毕业设计（论文）-基于低压供电网通讯的软件设计.doc

基于低压供电网通讯的软件设计摘 要：电力线高速数据通信技术(plc)在电力系统通信中占有重要位置。文章首先对该项技术在国内外的研究和应用现状进行了回顾，介绍了我国plc方面的主要工作成果和国内外plc关键技术发展情况(包括信道模型、噪声特性、信道容量、调制技术及mac层 协议等)、标准的进展情况以及尚存在的主要问题。本文还简要介绍了低压供电网通讯的特点和研究价值。归纳了噪声、多径干扰、信道阻抗变化对通讯的影响，提出了基于低压供电网通讯的系统模型。关键词：电力线高速数据通信； 供电网； 通讯abstract: power line high-speed data communications technology (plc) in the power system occupies an important position in communications. the article first of the technology at home and abroad in the research and application of a recall, on chinas plc of the main results of the work at home and abroad plc and the development of key technologies (including channel model, the noise characteristics, channel capacity, modulation and mac layer protocol, etc.), standards of progress and remaining in the main problems. it also gave a briefing on low-voltage power network communications for the characteristics and research value. summed up the noise, multipath interference, channel impedance changes on the impact of communications, based on the proposed low-voltage power network for the communication system model. key words: power line high-speed data communication for the network; communications目录第一章前言21.1电力线高速数据通信技术的国外发展现状及趋势41.1.1机理研究及产品开发41.1.2应用情况51.1.3技术标准61.1.4发展趋势6第二章 plc的关键技术72.1信道模型、噪声特性以及信道容量72.2调制技术72.3 mac层协议8第三章 我国低压供电网数据通信技术的研究及应用93.1 基本情况93.2机理研究及产品开发93.3实际应用103.4技术标准的进展113.5 基本评价113.6存在的问题及进一步的工作12第三章 供电网通讯系统模型133. 1噪声和干扰133.2信道阻抗133.3信号衰减133.4多径干扰143.5通讯系统模型153.5.1通讯系统及解决方案153.5.2模拟系统153.5.3数字系统(ask,fsk,psk)163.5.4扩频通信163.5.5其他方法183.6各种通讯系统的比较18第四章 数据通讯系统的实现194.1 基于滤波器组的多载波传输系统194.1.1 传统ofdm的滤波器组表示方式194.1.2基于小波滤波器组的多载波传输系统214.2多径信道下的多载波系统性能分析224.3 系统结果24参 考 文 献:26致 谢27第一章 前言随着科学技术的发展，生活水平的日益提高，人们对家庭环境的要求越来越高。智能大楼(in-telligent buildings)和家用电器自动化产品( home automation)应运而生。家庭中的电力线给这些产品提供了天然的通信介质。电力线网络覆盖面积之大，是别的网络无法比拟的。利用电力线网络进行通信非常方便，可以方便地组建计算机局域网络(lan)、传递远端监视图像、自动抄表(automatic meter reading)系统、火灾报警( fire alarm)系统等。电力线高速数据通信技术(plc或plt)，是一种利用中、低压配电网作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术，不仅可以作为解决宽带接入“最后1 km”的有效手段，而且可以为电力负荷监控、远程抄表、配用电自动化、需求侧管理、企业内部网络、智能家庭以及数字化社区提供高速数据传输平台。电力线通信是在一个复杂的电磁环境里传输信号，信号会出现明显的衰减和畸变，信道环境非常恶劣。一些通信信道的基本参数，如阻抗、衰减幅度、噪声随时间波动的规律都是不能预知的。电力线网络分为高电压(100 kv以上)、中电压(1100 kv)、低电压(1 kv以下)3种。电力线网络是一个独立的通信网络，电压越低，干扰越复杂，通信难度越大。我们主要涉及低压电力线通信的特点和通信技术。电力线通信存在很大的困难。长期以来，许多公司和学者对电力线通讯系统进行了大量的研究和实验工作，取得了一定的成果。如何能够在电力线通讯系统中提高传输速率、延长传输距离、增强抗干扰能力、提高频带利用率和降低通信成本是电力线通信中函待解决的问题。电力线是设计用来输送电能的，因而并不具备通信链路的必要条件，所呈现的是一种高噪声、强衰减、负荷变化剧烈、阻抗变化大频率响应不平坦等恶劣性能。要实现可靠的电力线高速数据传输，必须解决以下问题: (1）尽可能消除电气设备、控制设备、空中无线电等噪声对传输可靠性的影响; (2 努力阻止线路、各种电气设备、阻抗波动阻抗不匹配以及容性负载引起的信号衰落;(3) 最大限度减缓电力线分支以及网络不均衡引起的多径衰落对传输可靠性的影响。 20世纪90年代以前，电力线载波系统采用的是fm(模拟调频)、fsk(频移键控)、psk（相移键控)等窄带通信技术，由于抗噪声干扰和多径干扰能力差，对电力线信道的适应性也差，因此主要靠改善信道条件(使用阻波器)和提高信噪比(增大发送功率)来实现可靠传输。但由于窄带调制技术频带利用率极低，因此在有限的带宽内只能实现低速的数据传输，而目_仅限于适应经过特殊改造的高压线路。对于低压和中压配电线路，由于线路复杂、分支多，无法对线路进行诸如阻波等技术的改造，因此即使是低速数据，也无法实现可靠的传输。20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，国外开始研制专门用于配电网的高速数据通信技术，将扩频通信技术、多载波调制(dmt)、正交 频分多路复用(ofdm )、信道纠错编码、多路访问等先进技术引入电力线载波通信领域。1997年英国的nor w eb公司在英国曼彻斯特的一个低压配电网上成功进行了传输速率为1 m bit/s的数据通信试验1，实现了电力线载波通信技术的突破，这个里程碑式的试验极大地推动了电力线高速数据通信技术的发展。1.1电力线高速数据通信技术的国外发展现状及趋势1.1.1机理研究及产品开发 电力线高速数据通信技术在英国试验成功以后，许多国家的研究机构和企业相继开展了这方面的研究和开发2-5，如美国的inari和intellon公司、西班牙的ds2公司、以色列的yitran公司、韩国的xe line公司、瑞士的ascom公司，以及欧美、亚洲的一些大学院校等。国外学者对电力线高速数据通信技术的机理进行了深入研究，成立了多个plc国际组织，从1997年开始每年举办数次plc国际专题会议，研究内容非常广泛，包括:电力线的信道模型、噪声特性分析、调制方式、mac层协议、网络管理、室内网络、接入网络、系统设计方法、芯片制造技术、电磁辐射和传播、信道预测技术信道容量预测、信道传播特性测量、标准和协议、系统结构、组网方式、中压高速载波技术等多方面内容。经过多年的努力，已经基本建立起电力线高速数据通信技术的理论体系。 电力线高速数据通信技术从1997年到现在历经了3个阶段(时间上有一些交叉)，产生了3代技术和产品。第1代:2001年底以前，采用fsk ,gm sib ,dsss或dm t技术，传输速率为14mbit/s主要目标是验证了电力线高速数据通信技术应用的可行性;第2代:2001年第三季度至今，主流芯片的传输速率为10 45mbit/s 进入大规模、多区域的试验和实际运行阶段，其主要标志是ntel-lon公司推出的传输速率为14mbit/s的芯片和ds2公司推出的传输速率为45 m bit / s的芯片，引入了ofdm技术，不仅有效消除了多径干扰，增强了对电力线信道的自适应性和抗噪声干扰的能力，而且大大提高了频带利用率，实现了l0mbit/s以上的高速率数据传输;第3代:从2004年第三季度开始，电力线高速数据通信技术更多使用子载波的ofdm和高频带利用率的调制技术，传输速率达到200 m bit/s (如ds2公司2004年推出的d ss9000系列芯片，ntellon公司即将推出的nt 6000芯片)，这代产品具有交换和传输功能，自动中继和自动路由选择技术逐渐得到推广，系统结构更加灵活方便，通用性和兼容性更强，网络管理功能更加完善，数据传输的qos得到充分保障，设备和系统成本进一步降低。1.1.2应用情况 欧盟为促进plc技术的发展，从2004年1月1日开始启动了一个称之为opera (open plc eu-ropean research a lliance)的计划，旨在联合欧洲的主要plc研究开发力量，致力于制定欧洲的plc统一技术标准、推动大规模商业化应用5-6，并将plc作为实现“e europe(信息化欧洲)的重要技术手段。美国、欧洲等国也出台相应政策或措施推动plc的发展，许多大的电力企业也积极进行中压及低压plc的试验。美国的american electricpower等17家主要电力企业，德国、奥地利、西班牙等15个欧洲国家的32个电力企业均建立了plc试验网络，有的还进行了plc商业化运营(如德国的mvv等)。亚洲开展plc研究和试验的国家和地区除中国大陆外，还有日本、韩国、新加坡、中国香港、中国台湾等地。日本对plc的态度，经历了从初期怀疑否定到开放试验，直至今日的积极推动的三个阶段。目前，东京电力、新加坡电力、香港中华电力等均建立了一定规模的试验网络。据不完全统计，截止2004年年底，plc的试验网络遍及欧洲、亚洲、北美洲、南美洲、非洲以及大洋洲的40多个国家和地区。1.1.3技术标准 技术的标准化是产品成熟的重要标志和大规模应用的前提。欧洲、美国从2002年起开始研究plc系统的技术框架和技术标准7-9，目前已经取得了积极进展。在产品技术规范方面，欧洲电信标准化组织etsi从2002年开始陆续公开了2个plc技术规范(ts 101 896,ts 101 867)和5个技术报告(tr 102 049 ,tr 102 175 ,tr 102 258 ,tr102 259,tr 102 324)。另外还有6个项目正在进行中(dts /plt-00005,dts/plt-00007,dts/plt-0000dts /plt-000010、dtr/ plt-000o11, dts/plt - 000017)0涉及网络电磁兼容标准制定的机构主要有:itu-t, cenelec /etsi. jwg emc, cenelec的tc210、sc205a, et s i的tc erm ,ep plt,美国fcc等。目前定义了130 mh z范围内电信网络辐射限值的技术标准有4个:德国的nb30、英国的mpt1570、美国的fccp art15以及国际电信联盟于2003年7月推出的iiu-tic. 60。 总体而言，plc的相关技术标准正在制定中，目前还没有形成相应的具有法律约束力的规范。对于电磁骚扰的测试方法，各国做法不尽相同，限值各异。但普遍认为，30 mhz以下的电磁骚扰主要体现在传导骚扰上，因此，在目前的国际标准中，并未规定相应的辐射骚扰限值。对于大规模的plc应用，如何制定科学的测试方法以及规定合理的限值，是欧洲以及一些国际性组织正在研究的重要课题之一。1.1.4发展趋势电力线高速数据通信技术具有3个明显的发展趋势。一方面，正在向更高传输速率的方向发展.其表现为名家公司推传输速高达200 m bit/ s的专用芯片;另一方面，利用中压(10 kv)配电网组建高速数据传输骨干网的设想也日益引起人们的重视，因为利用中压配电网进行高速数据传输，不仅可以充分、有效地利用电力系统的资源，而民可以极大地延伸光纤骨干网的服务区域，成为骨干通信网的有效补充和有机组成部分，同时为开展电信服务开辟了新的思路;第三方面，电力线宽带接入技术正在向具有更高服务质量和完善传输交换功能的方向发展。第二章 plc的关键技术2.1信道模型、噪声特性以及信道容量 研究电力线网络信道模型，通常使用多径传输模型和传输矩阵模型2种方法。这2个模型从不同角度对高频信号在电力线上的传播特性进行研究。多径传输模型是根据高频信号的多条路径传播产生的合成效应(多分支及阻抗失配造成的传输反射)研究电力线信号的传播特性;传输矩阵模型则把整个电力线看成为一个二端口网络，利用二端口网络的传输矩阵计算出电力线信道的传递函数2-3。 除了因线路衰减和多路传输所造成的信号失真外，噪声是影响电力线数据可靠通信的最关键因素。和其他信道不同的是，电力线信道的噪声并不呈现白噪声(awgn)特性，主要是有色背景噪声窄带干扰和脉冲噪声的存在，容易引起突发性传输差错。脉冲噪声分为与工频同步的周期性脉冲噪声和异步脉冲噪声2种。与工频同步的脉冲噪声主要是由与工频同步运行的供电设备引起的，它一般在电压的过零点产生;典型的异步脉冲噪声是由电网上的开关事件引起的。脉冲噪声可以用马尔可夫链(markov- cha州的随机统计模型表示，背景噪声一般用ar回归模型来模拟，窄带噪声用n个 独立的正弦信号叠加表示。 电力线信道容量分析的意义在于了解信道的基本特性和信道传输能力。配电网的高速数据传输容量，主要受配电网拓扑结构、线路条件、噪声、eui c限制等条件的影响。电力线的信道容量主要利用信道传播模型、噪声模型以及“注水”理论进行计算。计算结果表明，一般情况下，大约1.6 km的电力线信道容量超过250 m bit/s 但电力线分支的增多将会导致信道容量的降低，负载阻抗的减小、容性负载的增大也会导致信道容量的降低。2.2调制技术 目前，有多种高速数据通信技术可以用于电力线通信，如扩频通信、多载波通信等。选择何种调制技术2-3，需要综合考虑抗干扰能力、带宽利用率以及实现的复杂程度等多种因素。由于ofdm能够有效消除多径干扰、脉冲干扰，以及具有较高的带宽利用率，因此在plc系统中得到广泛应用，并且逐渐成为plc的标准调制技术。ofdm通过把电力线分为许多窄带子信道，使得各个子信道呈现相对线性和平坦特性，不仅消除了由于电力线的低通效应和传递函数的剧烈波动而引起的失真，而且无需复杂的信道均衡系统，实现比较简单，成本也比较低廉。ofdm通过在传输的数据块之间插入一个大于信道脉冲响应时间的保护间隔，消除了由于多径时延扩展引起的符号间干扰(isi) 。ofdm还可以根据信道情况，采用子载波功率和比特位优化分配算法自动控制各个子载波的使用，有效避开噪声干扰以及频率选择性对数据传输可靠性的影响，实现对信道的自适应性。通过软件编程，ofdm可以有选择地屏蔽某些子载波，实现对民用或军用重要频点的保护。ofdm的子载波优化分配算法，主要有huges- hartogs, piazzo, fischer-huber等提出的3种算法。2.3 mac层协议 按照osi的七层分类，plc产品属于两层网络设备，即只有物理层和mac层。mac层 协议2主要用于plc系统不同服务之间、不同用户之间信道分配和再分配的管理、协调和控制。在plc中应用的mac协议，必须能够满足提供不同服务的要求。plc网络的mac层协议考虑的服务包括: (1)面向连接的服务，如电话和其他cbr(恒速传输业务); (2)无需qos保证的无连接服务; (3)专门的plc服务(控制、安全防卫等);(4)需要qos保障的数据传输(如vbr,可变速率传输)。 在plc中应用的信道复用机制主要有fdma ,tdma ,cdma ,tdma /cdma ,tdma /fdma。多路接入方案可按固定接入、动态接入、预留接入区分。动态接入协议包括:(l)aloha预先分配时间片;(2)cam/ca (载波侦听肿突避免);(3)令牌传递(令牌环，令牌总线);(4)轮循。 采用的主要纠错技术为fe c(前向纠错)+arq(自动请求重发)。第三章 我国低压供电网数据通信技术的研究及应用3.1 基本情况国外在电力线载波通信技术方面的进展，特别是英国试验的成功引起了国家电网公司的高度重视和科研单位的密切关注。国家电网公司先后8次立项，由中国电力科学研究院、国电通信中心等单位承担了电力线高速数据通信技术研究，研制了一系列的产品和系统，并在北京等地建立了一定规模的试验小区，申报了20余项发明及实用的新型专利。此外，清华大学、西安交通大学、华北电力大学等对电力线信道模型、信道测试等方面也进行了探讨，国家自然科学基金2003年、2004年还资助了多个电力线通信课题，进行电力线通信机理的研究。3.2机理研究及产品开发 由于我国低压配电网的网络结构、负荷特性、供电方式与国外有很大的不同，国外已有的理论研究成果和开发的系统不能完全适应我国的实际。我国科技工作者在中国低压配电网高频信号传播特性、电力线高速数据通信机理、应用产品开发等方面进行了大量的研究工作10-13，主要包括以下几方面。 (1)通过大量的实际测试，获取了我国低压配电网的高频衰减特性、噪声分布特性、阻抗特性等实际数据，结合理论分析，得出了相应的高频信号传播模型，为产品设计及研究提供了第一手资料和理论基础。 (2)深入研究了电力线高速数据传输系统的技术体制最佳使用频段、信道容量预测及优化、适宜的调制技术、信道编码及纠错、mac层协议、藕合方式、电磁辐射、组网优化技术、信道测试技术、网络管理技术、计费系统等 plc关键技术问题。 (3) 研制了速率为2200 m bit/s的系列化产品。 (4) 根据应用的实际提出了电感藕合和电容藕合相结合的藕合技术，扩展了应用范围，增强了不同应用场合的适应性，极大地方便了施工，加快了plc的应用步伐。 (5) 提出了信道优化技术，研制了相应的产品，有效地改善了电力线高频信号传输环境，提高了系统的传输速率稳定性和可靠性。(6) 提出了实现全电力线接入的混合组网技术，改善了系统的整体性能，提高了系统的可靠性、稳定性和有效性。 (7) 提出并应用了具有我国特色的多种宽带接入模式和应用模式。 (8) 开展了plc相关应用的研究，开发了基于plc的宽带抄表系统、智能家居系统、adsl、无线局域网、电话线与plc 相混合的应用系统等。 (9) 研究了plc的测试技术、实用化工程技术、性能测试方法、技术标准等。 (10) 开展了中压plc的研究及试验，包括在农村电信服务方面的应用研究。 (11) 开展了plc电磁兼容特性的研究和测试。参照国际和国家标准，制定了测试方法和测试大纲，分别在国家权威检测实验室和现场环境进行了电磁骚扰和电气性能测试。对plc的网络性能也进行了相应测试。3.3实际应用 中国电力科学研究院和辽宁电力公司扰阳供电公司于2001年在沈阳建立了中国第一个高速plc试验网络11-14。2001年，国电通信中心开始组织实施低压配电网电力线宽带接入技术的实验及推广应用，成为中国plc试验和运营的核心推动者。国电通信中心成立了plc领导小组，下设plc推进办公室，确立了推动电力线通信技术研究、试验及推广应用的模式和总体安排，引进了国内外多家企业的产品在北京进行实验。在短短的3年多时间内，国电通信中心组织研究开发单位产品试验单位以及网络运营单位进行了大量的实验、电磁兼容特性测试、网络性能测试和工程探索，提出并应用了具有中国特色的电力线通信技术应用模式，建立了世界上最大的电力线宽带接入试验运行网络，为电力线宽带接入技术在中国的商业化运行以及大规模推广应用奠定了扎实的基础。国电通信中心的大规模试验也极大地推动了电力线宽带接入技术的研究进程，缩短了国内研究开发机构研究成果的产品化转化过程，促进了plc技术的进步和发展。到2005年7月为止，由国电通信中心组织、中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网接入用户超过30万户，开通用户37 000余户，接通率超过11%，建立了北京城域数据网、电力线宽带接入网络管理中心和计费系统。3.4技术标准的进展 我国在电力线高速通信技术标准化方面的研究18，还处于起步阶段。由于没有现成的国际或国家标准，大部分厂家将中国强制认证的ccc标准作为产品标准。ccc认证涉及到电气安全gb4943信息技术设备的安全(等同于iec 60950)，电磁兼容gb9254信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法 (等同于c zspr22)，防雷yd /t993电信终端设备防雷技术要求和试验方法。现有的ccc标准，没有对电源端子和电信网络端口共用的情况进行专门的考虑，也没有涉及传输性能、网络性能等方而的规定，因此存在局限性。 由于我国拥有目前全世界最大规模的电力线宽带接入实验网，实现电力线高速通信技术的标准化已经十分迫切，国家电网公司充分认识到了这一点，已经立项准备制定国家电网公司企业标准。3.5 基本评价通过6年多的努力，中国科技工作者针对我国配电网的实际，在信道特性、通信机理、组网技术、试验网络、产品设计方法、plc应用技术、工程技术、测试技术、plc支撑系统等方面取得了丰富的研究成果，许多工作属于我国率先提出并得到推广应用。但应当指出的是在芯片技术、系统设计技术基础理论等方面，欧美处于领先位置，我国还有待努力。 大量的试验证明，目前国内使用的主流plc宽带接入系统(第2代产品)，在传输速率、数据吞吐量、丢包率、响应速度、接入稳定性等方面，已经能够满足用户对internet高速接入的要求。虽然用电高峰时的数据吞吐量会有所下降，但下降幅度普遍能够控制在许可范围内，目_能满足用户基本的带宽要求，用户满意度是比较高的。个别质量较差的照明设备以及某些具有开关电源的设备，可能会产生较强的高频干扰，影响plc系统的正常使用，此时需要使用可抑制高频噪声的信道优化装置或阻波器。经实际环境测试，并未发现plc对电气设备、电表及抄表系统的精度、短波收音机环境等有实质性影响，试验室测试的plc产品及系统的电磁骚扰、网络性能、电气性能等也能够满足现有可参照的国家标准的要求，因此可以说，plc已经具备了大规模推广应用的条件。对于未来用户需求的实时性更强的业务(如voip)，则目前的plc系统需要完善，同时plc宽带接入系统也会逐渐从目前的第2代过渡到具有完整qos保障机制、强大网络管理的第3代产品。3.6存在的问题及进一步的工作 目前电力线通信技术存在的问题有: (1)缺乏必要的技术规范和相关法律、法规; (2)设备级的管理功能有待加强;(3) plc系统的qos保障机制、带宽管理机制、安全性能有待完善; (4)中压线路的高频信道特性及通信机理研究还不充分; (5)设备及系统测试和评估技术还需完善; (6)芯片技术有待突破。下一步的研究工作包括: (1）研制具有信道性能、设备性能、网络性能监控功能的基于snm p的plc终端设备; (2)研制具有完善qos保障机制和带宽分配机制的plc系统; (3)研究适合中压plc的最佳频段和最佳调制技术、mac层协议、信道编码、组网方法、网络管理以及安全机制、电磁辐射特性、宽带藕合 技术以及远距离中继技术; (4)制定符合我国实际条件的电力线高速数据通信技术规范; (5)研究开发具有我国自主知识产权的专用电力线高速数据通信芯片。第三章 供电网通讯系统模型3. 1噪声和干扰低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。v fines et al.定义了4种电力线噪声:硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变;平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小电机是产生这类噪音的根源;单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起;非同步周期噪声，如电视的行扫描频率对电网的干扰。对于低压电力线通讯系统而言，可以采用以下几种办法克服噪声和干扰:(1)在接收端增加一个sin x / x形式的滤波器，在整数倍工频上的增益是零，从而克服上述类噪声干扰;(2)设计前向纠错方案，克服上述类干扰;(3)应该避免使用电视的扫描频率进行信号调制。在市场上所有的已经实现的电力线通讯系统中，都采用了上述的一种或多种措施。3.2信道阻抗 电力线网络是一个广泛存在的网络，变电站的二次变压装置和用户负载同时并联在电力网络中，信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗匹配是很重要的，因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时，接收端得到的有用信号能量最大。低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成2 : (1)变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大; (2)导线的特性阻抗，导线可以看作电阻和电感的串联，不同导线的特性阻抗相差70100 ;(3)接在电力线上的设备阻抗，一般相差101000。3.3信号衰减 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到100db/ km。信号衰减有以下特点:(1)时间不同，衰减幅度也不同;(2)信号频率不同，衰减幅度也不同;(3)距离不同，衰减幅度也不同。图3.1为某时刻电力线上的信号衰减幅度随频率变化的曲线。图3.1 电力线上的信号衰减幅度随频率变化曲线3.4多径干扰多径效应(multi path)是电力线通信存在的干扰之一，产生原因如图3.2所示。如在图3.3所示的电力线通信结构模型中，1与2之间有1-4-2,1-5-6-2两条通路。由于信号通过的这些通路所用的时间不同，延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。图3.2 多径效应 (multi path) 产生原理图3.5电力线通讯系统模型 电力线通信可以用图3所示的模型来描述。a,b,c分别为电力线的三相，n为中线。图中1,7为a相上的信号发射机(接收机)，2, 8为b相上的信号发射机(接收机)，3, 9为c相上的信号发射机(接收机)。4为a相和b相的转换设备，通过它可以实现a,b相的 跨相通信，相当于计算机网络中网桥的作用。5,6分别是a,c相和b,c相的转换设备。同相之间的设备通信可以直接进行，而跨相的设备必须通过转换器才能实现通信。如1,7之间可直接通信，而1,2之间的通信则需通过4实现。3.5.1 电力线通讯系统及解决方案当前，市场上有几种电力线通讯系统解决方案可以采用。用户可以根据数据传输速率和误码率的要求选用最合适的方案。图3.3 电力线通讯系统结构模型3.5.2模拟系统 最早的电力线通讯系统是模拟的单载波通讯系统。模拟系统传送的信号是一个模拟的波形，它要求接收机能够高保真地重现波形信号。模拟系统通过信道的信号频谱比较窄，信道的利用率高，但是其抗干扰能力差，不易于大规模集成化。westinghouse系统5是通过电力线传递声音信号的，利用单载波调幅方法，以10或20 w的功率在电力线上以8 136 khz之间的某个频率传递信号。这个系统最初用在农村电话上，可以不使用中继器而覆盖几百公里的范围。3.5.3数字系统(ask,fsk,psk) 随着数字通信技术的完善和发展，出现了窄带ask,fsk和psk电力线通讯系统。数字系统传递的信号离散的脉冲，接收端要求正确判断发送的是那一种离散状态，只要脉冲波形的失真不足以引起错误判决就不会影响通信质量。数字通信抗干扰能力强，可以通过差错编码提高可靠性，易于继承化。其缺点是比模拟通信占带宽。 national semiconductor的icss 10011003系列芯片采用一种自适应fsk方案，其特点是根据噪声和干扰的变化，在4组频率中选择最佳的1组频率进行通信，除此之外该系统采用自动增益控制方案，根据干扰和信号的强弱，自动调节系统的增益。3.5.4扩频通信 扩频通信是目前应用广泛的通信技术，它能够很好的克服电力线上的噪声和干扰，扩频通信用伪随机码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接收端使用相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。这些特征使扩频通信信号不易受干扰，也不容易干扰他人。 扩频通信技术的理论基础是香农建立的关于通讯系统效率的理论。即:对加性高斯白噪声信道来说，如果系统数据速率小于或等于信道容量c时，就有可能存在在信道内进行无差错的数据通信的编码方案。信道容量定义如下:式中，c为信道容量，bit/ s; b为带宽，hz; n为噪声功率，w;s为信号功率，w。上式说明了在功率谱平坦的高斯噪声信道内，信道无误传输信息的能力(即信道容量)与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。可以看出，在保持一定的c值时，可通过增加带宽来相应地降低对信噪比的要求。利用扩频技术传送数据，可以在信噪比很低的情况下进行无差错数据通信。扩频通讯系统的基本工作方式有:(1)直接序列扩频(direct sequence spread spectrum)工作方式;(2)跳变频率(frequency hopping)工作方式;(3) 跳变 时间(time hopping)工作方式;(4)宽带线性调频(chirp m adulation)工作方式。 lehman提出的一种直接序列扩频通讯系统，可以实现2. 4 kbit / s甚至9.6 kbit / s的速率，在能够使用10 450 khz通信频带的北美和日本，通信速率可以达到19.2 kbit / s，通信距离达到4 km。 schaap描述的robcom系统使用跳频扩展频谱方法，利用20 95 khz的频段、psk调制方式，可以达到1 kbit /s的速率。这个系统使用45 bit 的crc校验，使误码率低于10-12。该系统还拥有高级自动网络功能。图3.4 线性调频信号 intellon公司的ssc p200/p300网络接口控制器应用线性调频技术(ssctm)，实现扩频通信8。线性调频信号是指瞬时频率随时间成线性变化的信号，如图4所示。ssc p200/p300采用线性调频技术进行通信，使用100400 khz的线性调频信号作为通信载体，将在100 us内频率从200 khz线性增加到400 khz，然后从100 khz线性增加到200 khz的chirp信号作为信号传递的基本单位(ust) 。ssc p200/ p300使用ask方式发送同步码，psk方式发送通信内容，有16bit的循环校验码。传输速率可以达到10 kbit /s。 adaptive network公司生产的an48,an192等产品使用自适应同步的直接序列扩频方式。这种技术能够很快地实现同步码的捕捉。对于一个快速的、实用的可靠的电力线通讯系统来说，快速同步是必须的。an48/192将数据分割成很小的帧进行传递，能够快速捕捉同步码和数据，接收端能自动均衡接收到的信号。传输速率为4. 8 kbit/s(an48)、19. 2 kbit/ s( a n 192)。3.5.5其他方法 其他的通信方法包括双音频调制法(dtmf)、双向工频通信技术(t wacs)、正交频分多路(ofdm)调制技术等。3.6各种通讯系统的比较电力线通信方法性能的比较如表1所示。表1 电力线通信方法比较 第四章 数据通讯系统的实现4.1 基于滤波器组的多载波传输系统ofdm技术把需要传输的高速数据流分解成多个低速的子数据流，并目_用这些子数据流调制多个正交的子载波，这些调制子信号经过合成后才在共用通道上进行传输。为了便于应用，整个过程一般是通过数字信号处理技术来实现的，各子载波可用离散时间的正交函数集来表示，并目_是在一个时间窗(等于码元周期)内实现正交，这实质上是一个多速率滤波器组问题。4.1.1 传统ofdm的滤波器组表示方式一个未考虑保护间隙的传统ofdm系统的基本结构如图4.1所示。图4.1ofdm通讯系统的基本结构在发送端，ofdm在一个码元周期内的输出信号y(n)可表示为:(1)式中:n= 0, 1，.，n- 1 。由图1和式(1)可看出，在一个码元周期内，输出y(n)少有n个采样点，而各个子载波上的输入xi(n)均为1个采样点则连续多个ofdm信号可表示为: (2)式中: 。式(2)中的被求和项可表示为:（3）其他式(3)等号右边实际上可看成是子载波(或子通道)上的输入xi(kn+ n)先经过系数为n的增采样(upsampling)，再与长度为n的滤波器进行卷积5。这里，滤波器的冲激响应函数为 ( n =0，1，n-1)，i 对应于不同的子载波。 同样地，在接收端对接收信号:r(n的fft也可看成是:r(n先分别与对应于不同子通道的长度为n的滤波器进行卷积，再进行系数为n的减采样( down sampling)。这里，滤波器的冲激响应函数为：。因此，图4.1所示的ofdm系统可用如图4.2所示的滤波器组的形式表示。图4.2基于滤波器组的ofdm系统结构若先不考虑实际低压电力线信道的影响，图2中各子通道的正交性可由下式得以实现:式(4)中，项的出现是考虑了滤波器长度限制的结果，即从式 (4）可看出，在理想情况下，不同子通道之间是完全正交的。对于传统的ofdm多载波调制方案，图2中的滤波器是由离散的余弦函数组成。不失一般性，它可表示为6:（5）式中: 为归一化系数。4.1.2基于小波滤波器组的多载波传输系统根据小波变换的多分辨率分析和滤波器组理论，尺度函数和小波均可看成是滤波函数3。基于正交小波基的多路正交复用系统各子通道的等效滤波器，可由一对基本的正交镜像滤波器(qmf)计算得到4，7，其中，低通滤波器对应尺度函数，高通滤波器对应所选定的小波。因此，在多载波系统的发送端，各子载波信号的合成相当于小波的重构;在接收端，对各子载波信号的提取相当于小波的分解。一个具有n-1阶层的快速二进小波-mallat小波重构算法，如图4.3所示。图4.3 mallat小波重构算法g (n)和/r(n)分别对应于具有完全重构性质的qmf组的低通和高通滤波器的离散冲激响应; ，其中i.为滤波器长度。经过多速率转换和滤波器的级联运算，图3可以等效为一个n通道的滤波器组，如图4.4所示 图4.4 n通道重构滤波器组 图4.4中，前n-1个通道( 0,1，.，n-2分别对应图3中不同阶层的高通滤波器的分支，而最后一个通道n-1对应第n- 1阶层的低通滤波器分支，它与通道n- 2处于同一阶层。这样，各通道的采样系数ni和等效滤波器hi(n)可表示如下:（6）（7）式中:ii表示多个滤波器的级联卷积运算。g(n)和h(n)的长度l与所选定的离散小波函数基有关，各通道的滤波器长度li可表示为8 。（8）因此，用正交小波滤波器组表示的多载波传输系统与图2所示的结构相似，不同之处是，要用式(6)所示的各子通道的增采样系数(或减采样系数)和式(7)所示的通道滤波器组代替图2中的相应项。此时，各子通道的正交性可表示为:（9）式(9)中的求和区间是由滤波器的长度决定的。4.2多径信道下的多载波系统性能分析前面所述的传统ofdm和基于小波的正交多载波传输系统，在理想信道上均可实现各子通道的完全正交，从而实现数据在各子通道上无相互干扰的并行传输。但是，实际低压电力线信道并非理想信道，它所具有的多径效应必然会影响各子通道的正交性，造成ici和isi。 低压电力线通道模型可表示为一个多径模型。文献 10在此基础上根据实际测量结果归纳出了一个更简化的时域模型，在离散时间下，低压电力线的通道冲激响应hch(n)可表示为:（10）式中:t为正整数，表示通道的超量延迟(excessdelay)，标准化为传输通道上信号采样周期的倍数。 根据图4.2和式(6)表示的速率变换系数，基于滤波器组的多载波系统发送端所送出的信号y(n)为:（11）由式(10)和式(11)可得到接收端接收到的信号r(n)为:（12） 因此，利用式(9)和式(12)可将接收端的子通道的输出表示为:（13）式(13)最后一个等式右边包括3项，第1项为所需信号，第2项和第3项均为干扰信号，分别对应于isi和ici。不失一般性，假定不同子通道的数据独立不相关，同一通道不同时刻的数据也不相关，即有:（14）因此，根据式(13)所示的isi和ici项，可以得到如下衡量isi和ici功率大小的表达式:（15）式(15)中，k和m的实际取值范围可根据滤波器的长度选定，对基于小波滤波器组的多载波传输系统，其各子通道的滤波器长度由式(8)决定，而传统ofdm系统的滤波器长度均与子通道数相同。4.3 系统结果根据某实际低压电力线上的测量结果，式(10)所示二径通道模型中的超量延迟约1，假设需要在通道上传输2 mhz带宽的信号，最低采样率为4 mhz，则标么化的超量延迟为。在此通道上，根据式(15)进行数字仿真，得到两种多载波传输系统每个子通道isi和ici的功率值。传统ofdm的滤波器组的离散冲激函数由式(5)得到，而基于正交小波基的ofdm滤波器组则由式(7)得到，其中基本低通滤波器(g(n)和高通滤波器(h(n)由所选定的小波决定，这里考虑了haar小波和daubenchies 小波族的2阶、3阶、4阶、5阶小波。 考虑到isi和ici对于系统有用信号来说都是不需要的干扰量，两者本质上并无任何区别，因此，可以综合考虑它们对信号传输性能的影响。图4.5给出了传统ofdm和基于小波ofdm在不同子载波或通道数下，所有子通道平均isi和ici标准功率累加的比较。可以看出，基于小波ofdm的综合干扰明