國(guó)內(nèi)電力載波通信芯片技術(shù)及市場(chǎng)

  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(shè)引來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)。電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)、芯片技術(shù)等方面開展研究。最后指出了我國(guó)電力線載波芯片的發(fā)展方向。

　　一、電力線載波芯片市場(chǎng)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(bǔ)充，將隨智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)引來(lái)爆發(fā)增長(zhǎng)。中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)CSIA預(yù)計(jì)至2014年，總需求將達(dá)到5*萬(wàn)片，未來(lái)5年復(fù)合年增速（CAGR）將達(dá)到61%，國(guó)內(nèi)電力線載波芯片銷量預(yù)測(cè)見圖1。需求增長(zhǎng)來(lái)自三方面：首先受益于智能電網(wǎng)建設(shè)。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(shè)將直接帶來(lái)PLC 芯片的需求增長(zhǎng)，如電能表需求增長(zhǎng)在9%左右。其次來(lái)自滲透率提升。目前處于智能電網(wǎng)建設(shè)初期，PLC芯片利用率還很低，但作為未來(lái)智能電網(wǎng)通信的主要技術(shù)，其滲透率必將大幅提升。如目前載波電能表的市場(chǎng)占比僅為5.2%，但未來(lái)有望達(dá)到40%。最后還將受益于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。電力線通信也將成為物聯(lián)網(wǎng)通信的主要補(bǔ)充，未來(lái)PLC應(yīng)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(yīng)用將占16.8%，智能家居應(yīng)用將占8.0%，安防監(jiān)控將占1%。

圖1  國(guó)內(nèi)電力載波芯片銷量預(yù)測(cè)

　　二、電力線載波芯片的市場(chǎng)需求空間

　　預(yù)計(jì)到2014年，我國(guó)電力線載波芯片的市場(chǎng)應(yīng)用份額中（見圖2），除了應(yīng)用于智能電網(wǎng)的電能管理外，工業(yè)控制應(yīng)用將占16.8%，智能家居應(yīng)用將占8.0%，安防監(jiān)控將占1%。

圖2  2014 年我國(guó)電力線載波芯片應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)測(cè)

　　1、智能電網(wǎng)市場(chǎng)需求

　　配合中國(guó)的用電制度改革，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)成為電力部門響應(yīng)國(guó)家這一政策的解決方法。自動(dòng)抄表系統(tǒng)目前主要有有線通信技術(shù)和電力載波通信技術(shù)兩種。有線通信技術(shù)作為傳統(tǒng)方法，以其穩(wěn)定性占有優(yōu)勢(shì)。但有線通信鋪線工程浩大，而且容易被人為損壞；同時(shí)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(shù)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(shè)備與電源的連接線，通常來(lái)說(shuō)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(shí)際的鋪線工程，優(yōu)勢(shì)明顯。自動(dòng)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(wú)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(guò)的傳輸媒介。通常光纖與光纜兩個(gè)名詞會(huì)被混淆。多數(shù)光纖在使用前必須由幾層保護(hù)結(jié)構(gòu)包覆，包覆后的纜線即被稱為光纜。光纖外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)可防止周遭環(huán)境對(duì)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(xì)相當(dāng)。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(lái)保護(hù)封套。光纖通常被扎成束，外面有外殼保護(hù)。 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(hù)層。 [全文]

、電纜
電纜
　　電纜是一種用以傳輸電能信息和實(shí)現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換的線材產(chǎn)品。既有導(dǎo)體和絕緣層，有時(shí)還加有防止水份侵入的嚴(yán)密內(nèi)護(hù)層，或還加機(jī)械強(qiáng)度大的外護(hù)層，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，截面積較大的產(chǎn)品叫做電纜。 [全文]

等，各種通信方式對(duì)比見表1。無(wú)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(lái)改變交流電壓的裝置，主要構(gòu)件是初級(jí)線圈、次級(jí)線圈和鐵心（磁芯）。在電器設(shè)備和無(wú)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(dāng)初級(jí)線圈中通有交流電流時(shí)，鐵芯（或磁芯）中便產(chǎn)生交流磁通，使次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓（或電流）。它由鐵芯（或磁芯）和線圈組成，線圈有兩個(gè)或兩個(gè)以上的繞組，其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈。 [全文]

為單位的計(jì)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(wú)法實(shí)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(dǎo)線連接，建設(shè)成本高，難以維護(hù)，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(lái)傳送網(wǎng)絡(luò)信息，因此幾乎不需要基礎(chǔ)建設(shè)投資和日常維護(hù)費(fèi)用，而且由于電力線在現(xiàn)代生活中已無(wú)處不在，可不受布線困擾和無(wú)線環(huán)境影響，實(shí)現(xiàn)大范圍覆蓋。[!--empirenews.page--]

表1  各種通信方式對(duì)比

　　電力線載波通信技術(shù)發(fā)展成熟，完全可以勝任未來(lái)智能電網(wǎng)通信的需要。電力線載波技術(shù)早在上世紀(jì)二十年代就已在歐美實(shí)現(xiàn)，目前已成為通信標(biāo)準(zhǔn)，推廣條件成熟。美國(guó)的Echelon 公司創(chuàng)立的LonWorks 網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)中的LonTalk 通信協(xié)議，以及基于PLT－22 電力線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信號(hào)傳輸方式被FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）確定為北美PLC 通信標(biāo)準(zhǔn)；歐洲意法半導(dǎo)體公司的PLC 通信技術(shù)被CENELEC（歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）確定為歐洲PLC 通信標(biāo)準(zhǔn)。電力線載波技術(shù)通過(guò)發(fā)展選頻、中繼、擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)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(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)制提高了平均信噪比，減小了信號(hào)誤碼率。國(guó)家電網(wǎng)的智能電表招標(biāo)情況來(lái)看，載波表成為主流，由此也驗(yàn)證了電力線載波技術(shù)將是智能電網(wǎng)未來(lái)發(fā)展的方向。

　　2、物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)需求

　　物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)為電力線載波芯片提供容量巨大的新興市場(chǎng)，目前物聯(lián)網(wǎng)處于加速啟動(dòng)建設(shè)階段，對(duì)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(gè)萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)，帶來(lái)電力線網(wǎng)的應(yīng)用革命。物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是我國(guó)今后信息化建設(shè)的重心，含蓋了工業(yè)生產(chǎn)、公共服務(wù)、社會(huì)管理、現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)、家居服務(wù)、軍事航天等眾多領(lǐng)域應(yīng)用，預(yù)計(jì)到2020 年將形成一個(gè)萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息互聯(lián)，因此物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)必將為包括電力線網(wǎng)在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)巨大的應(yīng)用市場(chǎng)（見圖3）。

圖3 電力線載波芯片在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

　　加快建設(shè)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(guó)”，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)步伐明顯加快，利用現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)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(guò)電力線載波芯片改造為通信網(wǎng)絡(luò)，便能為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供覆蓋最廣、成本最低的通信網(wǎng)絡(luò)，不僅帶來(lái)社會(huì)效益，也為電力公司帶來(lái)巨大的增值服務(wù)空間。

　　三、電力線通信需要強(qiáng)大載波芯片

　　電力線是給用電設(shè)備傳送電能，而不是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制：

　　首先，配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)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(hào)損失(10dB-30dB)，一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。第三，不同信號(hào)耦合方式使電力載波信號(hào)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(hào)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(yīng)用難度。第五，電力線對(duì)載波信號(hào)有高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)踐中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆坠镆酝?，但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。因此，需要進(jìn)一步提高載波信號(hào)功率來(lái)滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，但提高載波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品的成本和體積，而且，單一提高載波信號(hào)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(shè)備，阻性的、感性的、容性的；有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，就會(huì)給電力線上帶來(lái)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(jiǎn)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?cè)陔娐分型瑯又匾Ｎ覀冋J(rèn)為電感器和電容器一樣，也是一種儲(chǔ)能元件，它能把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌?chǎng)能，并在磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。 [全文]

從電力線上耦合下來(lái)的噪聲一般就在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)會(huì)削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來(lái)解調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)，通信距離會(huì)相當(dāng)短。第七，電力線可使數(shù)據(jù)信號(hào)變形。電力線是一個(gè)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響不一樣，同時(shí)電力線是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的，不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)過(guò)電力線后，發(fā)生嚴(yán)重變形，必須加以特殊處理。

　　電力線造成傳輸信號(hào)的高削減和高變形，使電力線成為一個(gè)不太理想的通信媒介，但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信成為可能，其中數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近。電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線載波專用modem芯片。

　　四、國(guó)內(nèi)現(xiàn)有電力載波通信芯片技術(shù)特點(diǎn)

　　中國(guó)的電*性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及居民住宅分布狀況使電力線載波通信在應(yīng)用方面與國(guó)外有一些不同之處。近年來(lái)，不少國(guó)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(shù)特點(diǎn)可以從調(diào)制方式、傳輸速率、通信頻率、通信功率、EMI標(biāo)準(zhǔn)、芯片技術(shù)等方面進(jìn)行探討。國(guó)內(nèi)載波通信芯片參數(shù)見表2。[!--empirenews.page--]

表2 國(guó)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(kuò)頻技術(shù)主要有：直接序列擴(kuò)頻、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復(fù)用OFDM等。此外，跳頻FH、跳時(shí)TH以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。

　　國(guó)內(nèi)載波通信產(chǎn)品主要采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。其中東軟為FSK，15 位直序列擴(kuò)頻通信；福星曉程DPSK 63 位直序擴(kuò)頻；彌亞微為QPSK擴(kuò)頻調(diào)相、過(guò)零同步、分時(shí)傳輸；鼎信為二進(jìn)制連續(xù)相位移頻FSK，過(guò)零同步、分時(shí)傳輸。

　　上述各家的擴(kuò)頻技術(shù)各有不同特點(diǎn)。對(duì)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(shí)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(chǎng)實(shí)際應(yīng)用狀況來(lái)看100至500bps速水平僅能用于普通抄表功能，如果涉及到遠(yuǎn)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(guān)于通信頻率，在美國(guó)由聯(lián)邦通信委員會(huì)FCC規(guī)定了電力線頻帶寬度為100~450kHZ；在歐洲由歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的EN50065-1規(guī)定電力載波頻帶為3~148.5kHZ。這些標(biāo)準(zhǔn)的建立為電力載波技術(shù)的發(fā)展做出了顯著的貢獻(xiàn)，目前全球AMR系統(tǒng)均采用該頻段標(biāo)準(zhǔn)。

　　國(guó)內(nèi)載波通信芯片中符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)

　　國(guó)內(nèi)東軟、福星曉程、鼎信等多數(shù)載波通信方案為了針對(duì)國(guó)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(shí)際產(chǎn)品化的過(guò)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(duì)不可取的。首先，這種做法導(dǎo)致電表產(chǎn)生的功耗損失無(wú)疑增加的線損，造成大量的能源浪費(fèi)，這也有悖于國(guó)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(huì)嚴(yán)重污染電力線信道環(huán)境，我們?cè)瓉?lái)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(guó)內(nèi)只有彌亞微的載波芯片Mi200E采取低功耗設(shè)計(jì)。其發(fā)送信號(hào)時(shí)的功率僅為0.4W，在保證可靠的通信性能的同時(shí)該芯片EMI等相關(guān)指標(biāo)滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)。

　　4、芯片技術(shù)

　　嚴(yán)格意義上講，國(guó)內(nèi)載波通信方案供應(yīng)商并不完全都是芯片設(shè)計(jì)研發(fā)企業(yè)，像東軟和鼎信均是采用MOTROLA的MC3361＋單片機(jī)
單片機(jī)

　　單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)（Single-Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱，是一種將中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)集成到一塊硅片上構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 [全文]

通過(guò)軟件完成物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層的模式。其優(yōu)點(diǎn)是降低了研發(fā)難度，但該模式會(huì)導(dǎo)致其核心技術(shù)（相關(guān)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(jìn)電力線載波芯片的發(fā)展

　　目前比較認(rèn)同的芯片方案是：采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)、多階的模擬和數(shù)字濾波、AGC自動(dòng)控制、DSP
DSP

　　dsp是digital signal processor的簡(jiǎn)稱，即數(shù)字信號(hào)處理器。它是用來(lái)完成實(shí)時(shí)信號(hào)處理的硬件平臺(tái)，能夠接受模擬信號(hào)將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的數(shù)字信號(hào)，并能進(jìn)行一定形式的編輯，還具有可編程性。由于強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和快捷的運(yùn)行速度，dsp在信息科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越大的作用。 [全文]

算法*噪音強(qiáng)度。但國(guó)際遠(yuǎn)傳電表市場(chǎng)的發(fā)展，也對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)提出更高要求。針對(duì)遠(yuǎn)傳電表市場(chǎng)，我個(gè)人認(rèn)為電力線載波通信芯片要做到以下幾點(diǎn)：

　　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(yīng)用已有幾十年的歷史，使用效果非常好。盡管國(guó)內(nèi)對(duì)電力線通信關(guān)注度非常高，但在中國(guó)本地還沒有取得明顯的成績(jī)。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(gè)迫切問題，而且在解決這個(gè)問題時(shí)，不能提高解決方案成本。

　　2、解決通信距離問題

　　在線路負(fù)荷較重的情況下，通信距離能達(dá)到300米到500米，也就是說(shuō)加一兩級(jí)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(yuǎn)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(zhuǎn)換成電表讀數(shù)，造成了自動(dòng)抄表系統(tǒng)讀數(shù)與電表實(shí)際讀數(shù)不一致，在繳費(fèi)時(shí)，用戶會(huì)有疑問，使目前自動(dòng)抄表系統(tǒng)未能發(fā)揮應(yīng)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(guó)內(nèi)外一大趨勢(shì)。

　　4、標(biāo)準(zhǔn)制定迫在眉睫

　　把電力線載波通信芯片集成到遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的制定迫在眉睫。