窄带电力线通信使用的调制方案

出处：网络整理发布于：2025-08-28 16:14:53

随着对清洁能源的需求不断增长，太阳能装置的数量也在急剧增加。在这样的背景下，系统监控和安全的重要性愈发凸显。有线通信在太阳能系统中扮演着关键角色，像支持 NEC 2014、NEC2017 和 UL1741 模块级快速关断的 SunSpec 快速关断 (RSD) 等安全标准，都是构建于有线通信接口之上的。除了快速关断功能（这在大多数安装中是严格要求的），许多系统还增加了模块级电力电子 (MLPE) 监控功能。

太阳能装置中的电力线通信选项

图 1 展示了不同太阳能装置中实现的典型电力线通信选项。这些装置可分为直流线路上的通信（红色）和交流线路上的通信（蓝色）。其区别主要体现在数据信号在发送器处如何耦合到电力线，以及在接收器侧如何提取信号。
从通信方向来看，有从太阳能电池板到逆变器的通信，还有到电网的通信。逆变器和 MLPE 之间的通信主要用于监控 PV 电池板的运行条件、进行故障检测和实现快速关断。这适用于与电源优化器和其他 MLPE 通信的串式逆变器，或者在汇流箱中或直接在串输入处收集串或面板信息的商用串式或中央逆变器。而面向电网的通信通常用于监测和控制多个串式逆变器（由电网运营商执行以控制功率级别，从而实现电网稳定性），或者在住宅用例中同步微型逆变器以形成分相或三相交流电网，又或者将操作信息从单个微型逆变器发送到数据聚合器。

图 1：基于激光雷达的点云的图形表示

窄带与宽带 PLC

国际标准和规范对可用于电力线通信的频段做出了规定，一般可分为窄带和宽带 PLC 这两类。
窄带 PLC 使用高达 500kHz 的载波频率，表 1 展示了不同地区的可用频带。窄带 PLC 能够进行更远距离的通信，通常用于智能仪表，因此非常适合太阳能应用，可在从 PV 电池板到串式逆变器输入的更远距离进行通信。

表 1：窄带 PLC 标准与频带
宽带 PLC 使用高于 2MHz 的频率，可提供更高的数据速率，但覆盖范围更小，且功耗明显更高。表 2 对窄带和宽带 PLC 进行了简要比较。

表 2：窄带和宽带 PLC 的比较

窄带 PLC 中使用的调制方案

电力线通信采用了多种不同的调制方案。在窄带应用中，开关键控 (OOK)、移频键控 (FSK) 和正交频分复用 (OFDM) 是常见的调制方式，而宽带 PLC 中主要使用 OFDM。下面将详细介绍这三种调制技术。

开关键控（OOK）

这是一种简单的调制形式，通过传输定义的载波频率（例如对于逻辑 “0”）或不发送（表示逻辑 “1”）来对二进制 1 和 0 进行编码，如图 2 所示。调制和解调可以通过 THVD8000 等简单的收发器完成，无需在微控制器或处理器中进行额外的数字解码。当需要使用长电缆时，为了具备足够的驱动能力，需要使用 THS6222 或 THS6232 等线路驱动器 OPAMP 以及耦合电路。

图 2：OOK 的电力编码示例
TIDA - 010935 是一个展示 OOK 如何用于太阳能应用的参考设计，该设计具备运行简单 OOK 调制所需的所有电路。它内置了可由 MSPM0 MCU 控制的 BoosterPack 配置，也可以使用其他 MCU BoosterPack。

移频键控（FSK）

在移频键控 (FSK) 中，使用不同的载波频率对符号中的数据进行编码。符号是指可通过通信通道传输的少数据量，根据使用的频率数量，每个符号可以传输多个位。在简单的二进制 FSK (BFSK) 中，只使用两种频率，分别用于传输逻辑 “0” 和逻辑 “1”，这两个载波被称为标记频率和空间频率。BFSK 的一种变体是在 SunSpec RSD 中使用的展频型移频键控 (S - FSK)，在 S - FSK 中，标记频率和空间频率的间隔足够远，以避免窄带干扰对两个频率造成干扰，这样即使其中一个频率被系统中的干扰信号阻断，接收器仍然可以恢复数据，如图 3 所示。

图 3：用于 S - FSK 的时域编码
为了进行解调，信号采样值至少是载波频率的两倍，这通常由运行解调算法的微控制器完成。解调算法仅对指定的载波频率敏感，能够抵抗宽带噪声，但在确切的载波频率下不受窄带干扰。在太阳能应用中，要使电源转换系统的开关频率远离所选载波频率，以免影响通信通道。
TIDA - 060001 参考设计实现了适用于 SunSpec 快速关断发送器或接收器的 S - FSK，该设计采用集成模拟前端 IC：AFE031。C2000 - WARE - SDK 中的 TMS320F280049C 可获得 FSK 调制和解调所需的所有软件，便于移植到 C2000 系列的其他成员。例如，在太阳能电源优化器参考设计 TIDA - 010949 中，快速关断接收器软件已移植到 TMS320F2800137，由于电源优化器的运行频率为 300kHz，远离此通信示例中使用的载波频率，所以该参考设计非常稳健。

正交频分多路复用接入 (OFDM)

OFDM 是本文介绍的一种调制技术。在 OFDM 中，数据流被分割并通过多个子载波传输，正交子载波用于保证它们之间的干扰尽可能小。每个子载波使用传统的调制方案进行调制，如相移键控 (PSK) 或差分相移键控 (DPSK)。使用多个密集分布的子载波可以显著提高数据速率，例如在智能仪表中，像 G3 和 PRIME 等标准使用具有 100 多个子载波的 OFDM，可在窄带运行中实现高达几百 Kb 的数据速率。OFDM 还可用于提高嘈杂环境中的稳健性，这在太阳能应用中很常见。通过监控子载波上的信号质量并移除信噪比不佳的子载波，或者使用多个子载波冗余，可提高整体稳健性。
图 4 和图 5 展示了使用四个子载波的 OFDM 调制示例，每个子载波使用 PSK 对一个位进行编码，所有这些信号相加后进行传输。选择正交子载波的影响在频域中体现，载波频率的峰值出现在其他子载波的过零处，这可以限度地减少码间串扰 (ISI)，提高数据传输的稳健性。

图 4：时域中的 OFDM 信号

图 5：频域中的 OFDM 信号
图 6 给出了具有 C2000 MCU 和 AFE031 的 PLC 收发器的可能实现方案。在发送操作时，MCU 通过 SPI 控制 AFE031 内的 DAC，DAC 输出经过滤波、放大后耦合到电力线。在接收路径中，传入信号通过线路耦合电路传播，进入可编程增益级 (PGA1)，再次进行带通滤波，由额外的可编程增益级 (PGA2) 放大，然后由 MCU 的内部 ADC 进行采样。所有用于编码和解码信号的软件都在 MCU 上运行（例如，TMS320F28069 或 TMS320F28P550）。