探析电力线通信技术在船舶上的应用

近年来，现代船舶的自动化程度越来越高，船舶中许多设备不断的更新与添加，电力线通信技术发展为实现船舶电力线通信提供了有利条件。在船舶电网环境下，不需要线路的基础建设投资和日常的维护费用，将电力线通信技术应用于船舶，实现数据传递和信息的交换，不必做任何新的线路铺设，可免去不少铺设网络的麻烦。如何在船舶上应用电力线通信技术是当前船舶电力线通信关注的焦点。因此，研究电力线通信技术具有十分重要的现实意义。鉴于此，笔者对电力线通信技术在船舶上的应用进行了初步探讨。

一、电力线通信技术在船舶上存在的问题

电力线通信技术作为电力系统传输信息的一种基本手段，其电力线通信应用的主要领域是电力线上网。电力线通信技术在船舶上的应用，是指通过电力线组成局域网，然后通过相应的电网猫与其它的宽带相连接实现无布线组网。当前电力线通信技术在船舶上的应用，还存在着诸多亟待解决的问题，这些问题使得电力线通信技术在船舶上的应用现状不容乐观。具体说来，电力线通信技术在船舶上应用的主要问题是噪音和信号衰减。在电力线通信的噪音方面，电力线通信的噪音主要来自于低压电网相连的负载，以及无线电广播的干扰。负载的开关会引起电流的波动，在电力线的周围产生电磁辐射，这样，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。船舶电力线通信在这样的噪声环境下，很难保证数据传输的质量。而且，电力线通信的噪音和信号衰减是随时间变化的，这样也给船舶电力线通信造成了一定的困难。由此可见，电力线通信的环境极为恶劣。

二、解决船舶电力线通信技术问题的方法

在船舶电网环境下，采用正交频分复用技术(OFDM)，可以在一定程度上解决电力线通信技术在船舶上应用的问题。OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。为解决船舶电力线通信技术中出现的噪音和信号衰减等问题，该技术在消除信号波形间的干扰问题上发挥了重要的作用。其基本原理是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据，并在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。尽管总的信道是不平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。而且大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了抗多径衰落的性能。关于OFDM的调制、OFDM的解调、多径反射和多径衰落，下文将逐一进行分析。

1.OFDM的调制

OFDM采用一种不连续的多音调技术，具有在杂波干扰下传送信号的能力。OFDM调制由快速傅立叶变换FFT过程产生，M位数据被编码至图1所示频域内的N个子载波上。M=N×B，B为每个调制符号的位数。在QPSK或DQPSK中，B=2；16-QAM中，B=4；64-QAM中，B=8。使用反向FFT(IFFT)将频域子载波转换到时域，产生一个OFDM符号，其时间长度等于子载波间隔的倒数，同速率相比，它是一段非常长的时间。纠错处理采用叠加编码和Viterbi编码，编码压缩率为1/2，9/16，2/3，3/4。

2.OFDM的解调

OFDM的解调是指用于解调正交频分复用(OFDM)信号。OFDM使用发信的反向过程解调信号，是解决电力线载波通信在船舶通信中应用的关键技术。周期前缀被从时域信号中剔除，把信号从时域转变回频域，每个符号都使用FFT转换到频域，FFT算法都起着极为重要的作用。DQPSK是对QPSK信号特性进行改进的一种调制方式，当使用DQPSK调制方式时，具有天然的抗非线性抵抗力，通过检查相邻OFDM符号之间子载波的相位差进行数据解码。

3.多径反射

多径反射信号是指无线电信号从发射天线经过多个路径抵达接收天线的信号。前缀是复制符号的最后部分，在每个OFDM符号前加入一个周期前缀，可以保证在一个FFT周期内，由多径反射引起的时间色散信道中维持完全正交，用来组成一个完整的OFDM符号。如图2所示，长的OFDM符号周期一般持续几微秒，同占OFDM符号周期很小比例的周期前缀组合，是在时间色散信道中提高性能的关键因素。

4.多径衰落

由于多径传播引起的信号衰落称为多径衰落。尽管OFDM可以消除多径反射带来的ISI，但在多径传播中还存在着一个问题，就是多径衰落的问题。衰落是由反射信号到达后抵消了先前到达的信号(即180°相移)所引起的，一般只发生在某些特定频率或子频率。解决船舶电力线通信技术问题，必须解决多径衰落问题，如采用分级接收、信号设计、自适应通信技术等，可以在一定程度上解决多径衰落问题。

图1 在子载波上使用相干调制的OFDM

图2 频域到时域变换和加入周期前缀

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