電力線載波通信技術，PLCC(Power Line Carri—er Communication)或PLC(Power Line Communica—tion)，是指利用電力線網(wǎng)絡作為傳輸媒介，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的一種技術。電力線載波通信技術是電力系統(tǒng)特有的一種通信技術。從20世紀20年代以來，該系統(tǒng)在電力系統(tǒng)得到廣泛的應用。它為用戶提供數(shù)字化社區(qū)服務和電子商務，提供高速因特網(wǎng)訪問服務、話音服務，可實現(xiàn)家庭辦公和遠程家電控制，實現(xiàn)防火、防盜、防有毒氣體泄漏等的保安監(jiān)控系統(tǒng)?；赑LC的遠程自動讀水、電、氣表系統(tǒng)，節(jié)省了大量的人力物力。電力線載波數(shù)傳模塊是電力線載波通信的核心部件和硬件基礎，它使實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力傳輸?shù)?#8220;四網(wǎng)合一”成為可能。

    2 國內(nèi)適用電力線載波Modem芯片介紹
    國外對電力線載波通訊技術的研究較早、技術水平較為前沿，多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)(480 Y／277 V，208 Y／120 Vac)的標準頻率范圍100～450 kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400 Y／230 Vac)的標準頻率范圍9~150 kHz。各公司在標準頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波Modem芯片。由于國外電力線載波Modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設計，在國內(nèi)使用都難盡如人意。目前，在我
國一定應用領域可勉強使用的電力線載波Modem芯片有以下幾種：
    (1)ST7536、ST7538、ST7540
    ST7536是SGS一Thomson(ST)公司為電力線載波通訊而設計的專用Modem芯片，除有一般Modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。ST7536是較早的電力線載波Modem芯片之一，調(diào)制解調(diào)技術是FSK方式，3 bit容錯，它最高波特率為400 bsp。但它無CSMA(網(wǎng)絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領域，ST7536是最適合的Modem芯片。但它的通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢。ST7538是ST公司在電力載波芯片ST7536、ST7537基礎上推出的半雙工、同步／異步FSK(調(diào)頻)單芯片電力線調(diào)制解調(diào)器芯片。與ST7536和ST7537相比，主要特點是：有8個工作頻段，可編程通信速率高達4 800 bps；提供過零檢測功能。
    ST7540具有8個可編程發(fā)送頻率，即：60 kHz、66 kHz、72 kHz、76 kHz、82．05 kHz、86 kHz、110．kHz和132．5 kHz，可編程波特速率最高為4 800 B／s，接收靈敏度可達500 μV(rms)，同時具有UART／SPI主接口，采用單電源7．5~12．5 V工作，內(nèi)部集成線路驅(qū)動器和5 V、3．3 V兩個線性調(diào)整器，電流高達50 mA，數(shù)字電壓為3．3 V或5．0 V，具有非常低的功耗，靜態(tài)電流5 mA。在控制方面，ST7540芯片工作通過內(nèi)部寄存器控制和同步串行接口來編程。ST7540還具有看門狗定時器、時鐘輸出、輸出電壓和電流控制、載波或前同步檢測、可暫停工作和使用等功能，與前期的電力線收發(fā)芯片兼容，為用戶的使用帶來極大方便。
    (2)SSCP200／300、INT5130、INT5IXl
    SSCP200／300(Spread Spectrum Communication)是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術設計的電力線載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調(diào)制解調(diào)技術、現(xiàn)代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協(xié)議，可以稱為智能Modem芯片，體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢。InteHon公司2000年推出的Int5130芯片集，主要面向在電力線上實現(xiàn)的高速數(shù)據(jù)通信。INT5130與INT 1000收發(fā)器配合使用，采用OFDM技術，通信速率達到14Mbps，收發(fā)器的信噪比SNR為45～50 dB。
    INT5lXl是Intellon公司采用OFDM技術研制的一塊理想的基于PLC寬帶接入的調(diào)制／解調(diào)芯片，它在4．3～20．9 MHz的頻帶范圍內(nèi)共用84個載波，采用DBPSK／DQPSK調(diào)制原理，使其最高傳輸速率可達14 Mbps。作為一款電力包集成收發(fā)器，INT51X1能利用高頻特性惡劣的電力線來實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。由于本芯片高度集成了電力包的數(shù)據(jù)處理功能及對外相關接口，因此使用時僅需進行簡單的初始化而不需復雜的編程，使用非常方便。
    (3)PLT一22、PL3120、PL3150
    美國Echelon公司的LonWorks電力載波芯片，采用窄帶BPSK調(diào)制解調(diào)技術以及多種容錯及糾錯技術，性能良好。以該芯片為核心的采集終端，可通過兩個電力線載波頻率進行雙向傳輸通信，能自動解決電力線通信能力惡化的問題，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行集中管理及儲存；電力線調(diào)制解調(diào)器通過網(wǎng)線與主站系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)資料的上傳以及系統(tǒng)的監(jiān)控等；主站系統(tǒng)又以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心，提供各地區(qū)所有數(shù)據(jù)資料的集中管理，既能作為數(shù)據(jù)服務器，又能進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，在我國應用效果很理想，但它是Lonworks網(wǎng)絡專用，而且價格太高，難以在民用市場領域大規(guī)模推廣。
    (4)MAX2986
    Maxim公司生產(chǎn)的電力線通信收發(fā)芯片，該芯片完全兼容于Homeplugl．0協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率高達14 Mbps，可以滿足寬帶通信的需求。MAX2986電力線收發(fā)器利用了當前最高發(fā)展水平的CMOS設計技術，提供更高的性能指標和靈活性。這款高度集成的芯片內(nèi)包含了媒體訪問控制層(MAC)和物理層(PHY)。MAX2986數(shù)字基帶與配套器件MAX2980模擬前端(AFE)一起，利用了Maxim先進的OFDM電力線引擎，提供高達14 Mbps的自適應數(shù)據(jù)速率，可提供完整的高速電力線通信解決方案。該器件非常適合于以下應用：局域網(wǎng)(LAN)、音頻、語音、家庭自動化、工業(yè)自動化以及電力線寬帶(BPL)。
    (5)HYT3101
    針對電力線載波通信的困難，特別是我國電力線的特殊情況，深圳吳元設計了一款專用于電力線載波通信的芯片HYll3101。它具有以下特點來改進以往芯片存在的不足：(1)能承受比國際標準更加苛刻的條件和要求，具有卓越的點對點通信性能；(2)HYl3101內(nèi)部的通信模塊按EIA709．1、EIA709．2以及EN50065—1等國際標準設計，和國際標準接軌，兼容性強；(3)HYT3101能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)干擾和信號功率，能夠檢測節(jié)點所在相位，為系統(tǒng)的路由／中繼和系統(tǒng)的自適應提供了物理上的基礎，保證了整個系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的自動學習；(4)內(nèi)嵌適合于現(xiàn)場網(wǎng)絡的通信協(xié)議棧，包括鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層和應用層等的上層通信協(xié)議，與EIA一709．1兼容。
    (6)PL3105、PL3200
    此系列為國內(nèi)某公司自主開發(fā)的產(chǎn)品，PL3105是專為自動抄表、智能信息家電以及遠程監(jiān)控系統(tǒng)而開發(fā)的單芯片片上系統(tǒng)SoC(System onChip)。采用805l指令兼容的高速微處理器，軟件易于開發(fā)；內(nèi)嵌的載波通信單元使其具備了在低壓電力線上組網(wǎng)遠程通信的強大功能；CPU通過配置寄存器來實現(xiàn)對載波通信的控制，接口方便；擴頻通信單元具有較強的抗帶內(nèi)同頻干擾能力、靈敏度高的優(yōu)點；集成了完善的電壓監(jiān)測上電掉電復位看門狗電路，確保了工業(yè)環(huán)境下運行時系統(tǒng)的可靠性。PL3200是在PL2000的基礎上開發(fā)的帶計量的載波通信芯片。
    (7)MI200E
    MI200E是彌亞微電子(中國)公司自主研發(fā)的一款專門針對低壓電力載波信道進行優(yōu)化設計的高集成度、高性能的網(wǎng)絡接口控制芯片。MI200E可廣泛應用于電力、供水、供氣等遠程抄表(AMR)及能源管理領域。MI200E集成了載波通信調(diào)制解調(diào)器物理層所需的所有部件，由低噪聲放大器、可編程帶通濾波器、限幅放大器、過零點檢測電路、全數(shù)字AC同步檢測鎖相環(huán)路、SPITM接口、DSP運算模塊、擴頻調(diào)制／解調(diào)器、基帶成型濾波器、前向糾錯編碼／解碼器、CRC一16編解碼、數(shù)字上變頻／下變頻、數(shù)字功率放大器等部分組成。

    3 電力線載波數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案
    國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊總體設計框架基本一致，絕大部分研發(fā)人員以國內(nèi)外各電力線載波Modem芯片商開發(fā)的電力線載波Modem芯片為平臺，結(jié)合單片機控制芯片進行模塊化產(chǎn)品設計。由于單片機技術的廣泛發(fā)展應用，控制芯片的選取較為靈活，只要其資源能滿足控制應用即可，甚至部分國內(nèi)自主研發(fā)的載波芯片產(chǎn)品本身已經(jīng)內(nèi)嵌微處理器，為設計人員提供了方便。
    通常電力線載波Modem芯片的選取根據(jù)應用領域不同而進行針對性的不同選用，因此，目前國內(nèi)電力載波通信數(shù)傳模塊的不同實現(xiàn)方案。在模塊功能上，主要區(qū)別在于電力線載波Modem芯片的選取不同。在整體結(jié)構(gòu)上，區(qū)分在于是否采用集成程度較高的電力線載波Modem芯片。部分不采用電力線載波Modem芯片的研發(fā)人員，從最基本的理論出發(fā)，根據(jù)具體需要，自主設計調(diào)制解調(diào)電路和單片機控制電路及其外圍電路。
    國內(nèi)上述電力載波通信數(shù)傳模塊實現(xiàn)方案都有應用，比如，某大學應用北京某公司自主開發(fā)的PL3l05電力線載波Modem芯片，結(jié)合對照明網(wǎng)絡開關控制的需要，分別開發(fā)出總控制器，組控制器和終端控制器3種不同功能的數(shù)傳模塊。其結(jié)構(gòu)，如圖2所示。山東某大學大學基于較新一代的PL3200電力線載波Modem芯片進行了系統(tǒng)研究，總體解決方案與之具有繼承性。

    此方案優(yōu)點是：采用國內(nèi)自主研制芯片，針對性強，更加符合我國國情的電力通信網(wǎng)。硬件設計上，芯片本身內(nèi)嵌增強型8051微處理器，集成度高，試驗和實際應用表明通信距離可結(jié)合其它技術方式進行擴展，通信誤碼率低。缺點是，單一通信信道的局限性，導致只適合中小規(guī)模的網(wǎng)絡應用。其中，基于PL3200的電力載波通信系統(tǒng)，選擇在電網(wǎng)區(qū)域用戶密集、電網(wǎng)分叉復雜、 供電覆蓋范圍大的惡劣信道環(huán)境下測試，通信速度：500 bps，環(huán)境溫度：23～28℃。(1)通信距離：30 m，誤碼率：0，誤包率：0；(2)通信距離：200 m，誤碼率：<10-3，誤包率：<10-2；(3)通信距離：300 m，誤碼率：<10-3，誤包率：約10-2；(4)通信距離：400 m，誤碼率：約17％，誤包率：約50％。
    上海某大學的研究人員沒有利用現(xiàn)成的電力線載波Modem芯片，其數(shù)傳模塊設計由5部分組成：單片機通信機側(cè)的接口電路(包含RS一232：MAX202．RS一485：MAxl487)、單片機控制電路、電源電路(包括交流濾波器、變壓器、整流橋、LM2576—5、LM7815 LM7915)、調(diào)制解調(diào)電路和電力線藕合電路等。整個通信控制器的工作原理如下：來自通信機的數(shù)字信號接到RS一232(或RS一485)插座上，通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202(或MAXl487)和單片機相連，這樣就可以進行單片機和通信機之間的信息交換；單片機控制系統(tǒng)是通信機和調(diào)制解調(diào)器之間連接的紐帶，在這里不但要完成數(shù)據(jù)的存儲，而且還要完成控制調(diào)制解調(diào)器的接收和發(fā)送功能；電源系統(tǒng)負責給單片機、MAX202、MAXl487以及調(diào)制解調(diào)器中各芯片供電。調(diào)制解調(diào)電路將單片機和電力線連接起來，是整個通信控制器和電力線之間的接口。在這里，它將來自單片機的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成跳頻信號，通過變壓器藕合到電力線上發(fā)送出去；同時，它也將來自電力線上的跳頻信號解調(diào)成數(shù)字信號，發(fā)送給單片機，然后通過電平轉(zhuǎn)換，單片機將所接收到的數(shù)字信號發(fā)送給通信機。這樣就完成了通信機間的通信過程。
    此方案優(yōu)點是：不采用專門的電力線載波Modem芯片，能根據(jù)具體需求選擇和設計具體電路，冗余設置少、資源利用率高、開發(fā)成本較小，但是開發(fā)難度較大，通信可靠性相對較大。使用同一微機的串口模擬雙機通信，取15 m長的電力線連接測試，電力線上連有一個40 W的可調(diào)光臺燈以及一個850 W帶開關的電熱水壺。波特率：300 bps，測試時間：24小時，發(fā)送次數(shù)：42 853(每2 s發(fā)一次)，正確接收次數(shù)：39 214，成功率：91．51％。
    由意法半導體(ST)設計生產(chǎn)的新型電力線收發(fā)芯片ST7540，于2006年推出，支持多種獨有或開放的FSK調(diào)制技術通信協(xié)議，其中包括EHS和Konnex(EN50090)，ST7540內(nèi)置了FSK調(diào)制解調(diào)模塊、串行接口模塊、振蕩器模塊、電壓及電流控制模塊、濾波器、自動電平控制等電路，與前期產(chǎn)品ST7538的44個管腳不同的是，ST7540共有28個管腳，管腳數(shù)量大大減小，使用更加方便。一直以來，ST公司的ST7536、ST7538在國內(nèi)應用成功案例較多，效果較好。在單片機的選擇上，美國微芯公司的PIC單片機經(jīng)濟實惠，可以根據(jù)不同應用選擇合理資源配置的芯片型號。因此，基于PIC單片機和ST7540的數(shù)傳模塊解決方案，具有很大的優(yōu)越性和研究價值，近年來，受到很多相關研究人員和機構(gòu)的關注。

    4 急需解決的技術問題及發(fā)展方向
    電力載波通信數(shù)傳模塊設計，目前需解決的問題是：
    (1)進一步研究PLC通信理論，改進信號處理技術和編碼技術，優(yōu)化通信網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)以適應PLC特殊的環(huán)境。提高自適應信道均衡、回波抵消技術、自適應增益調(diào)整等技術水平，為低壓PLC通信的安全可靠提供保障；
    (2)針對應用領域和通信環(huán)境，選取合理的電力載波通信芯片和MCU，設計有效的耦合電路，采用科學的通信協(xié)議，降低通信誤碼率，提高模塊通信穩(wěn)定可靠性。
    基于國內(nèi)巨大應用市場需求，伴隨著國內(nèi)外電力載波通信技術的不斷發(fā)展和成熟，電力載波數(shù)傳模塊的研發(fā)越來越受到國內(nèi)外學者和生產(chǎn)商的關注。適應國際化通信標準，符合國內(nèi)實際，滿足國內(nèi)需求，逐步走向網(wǎng)絡化應用是我國電力載波通信和數(shù)傳模塊研發(fā)的發(fā)展趨勢和走向。