船舶通信中应用OFDM电力线载波通信技术研究

蔡新梅

（葫芦岛市渤海船舶职业学院，辽宁葫芦岛 125005）

0 引言

船舶有线通信主要包括船内电话、广播、电视、局域网等。这些终端设备一般都通过船用电缆连接，各种终端设备都需要自己专用的信号线，设备的增添和减少都需要进行电缆线路的改变，使组网线路复杂、成本增大。为了减少线路的铺设数量，利用现有船舶电力线资源，采用先进的电力线传输技术，结合OFDM调制技术，将使船舶通信的质量提高。

1 船舶低压电力线载波通信技术

我国钢质海船入级与建造规范规定：船舶电网的标准频率为50 Hz、60 Hz，船舶电网的额定电压为400 V、450 V，因此，我国船舶电网的电压、频率采用的是固定制，即船用电网电压、频率都不变。

电力线载波通信技术（PLC），是指利用电网中的电力线进行传输数据和信号的一种通信方式。 船舶低压电力线最初是作为输电线路，而非通信所用。因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。低压电力线信道的通信环境恶劣，存在变化的阻抗，不可预测的噪声干扰，强烈的信号衰减，这些都是由信道本身的特性决定的[1]。近年来，随着PLC芯片技术的突破，尤其是多载波正交频分复用（OFDM）技术的应用，对电力线载波通信中存在的抗干扰、抗阻抗失配、抗多径衰落以及信号冲突等问题提出了有效的解决方案，从而为实现电力线上的高速数据通信提供了有力的技术保证，目前正朝着实用化的方向发展。

2 OFDM 技术

OFDM（正交频分复用）是MCM （多载波调制）技术的一种。OFDM技术是一种能有效的对抗频谱衰落的调制方式, 它通过DFT（离散傅立叶变换） 将串行数据调制到并行的正交子载波上,因而能够对抗信道的多径效应和符号间干扰[2]。OFDM技术使用了自适应调制，根据信道条件的好坏来选择不同的调制方式。

3 OFDM 应用于低压电力线通信的可行性分析

OFDM技术作为一种多载波调制技术和频分复用技术在通信的有效性和可靠性方面都有着比较明显的优势，采用OFDM技术用以实现低压电力线通信已成为目前研究的热点。

1） 消除电力线信道符号间干扰ISI和子载波间干扰ICI。

OFDM将数据流通过串并变换，分配到N个子信道中传输，使每个子信道中的符号周期增加为原来的N倍，因此可以减少由于信道的多径时延扩展所产生的时间弥散性带来的ISI对系统所造成的影响。OFDM在码元间插入保护间隔，使保护间隔大于信道最大多径时延，则所有时延均小于符号的保护间隔长度，其多径分量都不会对下一个符号产生影响，从而避免子载波之间的串扰ICI。

2） 降低电力线信道的频率选择性衰减造成的影响。OFDM技术将电力线信道造成的频率选择性衰落等突发性干扰分配到相互正交的子信道上，使这种干扰变为随机干扰，在接收端采用前向纠错编码就可以恢复原始信号。

3） 抵抗窄带衰落。OFDM通过动态比特分配以及动态子信道分配的方法，充分利用信噪比较高的子信道，从而提高系统的性能。由于窄带干扰只能影响小部分的子载波，因此，OFDM系统可以在某种程度上抵抗这种窄带干扰。

4） 频谱利用率高[3]。OFDM的子载波相互正交，这一特性决定了即使在子载波之间的频谱间隔Δf很小，子载波频谱相互重叠的情况下，子信道间也没有相互干扰。因此与常规的频分复用系统相比，OFDM系统频带利用率大为提高，从而节省通信频带资源。

4 系统实现

图1为基于OFDM电力线传输的船舶通信系统结构。在发送时，利用OFDM调制技术将用户数据进行调制，然后在电力线上进行传输；在接收端，信号先经过放大后，再由滤波器将调制信号滤出，再经过解调及前向纠错控制，就可以得到原通信信号[4]。

1） 物理层器件选择

本系统可选用SPC200C进行设计，该器件MAC层采用TDMA和CSMA组合技术，既能提高网络服务质量，并且具有即插即用的性能，是目前业界首款能支持64个终端用户的解决方案。SPC200C是电力线通信物理层专用器件，也是目前速度最快、最为完善的高速PLC器件之一。

2） 电力线调制解调器

在整个通信系统中，调制解调器是核心部分，担负着数据流的控制及数据的调制、解调任务。INT5200是Intellon公司最新的基于PLC宽带接入的调制/解调芯片，第一次将MAC/PHY和AFE集成在一块芯片内部，是INT51X1的更新替代产品。在84个载波上利用DBPSK/DQPSK调制原理使其传输速率最高可达14 Mbps。它的媒质访问控制（MAC）采用的是载波多路侦听/冲突避免（CSMA/CA），并有56位的密匙管理以保证PLC通信安全。协议栈中还内置了自适应频率选择使其能自动调整信道，再加上前向纠错、优先权限设计及自清除重发（ARQ）等措施，即使在恶劣的环境下，仍能保证很高的信噪比。

3） 信号耦合电路模块

考虑到系统的瞬时保护问题，避免器件受到过电压等因素的冲击而破坏，因此，要考虑到使用保护器件。由于采用的是电力线进行信号的传送，连接到AC交流插座的低压电子设备很容易受到放电和开关等瞬时现象的影响，电感耦合是利用变压器电磁感应耦合的原理，高频载波信号作为原边线圈，电力线线圈作为副边线圈，通过高导磁率的磁环构成一个信号传输变压器，则原边电流源信号由电磁耦合到副边电力线路上去，由此可知，副边电力线上的高频信号的变化也会感应到原边信号线上，为调制解调设备所接受。耦合器的抗衰减要求非常严格，应不大于6 dB[5]。

5 结束语

在船舶通信系统中使用OFMD技术是船舶通信中的一种新技术。通过相关研究，OFDM 技术具有较高的频谱利用率,能够抗多径时延、频率选择性衰落和突发干扰的性能,适用于供电线路局部区域内的计算机及电电力线载波通信,是一种很有潜力及前景的传输调制方式。OFDM 技术已成为电力线载波通信的关键技术,随着OFDM 技术的不断发展,必将在电力线载波通信中发挥越来越大的作用。

[1] 吴慎山,付会凯. 基于 OFDM 技术的电力线载波通信研究[J]. 微计算机信息, 2009，25（2）:165-166.

[2] 贾景谱, 耿煊. 基于OFDM 系统的低压电力线通信信道估计的研究[J]. 现代商贸工业,2007，（2）:164-165.

[3] 宦若虹, 金向东. OFDM技术及其在电力线通信中的应用[J]. 低压电器, 2006，（4）:50-52.

[4] 吕海峰, 王赞基, 郭静波. 电力线正交频分复用通信的实时信道估计[J]. 电力系统自动化, 2003，27（9）:29-31.

[5] 孙艺敏. 基于OFDM的中压电力线宽带通信设计.广西电力, 2010,（2）:19-21.