（通信与信息系统专业论文）基于电力载波通信的转辙机液压监测系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 电力载波通信是以现有的电力电缆为载体实现数据交换的一种通信方式。 随着网络通信技术的发展，这种由于不需要铺设通信专线，可有效降低系统的 运行成本的通信技术开始在工业自动控制领域获得应用。 铁路道岔及其转换设备是铁路线路中至关重要的设施又是轨道中的薄弱环 节。道岔的动作由一般由液压转辙机来驱动。液压转辙的可靠动作对提高铁路 运输效率和保证行车安全起着至关重要的作用。为防止转辙机故障当前普遍采 用人工定期检查的方式，存在很大的不足。随着铁路向电气化和高速化发展， 铁道部为确保行车安全，对铁路电务设备的检测与维修提出了更高的要求。 针对现有铁路道岔液压转辙机油压检测方法存在的不足，设计了一种基于 电力载波扩频通信的铁路道岔转辙机液压检测系统，实现对了铁路液压转辙机 健康状况的实时在线监测，主要研究内容如下：一 ( 1 ) 对电力线路的信道传输特性进行深入的研究并分析了常用的载波通信 技术，通过比较最终选择抗干扰能力强的扩频通信技术作为系统的实现方案。 ( 2 ) 用集成电力载波c d m a 扩频通信模块的单片机p l 3 2 0 1 和自行设计的 滤波放大器及其它辅助外围电路，构造出低压电力线载波通信的硬件电路系统。 考虑到系统硬件规模的可扩展性，系统的数据集中部分采用子母板结构设计。 ( 3 ) 根据系统的实际情况定制了高效的载波通信协议，并针对系统通信过 程中存在的误码问题提出数据的分段校验机制，大大降低了错误重传的次数， 有效提高了系统在恶劣环境中的通信效率。 ( 4 ) 进行了现场装配和调试，进一步认识系统所存在的不足并做了相应的 改进。最后提出了下一步的工作意见。 关键词：液压转辙机；单片机；电力载波通信；扩频通信 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni sak i n do fc o m m u n i c a t i o nw h i c ht a k e st h e e x i s t i n gp o w e rl i n ea st h em e d i af o rd a t ae x c h a n g e i tc a nr e d u c et h ec o s to ft h e s y s t e mb ys a v i n gt h ee x p e n s e so ns e t t i n gu pas p e c i a ll i n e w i t ht h ed e v e l o p m e n to f n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i th a sb e e nw i l d l yu s e di na u t o m a t i cc o n t r o l f i e l d t h er a i ls w i t c ha n dc o n v e i s ee q u i p m e n ta r cv e r yi m p o r t a n t , b u tu n f o r t u n a t e l yi t i saw e a kl i n ki nr a i l w a y t h em o v e m e n to ft h er a i ls w i t c hi sd r i v e nb yh y d r a u l i c s w i t c hm a c h i n e ，i th a sg r e a te f f e c to nt h er a i l w a yt r a n s p o r t e f f i c i e n c ya n dt r a 伍c s a f e t y i no r d e rt oa v o i da c c i d e n t s , w o r k e r sh a v et oc h e c kt h eh y d r a u l i cs w i t c h m a c h i n ec o n s t a n t l yt om a k es u r et h a ti fi ti sw o r k i n gw e l lo rn o t t h er a i l w a yi s e l e c t r i f ya n dh i 曲- s p e e dn o w , s om i n i s t r yo fr a i l w a y sh a sp r o p o s e da l le v e nh i g h e r d e m a n do ne x a m i n a t i o na n dr e p a i rt o 豇l s u r ed r i v i n gs a f e t y t oi m p r o v ee x i s t i n gm e t h o d st h a tm e a s u r eh y d r a u l i cp r e s s u r eo f s w i t c hm a c h i n e ， i nt h i sp a p e rw ed e s i g nak i n do fs w i t c hm a c h i n em o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hb a s e do n p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n i tc a ni m p l e m e n to n l i n ea n dr e a l - t i m em o n i t o r i n g o nr a i l w a yh y d r a u l i cs w i t c hm a c h i n e t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ( 1 ) t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fp o w e rl i n ec i r c u i tc h a n n e li ss t u d i e da n dt h e c o m m o n l yu s e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ea n a l y z e d t h es p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa d o p t e di nt h er e a l i z a t i o ns c h e m eo f t h i ss y s t e m ( 2 ) t h eh a r d w a r ec i r c u i t r ys y s t e mo fl o wv o l t a g ee l e c t r i cp o w e rl i n ec a r r i e r c o m m u n i c a t i o ni sm a k eu pw i t hp l 3 2 0 1a n df i l t e ra p m l i f i e ra n do t h e r sa u x i l i a r y p e r i p h e r yc i r c u i t c o n s i d e r i n gt h ee x p a n s i b i l i t yo f h a r d w a r es y s t e m , t h ef r a m e w o r ko f m a i n b o a r da n ds u b - b o a r di su s e di np a r to f d a t ac e n t r a l i z es y s t e m ( 3 ) t h ee f f i c i e n c yc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li sd e s i n g e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h es y s t e m , a n dt h ep a r t i t i o nm e c h a n i s mo fd a t av e r i f i c a t i o ni su s e dt o s c t c l et h eb i tf f l t o rp r o b l e mi nt h ep r o c e s so fc o m m u n i c a t i o n i tg r e a t l yr e d u c e st h e t i m e so fr e - 仃a n s m i s s i o na n de f f e c t i v e l ye n h a n c e st h ec o m m u n i c a t i n ge f f i c i e n c yo f n 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e mi nw o r s te n v i r o n m e n t ( 4 ) t h ea s s e m b l i n g a n dd e b u g g i n gh a v eb e e n d o n e0 1 1t h e s p o t , t h e d i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e mh a sb e e nf o u n df a r t h e r , a n dr e l a t i v ei m p r o v e m e n th a s b e e nf m i s h e x i f i n a l l y ，t h ea d v i c eo f n e x tw o r ki sp r o v i d e d k e y w o r 山：h y d r a u l i cs w i t c h e rm a c h i n e ；s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ； p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ；s 删s p c c t r u mc o m m u n i c a t i o n m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 日期：丝2 ：! ：望 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签 日期：o 、1 9日期：1 2 么上、 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 1 1 1 项目来源 第1 章绪论 武汉市科技攻关项目“轨道道岔液压转辙机安全运行状态在线监测系统研 究与开发”( 2 0 0 7 6 0 4 2 3 1 6 5 ) 。 1 1 2 课题研究背景和意义 铁路道岔及其转换设备是铁路线路中至关重要的设施又是轨道中的薄弱环 节【”。道岔位于道轨组合处，实现铁轨的移动和接轨。道岔转换系统的可靠动作 对提高铁路运输效率和保证行车安全起着至关重要的作用。从历年来的铁路电 务故障统计资料来看，道岔转辙机发生故障的几率占据首位，因道岔转辙机发 生故障所引发的重大事故的案例让人记忆犹新，可见道岔转辙机的健康检测工 作十分重要。 道岔的动作一般是由液压转辙机来完成。由于道岔处于露天状态，很容易 出现锈蚀、有杂物堵塞等意外状况，液压型转辙机漏油也是普遍存在的问题， 由此造成道岔的误动作、不动作、不完全动作极易引发重大的行车事故。为防 止事故的发生我们必须时刻检测液压转辙机的健康状况，而液压转辙机的油压 状况直接反映了转辙机的健康状况闭。当前一般的做法是靠人工定期检查，检查 漏油的方法是在油管接头处接一块油压表，每次巡视中检查油压，并记录在设 备检修卡上，通过比较来发现问题。但是液压转辙机动作较快，观测油压表很 难得到准确的数据，并且受测试人员水平、油压表精度以及气候条件等因素影 响，使测试数据容易出现误差，人工观测还存在一定周期，因此不能实时反映 油压的变化情况，也无法及时发现液压转辙机是否漏油。同时由于行车密度大， 而道岔和转辙机的数量大( 小站有几十台，大站有几百台) ，仅靠传统的人工定 期预防性试验和定期计划检修很难及时发现问题并严格保障道岔和转辙机的正 常运行。 武汉理工大学硕士学位论文 随着铁路向电气化和高速化发展，铁道部为确保行车安全，对铁路电务设 备的检测与维修提出了更高的要求，要求设备的检修和维护采用状态修来完成， 即根据设备的状态决定维修与否，使得存在安全隐患的设备能在出故障之前就 得到及时的处理【4 】。状态修的关键在于对设备状态的连续实时的跟踪监测，及时 发现设备故障隐患，从而提高检修和维护的速度及质量。在铁路中由于需要被 监测的转辙机一般与监测主机所在位置即车站电气集中室的距离近的有几十米 最远的约有三千米，并且数量较多分布无规律，检测数据的可靠传输存在很大 困难，特别是现有车站内可用的电缆极为有限且造价高，为节约电缆及提高系 统可用性，克服现有检查液压转辙机油压方法的不足，按照状态修的要求，设 计了一种基于电力线载波通信系统的液压转辙机油压实时监测方法，该方法采 用电力载波扩频通信技术来实现数据与室外工作电源的共线传输，完成室外监 测分机与室内主机的远距离可靠通信，能准确、实时地记录液压转辙机的油压 值及动作时间，及时发现液压转辙机故障隐患，提高了检修的质量，对确保铁 路行车的安全、提高铁路运输的效率具有极其重要的意义。 1 2 本文主要研究内容 本文以基于电力线载波通信的铁路道岔液压转辙机测控系统为研究对象， 进行了系统软硬件设计与实现。主要内容安排如下： 第一章介绍了铁路液压转辙机道岔实时测控系统的研究背景和意义； 第二章对电路载波通信系统所存在的实际问题进行较为详细的描述和分 析，包括电力线上的信号传输特性如输入阻抗、信号衰减和噪声干扰等； 第三章分析了各种现代通信技术的特性及其在电力载波通信中的应用，并 从中选择合适的方案； 第四章主要内容是系统的硬件设计，介绍了单片机芯片的选取和外围电路 的设计，重点描述电力载波通信单元和数据采集节点单元的各个模块硬件设计； 第五章主要内容是系统的软件通信协议设计及p c 上位机软件设计，描述 了该系统所采用的通信协议特点、帧格式的设计，重点研究了协议里数据的容 错校验机制的设计，以及该协议在系统通信中的具体应用； 第六章总结了该系统设计中的一些经验和不足之处，以及对下一步工作的 展望。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 作者所做的工作 ( 1 ) 需求分析，首先考察了当前当前铁路液压转辙机检测技术的现状，研究 了系统在实现过程中的关键技术，提出了电力载波通信技术方案。 ( 2 ) 对电力载波通信的应用技术进行较为深入的学习和研究，并根据实际项 目环境的需要选择具体的通信实现方案。 ( 3 ) 仔细研究了基于p l 3 2 0 1s o c 芯片在电力载波通信中的系统硬件设计和 软件编程技术。制定了相应的软件通信协议，通过编程实现，并在调试和使用 中不断的优化。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电力线载波通信系统的问题分析 在通信领域，衡量通信信道性能的基本指标是输入阻抗、信号衰减、干扰 特性等，尤其是对高频信号的衰减和干扰。从六七十年代以来，利用中高压电 力线作为信号传输通道的电力线载波通信己经获得广泛使用，对高压电力线进 行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但是，在低压电力线上进行信号 传输与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗 小、信号衰减快、干扰与时变性大等特点【6 】，这些情况在很大程度上阻碍的低压 电力线载波通信的应用与发展。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一 步具体分析。 2 1 低压电力线上输入阻抗的变化特性 低压电力线的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想情况下，当 没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容 的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时，所有频 率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化 也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。图2 - 1 是某 电网电力线根据实际测试结果绘出的输入阻抗与频率的关系曲线【5 】。 阻抗，q l 1 0 l o 。i 1 0 02 0 04 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 频- 攀k h z 图2 1电力线上信号频率与阻抗的关系 4 武汉理工大学硕士学位论文 从图2 1 中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可 以从o 1 变到大于1 0 0 ，变化范围超过了1 0 0 0 倍! 而且，在实验所测的频率范 围内，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变 化规律，甚至与之相反。为解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线， 上面连接有各种复杂的负载。这些负载电力线本身组合成许多共振电路，在共 振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此，在输入阻抗与频率的关系图上可 以看到许多阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起来，就形成图2 1 所示的图形，并 会在局部上违反电力线阻抗随负载增大而降低的一般规律。同时，正是由于负 载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗也会 发生较大幅度的改变。 即便是在同一电网上，不同地点其阻抗特性也可能存在很大差异，图2 1 中 的实线和虚线就是分别在同一组电路线上两个不同地点测试的结果。可以看出， 信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。从理论上分析，在由许多电 阻、电容和电感组成的网络中，从不同的位置点计算，输入阻抗显然是不同的。 由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和 接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难嗍。 2 2 高频信号在低压电力线上的衰减及其变化规律 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个难 题。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质 的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线 上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关 系【9 】。 总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线 是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到 反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关 系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民 用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在 三相上的衰减也不同。信号频率与信号衰减有着直接的关系。如图2 - 2 即为某个 工业建筑内的两个时间段分别测出的信号衰减与频率之间的关系刚。 武汉理工大学硕士学位论文 顿蜜月c h z 额率a h z 图2 - 2 信号衰减一频率变化曲线 图2 2 中，i s 曲线是在近距离( 大约1 0 m ) 同一相上测得的衰减曲线；i 曲线 是在较长距离同一相上测得的衰减曲线；a i 和a 2 曲线表示距离较长且不在同 相上的信号衰减曲线。i s 曲线的衰减随频率变化比较平缓，且小于5 d b ，由于 距离很近，发送与接收两点间的负载对信号衰减影响不大。i 曲线是在距离5 0 m 3 0 0 m 的某一点。将i s 曲线和i 曲线进行比较，可见传输距离对衰减的影响是非 常明显的，在某些频率，衰减的变化可以超过5 0 d b 。从i 蓝线可以看出，小于 6 0 k h z 的信号，衰减大约在2 5 d b 附近，然后衰减随频率增加而增大，到了 2 0 0 k h z ，衰减大约为5 0 d b 。a 1 和a 2 曲线的测量距离在2 0 m 3 0 0 m 。比较i ， a l 和a 2 曲线可以发现，高频信号在跨相传播时，衰减一般都要比同相传播大。 通常情况下，这个差距可以达到1 0 d b 以上。但是，有些时候跨相传播的衰减并 不一定大于同相传播。引起这种现象的原因是三根相线之间存在的一些耦合电 容，以及有些三相供电的用电设备，如三相电机、大功率加热器等。这些设备 对称地使用三相电源，也就等效于为高频信号在三相电源之间加入了耦合元件。 值得一提的是，电容器对低压电力线载波通信系统有重大的影响。由于电 6 o m 鲰 o m 袖 箝鳓 武汉理工大学硕士学位论文 容器高频信号的阻抗比较小，所以会使高频信号有比较大的衰减。例如，一个 并接在一相上的l o 心电容器，对1 0 0 k h z 的信号的阻抗只有0 1 6 q 。这对于低压 电力线载波通信系统可以说是一个巨大的障碍。 图2 2 为晚上在同一地点测得的衰减曲线。因为i s 曲线与图2 2 ( a ) 几乎 完全一样，所以未画出。从i 曲线可以看出，晚间同相传输的衰减基本上比白天 要小，在某些频率，衰减甚至可以小2 0 d b 。这主要是因为晚间特别是到深夜时 的负载较轻。在跨相传输中，衰减的波动比较大，在某些频率上的衰减比白天 还要大2 0 d b ，这可能是电抗性负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。 从以上曲线的分析可知，在低压电力线载波通信中，确定一个合理的通信 带宽并不容易。从衰减变化的趋势来看，大于1 5 0 k h z 的信号会有比较大的衰减。 所以，许多现有的低压电力线载波通信系统大多使用低于1 5 0 k h z 的载波频率。 但是，图2 - 2 ( b ) 中，8 0 k i 也信号衰减的突然增加表明在5 0 k i - i z 1 5 0 k h z 的频率 范围内也可能会出现很大的衰减。高频信号在低压电力线上传输时，还有一个 显著的现象是其衰减随工频电源的相位而变化。有时高频信号在工频电源的某 个相位范围( 比如3 0 0 1 5 0 。，2 1 0 。3 3 0 。) 内会发生较大的衰减变化。在这个相 位范围内，信号衰减有可能会减小几个分贝，或是增大几分贝到十几分贝。产 生这种现象的原因，可能是因为一些工作于开关状态的设备，如开关电源等， 在工频交流电的一定相位时打开开关器件，于是就将电力线连接到了后面的电 路上。这些电路上通常含有大容量的电容器或大功率的负载，所以会引起高频 信号衰减的急剧变化。而且大多数的开关电源都在一次侧接有补偿电容，虽然 电容量较小，但是由于数量较多，所以其影响不容忽视。除此之外，开关电源 会向电力线上释放大量高频干扰，从而影响系统的工作。 随着负载在电力线上的连接或断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出 不同的特点。有时这种变化的程度会很大。这一现象，在对比图2 2 ( a ) 和图2 2 ( b ) 中就可以看出。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变 化。但是，从统计上来说，这种变化还是有一定的定性规律可寻的。多数情况 下，电力线上负载的大小，性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如，在 工业区，白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上1 8 0 0 到2 2 ：0 0 的衰减是最 大的。合理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。另外， 接收机所处的位置不同，信号的衰减也不同【1 引。在某些负载，如彩色电视机、 计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。在现场试验过程中，我们 7 武汉理工大学硕士学位论文 还发现在电缆线与架空线混合布线的地方，在电缆与架空线连接处的信号衰减 十分显著。产生这种现象的原因，可能是由于在这一点，线路阻抗发生突变， 高频信号会在此发生反射，因而使信号衰减增大。 从以上分析可以看出，在总体上，电力线上的衰减随着频率的增加而增加， 但在某些频率，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突 然的迅速增加。同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响，随 着距离的增加，衰减会迅速地增加。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大 1 0 d b 以上，但有时也会有例外。随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减 也会出现周期性的变化。在不同的时间段、不同的地点，衰减幅度也不同，有 时变化会很大。 2 3 低压电力线传输干扰特性分析 干扰是影响低压电力线载波通信普及和推广的最大障碍，电力线上的干扰 可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象如雷电在电力 线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数 据通信有更严重的影响。 为了说明干扰的复杂特性并简化分析，可以近似地将其分成4 类：周期性 的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。 通常情况下，前两类干扰占主导地位l l6 】。 2 3 1 周期性干扰 在以前的研究中发现，谐波噪声以交流电频率f a c 的整数倍出现，因此有理 由相信干扰也会存在周期性的倾向。图2 3 是某一时刻电力线上的干扰波形。图 中显示电力线上的主要干扰是周期性出现的，其出现频率为2 f a c ，而且其幅值 比时不变连续干扰大许多【1 7 1 。 产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备在工频交流电基波的某个 固定相位上释放出干扰。例如，可控硅整流电源在a c 电源基波正半周和负半周 的4 5 。切换，则在一个工频周期中a c 电源上会出现2 个缺口，从而会以1 0 0h z 为周期，每周期2 次释放出强烈的干扰，而且这种干扰与a c 电源有着固定的相 位关系。每次干扰的持续时间受多种因素的影响，如可控整流电源在a c 电源上 8 武汉理工大学硕士学位论文 产生缺口的宽度，电力线对高频干扰的衰减强度等。在图2 3 中，每次干扰的持 续时间约为3m s 。另外，许多开关电源、逆变器等还可能产生频率高于1 0 0h z 的周期性干扰。 3 5 3 0 2 j 2 。0 1 5 i ，ii j- il 矗。k a _lj l 。k i i m ji - ：2 1 智 r 1 可r ，| n h 。帮r1 | 1r 05 1 0 52 0 孙”4 0 ” 5 0 图2 3电力线上的周期性干扰 为对这种周期干扰进行进一步分析，画出图2 3 干扰信号的对数频谱特性如 图2 - 4 所示。从图2 - 4 中可以看出，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变， 有些频率信号的强度很高，有些则很低。但是，从总体上来看，9k h z 以上的干 扰信号的强度比8k i - i z 以下的信号的强度平均要大7 d b 8 d b 。因此，这种周期 干扰主要是由大量的高频干扰组合而成的。由于通常使用的电力线载波通信设 备的工作频率都在1 0k h z 以上，所以这种干扰必然会对它们的正常工作产生很 大的影响。如果不采取措施，这种干扰每一周期可能引起几个到十几个数据位 的传输错误。以上述干扰为例，对于以4 8 0 0 b i t s 进行的数据通信，每次干扰可 能破坏1 5 个数据位的传输。 干扰也展强度d r 3 0 2 0 l o o 1 0 2 0 o2 4 6 矗 1 0 1 2 1 4 1 6 l 纛2 0 图2 4 干扰信号的对数频谱特性 9 频率，l c h 7 武汉理工大学硕士学位论文 消除这种干扰的困难有两点：首先，由于无法对这种干扰的周期、宽度、 强度和发生时间等做出准确的预测，但是这些参数的变化范围可能很大，所以 很难有针对性地采取措施抑制这种干扰；其次，由于这种干扰的频谱非常宽， 所以对接收端滤波器的灵敏度有很高的要求。 许多大功率的用电设备如电机等，会在电网上产生很多的高次谐波。这些 高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率有可能延伸 到几万赫兹。如果信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大的 影响。 在实际情况中，由于大量的用电设备同时释放出于扰，而这些干扰的瞬时 功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上产生时不 变的连续干扰。在图2 3 中，幅值较低的连续干扰就属于这种干扰。这种干扰表 现为平均功率较小，但是频谱很宽而且持续存在。由于信号在电力线上传输的 衰减非常大并富于变化，而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此， 在通信过程中的信噪比可能会变得很低，通信误码率增加。 2 3 2 随机性的千扰 除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干 扰。这种随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力 线路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续 时间较短，但能量很集中，频谱也很宽1 1 7 1 。 高压开关的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁 脉冲( 脉冲群) ，而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。 雷电会在电力线路上产生能量很大的电流和电压脉冲，电流峰值可达几千 安培，电压峰值可达几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不大于5 5 1 a s ，下 降时间相对较长，但通常也不大于7 5 雌。雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、 二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路。这样的雷击过电压在低压网络 内传播时，遇阻抗不同的节点时将发生反射，产生振荡波，其频率和传播速度 与电路内的各种参数有关，最具典型的是上升时间为0 5 1 t s 振荡频率为1 0 0 k h z 的衰减振荡波。显然，这种脉冲会对载波通信产生很大的影响。 另外，低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停 过程、功率因数补偿电容器的切换以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 压、电流的突变和谐波分量的增加。而在离接收机近距离的范围内，某些中小 功率的负载，如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响 通信。 上述这些干扰的持续时间较短，从几十微秒到几秒不等，强度大小也不等， 出现时间也是随机的，具有很大的不可预测性。如果它们正好发生在数据通信 过程中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干个位甚至整 个数据传输过程发生错误【1 鄹。在一个完善的低压电力线载波通信系统中，可以 通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。 2 3 3 干扰的多变性 与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种 多变性表现在两个方面。首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度 都各不相同；其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同； 而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。前者是因为在不同 的电网之间，连接的负载、线路情况、电网结构等都不同，导致电网内的各种 参数都不同，则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在电力线上的传播也 要遵循高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰减特性的影响，因 而对距离、负载分布等也很敏感【1 9 1 。因此，电力线上干扰的因地而变的特性对 低压电力线载波通信系统也会有很大的影响。 2 4 本章小结 本章主要介绍了电力载波通信系统信道的信号传输特性，包括输入阻抗、 信号衰减，尤其是高频信号的衰减和抗干扰特性，通过分析讨论可以大致了解 低压电力载波通信系统中的技术难点及其制约因素，为下一步工作指明了方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章电力载波扩频通信技术 由于数字基带信号具有很宽的频带范围，因此要使它们在带限信道中传输 就必须用数字信号对载波进行调制，即用数字信号来调制较高频率的正弦或脉 冲载波，使已调信号能通过带限信道传输。这种用基带数字信号控制高频载波， 把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制。它的本质是利用数 字信号离散取值的特点来键控载波，比如对载波的振幅、频率、相位进行键控 可分别获得振幅键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 及相移键控( p s k ) 。近年来，为了解 决电力线在高速数据通信中的技术难题，又相继提出扩频调制和正交频分复用 ( o f d i v 0 等调制技术【2 l l 。实践证明，它们对解决低压电力线通信中的干扰问题有 很好的效果。 3 1 常用的电力线载波通信技术 3 1 1 双音多频调钥方式 双音多频是利用数字合成技术的一种编码方式，是窄带频率调制的一种， 传输信号的方式不是脉冲而是由两个音频信号组成的混合信号，在程控电话系 统中已经有广泛应用。构成双音频信号的是高音组和低音组各4 个音频信号， 在这八个频率的信号中，不存在谐波关系，且任意一个频率不能由其它两个频 率经加减得到。双音多频信号就从这两组信号中各取一个组合而成，表示o f 的十六迸制数。为了加强系统的抗干扰能力，可以在调制和解调两端使用锁相 环。双音多频通信具有很强的抗干扰性，传输距离远，但其传输数据较慢。 3 1 2 窄带通信方式( n a r r o wl h e d ) 窄带通信方式价格低廉并且较易实现，所以在以往的应用中比较多。但窄 带技术的缺点是抗干扰能力较差，尽管窄带通信中的接收器具有较窄的通带， 使得仅有- - d 部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤波器具有高 品质因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生白干扰，引起它对传输来的信号产生误 武汉理工大学硕士学位论文 操作；而使用低品质因数的滤波器又会使通带带宽加大，令更多的噪声进入接 收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。 3 1 3 线形调频脉冲方式 此方法多用于类似于以太网的c s m a 网络，它利用一系列短促的、可自同 步的扫描频率c l 1 i r p s 作为载体，每个c h i r p s 一般持续1 0 0 l ls ，它代表了最基本 的通信符号时间s d 。这些c h i r p s 覆盖了1 0 0 4 0 0k h z 的频带，并总是以 2 0 0 4 0 0 k h z 的频率开始，继而以1 0 0 2 0 0 k f i z 频率结束。由于c h i r p s 信号的 线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度也较高，而等幅振荡波干扰 的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器设计成只通过具有特定角加速 度的信号，就可以将等幅振荡波干扰排除在外。另外，此种c h i r p s 波形还具有 很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备可 以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设 备间进行同步。 3 1 4 多载波调制方式似u mc a r r i e rm o d n h t i o g - - m c m ) 多载波调制是一种多载频并传体制，其基本原理是将输入信息转换成多路 并行信号，对相互完全正交的一组载波进行调制。因此，m c m 技术的实质是将 时分多路( t d m ) 的数据传输转化为频分多路( f d m ) 的数据传输。实际系统中，由 于信道畸变和噪声的存在，各子载波间的正交性常常遭到破坏，因此存在着由 于非严格正交产生的子信道之间的串扰、因每一子信道本身的畸变产生的前后 符号之间的串扰和上述两者共同作用产生的前后信息帧问不同信道上的串扰。 在m c m 设计中，可采取很多措施克服这些干扰，使系统达到最佳性能。如将交 织与纠错编码结合，可以克服电网运行调节过程中引起的突发噪声；增加信道 均衡器对信道特性进行补偿，可克服信道畸变引起的串扰。而利用m c m 本身的 并行正交调制特性，可以有效地抑制电力线上的脉冲噪声和窄带噪声。 3 1 5 超窄带通信方式 超窄带信号具有极窄的带宽，比通常的窄带小得多。由于电力传输线上的 电磁干扰都具有一定的带宽，其功率虽然很大，但在任一窄带通道内的值就很 武汉理工大学硕士学位论文 小。当信号在一个极窄的通道内传送时，就可以以小功率获得大的信噪比。采 用此方法的优点：窄带和低功耗( 2 w ) 发送设备简单、安装方便；信号传输距离 长，安全可靠。不足之处是数据传输速率太慢，由于发送信号带宽很小( o 0 1 h z ) ， 数据信号的波特率很低，一个数据位需要1 0 m i n 以上。不过既然其占用带宽窄， 超窄带信号可以使相邻两路信号之间的频率间隔也很小( o 0 1 h z 以下) ，所以可以 在一个几赫兹窄频带内传送成千路信号。这样可以使每个发送设备使用不同的 频率同时发送，每路信号经同一载波调制，载波由电力波形变换后获得，然后 发送到输电线上 2 4 1 。接收部件解调并借助数字信号处理模块完成各信号的相关 运算和处理，分离出各路信号，转换成数据信息。 3 1 6 扩频通信方式；( s p r e a ds p e c t r u m ) 扩频通信方式是一种简便、易实现、价格低廉的方式。扩频技术最早自5 0 年代中期被美国军方开始研究。直到8 0 年代初才被应用于民用通信领域。为了 满足日益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出 在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来个人通信中采用扩频技术。本论文 给出的通信解决方案就是基于扩频技术的c d m a 直接序列扩频，c d m a ( 码分 多址) 是以扩频通信技术为基础的。 3 2 扩频通信技术 3 2 i 扩频通信原理 扩频通信即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o n u n u n i c a t i o n ) ，属于宽带通信 范畴，它是指将信息频带展宽使其在很宽的频带内传输。系统以牺牲带宽为代 价来提高系统的抗干扰性能，使信息传输更为可靠。利用这一先进的通信技术， 通过采用信号处理算法及简单的硬件设备，在信道特性不变的条件下，即可使 通信过程中数字通信的误码率大大降低，从而使在复杂多变信道中获得高可靠、 高质量通信成为可能。 扩频通信的一般工作原理如图3 1 所示。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 锢册哐岫 国国国囱 图3 1 扩频通信的一般工作原理 在发送端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产 生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射 频发送出去。 在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端同 步的扩频码序列去相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息输出【2 7 l 。 可见扩频通信应具备如下特征： ( 1 ) 数字传输方式； ( 2 ) 传输信号的带宽远大于被传信息带宽； ( 3 ) 带宽的展宽，是利用与被传信息无关的函数( 扩频函数) 对被传信息的信元 重新进行调制实现的； ( 4 ) 接收端用相同的扩频函数进行相关解调( 解扩) ，求解出被传信息的数据。 用扩频函数调制和对信号相关处理是扩频通信有别于其他通信的两大特点。 3 2 2 扩频通信的理论基础 扩频通信的理论基础可用香农( s h a n n o n ) 信道容量公式： c = w l o g m 争( 3 - 1 ) 来描述。其中c 为信道容量( 比特，秒) ，n 为噪声功率，w 为信号带宽( 赫兹) ， s 为信号的功率。该公式表明：在高斯通道中，当传输系统的信号噪声功率比 s n 下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量c 不变。对于任意给 定的信号噪声比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩展频谱技 术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的 目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制的带宽大几百倍至几千倍。故具有 武汉理工大学硕士学位论文 较强的抗干扰的能力。 香农定理指出，在高斯噪声的干扰下，在带限平均功率的信道上，实现有 效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声 信号具有理想的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今仍 存在着许多技术因难，然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的 伪随机序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性，也就是说它逼近 于高斯信道要求的最佳信号形式。所以用伪随机码扩展待传的基带信号频谱的 扩展频谱通信系统，也可以实现比较好的抗干扰性能 2 8 1 。 早在5 0 年代，哈尔凯维奇就从理论上证明：要克服多径衰落干扰的影响， 信道中传输的最佳信号形式也应该是具有白噪声统计特性的信号形式。扩频函 数( 伪码) 逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的能力。 3 2 3 扩频系统处理增益及抗干扰容限 在扩频通信系统中，由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端经解扩后使 得接收机输出的信噪比相对于输入的信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干 扰能力。因此，可用系统输出信噪比与输入信噪比二者之比来表征扩频系统的 抗干扰能力。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频信号 的带宽w 与信息带宽f 之比成正比。即： g：w(3-2) a f 式中g 称作扩频系统的处理增益( 或叫扩频增益) ，它表示了扩频系统信噪 比改善的程度，是扩频系统的一个重要性能指标。为了充分说明系统在于扰环 境下的工作性能，引入了抗干扰容限，其定义为： 鸩廿 ( 孙叫 ， 式中国。为输出端的解调所需信噪比；l s 为系统损耗。由此可见，抗干 扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高。 例如，一个扩频系统的处理增益为3 5 d b 要求误码率小于l o - 5 的信息数据解调 的最小的输出信噪比小于1 0d b ，系统损耗l s = 3 d b ，则干扰容限m j = 3 5 - - ( 1 0 + 3 ) = 2 2 d b 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 这说明，该系统能在干扰输入功率电平比扩频信号功率电平高2 2 d b