OFDM电力载波芯片陆续面市 应用效果决定前景

为满足智能电网的发展需求，全球相关组织和企业正积极研发新的电力线载波通信调制方式。欧洲提出的正交频分复用(OFDM)多载波调制方式引发了全球电力线载波技术的新一轮研发热潮。一些芯片产品已经陆续上市，但其应用前景仍取决于应用效果及成本。

    OFDM电力载波芯片陆续面市

    近日，位于深圳的力合微电子公司宣布，其具有自主知识产权的OFDM电力线载波通信芯片将在2009年第四季度面市。据力合微电子总经理刘鲲介绍，该产品的工作频段在5kHz～499kHz之间，预计数据速率达到100kbps以上。在整个工作频段中，有1628个子载波，每个载波间隔0.03kHz。用户可以根据应用需求，选择应用频段。
    与此同时，几家国外企业，包括美国美信、西班牙ADD和德国iAD都已经推出了基于OFDM调制方式的电力线载波通信芯片。
    2008年，美信公司宣布推出其首款基于OFDM的高速、宽带电力线载波调制解调器MAX2990。据美信集成产品亚太区有限公司SP&C事业部经理曾宪海介绍，MAX2990包括物理层和MAC控制协议，集成了微控制器。它的工作频段在10kHz～490kHz之间，有效数据速率大于100kbps，具有前向纠错能力。目前美信已在全球市场高调推广该产品。
    西班牙ADD(AdvancedDigi-talDesign)公司也已经推出一款基于OFDM调制方式的电力线载波通信芯片ADD1020。该芯片包括物理层和MAC控制协议，集成了微控制器。工作频段在42kHz～88kHz之间，数据速率从20kbps到128kbps。
    德国公司iAD与其合作伙伴arivus公司推出的最新OFDM电力线载波通信芯片为DLC-2B。该芯片包括物理层和MAC控制层，也集成了微控制器。工作频段在10kHz～490kHz之间，数据速率从9.6kbps到576kbps。
    此外，市场上一些芯片公司正在研发基于OFDM的电力线载波通信芯片。可以说，随着智能电网概念的提出，市场对高速、可靠以及低成本的电力线载波通信解决方案的需求正在上升。全球很多组织和企业正在研发基于新调制方式的电力线载波通信技术。作为新一代电力线载波的主流技术之一，OFDM电力线载波通信解决方案的研发热潮正悄然兴起。

    技术热潮源自欧洲

    OFDM电力线载波技术热潮由欧洲引发。过去，电力线载波通信技术主要基于FSK（频移键控）等调制方式。但当电表数量达到上百万台之后，要保证电表与控制中心之间安全、可靠的通信变得越来越困难。而且，智能电网相关功能所需的实时通信也变得越来越困难。在此状况下，欧洲成立了PRIME(电力线智能计量演进项目)联盟，目的是完成开放的智能抄表标准。PRIME采用基于CENELEC-A波段的OFDM调制方式，该技术可实现130kbps的原始数据传输速率，并具有前向纠错和数据交错功能。其MAC（媒体接入控制）层提供了系统接入、带宽分配、连接管理以及拓扑解析等核心MAC功能，定义了面向连接的主从环境，优化了低压电力线环境。汇聚层支持IEC61334-4-34标准，使用IEC61334-4-32提供的服务。
    参与这个项目的企业都是行业中的主要领导者，包括能源供应商、仪表商、通信商以及芯片企业。例如西班牙第二大能源供应商Iberdrola公司，芯片设计企业ADD和意法半导体，通信和能源管理解决方案企业Landis+Gyr、uSysCom和ZIV。
    Iberdrola公司已经在2007年通过不同低压电网的现场试验,验证了OFDM的优势，证明OFDM是一种高速、低成本的电力线载波通信调制方式。

    中国用户态度开放

    清华大学的朱江章教授较早就在国内从事OFDM电力线载波通信技术研究。据他介绍，与FSK技术相比，OFDM电力线载波技术具有抗衰减能力强、频率利用率高、适合高速数据传输以及抗码间干扰(ISI)能力强等优势。“特别是它在抗多径衰落、抗干扰以及自适应调制方面显示出无与伦比的性能优势，在自动抄表系统及未来智能电网的发展中，是一种很有竞争力的技术。”他说。
    但OFDM电力线载波技术具有一定的难度，研发时要重点解决峰均功率比较高引发的信号限幅失真；要实现OFDM符号同步、载波同步和采样频率同步问题，从而避免频偏导致的子载波信号不能正确解调的问题。此外，它还要实现信号的高速、远距离传输问题。这些难点需要软硬件技术来共同解决。
    由于研发上的难度，国内芯片企业多持谨慎态度。记者在采访中发现，除了力合微电子正在积极投入研发外，其他的国内芯片公司多持观望态度。一些企业表示目前尚无研发计划。他们认为，现有产品的速率基本可满足未来几年的需求。另一些企业表示会密切关注OFDM技术的发展。
    与芯片企业的谨慎态度相比，中国电力系统用户针对OFDM技术的态度较为开放。记者在近期举办的“2009第十八届中国电工仪器仪表产业发展论坛暨展会”上了解到，很多电力系统用户都在积极了解甚至试用OFDM电力线载波通信技术。力合微电子的四载波技术已经在重庆、黑龙江等地进行了试点；美信已与合作伙伴在北京的一个小区中开始了OFDM产品的相关试验；iAD公司也开始了在机场灯光管理上的应用。
    此外，ADD公司把除了西班牙总部之外唯一的国外办公室设立在中国，足见其对中国市场的重视度。但OFDM的应用前景还将取决于其能够实现的通信质量以及成本。

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    OFDM的优势与不足

    OFDM具备如下优势：
    一是抗衰减能力强。OFDM通过多个子载波传输用户信息，对脉冲噪声(ImpulseNoise)和信道快衰落的抵抗力很强。同时，通过子载波的联合编码，OFDM实现了子信道间的频率分集作用，也增强了对脉冲噪声和信道快衰落的抵抗力。因此，如果衰落不是特别严重，OFDM就没有必要再外加时域均衡器。
    二是频率利用率高。OFDM允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统上利用保护频带分离子信道的方式，因此提高了频率利用效率。
    三是适合高速数据传输。OFDM的自适应调制机制，使不同的子载波可以根据信道情况和噪音背景的情况选择不同的调制方式。当信道条件好的时候，子载波采用效率高的调制方式。当信道条件差的时候，子载波采用抗干扰能力强的调制方式。而且，OFDM加载算法技术，使系统可以把更多的数据集中放在条件好的信道上，以高速率的方式进行传送。因此，OFDM技术非常适合高速数据传输。
    四是抗码间干扰(ISI)能力强。码间干扰是数字通信系统中除噪声干扰之外最主要的干扰，它与加性的噪声干扰不同，是一种乘性的干扰。造成码间干扰的原因有很多。实际上，只要传输信道的频带是有限的，就会造成一定的码间干扰。由于OFDM采用了循环前缀，因此，对抗码间干扰的能力很强。
    OFDM技术的不足之处包括以下几方面：
    一是对频偏和相位噪声比较敏感。OFDM技术利用各个子载波之间严格的正交性来区分各个子信道。频偏和相位噪声会使各个子载波之间的正交特性恶化，仅仅1%的频偏就会使信噪比下降30dB。因此，OFDM系统对频偏和相位噪声比较敏感。
    二是峰均功率比(PAPR)大，导致射频放大器的功率效率降低。与单载波系统相比，由于OFDM信号是由多个独立的、经过调制的子载波信号相加而成的，这样的合成信号就有可能产生比较大的峰值功率，也就会带来较大的峰均功率比。对于包含N个子信道的OFDM系统来说，当N个子信道都以相同的相位求和时，所得到的峰值功率就是均值功率的N倍。当然这是一种非常极端的情况。通常OFDM系统内的峰均值不会达到这样高的程度。峰均功率比高会提高其对射频放大器的要求，并导致射频信号放大器的功率效率降低。 
    三是负载算法和自适应调制技术会增加系统复杂度。负载算法和自适应调制技术的使用会增加发射机和接收机的复杂度。并且，当终端移动速度每小时高于30公里时，已经不适合采用自适应调制技术。