国内窄带电力载波通信技术发展现状.docx

国内窄带电力载波通信技术发展现状 1. 国内现有载波通信技术特点 现有的低压载波通信芯片的技术特点可以从调制方式、传输速率、通信频率、通信功率、EMI标准、芯片技术等方面来分析。 调制方式与传输速率 目前电力线载波通信常用的扩频技术主要有：直接序列扩频、线性调频Chirp和正交频分复用OFDM等。此外，跳频FH、跳时TH以及上述各种方式的组合扩频技术也较为常用。 国内载波通信产品主要采用直接序列扩频技术。其中东软为FSK，15 位直序列扩频通信；福星晓程DPSK 63 位直序扩频；弥亚微为QPSK扩频调相、过零同步、分时传输；鼎信为二进制连续相位移频FSK，过零同步、分时传输。 上述各家的扩频技术各有不同特点。对载波通信芯片性能最直接影响在于可靠性和传输速率。目前这四家中，传输速率分别为弥亚微，同时提供200、400、800、1600bps四种可变速率；东软：330bps；福星晓程：250/500bps；鼎信：100bps。按照现阶段现场实际应用状况来看100至500bps速水平仅能用于普通抄表功能，如果涉及到远程控制（断送电）和管理功能则需要提供更高速率保证。 通信频率 关于通信频率，在美国由联邦通信委员会FCC规定了电力线频带宽度为100450kHZ；在欧洲由欧洲电气标准委员会的EN50065-1规定电力载波频带为3148.5kHZ。这些标准的建立为电力载波技术的发展做出了显著的贡献，目前全球AMR系统均采用该频段标准。 国内载波通信芯片中符合欧洲标准的为2家，分别是福星晓程120KHz和弥亚微57.6KHz/76.8KHz/115.2KHz三种可选。 通信功率及EMI指标 国内东软、福星晓程、鼎信等多数载波通信方案为了针对国内电力信道环境中的衰减，均采取加大通信传输功率等做法。在实际产品化的过程中，基本上做到3W至5W，有的电表厂甚至做到了8W，这种做法是绝对不可取的。首先，这种做法导致电表产生的功耗损失无疑增加的线损，造成大量的能源浪费，这也有悖于国网公司上集抄系统的初衷；其次，如此大的功率传输将会严重污染电力线信道环境，我们原来是恶劣的电力线信道环境的受害者，现在却也能成为最大的制造者。 就目前研究了解的情况，国内只有弥亚微的载波芯片Mi200E采取低功耗设计。其发送信号时的功率仅为0.4W，在保证可靠的通信性能的同时该芯片EMI等相关指标满足欧洲标准。 芯片技术 严格意义上讲，国内载波通信方案供应商并不完全都是芯片设计研发企业，像东软和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361单片机通过软件完成物理层、MAC层、网络层的模式。其优点是降低了研发难度，但该模式会导致其核心技术（相关软件）容易泄密或被解密，安全性值得探讨。福星晓程和弥亚微均是完全自主开发的载波通信芯片产品。 2. 国内载波芯片产品分析 青岛东软 该公司是国内较早对低压载波进行投入的厂家，目前市场分额较大。主要产品主要特点是：采用FSK调制方式，信号频率为270K；软件相关器和匹配滤波器，63位码序列，码速率20.8k波特；自适应数字信号处理和模糊处理技术，具备前向纠错功能；帧中继转发机制，支持3级中继深度。 但东软的载波方案不满足相关国际标准，通信模块的EMI特性难以满足，会对电网带来比较大的谐波干扰。同时，由于使用MC3361单片机的模式，载波方案的集成度不高。同时由于外置功放的使用，外部分立元器件一致性问题的影响，带来调试，安装，现场施工的一系列问题，从而会对集抄系统的稳定性，可靠性带来影响。 福星福星晓程 福星晓程于2000年前后推出载波ASIC芯片，其集成度比东软的要高，在国内的份额同东软差不多。 其产品PL3105 采用的是PSK调制直序扩频方式，载波频率为120K，码元速率500bps，伪码为15的M序列。它内部集成了2 路16 位的A/D，LED/LCD 显示控制模块，3 个定时器，2 个多功能串口。 由于PL3105采用数字解调、解扩，抗干扰性能好于东软，在实际使用中物理层的通信距离较好。但其载波芯片实质是一个带载波MODEM的单片机，只有物理层，链路层、应用层需要各厂家自己开发，加大了开发难度和开发周期；同时由于各厂家的链路层协议不尽相同，出现了同是采用福星晓程芯片也未必能互联互通的尴尬局面。另外其推出的中继算法不太实用也限制了其的发展。 弥亚微电子 弥亚微电子的Mi200E是国内目前唯一一款既满足国内市场需求，又符合国际标准的高性能载波通信芯片。 Mi200E采用了直接序列扩频、数字信号处理、数字功率放大等新技术，该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。MI200E是内部集成了扩频解扩、调制解调、输入信号整形放大、数字功率放大器、市电检测、高性能带通滤波器、数模转换接口以及与单片机(MCU)串口通信等功能。同时为上层网络协议提供载波侦听和有效帧指示信号。 Mi200E具备可变扩频增益，提供 200、400、800和1600bps四种不同的通信速率，满足现场的各种需求；三种可选的载波频率；低功耗设计,最大发射功耗仅为0.4W；Mi200E符合 EN50065-1以及IEC61000-3-8 标准所规定的低压电力线载波通信信号频段以及EMI的要求。 过零同步传输技术是弥亚微高性能载波通信芯片Mi200E的核心技术。Mi200E以电力线的过零时间为时间基准进行信号同步，使通信信号工作在以零点为中心的6.6ms时间内。该区域电网噪声最弱，网上干扰最小，负载阻抗较轻，在这段时间里进行通信避开了电力线上负载较重的时间段，同时解调算法采用时间分集的方式，大大提高了通信的稳定性和可靠性；同时也能保证各相之间不能相互通信，使主站能够正确区分每一个电表的相别；不同相别的准确区分为中继的实现提供了可靠的保证，且由于跨相抄收而引起的中继不稳定现象得到了根除。 Mi200E应用电路简单，内置数字功放大大减少了载波电表的外围电路器件要求，在大批量生产时保证产品一致性好，调试容易，可靠性高；同时有效降低BOM成本，后期维护成本大大降低。 不仅如此，弥亚微还为电表厂提供具备“自动路由、自动中继、自我学习”机制的高效载波通信网络协议配合Mi200E的应用。 青岛鼎信 这是一家新成立的公司，其核心技术人员均来自于青岛东软，目前的技术方案实际是以吉林省公司为主导提出、由鼎信来具体实现和加以完善。 鼎信产品主要特点：软件相关器和匹配滤波器，80 位正交码序列；扩频通信技术；高效率前向纠错；BFSK 调制、半双工通信；码速率每相50bps、100bps；帧中继转发机制，数据链路层支持中继深度可达32 级；接收信号强度权重参数指示，为中继搜索算法提供支持，提高通信系统稳定性；四层网络结构：物理层、数据链路层、网络层、应用层，其中应用层通信协议针对DL/T645-1997 通信规约进行了专门优化； 鼎信是继弥亚微之后，第二家采用过零同步传输技术的载波通信方案提供商。其以电力线的过零时间为时间基准进行信号同步，使各相工作在以本相零点为中心的3.3ms时间内。 鼎信的不足在于：第一，其传输速率仅为50,100bps，该速率仅能做为抄表应用，如果想实现远程控制和智能电网管理功能则会力不从心，这是一个潜在的隐患。其二，中心频点过高。传输频率：421.1KHz ，超过欧洲标准，随着国内标准化进程的逐步加强是潜在的风险。其三，通信模块的发射功率大，从而载波电表的功耗较大，难以满足国网规约对表计的整体功耗要求；EMI特性难以满足，会对电网带来比较大的谐波干扰。其五，与东软的载波方案类似，由于使用MC3361单片机的模式，载波方案的集成度不高。同时由于外置功放的使用，外部分立元器件一致性问题的影响，带来调试，安装，现场施工的一系列问题，从而会对集抄系统的稳定性，可靠性带来影响。 3. 结论 综上所述，目前国内主要的载波通信芯片产品仍然处于快速成长阶段，各种技术方案均有很大的发展空间。作为后来居上的新技术方案代表的弥亚微，其可靠性与满足国际标准是其他方案所不具备的优势，应该予以大力推广。其我们必须坚持实事求是，以科学的发展观，客观评价每一项技术方案，每一款载波通信芯片和每一个成长中的载波通信技术创新企业，为国内集抄市场的发展和智能电网的建设奠定良好的基础。4. 国内载波通信芯片参数简表品牌 青岛东软 福星晓程 弥亚微 青岛鼎信 成立时间 1993年 2000年 20042008年 规模 约占市场60%约占市场30%约占市场5%无规模应用 芯片型号ES16T /PLCi36FSSC16/ES16UPLCi36C/PLCi36MPLCi36D /ES16WES16WH /ES16UHPLCi36CE ES16UH-III/ES1631 /ES1630 PL2102PL3105PL3201PL3106 MI200EMI210MI211MI500TCM081TCC081TCS081调制类型 FSK 63 位 直序扩频 DPSK，15 位直序列扩频通信 QPSK扩频调相、过零同步、分时传输 二进制连续相位移频FSK过零同步、分时传输 中心频率 270kHz 120kHz 576kHz，76.8kHz，115.2kHz 可选 421.1 kHz波