基于OFDM的電力線通信（PLC）技術——G3-PLC

　　批準的 ITU G3-PLC 網絡標準支持跨現有電力線的高速、高度可靠的基于 IP 的通信，允許數據和控制消息在構成區域智能電網的發電、輸電和配電系統中流動（圖 1 ）。它的開發是為了在智能電網元素之間提供強大的連接，以允許將先進的計費和需求管理技術應用于客戶負載，并有效地整合傳統和基于可再生能源的分布式能源，包括太陽能或風電場。盡管最初是由Maxim Integrated Products

　　共同開發的和 Electricite Reseau DistribuTIon France （ERDF），G3-PLC 是一種非專有規范，已被選為國際標準開發工作的基礎技術，例如 IEEE P1901.2、ITU Ghnem/G.9955 和 IEC/ CENELEC T13。

　　圖 1：像 G3-PLC 這樣的電力線通信技術對于在組成智能電網的許多元素之間提供可靠的數據鏈接至關重要（由 G3-PLC 聯盟提供）。

　　與早期的 PLC 技術一樣，G3-PLC 無需額外的電線或光纖即可跨現有電力線進行通信。與以前的窄帶電力線通信 （NB-PLC） 標準相比，這種基于 IPv6 的開放標準提供更高的數據速率、更遠的覆蓋范圍和更好的糾錯能力，將加速基于互聯網的能源管理系統的廣泛發展。對 G3-PLC 標準的簡要介紹旨在概述其功能、其使用的技術以及支持它的第一波半導體產品。

　　G3-PLC內部

　　與 Home Plug PLC 標準不同，該標準旨在支持建筑物內短距離的相對較高的數據速率，G3-PLC 是一種所謂的“窄帶”電力線通信技術，它使用較低的載波頻率和較慢的數據速率提供更遠距離和更可靠的服務。正如我們將很快看到的那樣，它結合了自適應正交頻分調制 （OFDM）、前向糾錯 （FEC） 技術和重復編碼，以支持 3 到 5 英里長的高度可靠的數據鏈路跨越嘈雜的環境，通常在電力線上發現的具有挑戰性的環境。

　　與通常用于通過電話線推送寬帶數據的 ADSL/VDSL 技術非常相似，G3-PLC 使用 OFDM 調制，它在分配的任何頻譜塊上創建多個通道（或“音調”）。每個音調占用一個 25 kHz 的通道，并且根據線路條件，可以使用差分四相移鍵控 （DQPSK） 或差分 8 相移鍵控 （D8PSK） 進行調制。如果需要最大范圍或抗干擾性，可以使用更簡單的雙二進制相移鍵 （DBSK） 調制來調制音調。在線路條件特別差的情況下，DBPSK 模式可以使用可選的“魯棒操作”（ROBO） 模式進一步增強，該模式提供更強的糾錯和重復編碼（以降低信道的有效數據速率為代價）。

　　G3-PLC 的媒體訪問控制協議 （MAC） 旨在支持網狀網絡拓撲。由于通常有許多 PLC 設備通過一條電力線進行通信，因此它使用改進的 CSMA/CA（載波檢測，多路訪問/沖突避免）MAC，在分配之前監聽載波信號和正在傳輸的數據包的長度本身就是一個隨機的退避期。

　　用于生成 OFDM 音調的卷積算法可以調整為在特定國家分配給 PLC 網絡的 10 到 490 kHz 頻譜的任何部分內工作。它支持 FCC 為美國電力線通信定義的完整 145.3 至 478.1 MHz 頻段。PLC-3 的音調也可以調整以覆蓋歐洲大部分地區使用的 35.9 到 90.6 kHz “CENLEC A”頻段內的四個頻段中的任何一個或全部，以及占據 98.4 到 121.8 kHz 的 CENELC B 和 C 頻段，以及分別為 128 至 137 kHz。G3-PLC 執行“音調掩蔽”（即打開或關閉各個OFDM 音調）的能力使其能夠避免部分頻譜被外部噪聲源占用。音調掩蔽還允許它與可能共享信道的任何現有通信技術（例如 IEC 61334、IEEE P1901 和 ITU G.hn）共存。

　　選擇提供最佳通道特性的音調的相同能力有助于 G3 跨越位于配電網絡高壓、中壓和低壓部分之間邊界的變壓器。通過選擇更容易通過變壓器感抗的頻率并應用可選 ROBO 模式中可用的糾錯功能，G3-PLC 信號可以以足夠的信號強度出現，以達到更遠的距離。這使得位于低壓社區環路上的多個儀表和網關能夠與位于配電網絡中壓側的單個數據集中器進行通信。最近的測試證明了它能夠支持 3.1 英里長的連接，其中包括通過 MV/LV 變壓器的過渡（圖 2）。這種能力在北美配電網絡中尤其重要，在北美配電網絡中，單個中壓支路通常為許多家庭服務。它還可以通過允許更少的集中器支持隔離儀表來顯著降低農村地區的部署成本。

　　圖 2：G3-PLC 的穩健特性使其能夠支持跨變壓器的數據鏈路（德州儀器提供）。

　　G3-PLC 的幀結構（圖 3）旨在承載封裝的壓縮 IPv6 （6LoWPAN） 數據包。每個幀都以一個前導碼開始，由 SYNCP 和 SYNCHM 符號組成，用于同步和檢測，并提供已知序列以促進 AGC 自適應。接下來是幀控制頭（FCH），它包含解調數據幀所需的控制信息，接下來傳輸數據符號。PHY 還支持較短的 ACK/NACK 幀，該幀僅由前導碼和 FCH 組成，用于驗證是否成功接收到消息。由于 G3-PLC 網絡基于 IPv6，因此其他協議（例如 IEC4-32 上的 AMI/AMR DLMS-COSEM）必須在進入網絡時進行封裝。

　　圖 3：典型的 G3-PLC 數據幀（由 Maxim IC 和 G3PLC 聯盟提供）。

　　實施問題

　　將連接智能電網的 G3-PLC 系統元素的電力線調制解調器通常包括耦合變壓器、模擬前端 （AFE）、信號處理器/控制器和調制解調器主處理器的接口和其他資源（圖 4）。AFE 包括一個有源輸入帶通濾波器，可提供低噪聲、低諧波失真和低輸入偏置。AFE 的可編程增益放大器 （PGA） 可縮放輸入信號的幅度，以匹配模數轉換器（通常為 10 至 12 位）的范圍，該轉換器為調制解調器的數字信號處理元件提供數據流，從中提取數據流。

　　圖 4：典型電力線調制解調器的元件（德州儀器提供）。

　　輸出數據包由具有高輸出電流的 PLC 發射器級注入回電網。發射器級的數字部分將輸出數據流轉換為一系列 xPSK 調制音，然后轉換為模擬信號。這種轉換是使用脈寬調制（PWM，再次參見圖 4）或快速 ADC 完成的。生成的模擬信號經過帶外發射過濾，并傳遞到與交流電源線的低阻抗相匹配的高功率驅動器/變壓器級。

　　開放標準促進多種硅解決方案

　　由于其作為非專有規范的地位、其高性能和先進功能，G3-PLC 技術目前得到智能電網領域幾家主要 IC 制造商和設備制造商的支持，包括 Enexis、ERDF、Maxim Integrated Products、STMicroelectronics、德州儀器、思科、Itron、Landis & Gyr、Nexans、Sagemcom 和 Trialog。在撰寫本文時，Maxim 和德州儀器已提供硅解決方案，意法半導體預計將在今年某個時候推出自己的支持 G3-PLC 的產品。

　　Maxim 推出了第一款完全兼容的 G3-PLC 調制解調器芯片組，它將 MAX2992 處理器（MAX2990電力線調制解調器的增強版）與MAX2991 AFE。兩種調制解調器均基于 32 位 MAXQ30 微控制器內核，實現物理 （PHY） 層和 MAC 層。2990 使用軟件和硬件加速器內核的組合來執行信道估計、自適應音調映射和路由協議。具有 AES-128 加密/解密的片上身份驗證協處理器提供安全性和身份驗證。

　　MAX2991 工作在 10 至 490 kHz 頻段，是第一款專為電力線 OFDM 信號傳輸而設計的 AFE（圖 5）。該器件擁有一個集成的頻帶選擇濾波器、AGC 和一個 10 位 Rx ADC。傳輸路徑具有集成波形整形濾波器、可編程預驅動器增益和 10 位 DAC。AFE 的可編程濾波器使其能夠配置為符合 CENELEC、FCC 和 ARIB 標準。還提供基于芯片組的評估套件。

　　圖 5：Maxim 的 MAX2991 模擬前端具有一個 10 位 ADC/DAC，與自適應均衡和數字可編程濾波器配對（由 Maxim Integrated Products 提供）。

　　Texas Instruments 的 G3-PLC 調制解調器解決方案基于 F28069（F28069 的開發套件， F2806x的產品培訓模塊），這是其面向 DSP 的C2000 Piccolo系列 MCU 和 AFE032 模擬前端的特定應用變體。該處理器包括用于 FFT、Viterbi 和 CRC 功能的硬件加速器模塊，這些功能旨在作為 CPU 指令集的擴展。消除通常用于加速器內核的單獨讀取、寫入和中斷服務例程可以幫助將執行特定功能所需的代碼從數百行壓縮到數十行。

　　因此，該器件可以支持 G3-PLC 的 MAC 和 PHY 功能以及匯聚層 API。它還具有足夠的備用內存和處理能力，以支持接收器的標準透明性能增強（包括前導碼檢測和自適應均衡），從而能夠在極具挑戰性的信道損傷下運行，其中許多在電網基礎設施老化的地區很常見。TI 還提供TMS320F28027套件，這是一個完整的 PLC 調制解調器開發套件。該套件包括兩個調制解調器、兩個控制卡、電纜、一個電源以及設計和開發 PLC 系統所需的所有必要軟件。

　　總結

　　快速、安全、可靠和經濟高效的通信對于“智能電網”至關重要。G3-PLC 是一種新的基于 OFDM 的電力線通信 （PLC） 技術?；?G3-PLC 的雙向通信網絡將為電網運營商提供智能監測和控制能力，以便他們能夠優化利用現有資源并無縫整合新的能源收集可再生資源。本文研究了 G3-PLC 的基本原理，并討論了符合標準的芯片組解決方案。更多產品信息可通過 Digi-Key 網站提供的鏈接獲得。深入的 G3-PLC 規范可以從下面的參考資料和資源列表中獲得。