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国内窄带电力载波通信技术发展现状

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100~450kHZ;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3~148.5kHZ。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。

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。

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。

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

2004

2008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 /PLCi36F
SSC16/ES16U
PLCi36C/PLCi36M
PLCi36D /ES16W
ES16WH /ES16UH
PLCi36CE ES16UH-III/ES1631 /ES1630

PL2102
PL3105
PL3201
PL3106

MI200E
MI210
MI211
MI500

TCM081
TCC081
TCS081

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

57.6kHz,76.8kHz,115.2kHz 可选

421.1 kHz

波特率

330bps

500bps/250bps 可选

200,400,800,1600bps可变

100bps
三相150bps、300 bps

芯片技术

芯片使用单片机,通过软件完成物理层、MAC层、网络层;应用层由电表厂家自己开发

"SoC"芯片,提供简单的网络层通信协议

物理层芯片;同时提供MAC层和网络层通信协议,应用层由电表厂家自己开发

芯片使用单片机,通过软件完成物理层、MAC层、网络层和应用层

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