- 電力PLC調制解調原理
- 安森美半導體集成方案
- 正交頻分復用(OFDM)
- 相移鍵控(PSK)
- 擴頻型頻移鍵控(S-FSK)
近年來，在綠色節能意識的推動下，以智能電表為核心的智能電網成為歐美日中等諸多國家競相發展的一個重點領域。如歐盟委員會強制要求2022年前所有歐盟成員國的電表都替換為智能儀表。美國也計劃在每個家庭都安裝智能儀表。中國也在2009年5月開始提出構建堅強智能電網的構想，準備投資高達4萬億元，計劃經歷當前的試點和2011年開始的全面建設等階段后，到2020年基本實現構想。在此推動下，電網技術面臨著一場重要的革命，而不只是簡單的技術演進。
表1：傳統電網與新的智能電網之間的簡單對比。
在智能電網中，智能電表發揮關鍵的作用，可以使用戶與電力系統之間實現互動。如一方面幫助電力機構精確了解用戶的用電規律，為高峰用電或低谷用電設定差異化的電價；另一方面，用戶也可以合理調整自己的用電計劃，從而優化電費支出。從功能模塊來看，智能電表除了電源和計量模塊外，還涉及到數據存儲功能，需采用安全可靠的存儲器；此外，雙向實時通信是智能電網的重要特征，故通信模塊至關重要，需要選擇適合的通信方式及相應的最佳解決方案。
實際上，智能電網是一個龐大系統，涉及電力、通信及應用等多個層次，以及局域網(LAN)和廣域網(WAN)等不同網絡類型。其中，LAN連接家庭或建筑物內的不同類型的智能電表到數據集中器(concentrator)。就這一段的網絡連接而言，通常它們對通信速率的要求不高，最主要的考慮因素是降低成本，常見的通信方式有無線射頻網絡，或有線的電力線載波(PLC)或電力線寬帶(BPL )等。具體采用何種通信方式，需要考慮各國電網實際狀況等因素，同時先行先試國家的做法也會提供借鑒意義。
圖1：法國EDF旗下公司法國配電公司(ERDF)的Linky項目簡略示意圖。
例如，在歐洲能源市場有重要影響力的法國電力(Electricité de France, EDF)于2009年中啟動了當前世界上最大的智能電表項目Linky，計劃到2017年在法國部署3,500萬個智能電表。這個項目為智能電表到數據集中器之間的通信選擇了PLC技術，然后再利用通用分組無線業務(GPRS)技術將數據傳送到該公司的數據中心。考慮到中國的智能電網仍在試點階段，法國ERDF的選擇對中國等其他國家也具有借鑒意義。
[page]
PLC調制技術的選擇雖然PLC技術提供了一種低成本的選擇，但電力線的初衷并不是用于通信，故在應用PLC通信時也面臨一些挑戰。特別是設計人員需要密切注意會出現的信號衰減和噪聲問題，反之也要求復雜的收發器技術。
為了抑制由噪聲導致的信號衰減，降低誤碼率，并改善頻率效率，有必要利用適合的信號調制技術。實際上，電力機構在部署智能電表抄表系統時，有多種不同的調制方式，但主要的有三種，分別是正交頻分復用(OFDM)、相移鍵控(PSK)和擴頻型頻移鍵控(S-FSK)。
OFDM的理論帶寬較高，但實際上在低壓網絡中的噪聲條件下會損失很大一部分的帶寬，而且OFDM的應用成本較高，工作時還消耗可觀的電能。PSK調制技術的應用成本很低，但不是特別可靠，性能會受到相位噪聲影響，而且無法充分覆蓋較長距離。相比較而言，雖然S-FSK的數據率比OFDM低，但更勝任智能電表應用。這種調制技術能實現可靠的通信，同時應用成本更低，消耗的電能也更少。因此，就當前的智能電網PLC應用而言，復雜度低、商用潛力更大及有可靠現場應用記錄的S-FSK調制技術無疑是更適合的選擇。
實際上，法國ERDF的Linky項目規范中，物理層參考規范是IEC61334-5-1/EN50065，其中規定的調制技術就是S-FSK，通信頻率為標記頻率(mark frequency, Fm) 63.3 kHz和空頻(space frequency, Fs) 74 kHz，傳輸速率2.4 Kbps，并與50 Hz電氣網絡頻率物理同步。
安森美半導體PLC調制解調器的應用優勢安森美半導體在開發PLC調制解調器方面擁有較長的歷史。速率1.2 kb的AMIS-30585為早前推出，最初開發時就符合IEC 61334標準(SFSK規范)，迄今已歷經8年的現場應用檢驗。新近推出的AMIS-49587是一款高集成度、符合標準的低功率PLC方案，支持PLC現場部署要求的4種不同模式，如NO_CONFIG、MASTER(集中器)、SLAVE(電表)和SPY(給測試人員的原始數據)，非常適合智能電表以及智能街燈和智能插座等應用。與AMIS-30585相比，AMIS-49587支持2.4 kb的更高半雙工可調節通信速率速率，符合諸如ERDF規范這樣的市場新要求，目前已經獲得法國原設備制造商(OEM)的先期使用，在中國也已獲得數家領先電表客戶的選用。兩款器件引腳對引腳兼容，為客戶提供了更大的設計便利。
AMIS-49587符合IEC61334-5-1標準，為客戶提供眾多應用優勢。例如，這器件基于ARM7TDMI處理器內核，同時包含物理接口收發器(PHY)和媒體訪問控制器(MAC)層，使其以單芯片方案結合了模擬調制解調器前端和數字后處理功能，而大多數競爭方案需要復雜的嵌入式軟件來執行與AMIS-49587相同的功能。設計人員使用AMIS-49587調制解調器，可以簡化設計，能在不到一個季度的時間內開發出全套互操作PLC方案，還降低開發及應用成本。實際上，基于AMIS-49587的調制解調器方案中僅使用2顆IC(另一顆為NCS5650 2 A PLC線路驅動器)，外加16顆電阻、17顆電容、2個二極管、1個晶體和1個脈沖變壓器，總元件數量僅為39個，提供低物料單(BOM)成本。
此外，AMIS-49587采用S-FSK調制技術，結合高分辨率的濾波算法，配以自動可信值/中繼器(repeater)功能，提供基于長距離電力線的高可靠性數據通信。通信誤差比其它可選及現有方案更低。這器件藉板載低抖動鎖相環(PLL)與交流主電源(mains)信號同步。由于包含16位分辨率的模擬前端，使器件具有極優的噪聲免疫性和極高的接收靈敏度。
AMIS-49587的易用性也很突出。由于內嵌協議處理功能，使設計人員無需涉及PHY和MAC協定傳輸細節問題，節省多達50%的軟件開發耗費，從而加快上市時間，降低總成本。這器件藉串行接口直接連接至用戶主微控制器(MCU)。AMIS-49587同時兼容于單相和多相電表，滿足客戶不同需求。此外，其能耗也比基于數字信號處理器(DSP)的方案更低，非常適合智能電表至集中器的PLC通信應用。為了幫助設計人員加快開發進程，安森美半導體還提供評估套件AMIS49587EVK，方便用戶開發。這套件內含2個PLC調制解調器，用于在客戶端與服務器端之間配置通信；還包含開源圖形用戶界面，用于配置端到端通信。
安森美半導體為智能電表應用提供完整方案與普通電表相比，智能電表無疑是更為復雜的系統。而安森美半導體為智能電表應用提供完整的解決方案，除了上述用于通信應用的PLC調制解調器和線路驅動器方案外，還提供用于電源管理、測量和存儲等關鍵功能的解決方案。如在電源管理模塊，可以應用安森美半導體的NCP1014、NCP1015等AC-DC轉換器，LM2596、NCP3063和CS51411等DC-DC轉換器，MC78L05、MC7805、CAT6217和CAT6219等低壓降(LDO)穩壓器，以及NTMFS4823等中壓及高壓FET。此外，在智能電表應用中，也可采用安森美半導體系列EEPROM、SDRM等存儲器，以及ESD/TVS、SIM卡接口、邏輯、USB保護、監控、I/O擴展、時鐘和溫度傳感器等。
圖2：安森美半導體應用于智能電表的解決方案。
在方興未艾的智能電網應用中，智能電表發揮關鍵作用。設計人員需要為智能電表與數據集中器之間的通信選擇適合的通信方式，而PLC已經成為業界先導公司及先期試驗項目的選擇，頗具示范及借鑒意義。設計人員需要為PLC通信選擇調制解調器方案。安森美半導體用于PLC的調制解調器產品符合標準及客戶規范，并提供眾多應用優勢，如簡化設計、降低成本、降低耗電、提供可靠通信及加快上市進程等。安森美半導體更為智能電表應用提供包括電源/電源管理及保護、通信、測量和存儲等關鍵功能的完整解決方案，方便客戶的選擇，幫助他們降低采購成本及加快產品上市。
