探析電力線通信技術(shù)在船舶上的應(yīng)用

近年來，現(xiàn)代船舶的自動化程度越來越高，船舶中許多設(shè)備不斷的更新與添加，電力線通信技術(shù)發(fā)展為實現(xiàn)船舶電力線通信提供了有利條件。在船舶電網(wǎng)環(huán)境下，不需要線路的基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常的維護費用，將電力線通信技術(shù)應(yīng)用于船舶，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息的交換，不必做任何新的線路鋪設(shè)，可免去不少鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)的麻煩。如何在船舶上應(yīng)用電力線通信技術(shù)是當(dāng)前船舶電力線通信關(guān)注的焦點。因此，研究電力線通信技術(shù)具有十分重要的現(xiàn)實意義。鑒于此，筆者對電力線通信技術(shù)在船舶上的應(yīng)用進行了初步探討。

一、電力線通信技術(shù)在船舶上存在的問題

電力線通信技術(shù)作為電力系統(tǒng)傳輸信息的一種基本手段，其電力線通信應(yīng)用的主要領(lǐng)域是電力線上網(wǎng)。電力線通信技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，是指通過電力線組成局域網(wǎng)，然后通過相應(yīng)的電網(wǎng)貓與其它的寬帶相連接實現(xiàn)無布線組網(wǎng)。當(dāng)前電力線通信技術(shù)在船舶上的應(yīng)用，還存在著諸多亟待解決的問題，這些問題使得電力線通信技術(shù)在船舶上的應(yīng)用現(xiàn)狀不容樂觀。具體說來，電力線通信技術(shù)在船舶上應(yīng)用的主要問題是噪音和信號衰減。在電力線通信的噪音方面，電力線通信的噪音主要來自于低壓電網(wǎng)相連的負載，以及無線電廣播的干擾。負載的開關(guān)會引起電流的波動，在電力線的周圍產(chǎn)生電磁輻射，這樣，沿電力線傳送數(shù)據(jù)時，會出現(xiàn)許多意想不到的問題。船舶電力線通信在這樣的噪聲環(huán)境下，很難保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。而且，電力線通信的噪音和信號衰減是隨時間變化的，這樣也給船舶電力線通信造成了一定的困難。由此可見，電力線通信的環(huán)境極為惡劣。

二、解決船舶電力線通信技術(shù)問題的方法

在船舶電網(wǎng)環(huán)境下，采用正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDM)，可以在一定程度上解決電力線通信技術(shù)在船舶上應(yīng)用的問題。OFDM是一種無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)。為解決船舶電力線通信技術(shù)中出現(xiàn)的噪音和信號衰減等問題，該技術(shù)在消除信號波形間的干擾問題上發(fā)揮了重要的作用。其基本原理是在頻域內(nèi)將給定信道分成許多正交子信道，將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對低速的并行數(shù)據(jù)，并在每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。盡管總的信道是不平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應(yīng)帶寬，由于在OFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交，它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。而且大大擴展了符號的脈沖寬度，提高了抗多徑衰落的性能。關(guān)于OFDM的調(diào)制、OFDM的解調(diào)、多徑反射和多徑衰落，下文將逐一進行分析。

1.OFDM的調(diào)制

OFDM采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，具有在雜波干擾下傳送信號的能力。OFDM調(diào)制由快速傅立葉變換FFT過程產(chǎn)生，M位數(shù)據(jù)被編碼至圖1所示頻域內(nèi)的N個子載波上。M=N×B，B為每個調(diào)制符號的位數(shù)。在QPSK或DQPSK中，B=2；16-QAM中，B=4；64-QAM中，B=8。使用反向FFT(IFFT)將頻域子載波轉(zhuǎn)換到時域，產(chǎn)生一個OFDM符號，其時間長度等于子載波間隔的倒數(shù)，同速率相比，它是一段非常長的時間。糾錯處理采用疊加編碼和Viterbi編碼，編碼壓縮率為1/2，9/16，2/3，3/4。

2.OFDM的解調(diào)

OFDM的解調(diào)是指用于解調(diào)正交頻分復(fù)用(OFDM)信號。OFDM使用發(fā)信的反向過程解調(diào)信號，是解決電力線載波通信在船舶通信中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。周期前綴被從時域信號中剔除，把信號從時域轉(zhuǎn)變回頻域，每個符號都使用FFT轉(zhuǎn)換到頻域，F(xiàn)FT算法都起著極為重要的作用。DQPSK是對QPSK信號特性進行改進的一種調(diào)制方式，當(dāng)使用DQPSK調(diào)制方式時，具有天然的抗非線性抵抗力，通過檢查相鄰OFDM符號之間子載波的相位差進行數(shù)據(jù)解碼。

3.多徑反射

多徑反射信號是指無線電信號從發(fā)射天線經(jīng)過多個路徑抵達接收天線的信號。前綴是復(fù)制符號的最后部分，在每個OFDM符號前加入一個周期前綴，可以保證在一個FFT周期內(nèi)，由多徑反射引起的時間色散信道中維持完全正交，用來組成一個完整的OFDM符號。如圖2所示，長的OFDM符號周期一般持續(xù)幾微秒，同占OFDM符號周期很小比例的周期前綴組合，是在時間色散信道中提高性能的關(guān)鍵因素。

4.多徑衰落

由于多徑傳播引起的信號衰落稱為多徑衰落。盡管OFDM可以消除多徑反射帶來的ISI，但在多徑傳播中還存在著一個問題，就是多徑衰落的問題。衰落是由反射信號到達后抵消了先前到達的信號(即180°相移)所引起的，一般只發(fā)生在某些特定頻率或子頻率。解決船舶電力線通信技術(shù)問題，必須解決多徑衰落問題，如采用分級接收、信號設(shè)計、自適應(yīng)通信技術(shù)等，可以在一定程度上解決多徑衰落問題。

圖1 在子載波上使用相干調(diào)制的OFDM

圖2 頻域到時域變換和加入周期前綴

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