摘 要：電力線載波通信（PLC）芯片將隨智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的全面建設引來爆發(fā)增長。電力線載波通信的關鍵就是設計出一個功能強大的電力線載波專用modem芯片，可以從調(diào)制方式、傳輸速率、通信頻率、通信功率、EMI標準、芯片技術等方面開展研究。最后指出了我國電力線載波芯片的發(fā)展方向。
一、電力線載波芯片市場前景
電力線載波通信（PLC）芯片作為改造傳統(tǒng)電網(wǎng)的主要手段，并且作為物聯(lián)網(wǎng)通信的有力補充，將隨智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的全面建設引來爆發(fā)增長。中國半導體行業(yè)協(xié)會CSIA預計至2014年，總需求將達到5*萬片，未來5年復合年增速（CAGR）將達到61%，國內(nèi)電力線載波芯片銷量預測見圖1。需求增長來自三方面：首先受益于智能電網(wǎng)建設。電力線載波通信以電力線作為傳輸媒介，不需再次投資，將成為智能電網(wǎng)通信的主要手段，因此智能電網(wǎng)建設將直接帶來PLC 芯片的需求增長，如電能表需求增長在9%左右。其次來自滲透率提升。目前處于智能電網(wǎng)建設初期，PLC芯片利用率還很低，但作為未來智能電網(wǎng)通信的主要技術，其滲透率必將大幅提升。如目前載波電能表的市場占比僅為5.2%，但未來有望達到40%。最后還將受益于物聯(lián)網(wǎng)建設。電力線通信也將成為物聯(lián)網(wǎng)通信的主要補充，未來PLC應用中除智能電網(wǎng)的電能管理外，物聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)控制應用將占16.8%，智能家居應用將占8.0%，安防監(jiān)控將占1%。
圖1 國內(nèi)電力載波芯片銷量預測
二、電力線載波芯片的市場需求空間
預計到2014年，我國電力線載波芯片的市場應用份額中（見圖2），除了應用于智能電網(wǎng)的電能管理外，工業(yè)控制應用將占16.8%，智能家居應用將占8.0%，安防監(jiān)控將占1%。
圖2 2014 年我國電力線載波芯片應用市場預測
1、智能電網(wǎng)市場需求
配合中國的用電制度改革，以計算機為基礎的自動抄表系統(tǒng)成為電力部門響應國家這一政策的解決方法。自動抄表系統(tǒng)目前主要有有線通信技術和電力載波通信技術兩種。有線通信技術作為傳統(tǒng)方法，以其穩(wěn)定性占有優(yōu)勢。但有線通信鋪線工程浩大，而且容易被人為損壞；同時居民樓已建成，再在墻壁表面拉線，不能讓居民接受。電力載波通信技術能有效解決上述問題，它利用現(xiàn)有交流電源線
電源線
電源線是用作電氣組件或設備與電源的連接線，通常來說指電線與其一端連接的插頭或尾插的集合體，是電器產(chǎn)品的基本零部件之一。電源線分為電線和插頭兩部分。 [全文]
作為通信線路，省去了不切實際的鋪線工程，優(yōu)勢明顯。自動抄表系統(tǒng)還適用于水表、煤氣表等家用生活表。
目前主要通信方式有電力線載波、無線通信、電話線、光纖
光纖
光纖是一種傳輸介質(zhì)，是依照光的全反射的原理制造的。光纖是一種將訊息從一端傳送到另一端的媒介，是一條以玻璃或塑膠纖維作為讓訊息通過的傳輸媒介。通常光纖與光纜兩個名詞會被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護結構包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護結構可防止周遭環(huán)境對光纖的傷害，如水，火，電擊等。光纜分為：光纖、緩沖層及披覆。光纖和同軸電纜相似，只是沒有網(wǎng)狀屏蔽層。中心是光傳播的玻璃芯。在多模光纖中，芯的直徑是15mm~50mm， 大致與人的頭發(fā)的粗細相當。而單模光纖芯的直徑為8mm~10mm。芯外面包圍著一層折射率比芯低的玻璃封套， 以使光纖保持在芯內(nèi)。再外面的是一層薄的塑料外套，用來保護封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護。 纖芯通常是由石英玻璃制成的橫截面積很小的雙層同心圓柱體，它質(zhì)地脆,易斷裂,因此需要外加一保護層。 [全文]
、電纜
電纜
電纜是一種用以傳輸電能信息和實現(xiàn)電磁能轉換的線材產(chǎn)品。既有導體和絕緣層，有時還加有防止水份侵入的嚴密內(nèi)護層，或還加機械強度大的外護層，結構較為復雜，截面積較大的產(chǎn)品叫做電纜。 [全文]
等，各種通信方式對比見表1。無線通信可靠性差，不適合在惡劣環(huán)境中使用，尤其是不適合電力公司以變壓器
變壓器
變壓器（Transformer）是利用互感原理來改變交流電壓的裝置，主要構件是初級線圈、次級線圈和鐵心（磁芯）。在電器設備和無線電路中，常用作升降電壓、匹配阻抗，安全隔離等。變壓器是變換電壓、電流和阻抗的器件，當初級線圈中通有交流電流時，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級線圈中感應出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個或兩個以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈。 [全文]
為單位的計量方式；光纖成本高，安裝施工不便，尤其在目前電網(wǎng)和通信網(wǎng)無法實現(xiàn)融合下，電力公司不可能再鋪光纜；電纜和電話線需要將所有電表用導線連接，建設成本高，難以維護，不適合大范圍使用。電力線載波通信以已有的電力線為載體來傳送網(wǎng)絡信息，因此幾乎不需要基礎建設投資和日常維護費用，而且由于電力線在現(xiàn)代生活中已無處不在，可不受布線困擾和無線環(huán)境影響，實現(xiàn)大范圍覆蓋。
表1 各種通信方式對比
電力線載波通信技術發(fā)展成熟，完全可以勝任未來智能電網(wǎng)通信的需要。電力線載波技術早在上世紀二十年代就已在歐美實現(xiàn)，目前已成為通信標準，推廣條件成熟。美國的Echelon 公司創(chuàng)立的LonWorks 網(wǎng)絡傳輸技術中的LonTalk 通信協(xié)議，以及基于PLT－22 電力線網(wǎng)絡技術的信號傳輸方式被FCC（美國聯(lián)邦通信委員會）確定為北美PLC 通信標準；歐洲意法半導體公司的PLC 通信技術被CENELEC（歐洲電工標準化委員會）確定為歐洲PLC 通信標準。電力線載波技術通過發(fā)展選頻、中繼、擴頻和自適應調(diào)制技術基本上克服了電力線傳輸中存在的高衰落、高干擾問題。選頻可盡量避免選擇性衰落；中繼則解決了電力線傳輸損耗較大的問題；擴頻和自適應調(diào)制提高了平均信噪比，減小了信號誤碼率。國家電網(wǎng)的智能電表招標情況來看，載波表成為主流，由此也驗證了電力線載波技術將是智能電網(wǎng)未來發(fā)展的方向。
2、物聯(lián)網(wǎng)市場需求
物聯(lián)網(wǎng)建設為電力線載波芯片提供容量巨大的新興市場，目前物聯(lián)網(wǎng)處于加速啟動建設階段，對電力線載波芯片的需求將保持較高的增速。
物聯(lián)網(wǎng)是個萬億級產(chǎn)業(yè)，帶來電力線網(wǎng)的應用革命。物聯(lián)網(wǎng)建設是我國今后信息化建設的重心，含蓋了工業(yè)生產(chǎn)、公共服務、社會管理、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、家居服務、軍事航天等眾多領域應用，預計到2020 年將形成一個萬億級產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)通過通信網(wǎng)絡實現(xiàn)信息互聯(lián)，因此物聯(lián)網(wǎng)建設必將為包括電力線網(wǎng)在內(nèi)的通信網(wǎng)絡帶來巨大的應用市場（見圖3）。
圖3 電力線載波芯片在物聯(lián)網(wǎng)中的應用
加快建設物聯(lián)網(wǎng)必將改造現(xiàn)有電力網(wǎng)，電力線載波芯片需求將急升。2009年8月****總理提出“感知中國”，物聯(lián)網(wǎng)建設步伐明顯加快，利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡成為政府和企業(yè)的首選。電力線作為規(guī)模最大、終端最多、布線最方便的線路系統(tǒng)，只要通過電力線載波芯片改造為通信網(wǎng)絡，便能為物聯(lián)網(wǎng)應用提供覆蓋最廣、成本最低的通信網(wǎng)絡，不僅帶來社會效益，也為電力公司帶來巨大的增值服務空間。
三、電力線通信需要強大載波芯片
電力線是給用電設備傳送電能，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制：
首先，配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。其次，三相電力線間有很大信號損失(10dB-30dB)，一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。第三，不同信號耦合方式使電力載波信號的損失不同，耦合方式有線-地耦合，線-中線耦合。線-地耦合方式與線-中線耦合方式相比，電力載波信號少損失十幾分貝，但線-地耦合方式不是所有地區(qū)的電力系統(tǒng)都適用。第四，電力線自身的脈沖干擾，加大了應用難度。第五，電力線對載波信號有高削減。當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1歐姆以下，造成對載波信號的高削減。實踐中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆坠镆酝?，但當電力線上負荷很重時，只能傳輸幾十米。因此，需要進一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅岣咻d波信號功率會增加產(chǎn)品的成本和體積，而且，單一提高載波信號功率往往并不是最有效的方法。第六，電力線上有高噪聲。電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的；有大功率的、小功率的。各種用電設備經(jīng)常頻繁開閉，就會給電力線上帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用耦合電感
電感
能產(chǎn)生電感作用的元件統(tǒng)稱為電感原件，常常直接簡稱為電感。電感器在電子制作中雖然使用得不是很多，但它們在電路中同樣重要。我們認為電感器和電容器一樣，也是一種儲能元件，它能把電能轉變?yōu)榇艌瞿?，并在磁場中儲存能量?[全文]
從電力線上耦合下來的噪聲一般就在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號，通信距離會相當短。第七，電力線可使數(shù)據(jù)信號變形。電力線是一個分布參數(shù)的網(wǎng)絡，不同點對數(shù)據(jù)信號影響不一樣，同時電力線是時刻動態(tài)變化的，不同時間對數(shù)據(jù)信號影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號，經(jīng)過電力線后，發(fā)生嚴重變形，必須加以特殊處理。
電力線造成傳輸信號的高削減和高變形，使電力線成為一個不太理想的通信媒介，但由于現(xiàn)代通信技術的發(fā)展，使電力線載波通信成為可能，其中數(shù)據(jù)信號的信噪比決定傳輸距離的遠近。電力線載波通信的關鍵就是設計出一個功能強大的電力線載波專用modem芯片。
四、國內(nèi)現(xiàn)有電力載波通信芯片技術特點
中國的電*性、電網(wǎng)結構及居民住宅分布狀況使電力線載波通信在應用方面與國外有一些不同之處。近年來，不少國內(nèi)公司也推出了自己的電力線載波通信芯片，取得了一些可喜的突破?，F(xiàn)有的電力波通信芯片的技術特點可以從調(diào)制方式、傳輸速率、通信頻率、通信功率、EMI標準、芯片技術等方面進行探討。國內(nèi)載波通信芯片參數(shù)見表2。
表2 國內(nèi)載波通信芯片參數(shù)表
1、調(diào)制方式與傳輸速率
目前電力線載波通信常用的擴頻技術主要有：直接序列擴頻、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復用OFDM等。此外，跳頻FH、跳時TH以及上述各種方式的組合擴頻技術也較為常用。
國內(nèi)載波通信產(chǎn)品主要采用直接序列擴頻技術。其中東軟為FSK，15 位直序列擴頻通信；福星曉程DPSK 63 位直序擴頻；彌亞微為QPSK擴頻調(diào)相、過零同步、分時傳輸；鼎信為二進制連續(xù)相位移頻FSK，過零同步、分時傳輸。
上述各家的擴頻技術各有不同特點。對載波通信芯片性能最直接影響在于可靠性和傳輸速率。目前這四家中，傳輸速率分別為彌亞微，同時提供200、400、800、1600bps四種可變速率；東軟：330bps；福星曉程：250/500bps；鼎信：100bps。按照現(xiàn)階段現(xiàn)場實際應用狀況來看100至500bps速水平僅能用于普通抄表功能，如果涉及到遠程控制（斷送電）和管理功能則需要提供更高速率保證。
2、通信頻率
關于通信頻率，在美國由聯(lián)邦通信委員會FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100~450kHZ；在歐洲由歐洲電氣標準委員會的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3~148.5kHZ。這些標準的建立為電力載波技術的發(fā)展做出了顯著的貢獻，目前全球AMR系統(tǒng)均采用該頻段標準。
國內(nèi)載波通信芯片中符合歐洲標準的為2家，分別是福星曉程120KHz和彌亞微57.6KHz/76.8KHz/115.2KHz三種可選。
3、通信功率及EMI指標
國內(nèi)東軟、福星曉程、鼎信等多數(shù)載波通信方案為了針對國內(nèi)電力信道環(huán)境中的衰減，均采取加大通信傳輸功率等做法。在實際產(chǎn)品化的過程中，基本上做到3W至5W，有的電表廠甚至做到了8W，這種做法是絕對不可取的。首先，這種做法導致電表產(chǎn)生的功耗損失無疑增加的線損，造成大量的能源浪費，這也有悖于國網(wǎng)公司上集抄系統(tǒng)的初衷；其次，如此大的功率傳輸將會嚴重污染電力線信道環(huán)境，我們原來是惡劣的電力線信道環(huán)境的受害者，現(xiàn)在卻也能成為最大的制造者。
就目前研究了解的情況，國內(nèi)只有彌亞微的載波芯片Mi200E采取低功耗設計。其發(fā)送信號時的功率僅為0.4W，在保證可靠的通信性能的同時該芯片EMI等相關指標滿足歐洲標準。
4、芯片技術
嚴格意義上講，國內(nèi)載波通信方案供應商并不完全都是芯片設計研發(fā)企業(yè)，像東軟和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361＋單片機
單片機
單片機是單片微型計算機（Single-Chip Microcomputer）的簡稱，是一種將中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術集成到一塊硅片上構成的微型計算機系統(tǒng)。 [全文]
通過軟件完成物理層、MAC層、網(wǎng)絡層的模式。其優(yōu)點是降低了研發(fā)難度，但該模式會導致其核心技術（相關軟件）容易泄密或被解密，安全性值得探討。福星曉程和彌亞微均是完全自主開發(fā)的載波通信芯片產(chǎn)品。
五、促進電力線載波芯片的發(fā)展
目前比較認同的芯片方案是：采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術、多階的模擬和數(shù)字濾波、AGC自動控制、DSP
DSP
dsp是digital signal processor的簡稱，即數(shù)字信號處理器。它是用來完成實時信號處理的硬件平臺，能夠接受模擬信號將其轉換成二進制的數(shù)字信號，并能進行一定形式的編輯，還具有可編程性。由于強大的數(shù)據(jù)處理能力和快捷的運行速度，dsp在信息科學領域發(fā)揮著越來越大的作用。 [全文]
算法*噪音強度。但國際遠傳電表市場的發(fā)展，也對國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)提出更高要求。針對遠傳電表市場，我個人認為電力線載波通信芯片要做到以下幾點：
1、穩(wěn)定可靠性不高
電力線通信(PLC)在歐美等地區(qū)集抄方案(AMR)中的應用已有幾十年的歷史，使用效果非常好。盡管國內(nèi)對電力線通信關注度非常高，但在中國本地還沒有取得明顯的成績。其中最大的障礙之一是其通信的穩(wěn)定可靠性，這是所有基于載波抄表方案必須解決的一個迫切問題，而且在解決這個問題時，不能提高解決方案成本。
2、解決通信距離問題
在線路負荷較重的情況下，通信距離能達到300米到500米，也就是說加一兩級中繼，在同一配電變壓器下解決通信距離問題。
3、把電力線載波通信芯片集成到電表中
電力線載波通信芯片集成到遠傳電表中，傳統(tǒng)的抄表系統(tǒng)用集中器采集電表脈沖，再轉換成電表讀數(shù)，造成了自動抄表系統(tǒng)讀數(shù)與電表實際讀數(shù)不一致，在繳費時，用戶會有疑問，使目前自動抄表系統(tǒng)未能發(fā)揮應有作用。隨著電子電表的普及，把電力線載波通信芯片集成到電表中，就可從根本上解決上述問題。目前，有不少公司在研發(fā)全電子電表的單芯片解決方案，這是國內(nèi)外一大趨勢。
4、標準制定迫在眉睫
把電力線載波通信芯片集成到遠傳電表中，如何保證不同廠家電表能相容于同一系統(tǒng)中，又使得通信標準的制定迫在眉睫。
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