（通信与信息系统专业论文）高压电力线扩频通信的研究.pdf

山东夫学硕士学位论文 摘要 摘要：扩频通信是一种有强抗干扰能力的数字宽带通信技术。本文介绍了 电力系统通信和现有高压电力线通信技术特别是载波通信。对高压电力线 信道进行了分析，总结了相关参数的计算公式。提出利用现有载波设备实 现高压电力线上的扩频通信，比较论证了d s s s 、f h s s 、d s f h s s 等 具体的扩频体制，选择性能最优越的d s f h s s 为系统设计方案。在实验 室条件下完成了电路实验，验证了扩频通信应用于高压电力线的可行性， 并提出了进一步的改进方案。 关键词：高压电力线。p n 码、同步扩频调制解调 a b s t r a c t ：s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o ni sak i n do f d i g i t a l w i d e b a n dt e c h n o l o g yw i t hs t r o n ga n t i i a ma b i l 时t h j sp a p e ri n t r o d u c e st h e c o m m u n i c a t i o no fe l e c t n cs y s t e ma n dc u r r e n th i g hv o l t a g ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g l e se s p e c i a l l y p o w e d i n ec a r r i e fa f t e r c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fh v p c h a n n e l ss o m ec a l c u l a t i o nf o r m u l af o r c o r r e s p o n d i n gp a r a m e t e r s a r es u m m a r i z e d t h i sp a p e r p r e s e n t s t h ei d e a t ou t i z e e x i s t i n g c a m e rd e v i c e st o i m p l e m e n ts p r e a ds p e c t 兀j m c o m m u n i c a t i o n t h e nc o m p a r e s a n dd e m o n s t r a t e st h e s et h r e es s s y s t e m s ：d s s s 、f h s s 、d s ，f h - s sa n d c h o o s e sd s f h s sa st h ej a s t d e s i g ns c h e m eb e c a u s eo fb b e s tp e r f o r m a n c e t h ec i r e u i te x p e r i m e n t s a t ea c c o m p l i s h e du n d e rj a bc o n d i t i o n s ，a n di tv a l i d a t et h a ts sc a nb e a p p l i e dt o h v p t h i sp a p e ra l s o p r e s e n t sf u r t h e rm e a s u r e sf o rb e t t e r p e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：h i g hv o l t a g ep o w e r l i n e ，p nc o d e ，s y n c h r o n i z a t i o n ， s p r e a ds p e c t r u m ，m o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n 2 山东大学硕 学位论文 符号说明 a g c ( a u t og a i nc o n t r 0 1 )自动增益控制 a s k ( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g )幅度键控 b p s k ( b i n a r y p h a s es h i f tk e y i n g )二进制相移键控 d a c ( d i g i t a l - t o - a n a l o gc o n v e r t e r ) 数模转换器 d d s ( d i r e c t d i g i t a ls y n t h e s i z e r ) 直接数字合成 d s - s s ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ) 直接序列扩频系统 f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ) 跳频扩频系统 f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g )频移键控 f s w ( f r e q u e n c y s t a t u sw o r d ) 频率状态字 g p ( p r o c e s s i n g g a i n )处理增益 h v p ( h i g hv o l t a g ep o w e r l i n e )高压电力线 p l c ( p o w e rl i n ec a r d e r )电力线载波 p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ) 锁相环 p n ( p s e u d on o i s e )伪噪声 p s k ( p h a s es h m k e y i n g )相移键控 s a w ( a c o u s t i cs o u n dw a v e )声表面波 t h s s ( t i m e h o p p i n gs p r e a ds p e c t r u ms y s t e m ) 跳时扩频系统 v c o ( v o l t a g e c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) 压控振荡器 3 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 当今社会已经进入信息时代，通信已成为人们日常生活中不可缺少的 重要组成部分。然而，目前通信产业的现状远不能满足急剧增长的通信发 展需要。如何有效地利用现有条件实现高质量、大容量的通信，就成为人 们亟待解决的问题。 通信是电力系统不可缺少的重要组成部分，是电力系统自动化、现代 化的基础。随着现代化大电网的形成和发展，通信在电力系统中地位越来 越重要，它不仅为电力系统的安全和调度服务，为电力生产和基建服务， 还为电力工业管理现代化提供物质基础。 根据我国国情，为保证电力网的安全、经济运行，不但需要建立一个 完全独立的专用通信网，还必须有一个高度稳定可靠、高度灵活的通信网。 一般地说，通信在电网中的作用除完成行政电话通信任务外，还应完成以 下任务： 调度电话，用于电力系统的运行联络和倒闸操作，如电力调度员与各 发电厂、变电所之间，总调和中心调、地调之间的联络。 监视电力设备运行情况，如把发电厂、变电所的遥测、遥控信息传递 到调度所。在火电、水电、原子能电站用工业电视监视设备运行参数。 从发电厂、变电所到中调所电量或其他电气量的遥测。 监控电力系统的运行情况，如在调度所为发电厂之间传递运行基准信 息，在调度所为主要发电厂、变电所之间传送断路器信息遥控信息或 系统电压控制信息。 传递继电保护信息，用于断路器跳闸( 包括远方跳闸) 等。 电力线路检修作业中的移动通信，在电路线路检修或电力系统发生事 故时进行事故抢修时的通信。 由此可见，通信涉及到电力生产的各个方面，整个电力网离开通信就 无法运行。 电力系统主要有音频有线通信、电力线载波通信、微波无线通信、光 纤通信等方式。利用电力线实现可靠的通信一直是电力工业界致力研究的 课题之一。当前为了保证电力通信的可靠性都是同时利用至少三种通信方 山东大学硕士学位论文 式，一般为电力线载波和其他两种，如：微波一点多址、光纤通信等。电 力通信的发展是随着电网发展同步发展的。7 0 年代，电力通信主要是为调 度服务，设备以音频电缆、无线电为主要媒体，通信路由是基本以调度为 中心的辐射式通讯方式；8 0 年代，随着调度自动化的发展，电力通信由单 一的电话通信扩展为电话与远动信息( 3 e 要是遥测、遥信) 的混合通信， 通信媒体扩展到微波、一点多址微波、电力线载波等，上述设备与技术的 采用为以调度为中心的通信网结构，奠定了基础，满足了初期调度自动 化的需要；进入9 0 年代，随着电力电子技术的发展，变电站综合自动化和 电力调度自动化高级功能的开发和应用，变电站无人值守的实现与大面积 的普及，电力通信向着综合数据信息通信( 包括话路通信、以传输y c 、 y x 、y k 、y t ( 四遥) 为主的数据通信和视频、语音通信) 全面发展，通 信媒体又增加了光纤和卫星数字通信，数据传输的速度和容量也有了很大 发展，但高压电力线载波通信在整个电力线通信网重仍占到1 2 的比重。 在过去的十年中，输电线上的电力线载波通信技术达到了实用化和商用阶 段，电站之间的继电保护信号、数据、话音等都可以在输电线电力载波信 道上可靠地传递，它是确保电网安全、优质、经济运行，实现高度自动化 和管理现代化的重要通信方式。 电力线载波通信主要有以下特点： 可靠性电力线载波是依靠电力线进行传输的，由于电力线结构身份 牢固，不易受自然灾害和认为盗窃等外力破坏。很多事实表明，在特 大自然灾害面前，例如地震、水灾等，唯一能保持与外界联系的就是 电力线载波通信； 经济性由于电力线载波不需要单独架设传输线路，这样可节省大量 的线路投资及线路维护费用，只要有电力线的地方就能组织电力线载 波通信： 及时性电力系统在新的厂站投产之前，首先要求通信开通，其他通 信方式一般难以满足这个要求。由于电力线载波通信施工方便，建设 周期短，只要电力线路一架通就能投入运行，及时满足生产调度的需 要。 虽然电力线载波通信有其旺盛的生命力，在国内国际都得到普遍的采 用，但面对数字通信技术发展的巨大冲击和挑战，电力线载波通信不得不 考虑走出局限，不断进行自身完善。电力线载波通信的局限性主要表现在 以下三个方面： ( 1 ) 质量方面：受线路噪声影响大，电路信噪比指标比较低。线路主 5 山东大学硕士学位论文 要呈容性，对载波衰减很大。从目前的技术水平上看，典型的载波机的传 输率只有15 0 3 0 0 b p s ，并且容易受到干扰； c 2 ) 容量方面：受可以使用的电力线载波传输频率的限制，我国规定 为4 0 - - 5 0 0 k h z ，频带范围较窄，加上发送功率在满足信噪比要求的情况 下必须较高，般为1o 一10 0 w ，因此信道数量有限； ( 3 ) 制式方面：由于受电力线通道质量的限制，只能采用模拟传输。 但为了适应数字通信的需要，电力线载波端机可逐步向数字化方向发展。 随着技术市场的迅猛增长，各国电力生产、调度、经营等部门对开发 以高压配电网电力线为媒介的电力通信系统表现出极大的兴趣。自8 0 年代 中期前后，美国、日本、加拿大等国家的电力公司、高等学校、通信设备 研究与制造部门开始对在高压配电网电力线上实现通信的问题进行研究。 到目前为止，有众多的公司开发出了适应于高压配电网电力线通信用的专 用调制解调器芯片及相应的发射与接收器。 山东大学硕士学位论文 扩展频谱通信技术起源于本世纪二十年代，对扩频通信最早的研究是 和军事通信中的保密性和抗干扰性分不开的，从二十年代二次世界大战结 柬，许多通信系统都包含有扩频技术的特性，最为典型的是雷达。二战结 束时，德国就已经研制成功了线性调频脉冲( c h i r p ) 系统以及脉冲一脉冲 频率跳变系统。1 9 4 9 年信息论的奠基人香农指出：“实现有限通信的最佳 信号是白噪声形成的信号传递”，这就为扩展频谱通信的发展奠定了理论基 础。但是在早期的扩频系统中，一般采用模拟方式，实现技术复杂，价格 昂贵，限制了其发展。随着扩频技术的深入研究及其大规模集成电路的发 展，到了六十年代中期，人们发现伪随机码发生器可以做得很小，从此采 用伪随机码调制的通信就迅速发展起来了。1 9 6 2 年美国开始应用于军事通 信，全球定位系统( g p s ) 、联合战术信息分布系统( j t i d s ) 的出现，标 志着扩频通信系统已经走向全面实用阶段。 七十年代以来，扩频通信开始应用于商业领域，并在1 9 7 8 年目本京都 c c i r 会议上作为研究课题而正式提出。此后，扩频技术在移动通信、无线 l a n 、室内通信等方面的研究都得到了很大的发展。1 9 8 5 年5 月美国联邦 通信委员会( f c c ) 制定了民用公共安全、工业、科学与医疗和业余无线 电采用扩频通信的规范和标准，明确规定公共安全用3 7 m h z 一9 5 2 m h z ， 最大输出功率为2 w 电台；工业、科学与医疗用9 0 2 m h z 一9 2 8 m h z 、 2 4 0 0 m h z 一2 4 8 3 5 m h z 、5 7 2 5 m h z - - 5 8 5 0 m h z 三个频段，在扩频增益大 于1 0 d b 和功率小于1 w 的情况下，可以不用申请许可证在民用商业上使 用( 最近f c c 又把1 9 1 0 m h z - - 1 9 3 0 m h z 频段作为不需要申请许可证的 通信频段) 。1 9 9 0 年5 月，c c l r 在报告中建议未来公众陆地移动通信系 统采用扩频通信技术。以高通( q u a l c o m m ) 公司为首的批美匿e 公司为 c d m a 移动通信系统的实用化作了大量的努力。电子工业协会( e i a ) 已 通过了窄带c d m a 蜂窝移动通信系统标准i s 一9 5 。另外，许多公司已经 研制成功了宽带c d m a 蜂窝移动通信系统( 3 g ) 。 目前，扩频通信技术的研究正在全世界范围内形成一个高潮，它已广 泛应用于通信、导航、雷达、定位、测距、跟踪、遥控、航天及电子对抗 等各个领域。 7 山东大学硕士学位论文 1 3 护厕骱搿沭在电棚叠信中的应凋 随着数据通信的发展和电力系统自动化程度的提高，数据通信在保护 信号传送上的应用日趋广泛。多年来保护信号在通信线路上是以模拟方式 传输的，传统的方法是采用频移键控( f s k ) 方式，即在发送侧利用调制 器把保护信号中的0 ，“1 ”数字信号变成两个不同的f 1 、f 2 频率的摸拟 信号发送出去，而在接收侧再利用解调器将模拟信号还原成数字信号。罘 用频移键控方式传输保护信号，可抑制脉冲噪声的幅度，有效地提高接收 机的信噪比：但这种传输方式限制了信号的传送速率，频带利用率低，可 靠性较差，设备维修量大。目前，为了获得较低的误码率，在电力系统的 微波、载波、有线电缆上传送的信号通常只有1 5 0 - - 3 0 0 b p s 。 电力线路主要用于电力传输，其高频信号传输质量远不及专用的通信 线路。研究表明，电力线路通信中主要存在四种干扰因素，即：线路阻抗 的多变性、阻抗调制、脉冲噪声和连续波形阻塞，这些缺点为数据通信的 应用造成了很大的困难。相对于其他方式的通信技术而言，扩频通信技术 更有希望为此提供解决手段。根据扩频通信技术的特点，扩频信号占据的 信号频带很宽且功率较低，这样扩频通信的数据就可以不依赖某一特定的 频段或时段，而是根据整个频带的信息进行接收。换句话说，即使线路的 信号传输特性在某些频段十分恶劣，只要大部分能量的信号可以传送，就 有可能正确获取数据。同时，相关检测的数据接收方式也为小信号检钡0 和 抗多径干扰提供了保证。利用扩频传输高的抗干扰性，实王见l 氐速数据及保 护信号的可靠传输，是本论文的出发点所在和努力方向。 电力线扩频通信系统可以采用基带扩频传输方式，也可以采用扩频载 波传输方式。 8 山东大学硕士学位论文 第二章高压电力线信道分析 2 1 概述 设计高压电力线扩频通信系统时，首先必须研究作为高频信号传输通 道的高压电力线线路的传输特性。在电力系统中利用电力线路本身传输调 度信息、继电保护信息、数据或语音信息等，这称之为复用电力线，在这 种复用r g j - j 线上同时进行着工频电流和上述信息的传输，为了使它们易于 区分，保护信息量通常采用高频传输，其实施办法是：将保护信息量调制 到高频载波上经通道向对方传送，高频载波的频率称为载频，高频通道又 称为载频通道。 使用载频通道的优点是： ( 1 ) 不需要专门的线路初建费用和维修费用： ( 2 ) 绝缘水平高、机械强度大、即使在大风、暴雨或冰冻等恶劣 气候条件下也能在较高程度上保证通信的可靠性； 但载频通道也存在着下列主要缺点： ( 1 ) 输电线是不对称的多导线系统，分析和计算通道的参数相当复 杂： ( 2 ) 电力设备和分支线路对高频电流的传输起着极为不利的旁路作 用，而这些作用又难以彻底克服： ( 3 ) 输电线上的工频高电压有窜入高频设备的可能，以致危及人身 和设备的安全。同时，输电线路本身的运行状况( 例如短路或者 断路断线等) 严重地影响着通道的正常工作： ( 4 ) 输电线上发生电晕、绝缘子放电、短路、断路器操作或遭受雷 击等时，将产生严重的电干扰； 在电力系统中，当使用同一条输电线的不同相或用相邻输电线同时作 为信息传输的通道时，这些相邻的通道之间往往会发生相互干扰( 这种干 扰称为串音干扰) 。此外，由于可用频带带宽有限，当需用通道的设备较多 时则所占的频带愈捌挤，甚至使频带的选择发生困难。目前高频通道用载 频通道的信号频率范围一般4 0 - - 5 0 0 k h z ：载频低于4 0 k h z 时使工频信号 与载频信号的分离发生困难：载频过高将导致对中波广播、导航电台等产 生严重的干扰。国产单边带电力载波机技术标准规定：“线路使用频带 9 山东大学硕士学位论文 为4 0 k h z 一5 0 0 k h z ，从4 0 k h z 开始每4 k h z 为一频带，共11 5 个。”为 了解决这个问题就出现了几套电力线通信设备共用一条通道的传输形式， 称作复用通道。注意在电力线扩频通信载频通道中，“通道”与“通路”的 含义不同。通道系统指从发信机输出端开始，一直到收信机输入端为止的 整个高频信号传输系统，而通路仅指整个通道中复用电力线的那部分。 这样，一方面解决了通道拥挤的问题：另一方面因共用一套加工和结合设 备，可节省通道的投资。以前对通道的复用主要有两种形式：频分复用和 时分复用。频分复用虽然解决了通道拥挤的问题，但随之出现了如下一些 问题：引起较大的分流衰耗和窜音干扰；两个不同频率的高频信号有可能 同时进入一台收信机，产生频拍和交叉调制现象，引起误码：其中任一套 设备维修或故障时，就会影响另一套设备的安全运行等；同时，给正常的 维护运行也增加了麻烦。在电力线载波通信系统中时分复用因为正常时通 j 煎不与高频保护接通，所以长期发信的高频保护就不能采用；并且当输电 线路上发生故障时必须由切换装置切换后高频保护才能发生作用，这就影 i i i q 了保护动作的快速性。在本论文的系统方案中电力线通信采用扩频技术 来实现，信道复用采用码分( 多址) 复用，可以有效克服频分复用和时分 复用的缺点。 山东大学硕士学位论文 2 2 商疑矧蝴i 电缌削陨臻钫i 姘叻口工结台设备 高频设备接入输电线路的方式有：接在输电线的一相或几相导线上； 接在绝缘架空避雷线或接在分裂导线上。在高频保护中采用的最多的是利 用相导线的相对地的连接方式。本系统的设计就是基于这样的传输环境。 把低压的高频设备接到高压的输电线路上，需解决以下几个问题； ( 1 ) 防止高压强电窜入低压高频设备，以免危及人身和设备安全； ( 2 ) 应使传送信息的高频电流顺利地发送和接收； ( 3 ) 高频电流要有目的地从一端发送到另一端，尽量减少各种分流， 以降低高频能量的无谓损耗。 因此，在高频设备连接到输电线上时，就必须加入一些必要的有关设 备，在相地制通道中高频设备接入某一相，通常称作为“结合”到某一相， 或称作为“加工”在某相上( 称该相为加工相) ，所以这些必要的有关设 备通常称为加工和结台设备。 由相地制通路构成的一个高频电流传输系统如图2 2 1 所示。现将主要 元件的名称和作用简要分述如下： a 高频阻波器 高频阻波器是一个电感和电容构成的并联谐振回路，其参数选择的使 该回路对高频设备的工作频率发生谐振，因此商频阻波器对该工作频率呈 现很大的阻抗，使高频电流只能在被保护线路上传输，而不致于分流到其 他的线路上去。高频阻波器对5 0 胁的工频电流呈现的阻抗值很小，约为 o ，0 4 q ，所以对工频电流的传输不受影响。 b 耦合电容器 1 耦合电容器的电容量很小，因其电抗值丘= - # = ，故它对工频电流 z 巧l 呈现很大阻抗，使工频电流泄漏很小，阻止了高压强电侵入低压商频设备。 同时，耦合电容器对高频电流呈现的阻抗很小，高频电流能顺利传输。 c 结合滤波器 d 电容器 结合滤波器是一个绕组匝数可以调节的变压器，这个变压器与耦合电容器b 和电容器d 共同组成一个带通滤波器，这个带通滤波器有两个作用： 1 它的通频带就是电力线通信使用的工作频带，高频电流能顺利通过， 而工频和其他频率电流不能通过，这样一方面能使高压强电与高频设备进 山东大学硕士学位论文 一步隔离，另一方面也抑制了其他频率的干扰： 2 带通滤波器又是个阻抗匹配器，它的一端通过祸合电容器与输电线 相连，另一端与高频电缆相连，由于这个阻抗匹配器的作用，使高频通路 的输入阻抗与高频电缆的输入阻抗相互匹配起来，以利于高频能量的传输。 画乒 图2 2 1 相地制通道构成一个高频电流传输系统的框图 e 高频电缆 高频电缆将位于主控制室内的收发信机与位于户外高压配电装置中的 结合滤波器连接起来，其长度一般不超过几百米，但因其工作频率高，故 采用普通电缆将会引起很大衰耗，因此，它通常采用单芯司轴电缆。 f 接地刀闸 g 避雷器 接地刀闸用来在调整收发信机时进行安全接地用：避雷器用来当输电 线上遭受大气过电压或操作过电压时起保护作用的，使高频设备免受击毁。 l2 山东大学硕士学位论文 高压电力线高频电流的特点是频率高、波长短，其波长与输电线路的 长度相比，通常要短得多。这情况表明，电压或电流已经不单是时间的函 数，而且也是空间的函数。所以为了对高频电流在高压电力线上的传输睛 况求得足够精确的分析结果，就必须考虑电路参数的分布性，必须应用均 匀传输线的理论来进行分析。 2 3 1 均匀传输线方程 在高频通信技术中，构成高频通路的输电线路和高频电缆的没根导线 的截面积、与临线问的距离、对地高度( 或对地距离) 在全线范围内可以 认为处处相同，所以这种线路成为均匀传输线，或称为均匀线。描述均匀 传输线上任意点电压或电流的方程式称为均匀传输线方程，如下所示： 6 = 三( 6 ，+ j ，z 。) e f + 圭( d ，一；, z c ) 。”c 2 ，a ， j = 1 2 f l , ! z i c + i e 一# 一三 宝一i 。” c 2 ，b ， 式中：r ，j 为线路任意点的电压、电流 6 。，；，线路始端的电压、电流 z 为从线路始端到待求点之间的距离 y 为均匀线的传输常数 z 。为均匀传输线的特性阻抗 考虑到指数函数与双蓝函数之间有如下关系： ：( e - h + e r z ) 谢肄1 一当( 口”一p ”) ：5 肄j ( 2 2 山东夫学硕士学位论文 u = u lc h t x 一，】曲垮 孓l 2 3 ) j c h m 一警s h 净j 根掘上式，就可以在已知线路始端电压l 和电流，的前提下，求出线 路上任意点z 处的电压u 和电流，值。 如己知线路终端电压乙，：和电流，：，欲求线路上任意点的电压u 和电 流，时，也可采用类似的均匀传输线方程，但在计算距离时，习惯上改用 线路终端作为计算距离的起点，线路上任意点的距离以x 表示，其方向由 终端指向始端。 该方程式为： 1 1 乙7 = 圭( u ! + 1 2z ，) p 船+ 去( 己：一12z ，弦一肘( 2 4 a ) j = 吉( 争+ 珏圭( 警一砂“ ( 2 4 b ， 用双曲函数来表示，则上两式可化为： u = u 2c h 弘+ j2 z ：s h 弘 ，：赫如，q 5 从上面这些公式可以看出，线路上任意点电匝和电流都可以看作两个 分量构成，前面一项统称为入射波，后面一项统称为反射波。 l = u p 一缸+ 【， e “= u 1 ( p 一搿十k p 肛) - r( 2 6 ) j j = j he “一l 、e ”= i 、t e 一”一kj ie h ) l4 山东大学硕士学位论文 u = u ie m + u te 日= u ( e + 立 p 一”l ( 2 7 ) = i + 8 嗍=( p 脯+ k 已唧) 1” ，= ，p 掰。一 p 一搿+ = j ( p 掰一k ，2e h ) 。 式中：6 ，、j ，一入射波电压、电流；莎，、j 一反射波电压、电流； ，、女，、一始端反射系数、终端反射系数，并有 意 ：u b _ i , ：鍪，立 ：u s , ：i k ( 2 8 ) u 11 1u i 入射波是由线路始端向终端方向行进的，故又称为正向行波：反射波 是由线路终端向始端方向行进的，故又称为反向行波。反射系数为一复数， 它表示了反向电压( 或电流) 行波向量与正向电压( 或电流) 行波向量之 比。由式( 2 1 a 、b ) 、( 2 3 a 、b ) 可推导得出： 之一= 籀，立 5 臻( 2 9 ， 由式( 2 9 ) 可以看出，当线路终端为开路时，即乙= m ，则k = 1 ； 当线路终端短路时，即z ：= 0 ，则k = 一1 ；当线路终端所接的负载阻抗 z ：等于线路的特性阻抗z c 时，芷 = 0 ，称匹配状态，此时线路上只有入 射波而没有反射波。 在讨论高频电流在传输线上的传输特性时，经常要应用传播常数y 和 特性阻抗z ，这两个参数，为此，我们先对这两个参数给予适当讨论。 2 3 2 传播常数y 由电路分析理论知识可知y 为一复数，它与线路的基本参数( 即：其 单位长度的电阻小电感工。、电容c 。、漏电电导g 。等有关。 y = i i i ；了乏j i 5 i ；：j 厕= 乏：石= 声十a ( 2 1 0 ) 15 山东大学硕士学位论文 上面式子中传播常数y 的实部等于行波在行进1 个单位长度前的振 幅与行进1 个单位长度后的振幅之比再取自然对数。这表明行波每行进1 个单位长度，它的振幅就要减少到原有振幅的p 4 分之一，所以是描述行 波在行进时，其振幅值沿着线路长度衰减的参数，称之为衰减常数，在电 力线通信中习惯称之为衰耗常数，其单位为分贝公里( d b k m ) ；y 中的虚 部口等于沿行波行进方向相距1 个单位长度处，波在相角滞后的弧度数， 所以c t 是描述沿行波行进方向波的相角移动的参数，称之为相移常数，其 单位为弧度，公里( r a d ，蛔1 1 。 y 、口是频率的函数。当= 0 时( 即直流传输时) y 只有实数 部分，而其虚数部分为零，即y = 卢= 岛，口= 0 。对于其他频率时y 、 、口随频率的变化情况，不易直接从式( 2 1 0 ) 看出，必须将该式进行 必要的数学变换。 y = ( i | o + j c o l o ) ( g o + ，c o ) j j 砜( 1 + 面r o ) j t o c o ( 1 + 两g o ) ( 2 1 1 ) 对于一般使用的均匀传输线而言，有如) 、国c 0 岛，则 1 、 1 c o l 。 急c 1 ，利用展开式：瓜- 1 + j 1 “2 + 一( )，m l 。 zol o 将( 1 + _ 二 ) 、( 1 + _ 羔 ) 展开成级数、取前四项、整理后得： ，础l o，【，o 川詈居+ 譬厝，x h _ x 1 l _ t 专一争卜m 叫+ 古c 丢一犁g o1 c 2 舵， 增大的。在高频条件下_ 0 0 ) 有： = 鱼2n 鱼- o + 譬j 苦 c 2 1 4 ) 在后面讨论特性阻抗时将会看到，当寸时z 。z 、f 导。因一般输 。 vl o 电线的绝缘很好，则其漏电电导很小，上面式子中忽略第二项后，又可以 进一步简懦2 号j 专2 瓦r o 皿1 5 对于相移常数当寸0 3 时，d 将趋于无穷。而当缈很大时，则口有如 下形式： 口。z 忑 ( 2 - 1 6 ) 在高频条件下，可把传播常数y 表示成如下简单形式： ，2 伽2 老伽蕊 ( 2 1 7 综上所述，衰耗常数和相移常数都要随着频率的变化而变化，但它们 都恒为正值。将和与频率的关系画成曲线，如下图所示。 么气分瓜 一 噜t ， o 围2 3l 和口的频率特性 2 3 3 特性阻抗互 根据式( 2 1 ) 、( 2 6 ) 或式( 2 4 ) 、( 2 7 ) 可得 17 z ，：_ u r ：_ u s ；引p m ( 2 1 8 ) i ， if 式中阱等= 等他吨，一吼巩嘿，皿 由上面式子可知，均匀传输线的特性阻抗等于线路上沿同方向行进的 电压波与电流波的相量之比。又由式( 2 1 9 ) 表明，特性阻抗的模 z 。i 代表 沿同方向行进的电压波与电流波在同一点的幅值或有效值之比：它的幅角 则代表同一点的电流波滞后于该点沿同方向行进的电压波的相位差，式 ( 2 1 8 ) 还表明，均匀传输线不论对正向行波或反向行波，其籽陛阻抗均 相等。 由电路分析理论可知，特性阻抗z 。也与线路的基本参数有关 z ，= j 嚣铬制一“ 口2 0 ) 在= 。( 直流传输) 时，乙只有实数部分，即z 。= i z c l 2 j 蚤，其 幅角妒，：o 。为了分析z ，与频率的关系，亦可将式( 2 2 0 ) 进行必要的数 学变换，利用如下的级数展开式 而= 1 + 圭“一j “2 + ”( 1 4 苦的关系，所以仗为负值这表明特 性阻抗是电容性的。当翻一o 。时( 即在高频条件下) ，r 。、，、”的近 吩j 每 工。z0 ，敛z 0( 2 2 4 ) 于是特性阻抗的近似值可以表示为 乙z j 苦硼， c z 2 5 ， 上式表明，当频率很高时，可以近似把z 。看成纯电阻性的。综合上面 的讨论把陂j 、r ，、x ，、蛾与频率之间的关系画成曲线，如下图所示 山东大学硕卜学位论文 r 。x 。l z 。口 堰 g 。 t | n 、l1 7 、y f k 歹歹一“ 2 3 4 输入阻抗z 。， 图：32z 的频率特性 线路的输入阻抗和特性阻抗的概念不同只有在定的特定条件下它 们两者才相等。当均匀传输线所接的负载为任意值时，线路可能因负载不 匹配而存在着反射现像也可能处于匹配状态而没有反射。因此，线路上 某| 点电压( 或电流) 为入射波和反射波的代数和，线路上某点电压和电流 之比即为该点的输入阻抗z 。由前面讨论过的特性阻抗的定义可知，只有 当线路上没有反射时输电线路的输入阻抗与特性阻抗相等。 如线路终端的负载阻抗为z ，则根据式( 2 4 ) 可知，线路任意点x 处 的输入阻抗可表示为 z ”= _ u ：堕塑! 掣 7 专蛳( 2 2 6 ) 。 z 。 。 ( 2 ：z 2 c h z 。x + z r s h z x 曲竹- 互一 。 z ，s h y x 输人阻抗的绝对值i z ，l 随着j 和频率的变化而作波动形变化，随着距 2o 山东人学硕t 学位i e 文 离( x ，) 的增大和频率的增加，眩，的波动幅度将越来越小，并趋于眩j 。 重点分析实际应用中比较关心的z 。与终端负载阻抗z ：之问的关系，考虑 到实片j 上d 需要现主要讨论几种特例： 。 ( 1 ) 当负载阻抗等于线路特性阻抗( z ：= z ，) 时z 。= 乃，表明线路处 于匹配状态( 无反射波) 时，线路任意点的输入阻抗等于其特性阻抗，即 此时输入阻抗与线路长度x 无关。工作在高频条件下时，z ，是纯电阻性 的，故此时z 。，也是纯电阻性的。在设计载频通道时，通常力求使通道的有 关参数处在匹配状态下，故般说来，可将通道看成是在无反射晴况下工 作的，在此情况下，线路上的高频信号传输效率接近最大值( 即：衰耗最 小) 。实际的输电线路一般比较长，可以证明当线路长到一定程度后，线路 的输入阻抗与线路的关系不再成波动形，而是线路的输入阻抗等于线路的 特性阻抗，因此出长线路构成的高频通路容易做到阻抗匹配： c 2 ) 当线路终端丌路( z 、= ) 或短路l z ，= 0 ) 时，考虑到一般输电 线路的电阻和漏电电导g 。都很小，根据式( 2 1 3 ) ，可得r 0zg 。z 0 ， 即线路没有衰耗，这种线路称之为无衰耗线路，y = 口。在这种终端开路 或者终端短路的无损耗线路上任意点的输入阻抗是纯电抗性的，它的性质 随x7 而变化。 2 3 5 高频通路的衰耗计算 高频通路的衰耗计算，是设计载频通道参数和维持正常的通信能够进 行必须进行的工作，是在给定线路结构、高频设备的加工方式和线路两侧 终端的条件下，按不同的计算方法( 对称分量法或模分量分析法) 计算出 高频通路的衰耗，实际常用对称分量法来计算。应用这种方法有一个前提， 即假设线路是对称线路，而大部分的高压电力线均可近似认为是对称线路。 应用对称分量法进行通道衰耗的计算，必须列出各波分量的均匀传输线方 程，这样做不仅计算工作量大而且其计算结果的精确度也难以保证，这是 因为在实际计算时还必须采用一些近似数据，故其计算结果有相当的误差。 为满足工程上的需要通常采用工程计算的方法，通过一些简单的经验公式、 2l 山东大学硕士学位论文 经验数据和图表等进行计算，结果的精确度一般可以满足工程上的需要。 本文讨论了这种工程计算的方法。 高频通路的总的工作衰耗可以表示为( 因篇幅的原因略去了详细的推 导过程) ： 6 ，= 。+ 6 ，+ 6 ( 2 2 7 ) 上式中的第一项为： 。= 1 0 1 9 p j ：1 0 l g 垆，一，1 ( 2 2 8 ) 绝对值的符号意义为仅取其模值，上式可以改写为 h 扩1 0 l 凡1 f 1 0 l g 惫= 钆， ( 2 2 9 ) 式中只。，为线路始端第一次相问波的入射功率，只( ，) 为线路终端第一 次相间波的入射功率，所以这部分衰耗是相间波经过高频通道时产生的固 有衰耗。 实际中常用的计算届，、的公式是： 8 i i j = k o ， 2 3 0 ) 式中厂一工作频率( k h z ) 足一决定于线路结构的比例常数。在实际计算中，通常用线路 的电压等级来表征线路结构。k 值的经验数值如下表所示： 线路电压( 七矿) 丘 3 5 1 2 2 1 0 3 1 1 0 87 1 0 。3 2 2 0 65x1 0 。3 4 0 0 7 2x 1 0 _ 第二项可转化为 22 山东大学硕士学位论文 i1 6 ：2 0 l g l l k 七m ) p 嘶叫 ( 2 3 1 ) i 由于多次反射现像的存在，在线路上存在着相间波的第一次入射波和 第二次入射波( 二次以上的入射波忽略不计) ，由这两次入射波的相互作用 而形成了这部分衰耗。如果线路处在完全匹配的条件下，那么k ) 、k ：( ，) 均为零，线路上没有反射现像，也就不存在两次入射波的相互作用的问题， 则6 r 。= 0 。 上式中的第三项6 包括了如下四部分的衰耗： ( 1 ) 线路始端的反射衰耗，它是由于电源内阻与高频通路的输入阻 抗不匹配而引起的： c 2 ) 线路的始端衰耗，它是发信机送入线路始端的功率在始端消耗 掉的那一部分，因为这个功率除存在于工作相之外，还要跨越到非工作相 上： c 3 ) 线路终端的反射衰耗，它是由于负载阻抗( 即终端的结合设备 和收发信机的输入阻抗) 与高频通路的输入阻抗不匹配而引起的； ( 4 ) 线路终端的衰耗，传输到终端的功率中消耗在终端的非工作相 对地阻抗上面的部分。 高频通路的总的衰耗可以按式( 2 2 7 ) 计算，第一项在计算出屈。后 就可以求得，而对于后面几项通常是作如下简化处理的。因为在设计高频 通路时总是使发信机等效电源的内阻、收信机等效负载的阻抗和高频通路 的输入阻抗相互匹配，所以线路始端的反射衰耗、线路终端的反射衰耗和 b 等于零；同时考虑到线路两端的终师3 t , t l 一般是对称的，所以两个终端衰耗 相等，于是工程计算方法高频通路总衰耗的计算公式为： b “= 屈“+ 2 b ： ( 2 3 2 ) 6 的经验数值如下表所示 5 线路电压 3 51 1 02 2 04 0 0 【( k p 7 ) | 6 ：( 加) 1 3 01 3 01 3 01 7 4 综合上面介绍的经验数据，将它们代入式( 2 3 2 ) ，就可以得到不同电 压等级的高频通路总衰耗的经验公式为： 23 山东大学硕士学位论文 对于3 5 k v 的线路包，= 1 2 - 2 扫1 0 - 3 + 2 6 0 ( d b ) 对于1 1 0 k v 的线路= 8 7 扔1 0 3 + 2 6 0 ( d b ) 对于2 2 0 k v 的线路q ，= 6 5 乃1 0 3 + 2 6 0 ( d b ) 对于4 0 0 k v 的线路b , i = 7 2 7 l 1 0 。十3 4 8 ( d b ) 2 3 6 高频通道的总衰耗和通道余量 整个通道的总衰耗除e 述通道衰耗外，还应包括两端加工结合设备的 衰耗( 其中包括高频电缆、结合滤波器、高频阻波器等的衰耗) ，以畦表示 高频通道的总衰耗，则： b x _ b + 2 “山。h ) + b ，= k 如l + 2 。h 帕m 十b ：、+ b 。( 2 3 3 ) 式中 b 。一一端阻波器的衰耗： 6 。一端结合滤波器( 包括耦合电容器) 的衰耗： b 。一两端高频电缆的衰耗。 通常取一端的b ：1 3 0 ( 招) ，一端的b 。= 0 8 7 ( d b ) ，一端的 6 。= 1 3 0 ( 加) ，故2 ( + + 6 ：) = 7 ( a b ) 。高频电缆的衰耗可按下式求 出： 吮= 尼 ( 2 3 4 ) 其中a 为高频电缆的衰耗常数，为两端高频电值缆的总长度，常 用的高频电缆的屈值如下表所示： 24 山东大学硕士学位论文 工作频率 5 01 0 01 5 02 0 03 0 04 0 0 5 0 0 型号k h z s y v 1 0 0 72 1 72 4 32 7 833 03 7 44 3 45 2 1 s w 一7 5 91 5 61 8 223 42 6 02 9 53 4 84 3 4 h z q 2 1 3 01 7 42 0 824 33 6 54 7 86 0 8 根据如上讨论，可将式( 2 3 3 ) 改写为： 毛= k 厂，+ 7 + 。，。( 拈) ( 2 t 3 5 ) 为确保通道两端收发信机的正常工作，发信机送出的信号电平p ，应足 够大，它扣除在通路上和加工结合设备中造成的衰耗魄之外，应保证传输 到彤崭收信机入口处的信号电平比收信机正常工作所需的信号电平p ：大， 并留有足够的余度，以保证由于发信机元件老化引起发送的信号电平下降 。 或气候不好而引起通道衰耗增加时，收信机仍能接收到足够大的信号，因 而可靠地工作，故发信机的发信电平应为： p ，= p ，+ 6 + p ( 2 3 6 ) 或将应有的通道余量表示为： 印= p ，( p ，+ 6 ) ( 2 3 7 ) 运行经验表明，大气的温度和湿度对高频通路的衰耗并无显著影响， 故一般不去考虑它。而当导线上覆冰时，在冰层中产生介质衰耗，使高频 通路的衰耗增加；同时线路的漏电电导和电容量增大，这将导致相间波的 衰耗常数屈，) 值增大，于是高频通路的固有衰耗屈，、，也随之增大。查阅相 关资料，一般取通道余量为8 7 d b 左右，对易于结冰的通路，芦应不小 于1 3 d b 。 设l o k v 输电线路，传输g 懿5 0 k m ，高频电缆传输距离5 0 0 m ，高 2 5 山东大学硕士学位论文 频信号的中心频率4 0 0 k h z ，计算整个高频传输的总衰耗 b ! = k 盯 七1 + p ，z ，= 1 7 8 7 ( d b ) q 3 8 ) 即高频信号经过长距离的传输到收信机剩余功率为原来功率的去左 0j 右。这说明高压电力线对高频信号的衰耗是很大的，在实验室环境中可以 采用电阻分压的方式来模拟这个衰耗。 26 山东大学硕士学位论文 第三章扩频通信相关理论 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于 所传信息所需的最小宽度；频带的展宽是通过编码及调制的方法来实现的， 并与所传信息数据无关；在接收端则利用相同的扩频码进行相关解调来解 扩及恢复所传信息数据。这一定义包含了以下三个方面的含义： 原始信号的频谱被展宽了： 采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱； 在接收端用相关解调来解扩。 按照上述定义，我们已熟知的各种调制