（通信与信息系统专业论文）电力载波在煤矿通信中的应用(1).pdf

哈尔；_ fw ，人学1 1 学坝p 学位论立 摘要 电力载波通信是利用现成的电力线路( 包括低压电力线和中压、高压电 力线) 或者其它线路r 如双绞线、i t 行线、电话线、接地线、有线电视网、金 属管道、大地、铁轨等1 进行数抓、语音、图像传送。它的不需要新铺通信 线路，不占用无线通信频道，省时、省力、省资金，而且设备移动非常方 便。数字电子技术的精度高、容易与其它系统集成、容易调试、可以与计算 机联网形成网络化控制、可以中继延长通信距离等特点，使得电力载波也从 模拟走向了数字化，进一步扩大了它的应用范围。 本文以此为出发点，将电力载波( p l c ) 技术应用于煤矿井下这样复杂环 境，充分考虑矿井生产环境的特殊性，以及矿井对局部范围工作空间的通信 迫切需求，采用电力载波技术进行语音信号的传输，矿井下有着无处不在的 各种电压等级的电力线，由于照明线路上负荷较为稳定，所以对于信号的传 输干扰较少，本文借助于1 2 7 v 照明线进行速率可调的压缩语音传输，实现 较远距离的数字语音通信，保障煤矿井下局部通信的可靠性，使得矿井深处 危险情况及时在地面掌握，进行遥控指挥，处理及时，使生命和财产损失减 少到最小。 借助于矿井主巷道及工作面内的交流1 2 7 v 照明线路，采用f s k 数字调 制技术传输语音信号。鉴于电力载波通信的通信频段介于5 0 k h z 3 5 0 k h z ， 以及矿井通信空间传输距离不是很远的特点，本文采取将语音信号用 a m b e 2 0 0 0 进行压缩降低了速率，并以t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 为控制器，以k q i o o e 载波楱块进行语音调制解调，最终达到可靠语音通信的目的，并且不 需专用敷设线路，这样大大减少了初期投资，并且达到了应有的技术目的。 关键词电力载波通信：d s p ；a m b e ；f s k ；k q 1 0 0 e 吣，j 、渡r 业入学1 学倾ij 位论殳 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 nu t i l i z e st h ee x i s t i n gp o w e rl i n e ( i n c l u d i n g l o wv o l t a g e ，m i d d l ev o l t a g ea n dh i g hv o l t a g el i n e ) o ro t h e rl i n e s ( t w i s t e d p a i r l i n e ，p a r a l l e ll i n e ，h i g hv o l t a g ep o w e rl i n ea n ds oo n ) t ot r a n s m i td a t a ，v o i c ea n d i m a g e t tn e e d n tp a v et h es p e c i a lc o m m u n i c a t i o nl i n e ，i t d o e s e n 。to c c u p yt h e w i r e l e s sf r e q u e n c yr a n g e ，i tc a nb em o v e d e a s i l y i nt h ed o w n h o l e ，t h e r ei sp l e n t y o fp o w e rl i n e ，w ec a l lu s et h e mt ot r a n s m i td a t aa n dv o i c e t h i st h e s i sc o n s i d e r st h e c o m p l i c a y o ft h ec o a l m i n ea n dt h e u r g e n t r e q u i r e m e n to ft h ep a r t i a lc o m m u n i c a t i o ni n t h ed o w n h o l e i te x p l a i n sh o wt o t r a n s m i tt h ec o m p r e s s e dv o i c et h r o u g ht h ee x i s t i n gp o w e rl i n e b e c a u s et h e r ea r e m a n yk i n d so fv o l t a g ep o w e rl i n ei nt h ec o a l m i n e ，a n dt h el o a dt h a tt h el i g h t i n g l i n ei sc a r r i e di ss t a b l ea n dt h e r ei s l i t t l en o i s eo ni t ，s ot h ed i g t a lv o i c ec a nb e t r a n s m i t t e do nt h el i n e ，i tc a ng u a r a n t e et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ep a r t i a l c o m m n i c a t i o ni nt h ed o w n h o l e d a n g e r o u sc i r c sc a nb ed i s p o s e di nt i m et o d e c r e a s e t h el o s so fp r o p e r t ya n dl i f et ot h el e a s t t h i st h e s i sc o n s i d e r st h ep a r t i c u l a r i t yo ft h ec o a l m i n ea n de x p a t i a t et h e t r a n s m i s s i o no ft h ev o i c es i g n a lw i t hp 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 ( p l c ) b yt h em o d u l a t i n gs t y l eo ff s kv o i c es i g n a l w i l lb et r a n s m i t t e dv i a t h e i l l u m i n a t i n gl i n eo f1 2 7 v o l t a g ei n t h em a i nl a n e w a ya n dt h ew o r k i n gs p a c e b e c a u s et h es p e c t r u mb a n do ft h ep l ci sf r o m5 0 k h zt o3 5 0 k h z ，a n dt h e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c eo ft h ec o a lm i n ei s n l tv e r yl o n g s ot h ed a t ar a t eo ft h e v o i c ei sc o m p r e s s e dw i t ha m b e - 2 0 0 0t os u i t a b l ei d b et r a n s m i t t e do nt h ep o w e r l i n e d s pi st h ec o n t r o l l e r ，w h i c hc a nm e e tt h en e e do fr e a lt i m ef o rt h ev o i c e s i g n a lt r a n s m i s s i o n k q - 1 0 0 ei st h em o d e mt om o d u l a t et h ev o i c es i g n a lo nt h e p o w e r ii n e p l cc a nu s et h ef o r m e rp o w e rl i n ea n dn e e d n tp a v es p e c i a l c o m m u n i c a t i o nl i n e s ot h ei n i t i a li n v e s t m e n ti sv e r ye c o n o m i c a l w ec a nr e a c h o u rt e c h n o l o g yd e s t i n a t i o n k e y w o r d sp o w e rl i n ec a r r i e r ，d s p ，a m b e ，f s k ，k q 一1 0 0 e l a a ：滨i 业人学f 学坝i 学f r 沦z 1 1 课题背景 第1 章绪论 当前煤炭市场的供不应求促进了煤炭生声驹迅速发展，但是目前矿井通 信系统中，各种生产和安全检测设备的陈旧老化以及煤炭市场的巨大潜力使 多年来由于技术的落后不力，以及人员管理不善所造成触目惊心的后果一 暴露出来。除去人员管理及制度的缺陷之外，还有一个不容忽视的问题，就 是煤矿生产中要引进高新技术，使得许多重大的生产隐患在可靠有效的新技 术应用中被避免，消灭于未然。为百姓的生命和国家的财产能在尽可能的基 础上减d , n 最少的程度。 矿井生产不同于其他的生产过程，有其独自的地质条件和环境特点。沼 气，煤尘，火灾，顶板这四大灾害一直是最大的威胁，是我们一直以来以及 今后生产中急需要解决的问题。而且生产工作环境恶劣，各种大型电磁设备 工作中释放到空间中的干扰等都是矿井通信系统的障碍，这些问题的解决有 望依赖于技术的更新。 矿井通信发展过程中，要以有线通信技术为主，以无线技术通信为辅， ( 考虑煤矿井下空问的特殊性) ，强化整体组网概念，突出强调调度功能，兼 容井下各类设备，形成灵活、可靠有效的全矿井通信网。矿井生产环境的特 点决定，局部通信系统具有很大的应用优势，采煤工作面、顺槽用扩音通信 系统、满足煤流运输、巷道之问联络的通信系统、需要监控监测的电话、满 足机车运输的通信系统等等都需要引入新技术，逐渐淘汰原有落后粗糙的模 拟设备，逐步走向数字化，以进一步提高矿井生产的安全性、可靠性和有效 性。 近年来矿井事故的频发使得抢险救灾指挥通信系统项目、以及矿井各种 灾害监测项目亟需开发。井上井下指挥机的无线与有线通信系统配合，无线 与有线中继相配合，危险区内有线与无线通信相协助，使得危险作业区的语 音通信尽可能直达地面。保障矿井深处危险情况可以在地面掌握，进行遥控 指挥，首先做到预防，其次处理及时，使损失减少到最小，国家近期拟用1 5 亿资金来改善煤矿生产的安全状况。 以此为出发点，充分考虑矿井生产j 1 ：境的特殊性，矿井生产过程中用电 i i 舟尔滨下业人学丁学硕士学位论文 可以保证无故障时刻供电，这样采用电力载波技术进行语音信号的传输，以 保障有线通信这一面的可靠性，为矿井通信深入生产【= 作面提供一种微有应 用前景的方式，为i f 常矿井生产提供方便，为矿井抢险救灾活动进一一步加强 了安全可靠性，使矿井深入工作面的局部通信从模拟走向数字化。 1 2 电力载波综述 当今世界范围内，信息的传递已变得非常方便与快捷。人们可以随时随 地与任何人进行通信。但是这种通信是建立在特定的信道上，如公用电话 网、g s m ，或c d m a 移动通信网。再有一种就是上面所述利用特殊信道电 力线传输信息的方式，由于它在电力系统应用较多，相对于传统通信方式人 们了解不多，即人们通常所说的电力载波通信( p l c ：p o w e r l i n ec a r r i e r ) 。 电力载波是电力系统特有的基本通信方式。电力载波通信是一种利用现 有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技术。由于实用、坚 固可靠的电力线作为载波号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠、路由 合理、可同时复用远动信号等特点，是一种不需要线路投资、随着电力线的 存在而可能的有线通信方式。 利用电力载波进行信息传输的历史可谓长久，早在2 0 世纪2 0 年代，国 外就已经出现电力线的载波通信技术。利用高压电力线进行载波通信，在电 力系统中应用已非常广泛，通过高压电网传输数据的理论和实践也已日趋成 熟，这是因为高压电力线具有相对良好的信道特性。虽然在今天，以数字微 波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的通信网络已初步形成、多种通信手 段竞相发展，但是高压电力线载波通信仍然在电力行业地区网、省网、乃至 局网是主要通信手段之一，仍是电力系统应用领域摄广泛的通信方式，它是 电力通信网的重要的基本通信手段。相对高压电力线良好的信道特性，低压 电力线由于其复杂的信道特性，很难得出具体的信道模型。低压电力线上的 高衰减、高噪声、高变形使电力线成为一个不理想的通信媒介。所以低压电 力线传输数据的理论和技术还不成熟。然而，低压电力载波通信更直接接近 用户，有着不可估量的市场前景i i j 。 1 3 电力载波通信的市场需求 电力载波通信技术可以进行模拟或数字信；_ 的双二 传输，可广泛应用于 喻j 演i j 业大学。i ：学倾b 学位论文 电力抄表、家居自动化、小型办公窀、家庭办公室通信( c ( 互联网、内部 件、游戏、音频、视频) 等锄! 域，具有便于普及、节省费用、安装方便、应 用广泛等特点。作为通信技术的+ 个应用领域，低压电力线载波通信技术近 几年才在我国真正应用。由j ：它的实用性和巨大的市场前景，迅速被各家公 司争相采用。 ( 1 ) 电力抄表。 一户一表，取消用电中m j 层，降低居民用电价格，消除用电过程中的腐 败现象。配合国家用电制度的改革，以计算机为基础的自动抄表系统成为电 力部门响应国家这一政策的解决方法。自动抄表系统目前主要有有线通信技 术和电力载波通信技术。有线通信技术作为传统方法，以其稳定性占有优 势。但有线通信铺线工程浩大，而且容易被人为破坏；同时居民楼已建成， 再在表面拉线，居民也难以接受。电力载波通信技术能有效解决上述问题， 它利用现有交流电源线作为通信线路，省去了不切实的铺线工程，优势明 显。自动抄表系统还适用于水表、煤气表等家用生活表。而且对于上述就是 电表、水表、煤气表的改装也比较方便，只需旧表基础上添加一块电力线通 信模块即可，然后再连接到低压电力线上。 f 2 ) 家庭自动化。 利用低压电力线的通信技术，把通信、网络、微控制器结合起来，是在 现有的基础上实现家庭自动化的最佳途径。即以电力线为媒介，把分布在住 宅各角落的微控制器和家用p c 机连成一个网络。借用电力线中传输的信 息，人们可以随心所欲的控制家电网络中的任何一个家电。利用电力线组成 家电网络的优点是电力线和信号线合一，无需另铺设信号线，使人们原来使 用和维护电器的习惯都不受影响；家电也无需增加双绞线、红外接口，主要 在内部配备电力线载波模块，更新程序就行了而且对老式家电的改造也很 容易；由于家电之间通信的信息量较小，电力线载波通信速度慢的问题也不 会太突出。 为此，美国e l e c t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n 与1 9 9 2 年正式发布了针对 家庭的电力联网标准c e b u s f c o n s u m e ri n d u s t r i e sb u s ：消费电子总线、家 庭总线，编号为e i a 0 6 0 0 ) ；后经过若干次修改，并 直受到e i a 的下属组 织c o n s u m e re l e c t r o n i cm a n u f a c t u r e sa s s o c i a t i o n 的大力推广。目前，c e b u s 已经获得a n s i ( a m e r i c a nn a t i o n a ls t a n d a r d s ) 的承认1 引。 ( 3 、智能大厦、智能住宅。 智能住宅的概念起源于美国，美国的智能住宅技幄包最为迅猛。继美国 哈尔【ir 业人? r 学倾j 学位论文 之后，欧洲、f 1 本新加坡等刚家在住它智能疗面也得到了飞速甓胜。所谓智 能化住宅小l ，是指通过综合配置住宅区内的各功能子系统，以综合布线为 基础，计算机网络为区内各种漫备管理自动化的新型住宅小区 通信常智能 大厦是指“：ia ”系统，即： 第一，安全自动化：包括窀内防盗报警系统、消防报警系统、紧急求助 系统、出入fl 控制系统、防盗对讲系统、煤气泄漏报警系统、宅外闭路电视 摄像监控系统、室外巡更签到系统。 第二，通信自动化：包括数字信息网络、语音与传真功能、公用天线系 统。 第三，管理自动化：包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系 统、供水供电设备管理系统、公共信息显示系统。智能大厦、智能小区己成 为市场热点，各公司纷纷加入这一新兴领域。智能大厦、智能小区是一个综 合性的系统工程，包含许多小系统。各家各户、每一房间也存在铺设通信线 路问题，例如消防报警系统、防盗报警系统等，把各报警点集中起来统一处 理，采用电力载波通信有其他通信方式无法比拟的优越性。尤其对消防报警 系统，利用电力线进行数据采集，方便、准确、成本低廉。因此对智能大 厦、智能小区底层通信方式的选取，各公司不约丽同的把电力线载波通信作 为首选p 4 l 。 在有些干扰大、布线困难的工业自动化控制系统，采用电力载波方式也 能达到事半功倍的效果。电力线通信技术适用范围相当广泛，电力线在现代 生活中已无处不在，在必须满足通信要求，而又不便布线的使用场所，都可 采用电力线载波通信技术p j 。 1 4 电力载波通信目前应用与发展 在铁路、地铁、海轮、航标灯、税控、油井、医疗系统、路灯、交通 灯、高压通信、防盗报警、高速公路、地下停车场管理、仓库测控、游乐设 备、热水器控制器等领域，电力载波通信均已发挥了它的技术优势和方便 性。 尤其对边远地区的信息工程“村村通”，以及煤矿井。卜l ：作空间的设备 控制，语音通信，视频监控等都具有很大的使用6 ，j 景。 喻尔滨f i 业j 、pr 学顷i j 学位论文 1 4 1 电力载波应用 电力载波( 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 ) 通信利用高压电力线( 电力 载波领域为3 5 k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 为l o k v 电压等级) 或低压 配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作为信息f 输媒介进行语音或数据传输的一种特殊 通信方式。近年来高压电力载波技术突破了仅限于单片机应用的限制，已 经进入了数字化时代。并且，随着电力载波技术的不断发展和社会的需要， 中低压电力载波通信的技术开发及应用亦出现了方兴未艾的局面，电力载波 通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山”正逐渐成为一门电力通信领域乃 至关系到千家万户的热门专业1 6 j 。 电力载波通信技术由于覆盖面广、一线两用、各类电器均可以作为网络 终端等优势，而成为了当前通信领域的一个研究热点。无论是在家居智能 化、远程监控、电力上网等各领域，电力载波技术均已经有了比较广泛的应 用。低压载波、高压载波、超窄带载波、宽带电力线载波、扩频通信技术、 正交频分多址技术( o f d m ) 、f s k 、a s k 等应用于电力载波通信中，形成了 多样化的载波通信产品与技术。电力载波通信利用电力线传输语音，图像和 数据，在不需要重新布线的基础上，在现有电力线上实现语音、视频、数据 等多项业务承载，最终可以实现四网合一。终端用户只需要插上电源插头， 就可以实现因特网接入。偏远地区或某些特殊生产环境可以进行语音、图像 等远程监控通信。在市场竞争日渐激烈的今天，在新产品开发方面，均不同 程度地引入了当前通信领域中的一些新技术、新概念、新器件、新工艺，从 而使这一传统的通信系统从结构、性能、业务能力等方面均有很大的改良。 结构的小型化、数字复用技术的应用、数字技术在高频调制解调方面的革新 是最引入注目的。 。， 电力载波通信在长达6 7 0 0 0 0 k m 的3 5 k v 以上电压等级的输电线路上多 数已开通信电力载波通道，形成了庞大的电力载波通信网。该网络主要用于 地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、远动以 及综合自动化通道使用。 中低压电力载波的应用目前主要在1 0 k v 电力线作为配电网自动化系统 的数据传输通道和在3 8 0 2 2 0 v 用户电网作为集中远方自动抄表系统的数据 传输通道，还有币在于i ：发并取得阶段性成果的电力线上网高速m o d e m 的应 用。在这些方面，l o k v 上的应用已达到了实用化。作为自动集抄系统通道 的载波应用目前已能够形成组劂通信，完成数据抄收功能，但是由于日户电 ，j 、滨+ r 业人学t 学岫p ：位论文 网的某些时变特性和突发噪，旨对数据传输的影响在技术e 并未得到恨本解 决，因此还存在着一些数扒传输误码的问题【6 - 7 1 。 1 4 2 电力载波通信发展方向 从总体来说，电力载波通信技术在向五个方面发展。 ( 1 ) 从个别用户到低眶段区段使用( p l c ) ，其后段部分采用电话线、光 缆、无线等构筑网络； ( 2 ) 仅用于低压部分( a c lt 0 2 2 0 v ) ； ( 3 ) 室内系统正在出笼： ( 4 ) 室外系统成为研究课题； ( 5 ) 向家居自动化发展( 需要1 m b p s 以上速率) ； 按速率和载波频率分为： ( 1 ) 低速率通信( 1 k b p s 以下) ，主要应用于长距离( 1 k m 以上) 利用2 5 k v 高压电线对配电设施进行控制； ( 2 ) 中速率通信( 1 - 5 0 k b p s ) ，主要应用于固定小区间、楼宇间的数字通 信。包括自动照明控制、消防报警、自动抄表以及数据监控等系统。载波频 率一般在5 0 一3 5 0 k h z 之间； f 3 ) 高速率通信，( 1 0 0 k b p s ) 以上主要用于小区域中的高流量数据通信， 如电脑网络中的打印、文件共享等，采用高载波频率1 7 3 0 m h z 【1 j 。 1 5 电力载波通信的国内外近况 1 5 1 国内情况 我国电力载波通信技术已经成熟应用，在以数字微波通信、卫星通信为 主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竞相发展的今 天，电力载波通信仍然是地区网、省网的主要通信手段之一，仍是电力系统 应用区域最广泛的通信方式，仍是电力通信网的重要的基本通信手段，从理 论研究，到运行实践，都取得了可喜的成效。 电力载波无论是在所具有的规模范围、装机数量还是在从事人员数量 上，都是空前的。在应用卜，上至5 0 0 k v 线路，下至3 5k v 乃至1 0 k v 线 路，都丌通了电力载波机到“八五”初期，全幽1 1 0 k v 及以上电力载波 哈尔滨_ t 、i k 学l 。学顺l 。学位论文 话路公里数已达2 6 力 ，目前已达6 5 j 。电力载波名符其实地成为电力系统 应用最为广泛的通信手段。 电力载波通信综合业务能力有了很大的发展，由过去单独的凋度电话 业务发展到为开放电话、远动、传真、保护、计算机息等综合业务。 理论研究成果卓著。如在频谱管理上，采用了图论、地图色理论和汁 算机技术，提出了分段设计、频谱分组、电网分段或分区、频率重复使用 等，并开发出了软件包，可实现用计算机进行设备管理、频率管理、新通道 设计和旧通道改造、插空安排设备等。为适应现代通信技术的发展，数字式 电力载波机的开发研制也取得了实质性的进展。此外，传输理论、组网技术 等方面的研究也不断有新的进展1 8 】。 1 5 2 国外近况 国外很早就对电力载波进行了技术研究，国外很早就对电力载波通信技 术进行了研究。电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟 h p a ( h o m e p l u gp o w e r l i n ea l l i a n c e ) 、电力线通信论坛p l cf o r u m 、p a l a s f p o w e f l i n ea sa na l t e r n a t i v el o c a la c c e s s ) 、以及日本的e c h o n e t 。 由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成的家庭插电联盟 成立于2 0 0 0 年4 月，致力于创造共同的家用电力线网络通信技术标准。目 前h p a 现已发展成为由9 0 家公司组成的企业集团，并选用美国i n t e l l o n 公 司的技术作为统一技术标准的原型。2 0 0 1 年6 月，h p a 发布了其标准的第 一个版本h o m e p l u gs p e c f i c a t i o n l 0 ，将数据传输速率定为1 4 m b p s ，采用 o f d m 调制解调技术，m a c 层协议为c s m a c a 。该标准定位于家庭内部 网络应用，对户外高速电力线接入较少涉及。， p l cf o r u m 于2 0 0 0 年3 月2 3 日在瑞士成立。它的7 2 个成员来自三大 洲的1 8 个国家，包括著名的a l c a t e lm i c r o e l e c t r o n i c s 、a s c o mm a n a g e m e n t a g 、c i s c oc o m m u n i c a t i o n s 、e n i k i a 、 n o r t e l n e t w o r k s 、p o l y t r a x i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya g 等公司。论坛的目标是为所有对p l c 感兴趣的制 造商、客户、研究人员以及政府机构提供一个平台，促进他们交流和丰富有 关p l c 的知识。该论坛的市场 1 标是提供包括户外接入和户内联网在内全 面p l c 解决方案。p l cf o r u m 不制定标准，但致力于将会员的提议提交给 国际标准化组织，促使其成为标准。p l cf o r u m 的目标是使用p l c 为大众 提供端到端的宽带服务1 9 1 。 i l i _ 尔j 【；：l ，业人学t # f 业卜 位沦义 h p a 和p l cf o r u m 的目f ，j ：各有于伙，两者之间的工作大约有4 0 是委 叠的，h p a 偏重于室内联网，f 阿p l cf o r u m 则侧重于接入部分，它们使h j 不同的频段。另一个区别在于，p l c f o r u m 主要与电力公司打交道，因为室 外部分是电力公司的财产；而家庭内部的电力线不属于电力公司，所以 h p a 主要针对用户进行工作。考虑到频率划分的兼容性问题，p l cf o r u m 提出了对户内外使用频率的划分建议，目* 矿已得到e t s i 的支持。目前该组 织正致力于放宽对p l c 的电磁辐射限值，并纳入国际标准。 p a l a s 将目标定位于为高速p l cf 每场上的潜在用户开发套完整的、 商业化的测试服务工具包，该工具包包括技术模拟和咨询工具、最初的商业 和转型服务模型以及具体的产品策略。除此之外，p a l a s 还提供一套综合 方法，以减少产品面市的时间，增强产品在市场、技术、组织和经济问题上 的确定性。2 0 0 1 年，日本6 0 家有关企业设立了联合机构“电力线载波通信 设备开发会”，研究用电力线作通信线路的技术。 当前高速p l c 技术主要有两种发展模式：其一为以美国为代表的家庭 联网模式。这种模式的p l c 只提供家庭内部联网，户外访问使用其它传统 的通信方式。这一方面是由于美国a d s l 、h f c 等技术和产品已经比较成 熟和普及，更重要的是由于美国的低压配电变压器一般为单相，平均只为 5 - 6 个用户提供供电服务，推广高速p l c 接入技术成本过高的缘故。目前 室内产品的较高速率是i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 达到1 4 m b p s ；另一种模 式是面向欧洲和亚太市场的，因为这些地区的低压配电网结构比较类似，一 般为2 0 0 3 0 0 个用户提供供电服务，推广高速p l c 接入服务平均成本较 低。该应用模式提供自配电变压器或楼边至用户家庭的全面p l c 解决方 案。由于室外产品同室内产品的使用环境不同，技术上实现起来难度较大， 因此能够提供该种方案的公司数量较少，主要希西班牙d s 2 公司、瑞士 a s c o m 公司、以色列m a i n n e t 公司等。这几家公司在欧洲的西班牙、德 国、法国和亚洲的韩国、新加坡、香港等国家和地区建有实验网络【1 0 以制。 1 6 国内煤矿通信现状及发展趋势 1 ，6 1 国内煤矿通信现状 按产煤量的不f d ，煤矿一般分为特大、大、中、小型矿井，产煤曼越 高，配套规模越大，生产系统越复杂，划通信的要求越高。 口尔i 一i 。业人。! 芦t = 学顿i 。学：t 沦文 ( 1 ) 煤炭生产的特点。 由于煤炭生产主要在地下作业，存在工住环境恶劣( 1 - 作区域狭小、照 明差、潮湿、有腐蚀性) ，不安全因素多( 主要仃水、火、瓦斯、顶扳等事故 的威胁) ，人员、设备流动性夫等诸多特殊的素。从生产作业流程上看， 在井f 还具有多工种联合流水作业的特点，这伸作业经常性的有很多重型设 备参与其中，设备之间的运输、安装、调试配合要求很高，息传输必须及 时、准确。同时，煤矿地面的管理部门、生产辅助坏节又具备地面工厂生产 的一切特点。所以煤矿通信网必须既满足井下的安全、生产的需要，又要满 足地面生产、指挥、管理以及人们生活等各方i f | f 的需求。 ( 2 ) 高可靠瓣生产调度通信系统作保障。 由于煤矿生产存在诸多特殊因素，因此，煤矿生产必须把专业调度系统 摆在十分突出的位置除必须建立行政通信系统外，还必须建立生产、洗煤 专业调度通信系统，燕相互成网。 ( 3 ) 满足新形势下对通信信息量的需求。 随着市场经挤的到来，煤矿对外交往越来越多，局内的各煤矿之问交流 也不断增多，对外的信息量有了很大的提高。因此，通信系统的建设必须充 分认识到这种信息量的变化，使网络设计既能满足内部生产、经营的需要， 又要满足对外联系的需要。 。 ， ( 4 ) 煤矿生产的现代化对通信要求越来越高。 随着煤炭生产的现代化程度不断提高，对通信手段、系统功能的要求也 在不断增多。保证通信能够及时、准确、快速的传递对于煤炭生产、经营来 说极为重要。光缆、数字微波、数字程控交换机应该在矿井通信系统得到广 泛的应用，而且宽带上网、无线通信、图像传输等在矿井也要得到基本的普 及。 ( 5 ) 煤矿的安全越来越受到各方的重视。 煤矿井下通信手段必须越来越完善，特别是对片下应急通信系统要求越来越 高 1 5 - 17 1 。 煤炭通信存在的问题： ( 1 ) 由于通信不是煤矿的主导产业，长期以来，无论经济效益好的煤矿 还是经济效益差的煤矿，对通信的投入都明夥不足，综合分析存在以下几个 主要问题，通信设备相对落后，容量不足，可锘性差。 ( 2 ) 组网模式不合理：很多煤矿从地面到j f 下，从主要生产环节到辅助 环节安装有几台甚至十几台小交换机( 程控、j 乓电、磁石等制式并存1 ，他们 喻尔滨丁业大学i 学f 啦! 学位论卫 备j i 独立，成为信息孤岛，系统问联系十分不畅，通信效率低，非常不_ 利于 生，t 和指挥，也不利于员工在生产坏伟中的叵相联系，给| f 常生产经营造成 较夫影响。 ( 3 ) 通信业务单一：有些煤矿的通信网建设只把能够实现晤音通信作为 主篮内容。 ( 4 ) 个人应急系统：当遇到矿井突发事故，出于通信网络不畅、通信手 段单一、网络承受能力差，往往造成领导崖信息不通畅、指挥不灵、数字不 准，非常不利于事故的抢险，极易造成事故损失的扩大。 煤矿通信网建设的原则： 统一规划，科学合理地组建可满足矿井，皇产、安全、经营以及人们日常 生活的数字通信网络，形成手段多样，覆盖井上、下，达到纵向调度灵活可 靠，矿区内外通信畅通，能够保证应急通信的业务范围广泛的扩展性以及灵 活性强的立体通信网络。新建的矿井通信网要保证通信系统实现可运营、可 管理，可平滑升级，不断满足市场经济条件下对通信提出的新要求，与叛 据、图像等多种业务组网，构成宽带综合业务数字网。对现有通信网的改造 要综合利用好已有资源，做到近、远期相结合，既符合现实情况，又适应未 来发展。不仅能适应平时的通信需要，而且能够保证在各种自然灾害、矿井 事故等情况下进行应急通信。 一个现代化的矿井，其通信系统必须做到行政、调度通信相互补充，有 线、无线通信手段相配套，以应急通信作保证，这样才有较大的发展空间。 只有这样，通信网才既能保证煤炭生产、安全、经营及人们生活的需要，又 能实现在紧急情况下的通信保障，才能为向下一代网络的演进打下基础。所 以，薪的煤矿通信网将是集安全性、。管理性、扩展性、生存性于一身的网 络。没有这样一个网络支撑，通信很难保证煤矿袭全生产的正常进行，很难 适应煤矿发展的需要 1 2 1 j 。 1 6 2 发展趋势 是用5 年时i t j 1 ( 2 0 0 5 - - - 2 0 1 0 年) 将数字技术全面引入矿井通信，使数字通 信、图象通信、数据通信综合一体，形成矿用多媒体通信系统，其技术路线 为： ( 1 ) 在国家宽带交换机过关后，选择中小容量的宽带交换机作为矿井通 信窆换点； l i f ； j j ；滨t 业人学t 学唢i 学位沦史 ( 2 ) 开发专用的多媒体调度键盘，取代原有的汁算机键盘，选择司靠的 工控计算机，开发适用的多媒体应用软件，使之成为矿用多媒体调度台，并 根据需要允许4 8 台与之并接形成多座席调度： f 3 ) 开发图象中心、数据中心、语音中心及多功能终端的应用软件； f 4 ) 研究开发互连网软硬件技术； ( 5 ) 开发少量的数字压扩芯片与选择地面成熟的该类芯片充实硬件设 计： ( 6 ) 研究本安光纤合路与分路技术，开发多路光端机且与之相关的电端 技术： ( 7 ) 研制高速率矿用光缆。由此需开发的硬件很多，1 7 1 前应着手丌发数 字话机、数字手机、数字小区中继站、数字本安摄像机、数字化的无线电及 其附属配套设备、本安数字化监视终端等等，用近5 年时j 刨使矿井通信完成 由模拟制向数字化的转化1 2 2 2 4 】。 1 7 本论文主要内容 本论文主要阐述电力载波通信的特点及其发展应用，研究其实现语音 信号数字处理的理论和实现方法；并对其中涉及到的一些电力载波模块进行 大范围国内国外产品的选择，研究并比较其性能参数，最终，确定系统硬件 平台实现其功能，并准备应用于矿井通信。 本文共分四个章节，安排如下： 第l 章绪论。介绍课题的背景及来源，对电力载波通信的市场行情及 国内外的发展情况以及应用前景进行了介绍，并给出文章的结构安排。 第2 章电力载波通信技术原理分析及电力戴波模块的比较选取，并论 述了电力载波传输数字语音的可能。 第3 章系统硬件电路设计。给出了系统的各硬件介绍及应用特点，详 细介绍了系统硬件结构接口以及工作原理。 第4 章系统软件设计与调试。具体讨论了系统各部分调试方法和结 果。 。 结论对电力载波传输语音的实现进行了总结，并对电力载波的应用前 景进行了展望。 i l a 尔滨t ：业人学- i 学l i i | l 学协沦迁 第2 章电力载波通信技术问题 2 1 电力载波通信 电力载波通信是利用现成的电力线路( 包括低压电力线和中压、高压电 力线) 或者其它线路( 如双绞线、平行线、电话线、接地线、有线电视网、金 属管道、大地、铁轨等) 进行数据、语音、图像传送。它的最大优点是不需 要新铺通信线路，不占用无线通信频道，省时、省力、省资金，而且设备移 动非常方便，在遥测遥控方面、偏远地区信息：e 程、煤矿井下数据、语音通 信及视频监控韵应用前景相当乐观1 2 副。 2 2 电力载波通信技术难点 在电力线上进行超高速可靠的通信目前还存在很多严重的障碍，多路延 时散射是高速率面临的一个难题。在实用中的交流电力线路上还存在不可预 测的噪声、无数的干扰源、高度的信号衰减、大范围变化的阻抗，以及多路 延时教射。 从技术角度而言，在利用电力线作为传输媒介的通信过程中，主要存在 着以下几个不利因素，它们对于电力线上信号的传输都有着较大的影响。 ( 1 ) 可变的信号衰减和电力线阻抗。 信号衰减和电力线阻抗的变化是与所传输信号的频率及其物理位置相关 联的。在某些情况下，电力线阻抗可小于0 1 g ，但在另外的条件下，它又 会增大到1 0 0 0 左右；同样，信号衰减在多数情况下都小于5 5 d b ，但有时 又可高达1 0 0 d b 。这些情况对于载波信号的稳定传输都有着较大的影响。 ( 2 ) 阻抗调制。 阻抗与时问也有一定关系。一般而言，在交流波形中，信号接近零点的 部分比其波蜂部分具有更高的阻抗，这个现象i 叮以通过操作电源来做一些解 释：如果线性电源的整流器在波形的波峰处开始r 作的话，则通过变压器， 整流器就会与电源的低阻抗电容相连，从而导致了此时具有较低阻抗的状 态。 ( 3 ) 脉冲噪声( 1 m p u l s e n o i s e ) 。 嘧a ；滨i 址人学丁学坝i ! 学位论文 脉冲噪声应该说是电力线通信中存在的最大障碍出t ：脉冲噪声典有瞬 间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信l 圭传输的影响相；与大， 不仅会造成信号的误码率高，使得接收装置无法对信o ，进行i l i 确的纠错；另 外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。所 以，对这斡_ = l ；扰的抵御就星得尤为重要了。目前使片的交流电有5 0 h z 和 6 0 h z ，则周期为2 0 m s 和1 6 7 m s 在每一交流周期中，出现两次峰值，两次 峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的1 0 0 h z 或1 2 0 h z 脉冲干 扰，干扰时间约2 m s ，固定干扰必须加以处理。有种利用波形过零点的短 时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同 步不好控制，现代通信数据帧又比较长，所以难以应用 2 6 1 。 ( 4 ) 等幅振荡波干扰( c o n t i n u o u s 。w a v ei a m m i n g ) 。 等幅振荡波干扰源包括有意干扰源和无意干扰源两种。前者如婴儿监控 器和对讲机等家庭用产品，其工作频率都在1 0 0 3 0 0k h z 之间；而后者f 如 开关电源等) 产生的主谐波频率也都在5 0 k h z 以上。这些频率范围恰恰是大 多数载波信号的频率范围，嗣而，这种干扰所占的比重也是较高的。 ( 5 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以除过零检测1 1 l j 调制方 式外，电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。 ( 6 ) 三相电力线间有很大信号损失( 1 0 d b 一3 0 d b ) 。通信距离很近时，不 同相问可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。 ( 7 ) 不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线。地藕 合和线中线藕合。线地藕合方式与线一中线藕合方式相比，电力载波信号 少损失十几d b ，但线地藕合方式不是所有地区电力系统都适用。 ( 8 ) 电力线对载波信号造成高衰减。当，电力线上负荷很重时，线路阻抗 可达1q 以下，造成对载被信号的高衰减。实际恕用中，当电力线空载时， 点对点载波信号可传输到凡公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十 米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求，提高载波 信号功率会增加产品成本和体积1 2 7 j 。 2 3 电力载波通信与误码率的问题 低压电力线是一个变参信道，也就是说线路上的各种参数，例如：分带 电容、分布电感、负载性质、负载阻抗值、噪声等，部造动态的，而刁i 是恒 定的。对于一个设计定j 理的产品来说，其调制解调方法、二 ：作频率、发送功 r l i ? 尔演f ：业人学丁。硕1 学位论文 率等都是不，霆的。设计者通常是建立在某一种参数基础上进行陵讣币j 定型 的，信道参数变化，通信效果也随之变化，因此它的可通信距离泣会变化。 所以说，通信距离这一指标没有确定意义。在载波信道参数稳定的情况f ， 发送距离出发送功率和误码率共同决定，发送功率大，则发送距离远，在有 限范围内误码率指标可以得到改善，但是考虑到发送电压和功率对载波线路 上其他电力设备的影响，这个发射功率和电压不能太高，这样限制了发送距 离。所以，从这一点讲，高压电力载波的通信质量要好于低压。因为，高压 电力载波由于高压信道距离低压( 除某些高压设备) 负荷电气距离较远，所以 信道参数情况较好，且高压线程都较长，因此高压电力载波一直以来技术成 熟程度较好，误码率方面的指标要稳定于低压电力载波。 2 4 电力载波传输语音可能 电力载波通信是一种特殊的通信方式，它的信道不是专用信道，而是传 输电能的，所以对于信号传输不是理想信道，因此有很多困难。国内曾经应 用的是模拟电力线载波较多，丽数字化电力载波通信技术一直在发展中，由 于电力载波道的频段在5 0 3 5 0 k i - i z ，所以对于信号的调制解调有很大限制， 用于传输数据的技术已经成熟应用于实践中，对于传输语音，一些动画图像 等也有应用，但是实现难度较大。语音信号的传输相对于其它信号有其特殊 性，要求实时性，而且语音信号采样之后未经处理时速率很高，所占频带很 宽，根本无法在频谱资源有限的电力载波道上传输，这样处理相对于载波信 道传输速率很高的语音信号就是一个很重要的技术，本文采用a m b e 2 0 0 0 进行语音压缩，将语音速率降到载波信道可以传输的速率就具备了语音传输 的可能，那么，如果将速率和性能均满足要求的调制解调器将语音信号调制 到载波信道l ，那么就可以实现电力载波传输语音，这个电力载波模块选用 k q 1 0 0 e 高速型电力载