1　如今在大、中型海洋調(diào)查測(cè)量船上都安裝有多種調(diào)查測(cè)量設(shè)備,且各設(shè)備之間都需要布設(shè)網(wǎng)線進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸,但布線時(shí)要依據(jù)船體結(jié)構(gòu)實(shí)施,如果同時(shí)安裝網(wǎng)線和電源線,不僅受船體空間限制,還浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。通過(guò)電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,就可實(shí)現(xiàn)即插即用,輕松組建數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。再者隨著調(diào)查測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展,船上原有的設(shè)備不斷被更新,或隨測(cè)量任務(wù)的需要,還要不斷加裝一些新的測(cè)量設(shè)備,對(duì)這些事先未布置有線網(wǎng)絡(luò)的新設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸,也可通過(guò)現(xiàn)有電線傳輸數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)而無(wú)需另外布設(shè)網(wǎng)線。本文結(jié)合海洋測(cè)量船構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),研究了電力線通信的特點(diǎn)及其應(yīng)用。

2　電力線通信原理與網(wǎng)絡(luò)適配器組成

2•1　電力線通信原理

電力線通信(powerlinecommunication)技術(shù)就是通過(guò)電力線網(wǎng)絡(luò)適配器,把數(shù)字寬帶信號(hào)調(diào)制在一定的信號(hào)頻率范圍內(nèi)并加載到220V市電中進(jìn)行傳輸。這樣在電網(wǎng)范圍內(nèi)的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)上,都可以通過(guò)另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)適配器把電網(wǎng)中調(diào)制信號(hào)解調(diào)成原來(lái)的寬帶數(shù)字信號(hào),達(dá)到把電網(wǎng)變成寬帶網(wǎng)絡(luò)的目的,這種技術(shù)也稱為PLC技術(shù)。PLC技術(shù)分為窄帶傳輸技術(shù)和寬帶傳輸技術(shù),窄帶技術(shù)通常用于電力線集中抄表系統(tǒng),而寬帶技術(shù)則用作數(shù)據(jù)傳輸。

市面上的寬帶PLC產(chǎn)品分為14Mbps、85Mbps和200Mbps幾種物理傳輸速度標(biāo)準(zhǔn)。

電力線信道和無(wú)線信道二者都易受到噪聲、衰落、多徑和干擾的影響。為了應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題,必須要有相應(yīng)的調(diào)制技術(shù)和編碼技術(shù)。在HomePlug電力線聯(lián)盟中應(yīng)采用正交頻分復(fù)用(OFDM),因?yàn)镺FDM使用多載波調(diào)制,對(duì)抗噪聲和干擾特別有效。

OFDM技術(shù)的主要思想就是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道,在每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制,并且各子載波并行傳輸。OFDM每個(gè)載波所使用的調(diào)制方法可以不同。各個(gè)載波能夠根據(jù)信道狀況的不同選擇不同的調(diào)制方式,比如BPSK、QPSK、8PsK、16QAM、64QAM等,以頻譜利用率和誤碼率之間的最佳平衡為原則。在HomePlug1.0標(biāo)準(zhǔn)中載波的頻率范圍是4•5~21MHz。在HomePlugAV標(biāo)準(zhǔn)中載波的頻率范圍是2~28MHz。

當(dāng)載波的頻率范圍內(nèi),某一個(gè)頻段受到了干擾,只影響到頻段中的子信道,并不影響到未受干擾頻段中的子信道。因此,在復(fù)雜的電力線的環(huán)境下,電力線的傳輸速率能維持相對(duì)的穩(wěn)定,滿足客戶對(duì)于帶寬的需求。

在PLC數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中,電力線可以被多個(gè)設(shè)備同時(shí)接入。為了決定哪個(gè)設(shè)備有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù),需要MAC層協(xié)議。最常用的有線MAC協(xié)議———載波檢測(cè)多址/碰撞檢測(cè)(CSMA/CD),雖然也可用于電力線網(wǎng)絡(luò),但是由于電力線中的噪聲變動(dòng)很大,使碰撞檢測(cè)變得非常困難,所以人們?cè)陔娏€網(wǎng)絡(luò)上使用更有效的帶有沖突避免的載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)(CSMA/CA)協(xié)議。

2•2　網(wǎng)絡(luò)適配器的組成

電力線通信就是利用網(wǎng)絡(luò)適配器組成對(duì)等計(jì)算機(jī)組成電力線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的文件共享和數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)打印機(jī)或其他設(shè)備的共享。網(wǎng)絡(luò)適配器主要由電力線網(wǎng)絡(luò)控制器與電力線數(shù)據(jù)存取接口(PDAI)組成。

2•2•1　電力線網(wǎng)絡(luò)控制器

電力線網(wǎng)絡(luò)控制器由內(nèi)核采用與8051指令兼容的微處理器及數(shù)據(jù)收發(fā)器組成,具有網(wǎng)絡(luò)的MAC/PHY層的控制功能。使用外加的ROM存儲(chǔ)程序以完成電力線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議控制、數(shù)據(jù)的調(diào)制/解調(diào)等功能。該處理器的程序存儲(chǔ)和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間均為64KB,內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為256B,寄存器區(qū)為配合電力線網(wǎng)絡(luò)通信而增加了幾個(gè)特殊的寄存器,如數(shù)據(jù)指針選擇(DPS)、看門(mén)狗時(shí)標(biāo)控制(WDTCR)等。該芯片內(nèi)部帶有2KB緩沖區(qū)的RAM,具有較強(qiáng)的安全及出錯(cuò)檢測(cè)能力,如32B的加密陣列,256位密鑰,數(shù)據(jù)包級(jí)認(rèn)證,16位硬件CRC。該芯片在硬件上提供了電力線交換的嵌入式協(xié)議。控制器與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)操作包括兩方面:將數(shù)據(jù)分成獨(dú)立的數(shù)據(jù)包;對(duì)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分發(fā)或接收。在電力線網(wǎng)絡(luò)控制器內(nèi)置了用于數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制/解調(diào)及轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)發(fā)送器和接收器,數(shù)據(jù)發(fā)送使用4個(gè)通道同時(shí)發(fā)送到PDAI。數(shù)據(jù)的每一個(gè)字節(jié)在完成了并行—串行轉(zhuǎn)換之后,可以選用兩種調(diào)制方式———BPSK或QPSK進(jìn)行PSK編碼。數(shù)據(jù)接收器為并行4通道接收器,用于接收來(lái)自PDAI的4路電力線載波數(shù)據(jù),每一個(gè)接收通道內(nèi)均有獨(dú)立的緩存,8051微控制器在開(kāi)始初始化接收工作后,數(shù)據(jù)包的接收由接收器完成。

2•2•2　電力線數(shù)據(jù)存取接口PDAI

PDAI是電力線與電力線網(wǎng)絡(luò)控制器的連接部分,主要完成信號(hào)的變換、功放、濾波等工作。

數(shù)據(jù)接收部分:按照OFDM調(diào)制方式,數(shù)據(jù)利用4個(gè)頻率通道進(jìn)行調(diào)制。來(lái)自電力線的數(shù)據(jù)由帶通濾波器進(jìn)行濾波,每一通道的中心頻率都是不同的。中頻部分使用Motorola公司的寬帶中頻電路MC13158。每一個(gè)通道使用不同的頻率(頻率范圍為13•8~18•9MHz)進(jìn)行混合,得到10•7MHz的中頻信號(hào)。信號(hào)經(jīng)陶瓷濾波器濾波后,由限幅器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

數(shù)據(jù)發(fā)送部分:先由高速DAC將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)一個(gè)頻率為2~10MHz的多階LC帶通濾波器濾波后,通過(guò)差分驅(qū)動(dòng)的功率放大直接送到電力線信號(hào)耦合變壓器,該耦合變壓器保證了適配器的低壓部分與電力線電壓隔離,從而保證使用者的安全。

3　電力線通信的特點(diǎn)

3•1　電力線通信的優(yōu)點(diǎn)

對(duì)于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)說(shuō),如果在拓展上遇到了麻煩,電力線適配器是一種很好的解決方案。電力線通信利用現(xiàn)有電力線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng),能更好滿足數(shù)據(jù)語(yǔ)音、視頻、IPTV、VoIP等多應(yīng)用的需求,有效促進(jìn)寬帶數(shù)據(jù)網(wǎng)、電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)和低壓配電網(wǎng)的四網(wǎng)融合。

(1)無(wú)需布線:利用已有的電力線組網(wǎng),無(wú)需為組網(wǎng)單獨(dú)布線,節(jié)省人力和成本;(2)傳輸穩(wěn)定:通過(guò)實(shí)體電力線傳輸,不受障礙物影響,數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定不掉線;(3)移動(dòng)便捷:電源插座分布密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于以太網(wǎng)接口,電力線網(wǎng)絡(luò)使局域網(wǎng)范圍內(nèi)有插座的地方都可以上網(wǎng),移動(dòng)便捷、擴(kuò)展方便;(4)使用簡(jiǎn)便:只需要將設(shè)備插在電源插座上便可以享受高速寬帶網(wǎng)絡(luò),無(wú)需設(shè)置;(5)高效環(huán)保:功耗低,且使用實(shí)體電力線進(jìn)行信號(hào)傳輸,基本無(wú)輻射,綠色環(huán)保。