摘  要： 窄帶電力線通信（NB PLC）是指通過使用已有的電力線設(shè)施作為通信媒介實(shí)現(xiàn)窄帶通信的方法，以替換無線或者其他類型的有線通信標(biāo)準(zhǔn)，從而獲得更好的成本效益。NB PLC 可以作為智能監(jiān)控的手段應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域。TI為電力線通信的開發(fā)商提供了靈活的開發(fā)平臺(tái)，從而幫助企業(yè)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，允許針對(duì)不同工作條件進(jìn)行優(yōu)化，能夠容易地進(jìn)行調(diào)整以遵循不斷演進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞： NB PLC；電力線通信；智能電表

PLC簡(jiǎn)介
PLC的分類及其頻帶
    PLC技術(shù)總體上可以劃分為寬帶PLC和窄帶PLC兩大類。前者適用于Internet互聯(lián)網(wǎng)這類高速廣域網(wǎng)連接，采用OFDM調(diào)制方式，目前HomePlug聯(lián)盟制定的標(biāo)準(zhǔn)成為國(guó)際主流；后者適用于側(cè)重低成本、高可靠性且只需要窄帶控制或者低帶寬數(shù)據(jù)采集的場(chǎng)合。目前，適用于NB PLC的PRIME、G3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際部署階段；而IEEE P1901.2以及ITU-T G.hnem兩大國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)即將制定完成。
    NB PLC的頻帶由各個(gè)國(guó)家的頻帶管理機(jī)構(gòu)來指定和劃分。在中國(guó)，EPRI更傾向于使用3 kHz～90 kHz頻段；而對(duì)3 kHz～500 kHz這段單一的頻率段如何使用并沒有規(guī)定。
PLC的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)
    PLC能夠在電力線上傳輸數(shù)據(jù)，這樣就為許多應(yīng)用領(lǐng)域提供了一種具有成本效益的通信方式。由于不需要在互聯(lián)的設(shè)備直接安裝額外的線纜，PLC顯著地降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)可靠性，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的通信。
    PLC技術(shù)能夠利用已有的電力線基礎(chǔ)設(shè)施，這使得它在智能電網(wǎng)(Smart Grid)領(lǐng)域占據(jù)著優(yōu)勢(shì)的技術(shù)地位。在智能電表領(lǐng)域，NB PLC提供了一種穩(wěn)健的能夠替代無線通信的方式，能夠滿足帶寬、功耗和成本的要求。NB PLC已經(jīng)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，其數(shù)據(jù)率也從1.2 Kb/s到最高128 Kb/s不等，能夠滿足數(shù)據(jù)采集、照明控制、家庭自動(dòng)化等應(yīng)用的帶寬要求。這樣，NB PLC 將是一種非常有吸引力的、能夠作為智能電網(wǎng)通信基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)。
    同樣地，PLC技術(shù)使得在照明控制、家居和建筑物的供熱和空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化、安全等系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更加智能化的管理成為可能。只要系統(tǒng)連接到供電網(wǎng)絡(luò)，它的效率和運(yùn)行狀況就能夠被智能地管理和改進(jìn)。圖1給出了PLC解決方案能夠適用的應(yīng)用領(lǐng)域，包括智能電網(wǎng)、街燈照明、智能電表、太陽能、風(fēng)能、家居自動(dòng)化等。

圖1  PLC解決方案的應(yīng)用領(lǐng)域

PLC面臨的挑戰(zhàn)
    開發(fā)一種有效的PLC會(huì)面臨許多挑戰(zhàn)，例如，電力線固有的噪聲；需要健壯的架構(gòu)來確保數(shù)據(jù)可靠性；每種應(yīng)用和運(yùn)行環(huán)境都是不同的，需要開發(fā)者優(yōu)化設(shè)計(jì)來適應(yīng)各種因素。
    PLC實(shí)現(xiàn)的功能過于固定化將會(huì)限制其應(yīng)用領(lǐng)域；而且，由于PLC的標(biāo)準(zhǔn)還沒完全確定仍然在不斷演進(jìn)中，這也是一種冒險(xiǎn)性的設(shè)計(jì)策略。開發(fā)者需要靈活性的平臺(tái)，這將能夠針對(duì)每種應(yīng)用的特定需求來優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)也能夠適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)和新興的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。這樣，PLC的知識(shí)產(chǎn)權(quán)可以在多種應(yīng)用中得以重用，進(jìn)而在應(yīng)對(duì)不斷擴(kuò)展的市場(chǎng)機(jī)會(huì)時(shí)能夠加速開發(fā)進(jìn)程、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。
    硬件和軟件的模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)靈活性的關(guān)鍵。通過把復(fù)雜的PLC系統(tǒng)分解成一些獨(dú)立的子系統(tǒng)，可以允許開發(fā)者在不必完全重新設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的情況下改變?cè)O(shè)計(jì)的某一方面，例如調(diào)制方式或者通信協(xié)議。
    (1)調(diào)制方式：硬件層的靈活性使得開發(fā)者可以針對(duì)某種特定的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)最有效的調(diào)制方式。例如，窄帶通信可以使用擴(kuò)展頻移鍵控(S-FSK)和正交頻分復(fù)用(OFDM)。
    (2)通信協(xié)議：為了實(shí)現(xiàn)互操作性，設(shè)備必須遵循特定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。在靈活的平臺(tái)之上，開發(fā)者可以方便地實(shí)現(xiàn)所有流行的PLC標(biāo)準(zhǔn)，例如SFSK(IEC61334)、PRIME和G3；同時(shí)，能夠使得設(shè)備隨著標(biāo)準(zhǔn)的演講而保持更新。此外，由于不需要完全地重新設(shè)計(jì)硬件和固件，把設(shè)計(jì)移植到新應(yīng)用或協(xié)議的過程也將變得簡(jiǎn)單。
    (3)遵循本地規(guī)章：各個(gè)國(guó)家對(duì)“綠色電子產(chǎn)品”的大力支持催生了通信規(guī)章（CENELEC、，F(xiàn)CC、ARIB等），這將給智能電網(wǎng)（Smart Grid）和其他以PLC 為基礎(chǔ)的應(yīng)用帶來深遠(yuǎn)的影響。開發(fā)者需要工具來確保設(shè)備滿足規(guī)章要求，同時(shí)幫助他們盡快地通過測(cè)試，以獲得批準(zhǔn)使產(chǎn)品盡快上市。
TI NB PLC解決方案的設(shè)計(jì)
    TI的NB PLC解決方案使得開發(fā)人員不必關(guān)心其設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，降低了PLC在很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的使用門檻。TI NB PLC解決方案的高效和靈活使得客戶能夠快速地針對(duì)特定的應(yīng)用需求進(jìn)行差異化和定制化設(shè)計(jì)。基于獨(dú)特的模塊化硬件架構(gòu)和靈活的軟件框架，TI的PLC解決方案是目前業(yè)界唯一的在單一平臺(tái)上能夠支持多種標(biāo)準(zhǔn)和調(diào)制方式的技術(shù)。
PLC軟件的模塊化
    TI的PLC軟件（plcSUITETM）提供了功能強(qiáng)大的框架使得開發(fā)者能夠快速開發(fā)PLC，實(shí)現(xiàn)并且測(cè)試其健壯性。軟件平臺(tái)的靈活性允許開發(fā)者把調(diào)制實(shí)現(xiàn)、協(xié)議設(shè)計(jì)、應(yīng)用開發(fā)分隔開來。開發(fā)者可以利用圖形接口(GUI)方便地對(duì)PLC關(guān)鍵的性能參數(shù)可視化和調(diào)整。TI的NB PLC解決方案在同一個(gè)硬件平臺(tái)可以支持多種調(diào)制方式和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。
PLC硬件的模塊化
    TI靈活的NB PLC硬件平臺(tái)使得開發(fā)變得更加簡(jiǎn)單。如圖2所示，PLC硬件開發(fā)工具由模擬前端（AFE）、MCU卡、基座（Docking Station）組成。開發(fā)平臺(tái)的模塊化設(shè)計(jì)允許開發(fā)者很輕易地通過調(diào)整系統(tǒng)的硬件來滿足不同的PLC通信指標(biāo)。例如，TI除了支持PRIME和G3標(biāo)準(zhǔn)外，通過FlexOFDMTM庫還支持私有的、完全可編程的、基于OFDM的系統(tǒng)；開發(fā)者能夠針對(duì)特定的運(yùn)行環(huán)境來優(yōu)化性能和穩(wěn)定性，進(jìn)一步地提高效率。如果有需要，還可以通過配置工作頻帶和數(shù)據(jù)發(fā)送的頻點(diǎn)來快速地定制OFDM實(shí)現(xiàn)。這些改進(jìn)可以獨(dú)立于協(xié)議和應(yīng)用層軟件。一旦設(shè)計(jì)、驗(yàn)證完成，開發(fā)者可以通過把各個(gè)模塊集成到單個(gè)硬件板（SOM）來降低硬件成本。

    如圖3所示，TI NB PLC系統(tǒng)的核心是包括耦合電路在內(nèi)的模擬前端和用于數(shù)字調(diào)制與網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的處理器。處理器主要實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)等信號(hào)處理、媒體接入控制（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層處理（路由、IPV6等）、應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)。處理器的內(nèi)存及運(yùn)算能力決定了所能夠處理的信號(hào)帶寬以及所能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)速率。

    為了降低成本同時(shí)提高性能，TI 了增加了TMS320C2000 MCU指令集。新增加的指令集由緊耦合的協(xié)處理器VCU(Viterbi，Complex Math，CRC Unit)單元來實(shí)現(xiàn)。VCU通過增加針對(duì)復(fù)數(shù)運(yùn)算、維特比譯碼、CRC計(jì)算的匯編指令來增強(qiáng)C2000 MCU的處理能力。新增的VCU指令集能夠加速物理層OFDM信號(hào)的處理和MAC層數(shù)據(jù)包CRC的計(jì)算。
    高性能、集成的模擬前端（AFE031），主要用來濾波、調(diào)理、放大信號(hào)，同時(shí)耦合調(diào)制信號(hào)到傳輸線。高性能的AFE需要具備下列特點(diǎn)：通過大電流來驅(qū)動(dòng)低阻抗電力線；能夠通過高壓電容和變壓器來耦合信號(hào)到電力線；能夠檢測(cè)小到20 ?滋Vrms的信號(hào)、具有寬范圍的增益選項(xiàng)來適應(yīng)可變的輸入信號(hào)。因此，設(shè)計(jì)NB PLC的模擬前端(AFE)非常具有挑戰(zhàn)性。使用AFE031能夠幫助設(shè)計(jì)者簡(jiǎn)化高性能模擬前端的設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)者只需專注于電路設(shè)計(jì)(例如電力線耦合接口、電路保護(hù)等)和PCB的溫度設(shè)計(jì)。
    AFE031是集成的、適用于電力線通信的高性能模擬前端芯片，由許多功能塊組成，能夠被MCU無縫地連接和驅(qū)動(dòng)。AFE031的發(fā)送通路（Transmitter）從MCU通過SPI接收數(shù)字信號(hào)，由內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過濾波和功率放大，通過耦合變壓器驅(qū)動(dòng)AC電力線。AFE031的接收通路（Receiver）從AC電力線接收模擬信號(hào)，濾除噪聲，通過可編程增益放大器（PGA）放大，經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入到MCU處理。
    利用已有的電力線設(shè)施作為傳輸數(shù)據(jù)的鏈路，PLC在許多應(yīng)用領(lǐng)域都是最有成本效益的通信方式，能夠改變?nèi)藗兊谋O(jiān)控方式。開發(fā)者利用TI靈活而成熟的窄帶PLC解決方案將能夠加快其具有PLC特性的產(chǎn)品上市時(shí)間。