基于OFDM技术的船舶电力线载波通信模块的设计

周乃义，刘国平，陈庭勋



基于OFDM技术的船舶电力线载波通信模块的设计

周乃义，刘国平，陈庭勋

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院, 浙江 舟山 316022）

船用电缆通信的缺陷是电缆的成本高，设备的添加和减少都要对电缆进行变动。随着科技的发展,船舶设备的数量在不断增加，使得船舶电缆的铺设变得杂乱无章、维护成本大大增加。借鉴电力网络应用的电力线载波通信技术（PLC），则可以有效减少船用电缆的铺设量，降低船舶通信的成本。作者提出了一种成本低廉且实用的基于OFDM技术的船舶电力线载波通信模块的设计。文中介绍了OFDM船舶电力线载波通信系统的整体设计方案，并完成了系统外围电路各个模块的设计。

正交频分复用 船舶电力线载波通信 载波模块

0 引言

PLC技术利用电力线进行数据和信号通信。多年来，PLC在电力网通信领域得到广泛应用，但在船舶上的应用尚处于理论研究阶段。船舶配电网络的电力线原本仅作为电路使用，要达到载波通信的要求还有很多问题。比如说船舶电力线的通信信道存在噪音大、干扰强等缺陷，因此通信环境很差。OFDM技术的引入和优化是实现基于船舶电力线的高速通信的关键。

OFDM技术实际上就是一种调制方式，它能够根据通信信道的质量选择不同的调制方式，然后把高速的串行数据转换成多路的低速数据流，再分别调制多路相互正交的子载波，最后将多路子载波合并成一路进行传输的一种调制效率很高的技术。OFDM调制把信息分散到许多载波上，使得各子载波的信号速率大大减慢，从而造成码元周期比多径延迟时间还要长，最终克服了通信时的多径传播影响。

1 基于OFDM技术的船舶电力线载波通信的系统组成

OFDM的调制由IDFT实现，解调过程由DFT实现。通过对经过数据编码形成的复数序列进行离散傅里叶反变换(IDFT)后，得到OFDM调制后的输出复包络信号。载波接收时，对采样信号进行离散傅里叶变换(DFT)得到原始的数据序列。

基于OFDM的船舶电力线载波通信系统结构如下图1所示。

图1 基于OFDM的电力线通信系统框图

2 船舶电力线载波通信模块的硬件设计

船舶电力线载波模块利用船舶的交流过零点来传输高频的载波信号。硬件部分包括载波主控芯片及外围接口电路、载波发送电路、载波接收电路、载波信号耦合电路，其结构示意图如图2。

图2 船舶电力线载波模块载波模块结构示意图

2.1 载波主控芯片及外围接口电路

船舶载波产品作为一种智能控制网络，需要实现网络系统的自动路由以及自适应才能维持其稳定性。稳定性对载波芯片的物理层通信的性能、接收载波信号的质量监控、被动态地设置为路由模式、协议栈提出了比较严格的要求。载波通讯芯片RISE3501E恰好能够满足要求。其中，晶振电路的晶振频率为10 MHz，最高工作频率可以达到60 MHz。载波主控芯片外围接口电路如图3所示。

2.2 载波发送电路

在载波发送电路中，载波发送信号控制寄存器由底层软件进行配置。通过实验，实测RISE3501E芯片引脚DAC _OUT输出电平的峰值VPP约为0.8-1，然后经载波发送电路进行放大处理后，TX_OUT输出电平在空载时的输出峰值电压VPP为11-13；当带1.5 Ω负载时，输出电平范围在2.5-4 Vpp；载波发送电路如图4所示。

2.3 载波接收电路

载波接收电路仅让132 kHz的载波信号通过，衰减132 kHz以外的频率的信号。从载波耦合电路过来的载波信号从TX_OUT进入到载波接收电路，通过三阶带通（BPF）滤波器和衰减控制电路进入载波芯片RISE3501E的PGC_VIN引脚，然后由RISE3501E进行接收，最后由RISE3501E内部集成的载波模块进行解调。解析处理过程完全由底层硬件、软件程序自动完成。载波接收电路如图5所示。

2.4 载波信号耦合电路

在设计载波信号耦合电路时，阻抗应尽量小，让发射的载波功率最大地耦合到船舶电力线上。同时，耦合线圈漏感应该尽量小，让耦合到船舶电力线上的信号强度达到最大。载波信号耦合电路如图6所示。为了隔离交流电，同时让有用的高频载波信号自由通过，本文在输入端火线A、B上分别串一个0.2 µF/280V的聚酯电容。另外，选择一个电感量2.1~2.3 mH的，变比为 1：1的耦合线圈来隔离无用的高压电、传输有用的载波信号。这样设计的话，让大部分高压都降在两个聚酯电容上，避免后面的电路出现高压。在进行载波信号的接收时，耦合线圈的输出信号再经电容进一步滤波后，直接传输给载波信号接收电路。在进行载波信号的发送时，同样可以顺利把载波信号耦合到船舶电力线上。最后，为了保护后面的电路，防止瞬间的高能量冲击破坏后面的电路，应在载波信号的耦合电路的末端加一个TVS瞬变二极管。

图3 载波主控芯片及外围接口电路

图6 载波信号耦合电路

2.5 过零检测电路

过零检测电路过零正向导通，电路如图7所示。过零检测的端口ZERO与载波芯片RISE3501E的引脚相连。实验表明，当交流信号经过过零检测电路时，正过零延时的大致时间为0.5~0.59 ms。为了让干扰降到最小，确保在延时时间内进行载波通信。如果硬件参数跟本电路不一致，则需要通过实验测试实际的零点延迟时间。

图7 过零检测电路

3 载波模块的软件设计

载波模块进行数据的发送和接收由NEC单片机的外部中断子程序控制。OFDM的实现也是由NEC中的软件模块承担。载波信号发送/接收子程序流程图如图8所示。主程序函数包含各功能寄存器的的初始化，等待发送载波信号等。中断子程序负责对外部输入进行响应，然后通过船舶电力线发送（接收）数据。

4 结束语

针对船舶上独特噪音特点，仍需要采用并改进以下技术手段进行改进。首先，可从信号的接收端着手，解决频谱可能覆盖信号频谱的噪音问题，从而提高信号接收端的灵敏度和可靠性，提高识别信号而过滤噪音的能力。其次，为了避免突发性和周期性噪音的干扰，要加强信号收发的运行体制，强化纠错功能、重发机制、预读机制等。最后，采用扩频通信技术来克服信号衰减和噪音干扰的问题。实际上，要从根本上改善PLC技术在船舶通信中的噪音问题，还需要很长一段时间继续将OFDM调制技术进行优化。在调制解调过程中，强化OFDM技术的编码和解码能力，并优化其抗衰减能力。

图8 载波信号发送/接收子程序流程图

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[5] 吕英杰, 邹和平, 赵兵. 国内低压电力线载波通信应用现状分析[J]. 电网与清洁能源, 2010 (4).

Design of Ship Power Line Carrier Communication Module Based on OFDM

Zhou Naiyi, Liu Guoping, Chen Tingxun

（Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan 316022, Zhejiang, China）

U664.82 TP273

A

1003-4862（2014）12-0049-04

2014-05-14

周乃义（1989-），男，硕士。研究方向：远洋渔船自动化与仪器仪表。