窄带电力通信引入OFDM技术实现高速率

电力线网络是迄今为止世界上最大的网络。使用电力线通信的想法最早可追溯至1920年，当时安装在专用线缆上的通信设备数量远远多于目前在交流电力线上安装的设备数量。

当前，电力线通信应用范围从高速宽带因特网连接到窄带控制应用和低带宽数据收集，在这些应用中，低成本和高可靠性是主要的设计限制。在室内环境中，窄带电力线通信使家庭和楼宇中的供暖、空调、照明、房间设计方案编程和安全系统能够实现自动化。在室外，窄带电力线网络允许控制街道照明或远程收集功率表中的数据，进而简单流程节省大量的能源。

OFDM VS FSK

电力线通信调制解调器技术面临多个挑战，其中包括电力线固有的噪声、各种不同的电力线通信调制解调器协议和不断发展的标准，所有这些挑战都要求系统设计具有灵活性。

但是，广泛遍布的交流电力线对环境很敏感，是一种最困难的有线通信媒介。众多不可预知的干扰、衰减和失真，包括宽范围的阻抗变化、高衰减电平、多路径时延传播等等。10kHz至500kHz的低频区域最容易受串扰、背景噪声、脉冲噪声和群延迟等的影响。要在如此恶劣的条件下可靠、准确、低时延地传输高速宽带数据信号，必须找到一种能克服各种障碍的综合技术。很多公司尝试了多种不同的调制技术，如：扩展频谱以及其它窄带方法。但是没有一个方案能够达到目前应用所需的长距离、高速可靠的数据通信要求。

实现PLC技术突破的基本技术是在物理层采用OFDM，即“正交频分复用”技术；以及在MAC层采用CSMA/CA，即“带碰撞检测的载波监听多路访问”技术。

正交频分复用 (OFDM)调制技术可以高效利用带宽，因此可采用更先进的通道编码技术。能够在窄带干扰、脉冲噪声和频率选择性衰减的情况下提供非常可靠的通信。图1显示了 OFDM要比窄带数据通信性能优异的原因。对于 OFDM (图1a)，10kHz至95kHz之间采用八个载频，可有效利用 85kHz通道带宽。相比之下，窄带方案 (图1b)在相同带宽仅可采用两个载频送数据。两种情况都发送 4位数据位和 4位纠错位。图1a中， OFDM可采用单个字符发送全部8位数据。图1b中，窄带发送同样数据需要四个字符。由于OFDM的频谱利用率更高，因此可以使用相同通道发送更多数据，实现更高的数据速率。

先进的网络技术可以保证高度安全的可靠通信网络。具体来说，用CSMA/CA方法控制多节点分布网络中的数据流，自动重复请求(ARQ)功能保证可靠的数据包发送和接收。还可以集成快速DES加密/解密协处理器，以增强数据安全性。

采用OFDM的MAX2990

2008年12月，法国电力集团的全资子公司法国电网输送公司(ERDF)宣布将制定和开发下一代电力线通信(PLC)规范及解决方案的合同交给Maxim公司。ERDF计划在全法国配备AMM基础设施中采用Maxim的首款基于OFDM的PLC调制解调芯片MAX2990，管理整个电力供应链——从电力供应商直至终端用户。

据Maxim SP&C产品线中国区经理Henry Chan介绍，AMM基础设施将通过现有的电力线，在仪表、传感器和中继之间实现双向通信，从而提升ERDF的监测和控制能力，同时还将提高终端用户了解电力使用情况的透明度，加强客户端的用电管理。

Henry还透露，Maxim在国内的推广也在进行中。一月份Maxim和北京的一家公司合作在某个小区里进行了电力信号的传输测试，实现了从地下二层的配电室到200米外的大楼的18层的成功传输。

MAX2990是Maxim在2008年6月推出的首款基于OFDM的PLC调制解调器。MAX2990采用具有DBPSK调制和前向纠错(FEC)功能的OFDM技术，能够在存在窄带干扰、群延迟、信号阻塞、脉冲噪声和选频衰减等干扰的情况下进行可靠的数据通信。MAX2990符合国际电力线通信规范，包括CENELEC、FCC和ARIB。在工作频率范围10kHz至490kHz内，支持大于100kbps的有效数据速率。

Henry表示，评估调制解调器时，最重要的一个因素是在给定信噪比(SNR)条件下的误码率(BER)。BER为在特定噪声级别下，错误比特数与传输总比特数的比值。

典型的FSK系统在2kbps数据速率、12dB SNR条件下具有104的BER，MAX2990在10kHz至95kHz的Cenelec波段、32kbps的数据速率、4dB SNR条件下可达到相同的BER。所以，采用具有纠错的OFDM技术能够在更高的数据速率下提升8dB的性能。

OFDM系统具有更多数量的信号频点，因而MAX2990能够完成诸如Reed Solomon和卷积编码等数据恢复算法。这些通道译码技术提供纠错位，能够在不同的频点上与数据同时传输，以提高数据恢复能力。

MAX2990在单个芯片内集成了物理层(PHY)和媒体访问控制(MAC)层，以及Maxim的16位RISC MAXQ微控制器。MAX2990具有32kB的闪存，用于运行MAC编码和用户定义的应用软件，器件还带有8kB的SRAM用于数据存储。此外，MAX2990支持通过UART、SPI和I2C等串行接口与电力线和网络上的其它设备进行通信。

图2 MAX2990 结构图