如何设计一款“合格”的智能电表？

　　电力公司面临着极具挑战性的任务，即以固定的供电电量满足高度可变的需求。高峰期间，电力需求可能是平常的数倍，资本高度密集的发电厂很难完全满足这种电力需求。为消费者提供激励性的分时电价或对高消费设备的用电时间进行远程管理是更有效可控的平衡电力供需的方式。要提供分时电价，电力公司必须清楚了解用户消耗电力的时间情况，也就是说，必须有连接电力公司和用户电表的通信路径。

　　为何不使用无线网络？

　　显然，无线标准可以用于电力公司电表通信，但有些问题。有人建议使用基于 ZigBee 的 2.4 GHz 技术，但在实践中，在20-50米的短距离范围内，它们都无法经济高效地将信息反馈给电力公司。添加网状网络可以扩展 Zigbee 网络的范围，然而，在农村和城市郊区以及干扰较大的建筑结构中，电表之间的距离更大，为 ISM2.4GHz 频段的无线通信带来了挑战。例如，一幢拥挤的多层公寓大楼会有复杂的覆盖和连接问题，安装和维护无线网络的费用高昂。最新的 IEEE 802.15.4g 智能电力公司网络（SUN）标准旨在利用各种频段应对这些挑战，但还未做好大规模部署准备。无线网络最大的缺陷是需要使用稀缺而宝贵的频谱，这可能是非常昂贵而且/或者并非随时可用。

　　电线通信

　　最显而易见的通信路径就是电线通信，为何不在供应电力时捎带一个信号呢？

　　长期以来，电力公司一直使用电线与发电设备进行通信并提供子站之间的语音通信，包括在高压线上添加一个信号。这些信号通常采用振幅调制或频移键控，平均速率为1 kb /s或更低，低数据传输速率可以实现信号的长距离传送。这项技术被用来切入切出配电单元、检查电网的完整性并为远程发电和子站提供基本的语音通信。然而电表的数量要比配电单元多上数千个，这种方法无法有效扩展用于电力公司电表链接。

　　为了实现与电表的通信，需要更高的数据速率和一项可以在灵活的半自治通信网络中支持多用户的技术。G3-PLC 窄带正交频域复用（OFDM）电线通信标准专为此而设计，提供克服特殊电线通信挑战的能力。该标准借鉴了多项无线技术，例如OFDM通信、Reed‐Solomon等前向纠错机制、Viterbi 卷积解码以及时间和频域交织技术等等。

　　电线本身极具挑战性，在许多方面比无线信道还要嘈杂。电线上的噪声是高度非平稳的，配备一个Gaussian组件（类似于无线），另配备一个非 Gaussian 脉冲噪声分量（与无线非常不同），可以是周期性的或非周期性的（图1）。电线上的干扰可以来自网络上的其他设备或其他通信网络，分为窄带干扰或宽带干扰。例如，工业机械、洗衣机、冰箱等使用的感应电动机经常有许多循环式平稳噪声。广泛应用于手机和笔记本电脑充电器的开关模式电源也有噪声。因为电线是物理媒介，它们会受到分支影响; 即使在同一所房子里，网络中某一个点的阻抗也会和其他地方的阻抗相当不同。接通、关断设备可以瞬间改变网络中某一个点的阻抗。通常情况下，电线阻抗的范围为 0.1 至 200Ω。总而言之，电线信道是复杂和嘈杂的。图1和图2例举了 G3-PLC 调制解调器在时域和时间-频率域必须承受的电线噪声。

　　图1：对工业建筑中典型电线噪声的时域捕获（a）原电线噪声样本，（b） G3-PLC调制解调器的 Cenelec‐A频段电线噪声

　　图2：（a）原电线噪声的时间频率摄谱仪显示了电线噪声的复杂结构。注意各种循环平稳噪声成分及其光谱内容；（b） G3-PLC 调制解调器所见的 Cenelec‐A频段内的电线噪声。注意在62至72kHz的频率范围内120/240Hz噪声分量强50dB。

　　飞思卡尔和智能电表

　　在飞思卡尔，我们的团队为智能电表特别是电线通信开发技术 。我们使用电线调制解调器（PLM）建立通信网络，包括一个配备嵌入式数字和模拟信号处理、一个模拟前端和一个线路耦合器（参见图2）的微控制器。调制解调器根据 G3-PLC 标准实现 PHY，再加上我们开发出的专有信号处理，提高我们 PLM 的性能。模拟前端将调制解调信号处理器的数字输出转换为符合电线上信号规定的模拟电压。然而，模拟前端的输出是一种低电压信号，需要通过线路驱动器被放大并使用第三种元素线路耦合器添加至电线。电线阻抗会发生很大的变化，所以通常会配置线路驱动器驱动电线信号，带时变阻抗。我们面临的整体挑战是要建立一个系统，支持多用户并在时变和严苛的信道条件下拥有良好的性能，并最大化降低成本。

　　图3：电线模型规格及性评估的模拟/建模策略

　　通过模拟进行设计

显然，硬件构建非常昂贵，我们的目标是要在组件选择上做到万无一