輸出信號再經電容進一步濾波后，直接傳輸給載波信號接收電路。在進行載波信號的發送時，同樣可以順利把載波信號耦合到船舶電力線上。最后，為了保護后面的電路，防止瞬間的高能量沖擊破壞后面的電路，應在載波信號的耦合電路的末端加一個TVS瞬變二極管。

圖3 載波主控芯片及外圍接口電路

圖6 載波信號耦合電路

2.5 過零檢測電路

過零檢測電路過零正向導通，電路如圖7所示。過零檢測的端口ZERO與載波芯片RISE3501E的引腳相連。實驗表明，當交流信號經過過零檢測電路時，正過零延時的大致時間為0.5~0.59 ms。為了讓干擾降到最小，確保在延時時間內進行載波通信。如果硬件參數跟本電路不一致，則需要通過實驗測試實際的零點延遲時間。

圖7 過零檢測電路

3 載波模塊的軟件設計

載波模塊進行數據的發送和接收由NEC單片機的外部中斷子程序控制。OFDM的實現也是由NEC中的軟件模塊承擔。載波信號發送/接收子程序流程圖如圖8所示。主程序函數包含各功能寄存器的的初始化，等待發送載波信號等。中斷子程序負責對外部輸入進行響應，然后通過船舶電力線發送（接收）數據。

4 結束語

針對船舶上獨特噪音特點，仍需要采用并改進以下技術手段進行改進。首先，可從信號的接收端著手，解決頻譜可能覆蓋信號頻譜的噪音問題，從而提高信號接收端的靈敏度和可靠性，提高識別信號而過濾噪音的能力。其次，為了避免突發性和周期性噪音的干擾，要加強信號收發的運行體制，強化糾錯功能、重發機制、預讀機制等。最后，采用擴頻通信技術來克服信號衰減和噪音干擾的問題。實際上，要從根本上改善PLC技術在船舶通信中的噪音問題，還需要很長一段時間繼續將OFDM調制技術進行優化。在調制解調過程中，強化OFDM技術的編碼和解碼能力，并優化其抗衰減能力。

圖8 載波信號發送/接收子程序流程圖

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Design of Ship Power Line Carrier Communication Module Based on OFDM

Zhou Naiyi, Liu Guoping, Chen Tingxun

（Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China）

U664.82 TP273

A

1003-4862（2014）12-0049-04

2014-05-14

周乃義（1989-），男，碩士。研究方向：遠洋漁船自動化與儀器儀表。