浅谈多载波调制技术在电力线通信的应用

叶明雅

【摘 要】通过其通信原理分析影响电力线通信的主要因素，讨论低压电力线通信中多载波调制技术的优点，通过与其他调制方式的对比，得出滤波多音调制技术能够弥补传统多载波技术的一些缺点。

【关键词】载波；电力线通信；FMT；调制技术

1.引言

电力线载波（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式，电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠，路由合理、可同时复用远动信号等特点，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力线载波通信技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注，而国内的许多的企业也紧随国际步伐在利用电力线传输信息，特别是在远程抄表系统方面已逐步形成应用研究的热点。

2.低压电力线载波通信

2.1 低压电力线载波通信原理

低压电力线载波通信作为电力系统基本、独有的通信方式，它用低压配电线作为传输介质来进行信息的传递。实现了电力线通信网络内部的节点与节点之间的连接，并且能够与其他外部网络进行通信，是建立在低压配电网络基础上的通信系统。

2.2 低压电力线载波通信的优点

低压PLC的优点表现在以下三个方面：经济性能好：低压电力线载波通信可在已有的配电网络传输，不用另外新布线，因此减少了投入，节省了成本，并且对外界的破坏也降低。

应用范围广：电力资源与人们的生活早已密不可分，我国的用电用户已经超过了10亿以上，电力线网络是我国分布最广的网络之一，所以电力线通信很容易地渗透到了千家万户以及各种公共场所，作为其他宽带接入方式的延伸和补充，为互联网更为广阔的发展提供便利的条件。传输速率较高：目前的低压PLC传输速率得到了很大的提升，一般在1～200M之间。利用PLC接入网络的传输速率已经远高于ISDN、ADSL、拨号上网等其他方式，而且随着相关技术的发展，更多的高速率PLC产品将会越来越多。

2.3 低压电力线载波通信的主要性能指标衡量

一个通信系统的性能如何一般通过以下八个指标来衡量：有效性、可靠性、适应性、经济性、保密性、标准性、维修性和工艺性。通信系统的功能就是将传输的消息快速、准确、稳定地进行交换。所以从通信系统的功能来考虑，我们把信息传输的有效性和可靠性这两项指标作为评价通信系统性能的主要参考。

2.4 影响低压电力线通信的主要因素

低压电力线本身只是为了输送电能而设计的，不同于专用的通信线路，因此以低压电力线作为通信介质相比于其他专用通信线路有着更多的复杂性和不确定性。线路阻抗、负载阻抗和噪声影响是电力线作为通信载体的自身弱点。

噪声干扰：对低压电力线通信造成影响的主要是噪声干扰。低压配电网信道中的噪声频率一般从几十万赫兹到二十兆赫兹之间。

线路阻抗：配电线路本所用到的金属材料的粗细传输的距离以及老化程度都对阻抗有直接影响，阻抗越大，信号的衰减程度越大；对地电容影响着一些地下电缆的通信过程，随着频率升高，信号衰减同时也会越来越大。负载阻抗：当启动低压电力线上的不同用电设备时，传输信号会在其工作频点产生具有阻抗特性的深度衰落。虽然这种负载不会在整个频域内出现，但其产生的时段性、突发性和普遍性会对通信质量带来一定的影响。

3.多载波调制技术

多载波调制（Multicarrier Modulation）技术采用了多个载波信号，它把所要传输的数据流分解为若干个子数据流，利用这些子数据分别去调制若干个子载波。在多载波调制信道中，数据传输速率相对较低，码元周期加长，只要时延扩展与码元周期相比小于一定的比值，就避免码传输系统中的ISI，同时多载波调制对于一般通信信道的时间弥散特性不敏感。目前在实际应用中具有代表性的多载波技术有扩频通讯技术（SS）、多载波正交频分复用（OFDM）技术以及滤波多音调制（FMT）技术等。

3.1 扩频通信技术

扩频通信技术（Spread Spectrum Communication）可以简单的描述为：一种扩展频谱的通信技术。在发送端频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，然后再通过编码和调制的方法来实现。这个过程与所传输的信息本身无关。在接收数据的一端，利用与发送端相对应的码序列进行接收与解扩等过程后，对所传输的数据信息进行恢复。简言之，扩频通信是将所要传输的信号带宽扩展到很宽的频带中进行传输的一种通信方式。

3.2 正交频分复用技术

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术是多载波调制的一种，也是一种复用技术。它在指定的频段内选取若干个子载波，将信息符号调制在多个子载波上同时发送，每一个子载波相当于一个窄带传输。

OFDM将编码后的数据进行串并转换后，利用若干个子载波分别进行调制。所采用的子载波具有在频率上等间隔的特点，各子载波采用数字符号调制，各载波上的信号功率形成都是相同的通过选择载波间隔的方式，使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性，各子载波上的信号在频谱上相互重叠；接收端，利用载波之间的正交性可以无失真地恢复发送信息。在使用正交频分复用技术的低压电力线载波通信系统中，可以同时结合频域自适应等技术，用来传输信息的各子载波的数量、编码、同步等方式完全可以根据信道不同而进行调整，所以正交频分复用技术能够在一定程度上解决低压电力线信道中时变性的问题。

3.3 滤波多音调制技术

1999年Giovanni Chenrubini等人提出了滤波多音调制（Filtered Multitone Modulation，FMT），并论证了采用子信道频带不重叠划分方法的滤波多音调制技术，能弥补一些高速数字接入技术中的缺点，例如能有效地降近端串扰（NEXT）、远端串扰（FEXT）、回声（ECHO）所带来的信道间的干扰问题（ICI）。基于滤波多音调制技术的系统实现的复杂度较高，因此目前仍处于理论研究阶段。

3.4 三种调制技术的性能比较

扩频调制技术的优点主要表现在以下四个方面：（1）干扰性强；（2）低功率频谱密度；（3）高保密性；（4）容量大、地址多。其缺点主要有：（1）系统实现复杂；（2）在频带资源有限的的情况下主要弱点为传输信息需要的最小带宽远远小于扩频后的频带带宽；（3）实现高质量的扩频码分多址方面仍存在一些困难。OFDM技术的优点包括：（1）可以最大限度利用频谱资源；（2）可以实现较高的安全传输性能，它允许数据在复数的高速的视频上被编码；（3）容易和其他接入方法结合应用，形成OFDMA系统，实现了多用户同时信息传输功能；（4）对传输线路上的多路径外界信号干涉有较强的抵抗力，非常适合工作在一些恶劣的通信环境中。FMT调制技术的最大优点是能够避免通信系统中的码间串扰；其主要的缺点是结构复杂。因为它的优于OFDM的频带抑制能力是通过在系统的各个子信道加入了一个具有相当复杂度的滤波器为代价来获得的，因此直接实现的FMT系统在运算量上相对较大，但通过采用了FMT系统有效实现方法，滤波多音调制系统在复杂度上的差距得以明显减小。

4.结语

目前在低压电力线通信中多载波调制技术具有良好的性能，通过与其他调制方式的对比，得出滤波多音调制技术能够弥补传统多载波技术的一些缺点。同时分析了目前多载波调制技术中扩频调制技术、OFDM频分复用技术和滤波多音调制技术三种调制技术的原理和特点。

参考文献：

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