（通信与信息系统专业论文）基于电力线通信技术的仿真与系统实现研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在众多通信技术孛，电力线通信受到越来越广泛的关注。电力线通信采用 已有的电力线做为媒介进行通信，充分利用了已有的线路设备和网络，具有重 复建设少，设备简单，见效快，不易被破坏等诸多优点。但毫力线作为传输介 质，具有负载多，噪声干扰多，信道衰落和多径延迟严重等等不利因素。 本论文首先在m a t l a b 平台上对电力线的阻抗特性、噪声环境、信道衰落等 进行了具体的分析与仿真，得出了苞含背景噪声和脉冲噪声的电力线噪声环境 特征以及信号衰减及多径引起的电力线信道衰落特征，在此基础上，针对高速 毫力线宽带通信的筇陇调制解调系统进行了误码率性能仿真。为了改善多径衰 落信道条件下的系统性能，本论文在电力线通信系统中引入了无线通信通常使 用的信道估计、频域均衡以及频率分集技术，结果表明这些策略一定程度上克 服了电力线上的多径衰落，降低了误码率，获得了更好的系统性能。 其次，本论文将手写输入应用与电力线通信结合，实现了个完整的基于 电力线通信的手写输入系统。通过电力线进行手写输入信息的传输，能满足使 用者在特殊工作环境下，远距离输入的特殊要求，充分利用了电力线通信技术 的优势。在硬件平台和软件程序的配合下，系统完成了手写输入信息的采集和 编码，载波调制解调，接口转换，系统控制以及终端显示等各项功能。最后的 实验测试结果表明该系统方案能可靠地进行信息的手写输入和电力线传输，设 计所要求的功能基本实现。 最后，本论文针对宽带高速电力线透信，基于i n t 5 2 0 0 电力线通信芯片， 对高速的电力线调制解调器进行了设计。该调制解调器的设计包含了以太网物 理层接口，i n t 5 2 0 0 模块，瞬时保护电路，电源模块，逻辑复位模块等等，适 用于利用电力线进行局域网的构建和i n t e r n e t 宽带接入。论文对电路扳进行了 设计。 。 关键字电力线通信；脉冲噪声；信道衰落；+ 手写输入；o f d m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a m o n gv a r i o u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e se m p l o y e dn o w a d a y s ，p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n s ( p l c ) g a i n sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n e m p l o y i n gt h ep o w e rl i n ea s t h ec o m m u n i c a t i o nm e d i a ，p l cc a nt a k ef u l la d v a n t a g eo ft h ee x i s t i n ge q u i p m e n t s a n dn e t w o r k sa n dp o s s e s s e st h ea d v a n t a g e so fr e p e a t e dc o n s t r u c t i o na v o i d a n c e ，t h e e q u i p m e n ts i m p l i c i t y , t h ep r o m p te f f e c ta sw e l la st h er o b u s t n e s st od e s t r o y o nt h e o t h e rh a n d ，a st h et r a n s m i s s i o nm e d i a ，p o w e rl i n ee x h i b i t su n f a v o r a b l ep r o p e r t i e s s u c ha s h e a v yl o a d ，s e v e r en o i s ea n di n t e r f e r e n c e ，s e r i o u sc h a n n e lf a d i n g a n d m u l t i p a t hd e l a ya n d s oo n f i r s to fa l l ，t h et h e s i sa n a l y z e sa n ds i m u l a t e st h ei m p e d a n c e ，n o i s ea n ds i g n a l a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f p o w e r l i n et h r o u g hm a t l a bi nd e t a i l ，b a s e do nw h i c h ， t h eh o i s ye n v i r o n m e n tc h a r a c t e r i s t i c si n c l u d i n gt h eb a c k g r o u n da n di m p u l s en o i s e ， a sw e l la st h ec h a n n e lf a d i n gc h a r a c t e r i s t i c sc a u s e db ys i g n a la t t e n u a t i o na n d m u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，a r eo b t a i n e d f u n h e r t h ee r r o rr a t ep e r f o r m a n c eo fh i g hd a t a r a t ew i d e b a n dp l cs y s t e mu s i n g o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o m m ) t e c h n i q u ei ss i m u l a t e d 。i no r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei nt h e m u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l ，s c h e m e si n v o l v i n gc h a n n e le s t i m a t i o n ，f r e q u e n c yd o m a i n e q u a l i z a t i o na n df r e q u e n c yd i v e r s i t ya r ei n t r o d u c e d s i m u l a t i o nr e s u l t sp r e s e n t e d s h o wt h a tt h em u l t i p a t hf a d i n ge f f e c t so np l cs y s t e ma r em i t i g a t e dt os o m ee x t e n t ， w h i c hb r i n g sb e t t e re r r o rp e r f o r m a n c e s e c o n d l y , i nt h et h e s i s ，h a n d - w r i t i n gi n p u ta p p l i c a t i o na n dp l ct e c h n i q u ea r e c o m b i n e dt oi m p l e m e n tac o m p l e t ep l c - b a s e dh a n d - w r i t i n gs y s t e m t r a n s m i t t i n g h a n d - w r i t i n gi n f o r m a t i o nt h r o u g hp o w e rl i n e ，t h es y s t e mc a nt a k ef u l la d v a n t a g eo f p l ct e c h n i q u et om e e tt h es p e c i f i cn e e d so fd i f f e r e n tu s e r s ，i n c l u d i n gs p e c i a l e n v i r o n m e n t ，l o n gd i s t a n c e ，m u l t i p o i n ti n p u ta n ds oo n b a s e do nt h ei n t e g r a t i o no f h a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ep r o g r a m ，t h es y s t e mc a ni m p l e m e n tf u n c t i o n s i n c l u d i n gh a n d w r i t i n gi n p u t i n f o r m a t i o n c o l l e c t i o n ，e n c o d i n g ，m o d u l a t i o n ， d e m o d u l a t i o n ，i n t e r f a c ec o n v e r s i o n ，s y s t e mc o n t r o la n ds oo n t h ef i n a lt e s t i n g r e s u l t sp r e s e n t e di n d i c a t et h a tt h es y s t e mi sa b l et oi m p l e m e n tr e l i a b l eh a n d - w r i t i n g i n p u ta n dp l ct r a n s m i s s i o n ，a n dt h ed e s i g nd e m a n di sa c h i e v e do nt h ew h o l e i nt h ee n d ，ah i g l ld a t a - r a t ew i d e b a n dp l cm o d e mb a s e do ni n t 5 2 0 0c h i pi s d e s i g n e d t h em o d e mc o n s i s t i n go fe t h e r n e tp h y s i c a li n t e r f a c e ，i n t 5 2 0 0m o d u l e ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 t r a n s i e n tp r o t e c t i n gm o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，l o g i cr e s e tm o d u l ea n ds oo nc a n b eu s e df o rt h ec o n s t r u c t i o no fl o c a la r e an e t w o r k a n dt h ea c c e s st oi n t e m e t d e t a i l e dd i s c u s s i o n so nt h ec i r c u i td e s i g na r ep r o v i d e d k e y w o r d s p l c ；i m p u l s en o i s e ；c h a n n e lf a d i n g ；h a n dw r i t i n gi n p u t ；o f d m ； 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电予版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 。不保密晤，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打w ) 学位论文作者基名：吖帆 日期：溯砰s 嚏澍礓 指导老师签名：舀节韵 日期：多阳器晕 壤钿国 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 。本学位论文的主要创新点如下： 1 本论文以h o m e p l u 9 1 0 协议为基础，建立了电力线通信系统仿真模型，从 系统角度对电力线通信的误码率性能进行了仿真研究，得到了在不同信噪比下 电力线通信误码率曲线。为了改善系统性能，本论文进一步在系统中加入了无 线通信中常见的信道估计、频域均衡、分集合并处理。其中频率分集部分通过 对比各子载波性能，提出了三种子载波分集合并的方式，仿真结果证明这些措 施使得电力线通信的误码率性能有了一定的提高。 2 本论文设计并实现了以手写输入为应用背景的低速电力线通信系统，在发送 端进行手写输入，通过电力线传输，在接收端可以对手写内容进行显示，在发 送端与接收端之间除现有的电力线以外，无需其他任何线路连接。该系统可以 应用于多媒体教学等特殊的应用领域，具有一定的实际应用价值。 3 本论文以i n t 5 2 0 0 芯片为核心，设计了高速电力线通信调制解调器。设计 中采用以太网控制芯片k s 8 7 2 1 s l 与i n t 5 2 0 0 通过m i i 接口通信，调制解调器 与终端使用r j 4 5 接口通信，使设计可用于终端之间的通信，也可用于宽带接 入。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1课题研究背景及意义 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，p l c ) 是一种以普通且覆盖广泛 的电力线作为通信媒介来进行语音或数据传输的通信方式。从高压电力线到中 低压民用电力线通信其实已经经历了几十年的历史，但随着网络技术及多媒体 技术的发展，利用现有电力线实现i n t e r n e t 接入以及多媒体数据传输成为了当 前一大研究热点，国外在相关研究和应用方面已取得了很大进展。 电力线通信的基本原理是使用现有的电力线作为传输介质，将需要进行传 输的数字信号在物理层上通过编码、调制等数字信号处理，d a 变换，前端耦合， 最后发送到电力线上进行传输。最早的p l c 技术采用单载波模拟通信，随着数 字通信技术发展，出现了窄带、a s k 、f s k 、p s k 等型式的电力线通信系统，通 过差错编码也能提高可靠性，易于集成。电力网络的设计主要是为满足电源供 电，用于5 0 h z 的电力传输，而不是专门为通信设计的。低压线连接着柱上变压 器和多个个人用户，距离很短，且有各种各样的电器实时变化，导致线路阻抗 不匹配，会产生多径效应。多径效应造成的频率选择性衰落会引起码间干扰， 产生误码，线路上的随机噪音也会污染信号，这些都阻碍了电力线通信的发展。 因此必须对信息进行处理，使传输的码元具有强抗干扰性，适合在电力线这种 恶劣环境中可靠传输。于是出现了利用扩频技术来保证电力线通信可靠性的方 法，例如i n t e l l o n 公司的s s c p 4 8 5 等电力线通信芯片，它们的传输速率一般为 k b i t s 数量级，随着对p l c 传输速率要求的进一步提高，由于带宽的限制，基 于扩频技术的芯片已经很难满足带宽的需求。在众多技术中，o f d m ( 正交频分 复用，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 基本符合电力线通信 在带宽和可靠性等综合因素的要求，因此它和其它相关技术结合起来在电力线 通信中得以应用，成为电力线高速通信的有效技术。o f d m 作为一种抗多径衰落 的技术，采用一组相互正交、重叠、形状为s i n ( f ) f 的频谱信道，构成无码间 干扰和无信道间干扰的传输。它采用i f f t 和f f t 技术实现信道的调制与解调， 而且信道数越多越能体现o f d m 的优越性。为了加强抗干扰性，用加有保护间隔 的o f d m 技术对信号进行处理。应用o f d m 主要具有以下优点：减轻时散影响， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 消除带间干扰( i c i ) ，充分利用带宽资源，高速数据通信，弹性和自适应性： 不同的子信道、位负荷、带宽数据速率可用不同的调制方案。另外，由于电 力线通信技术基于民用家庭( 办公) 电线，这使得无法为每一个端站划分独立 的物理信道，从而p l c 只能基于共享方式。这样冲突就不可避免，而电力线的 拓扑环境比较随意无序，因此引入了c s m a c a ，该协议的目的不是为了检测冲 突，而是籍由划分时间段的方法来避免冲突。从p l c 发展现状来看，研究电力 线通信技术具有较高的现实意义。p l c 具有接入成本低( 直接利用已有配电网络 无需额外布线) 的优势，且应用广泛，除可提供上网、i p 话音服务外，还可应 用于家庭智能化、远程水、电、气等自动抄表及防火，防盗，防毒气泄露等保 安监控系统和医疗急救系统。这项技术建立在四通八达的电力线网络之上，可 以加以应用的范围十分广泛，市场也在不断扩大，如果能投入更多，进一步解 决电力线通信存在的种种问题，相信对于现有的网络运营市场会产生不小的影 响，并且在一些特殊环境和应用领域也可以发挥电力线通信相对于其他通信方 式所具有的优势。 1 2 电力线通信技术分类及国内外发展现状 1 2 1 国内外电力线通信发展现状 最早的p l c 实用技术是一种称之为“脉冲控制”的通信系统，该系统提供 速率极低的单向通信，发射机功率为数十千瓦，主要用于路灯及负荷控制。2 0 世纪5 0 年代以来，人们开始研究电力线( 主要为高压) 通道的高频特性( 5 k h z 5 0 0 k h z ) ，并在此基础上开发了电力系统调度通信及保护广泛使用的电力线载波 机。2 0 世纪9 0 年代国外开始研究电力线( 主要为低压及中压) 的高频特性( 2 m h z 8 0 m h z ) ，并在此基础上开发了实用的高速p l c ( p l t ) 产品及系统。在高 压输电网( 3 5 k v 以上) 、中压输电网( 1 0 k v - 3 5 k v ) 以及低压( 1 0 k v 以下) 的各个 领域，数据传输的通讯数率不断提高。英国联合电力公司的子公司n o r w e b 通讯 公司于1 9 9 0 年开始电力线载波通信的研究，1 9 9 5 年与加拿大北电网络合作共 同开发该项技术。1 9 9 7 年这两家公司声称解决了电力线噪声等问题，取得了电 力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术d p l ( d i g i t a l 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p o w e rl i n e ) 实现了在低压配电网上进行i m b i t s 的远程通信。从此以后，许多 国家的研究机构开展了高速p l c 的研究和开发，如美国的i n t e l l o n 、i n a r i 公 司，以色列的i t r a n 、m a i n n e t 公司，韩国的x e l i n e 公司，西班牙的d s 2 ，法 国的s p i d c o m 等公司开始了高速p l c 专用芯片及应用产品的研究开发，产品包 括用于家庭联网及高速接入两大类产品。现阶段，在低压配电网上传输数率已 由1 m b p s 发展到2 m b p s 、1 4 m b p s 、2 4 m b p s 、4 5 m b p s 甚至达到l o o m b p s 和2 0 0 m b p s 的高速率，传输距离可达3 0 0 米。在中压配电网传输技术方面，高于l o m b p s 数据信号的设想和方案也日益引起人们的重视并开发成功。 中国电力科学研究院自1 9 9 9 年开始从事高速p l c 的研究工作，开发了 2 m b p s 、1 4 m b p s 和4 5 m b p s 等高速p l c 系列产品，并于2 0 0 1 年8 月起在沈阳电 业新村小区建立了中国大陆第一个高速p l c 实验网络，开通了基于该网络的数 字化社区。福建电力试验研究院基于h o m e p l u g v l 0 标准，研制了l o m b p s 电力 线调制解调器。从2 0 0 1 年1 2 月起，国电通信中心开始组织国内外厂商在北京 的一些小区开展电力线上网实验。到2 0 0 4 年8 月全国已有2 9 7 个住宅小区，约 1 3 ，0 0 9 户家庭通过电力线上网。截止到2 0 0 5 年5 月，在北京，上海，武汉，广州， 南京等城市相续开通p l c 业务，全国已有1 2 0 0 个住宅小区，约4 3 0 0 0 户家庭通过 电力线上网引。 t e m c 0 p n e r t r a o t u l r e l i g h ta c c e s s s e c u r i t y p 艇o - 撇t , f r l 州! n e c o n t r o lc o n t r o lc o n t r o l 艇7n 研讯 图1 - 1p l c 技术应用示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 现阶段电力线通信应用领域有以下几种： 家庭娱乐 对于家庭娱乐，无线的u w b ，8 0 2 1 l e 和8 0 2 1 l n 虽能提供q o s 及所需的高速， 但它们在房间里的传输距离有限，不能覆盖整个的家庭。电力线通信能在较低 成本下满足这些要求，提供可确保的q o s 及提供一至二路h d t v 所需带宽的能力。 i n t e r n e t 接入 电力线通信的技术涵盖了以太网技术与电力技术及一些特殊的通信编码调制技 术，主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速p l c 家庭、办公室联 网应用中，通过多个高速p l cm o d e m ( 电力猫) 组成内部网络，并可通过p l cm o d e m 共享外部a d s l 、无线等宽带i n t e r n e t 接入。在一般的家庭i n t e r n e t 接入应用 中，电力线通信看起来无法和x d s l 及c a b le 通信相比。但在某些场合仍有优 势。电力线通信可以向旅馆业提供高速，低成本的m d u ( m u l t i - d w e l l i n gu n i t ) 特色的i n t e r n e t 接入服务。x d s l 和c a b l e 均不能提供类似的服务，而无线通 信则受制于其传输距离有限扣。 与无线通信之间的连接 一般来说，如果无线通信能够满足需求，消费者仍然喜欢使用无线通信。但无 线的传输受场合限制，不能够覆盖整个家庭或整个的应用场合，电力线通信则 可以用于无线通信之间的连接。电力线通信扩展了无线通信的范围。市场上出 现了越来越多的基于电力线通信的无线r o u t e r 。以电力线通信为骨干，家庭中 每个角落都能够无线接入的数字家庭将是一种理想的应用模式。电力线通信和 w i m a x 的结合，可以提供边远地区的居民小区低成本的高速i n t e r n e t 接入以及 v o i p 服务。 视频监控系统 p l c 还可以应用予安全监控系统。电力线不仅提供监视器所需的电力，同时也 作为其图像传输的介质。电力线通信的发展极大的降低了图像监视器的应用成 本及其应用的复杂性。在不需要重新布线的前提下，摄像装置可随意安放，灵 活性得到提高。 智能家电及设备控制 使用家庭住所或办公场所已有的电力线，对冰箱、电视等家电以及打印机、传 露南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 真机等办公设备进行控制，从而建立智能化的家电及办公系统，提高家居质量 和办公质量。 1 2 2 电力线通信技术分类 目前p l c 所使用的调制技术主要有三大类：单载波类，扩展频谱类和多载波 类。 ( 1 ) 单载波调制( s o m ，s i n g i ec a r r i e rm o d u l a t i o n ) 采用f s k 等方式的单载波调制同后面两种调制方式相比，其最大优势是构 造简单，复杂度低，适用于低速的电力线载波通信。为了提高整个系统的性能， 需要添加很多其他的辅助技术，如侦测技术和均衡技术( 判决反馈均衡器) 等。 f s k 调制作为窄带调制中最常用的一种调制方式，在雷外第一代毫力线载波芯 片中得到广泛应用。 ( 2 ) 扩频调制( s s m ，s p r e a ds p e c t r u mm o d u la tio n ) ( a ) 直接序列调制( d s dir e c t - s e q u e n c em o d ula tio n ) 此技术是将信号能量平均分布于整个频带内，并通过伪随机序列将数据流 倍加来使信号得以扩频，此序列具有数倍予所传信号二进制数据的符号速率。 。( b ) 跳频扩频( f h 。f r e q u e n c y h o p pln g ) 即扩频信号在某一频率通过延续一段时间，来代表数据的一位、几位或是 一位的一部分。当信号在某一频率上受到干扰时，信号就可切换到扩频带宽内 的其镌频率上去，医丽大大降低了其受干扰的程度。 ( 3 ) 多载波调制( m c m ，m u i t i - c a r t i e rm o d u i a t i o n ) 宽带电力线通信中主要使用歪交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 调制方式。将编码后的串行数据变换为并行数据，采 用频率上等间隔的n 个载波分别进行调制，调制怎的n 个子载波的信号相加屠 同时发送，这样每个符号的频谱只占用可用信道带宽的一小部分。通过选择载 波间隔，。使这些子载波在整个符号周期上保持频谱的正交性，各子载波上的信 号在频谱上相互重叠，接收端利用载波之间的正交性可以无失真的恢复发送信 息。每个子载波可以使用不同的调制方式，比较常用的有b p s k ，q p s k 和q a m 等。 也就是说，o f d m 实际上是将高速的串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然 每个予载波的速率并不高，但是所有子信道加起来可以获得很高的数据速率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 h o m e p l u 9 1 0 协议及o f d m 技术介绍 1 3 1h o m e piu 9 1 0 协议介绍 2 0 0 0 年4 月，思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司联手成立了 家庭插电联盟( h o m e p l u gp o w e r li n ea l l i a n c e ，h p a ) ，共同制定可使所有带电 源插座的家用电器互相联网或与i n t e r n e t 相连的电力线网络标准。目前该联盟 的成员企业已达9 0 家之多。该联盟的宗旨是联合包括应用电子、消费电子、软 件、硬件、零售等行业的著名公司，致力于为各种信息家电产品建立开放的电 力线互联网络接入规范。其未来目标是只需在事先安装好的万能插座上插入电 源插头即可构筑起局域网。h p a 选用i n t e l l o n 公司的技术作为协议的基础，于 2 0 0 1 年6 月2 6 日发布了该协议的第一个版本“h o m e p l u 9 1 0 。 h o m e p l u 9 1 0 是家庭插电联盟发布的第一个电力线网络通信技术协议。 h o m e p l u g1 0 不但支持常见的网络应用，如w e b 、电子商务以及语音技术，并 且h o m e p l u g1 o 能够很好地兼容现有的通信网络，包括电话线通信，传统的双 绞线网络和无线通信系统。h o m e p l u g1 o 协议选定i n t e l l o n 公司的p o w e r p a c k e t 技术为技术标准，支持最大1 4 m b p s 的传输速率，用户可以让家用电脑， 普通家电，外围设备以及其它的信息终端产品通过电线网络进行连接，组成家 庭智能网络，并可高速传输数据。在物理层，h o m e p l u 9 1 0 协议采用o f d m 技术：8 4 个子载波，子载波调制方式为d q p s k ，d b p s k 或r o b o ，频带宽度为4 3 m h z 到 2 0 9 m h z ，自适应信道调节技术、前向纠错和交织技术。 1 3 2o f d m 技术介绍 o f d m ( 正交频分复用，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是 h o m e p l u 9 1 o 协议中采用的关键技术之一。它是一种多载波调制方式。传统的 数字通信系统中，符号序列被调制到二个载波上进行串行传输，每个符号的频 率可以占有信道的全部可用带宽。o f d m 调制方式是将可用的频谱分成n 个频带 较窄、相对低速率传输的子载波，子载波的幅频响应相互重叠和正交。每个子 载波可以分别使用不同的调制方式，也可使用相同的调制方式，比较常用的有 b p s k ，q p s k ，q a m 等。串行传输的符号序列也被分成长度为n 的段，每段内的n 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 个符号分别调制到n 个子载波上一起发送。也就是说，o f d m 是把一组高速传输 的串行数据流转化为低速的并行数据流，再将这些并行数据调制在相互正交的 子载波上，实现并行数据传输。虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有 的子信道加在一起可以获得很高的传输速率。 为了消除码间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和子载波干扰 ( i n t e rc a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) ，需要在0 f d m 符号之间加入保护间隔， 使保护时间大于信道的多径时延，作为循环前缀通常是将o f d m 符号尾部长度为 l 的样本复制到本符号的前面，作为循环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) ，用以间 隔各个符号n u 。 o f d m 符号可以用公式( 1 - 1 ) 来表达。 。j i n - 1 e 属。卅，】 ”1 ， 其中。 厂c x p ( j 2 石a t ) o s f 墨r g 女p ) 一 ( 卜2 ) lo 。，o + i k k 一0 , 1 ，n - 1 ( 1 3 ) g k o ) 是第k 个子载波；以t 是经过数字调制方式( b p s k ，q p s k ，q a m ) 等映射后的0 f d m 第以个符号的第七个码元( 每个符号包含n 个码元) ；t 是 每个0 f d m 符号持续周期；是o f d m 的子载波个数； 是第k 个子载波的 中心频率，厶是所使用子载波的最低中心频率，子载波之间的频率间隔 埘1 1 t o f d m 解调器的数学表达式为： 墨乒= 拄舻瑚盛o ( 1 - 4 ) 之所以能还原z j 是因为子载波之间的正交性保证了： 厂1z 。k 。t f r g , ( t ) g ? o 。t oz 一尼 1 5 如果在一个o f d m 符号周期t 内对时域信号进行以t n 的速率进行抽样，即令 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 t = n t n ，0 = 0 ，1 ，n - 1 ) ，可得到： 吖( n r n ) 一薹五e x 刚等) 扣蜘，n - 1 ( 1 - 6 ) 局 v 吒即为该符号周期内的第n 个已调码元，噩为第k 个未调制码元。 解调器输出信号表达式为： 五= 万1n 磊- i 吒，e x p ( 一警) 刀= 。山“，一1 ( 1 7 ) 从公式( 卜6 ) 与公式( 卜7 ) 可见，可以采用i d f r 和d f t 来实现o f d m 信号调制与 解调。 1 4 论文主要研究内容 本论文将主要针对电力线通信技术的仿真与实现展开研究，主要包括以再 三个方面的内容： 论文首先对电力线的阻抗特征、噪声特征、信号衰减等信道特征进行了分 析和仿真，分别得出了在背景噪声，脉冲噪声以及多径衰落信道条件下，电力 线通信的误码率性能。为了改善其性能，论文中引入了信道估计、频域均衡和 频率分集，对系统性能进行仿真，仿真结果表明，可以得到更佳的系统误码率。 性能。 随后，论文搭建了一个低速电力线通信系统，实现了手写输入功能的应用， 集中了两者各自的优势，实现了一种新的基于低压电力线通信的应用方式，即 在任何有电源插座的地方均可以进行手写输入，通过手写信息识别并经由电力 线传输到终端进行显示、控制等操作，可以应用到例如信息查询，多媒体教学 以及其他特殊环境下的通信需求中，具有结构简单，成本低，布点容易，易于 移植等特点。设计内容包括对硬件平台的搭建，软件程序的编写以及p c b 制板 和电路焊接与系统调试。 最后，针对低压电力线上的宽带电力线通信，论文利用i n t 5 2 0 0 芯片，对 电力线调制解调器进行设计，设计内容包含系统设计、电路原理图设计以及p c b 设计。该调制解调器充分利用了电力线媒介的优势，可以实现高速数据通信及 宽带接入。若没有特别说明，本论文的研究内容都针对民用低压电力线展开。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章电力线信道特征分析与系统仿真 电力线通信的发展经历了几十年的历史，其关键技术也在不断变化与改进。 从单载波到多载波方式，从低速窄带到高速宽带方式。电力线的主要作用是用 于传输5 0 6 0 h z 的电能，而其作为通信媒介的作用受到多方面的限制，这其中 主要就包括电力线阻抗变化大，噪声干扰大，信道衰落严重等等。目前电力线 通信的可用频带范围一般在3 0 m h z 以内，3 0 m h z 以上频带的信号，由于衰减过 大在接收端无法检测。 将低压电力线作为通信信道，其遇到的主要干扰有： 1 ) 电力网络上的阻抗随负载的变化会有大幅度的变化，且具有较强的时变性： 2 ) 存在较强的衰减特性，且电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同； 3 ) 在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备，雷电等。 所以，在低压电力线上实现可靠的通信需要考虑阻抗、衰减和噪声特性。 本章对低压电力线上的阻抗、噪声、信号衰落特性逐一进行理论分析，重点分 析了低压电力线上的噪声特性，并对各类噪声进行了分类建模仿真。随后，本 章在之前的基础上对电力线信道衰落进行了理论研究，建立了简捷实用的电力 线通信系统仿真模型，将整个电力线信道归纳为一个多径衰落信道与加性噪声 的组合。最后，在系统模型上加入信道估计、频域均衡和频率分集，通过进一 步仿真观察分析系统性能的改善。 - 2 1电力线信道特征分析 2 1 1 电力线信道阻抗特征分析 使用低压电力线用做通信媒介时，其阻抗特性在设计通信系统是非常重要 的，它直接关系到发送机和接收机的效率问题。低压电力线的阻抗变化范围很 大，甚至可能从o 1q 变化到1 0 0 0q 。测量结果表明：低压电力线上的输入阻 抗与所传输的信号频率相关。从总体上来说，阻抗将随着频率增加而增加，但 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 在某些局部上却违反这个规律，出现了所谓的阻抗低谷区。这是因为电力线作 为一根传输线，上面连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成 许多谐振回路，在谐振频率及其附近频率上形成低阻抗区，从而造成在局部频 率段内阻抗随着频率增加而减小。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，因 而输入阻抗具有时变性，造成在同一频率下测量的阻抗有很大的波动，且同一 点在不同时刻的阻抗也会有所不同。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。 2 1 2 电力线噪声特征分析 ( 1 ) 电力线噪声分类 电力线信道的噪声特征也是有别于其他信道的，且不能简单地看作一个加 性高斯白噪声信道( a w g n ) ，所以对噪声干扰特征的分析对于电力线信道的建模 非常重要。z i m m e r m a n n 等将电力线噪声分为下面五种类型：有色背景噪声，窄 带噪声，与工频异步的周期性脉冲噪声，与工频同步的周期性脉冲噪声，异步 脉冲噪声1 。 ( 1 ) 有色背景噪声：电力线环境下的有色背景噪声是电力线上各种噪声源产生的 组合干扰，具有相对低的功率谱密度，并随着频率的变化而变化。而其功率谱 密度在时间上可能保持几分钟到几小时。 - ( 2 ) 窄带噪声：这种类型的噪声几乎是正弦信号，其幅度可近似为a m 广播信号。 如果忽略a m 调制，该类型噪声幅度随时间变化速度很慢，因此如果在同一环境 下，该类型噪声其他参数可视作不变。 ( 3 ) 与工频异步的周期性脉冲噪声：这种类型的噪声重复频率在5 0 到2 0 0 k h z 之间，有与重复频率相对应位置的离散谱线，主要是由开关电源产生的。 ( 4 ) 与工频同步的周期性脉冲噪声：这类噪声主要是由电源的整流二极管产生 的，与工频同步，重复频率为5 0 h z 或者l o o h z ，持续时间很短，功率谱幅度随 频率增加而减小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 ( 5 ) 异步脉冲噪声：这类噪声主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也 可归类为这种噪声。由于这类噪声随机产生，持续时间小到us 级，达到m s 级，而且幅度可以相比背景噪声大到5 0 d b ，因此，被认为是电力线通信的最大 障碍。 本论文随后将对背景噪声和异步脉冲噪声进行建模，并在后续章节仿真在 该噪声环境下的电力线通信性能。 ( 2 ) 电力线背景噪声分析 图2 - 1 电力线背景噪声产生示意图 将高斯白噪声通过滤波就可以简单综合出电力线环境下的有色背景噪声信 号，z 厶口砖o ) ，如图2 - 1 所示。滤波器h 删( z ) 的表达式见式( 2 1 ) 。 ；卷，筹 l ， 该转移函数由移动平均( m a ) ，也就是分子曰例部分，以及自回归( a r ) 部分， 也就是分母a 例组成。这里的背景噪声建模所需参量是白噪声的方差6 7 以及 滤波器系数。通过使用自回归模型，将分子艿纠令为1 ，并通过频谱分析仪测 量其余参数。由于背景噪声的功率谱密度随时间变化十分缓慢，所以在仿真环 境不变的情况下可以保持该建模参数不变。 ( 3 ) 电力线异步脉冲噪声分析 对于数据传输过程中脉冲噪声的研究主要包含以下两方面的问题：1 ) 脉冲 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 出现的时间；2 ) 脉冲的强度。文章 6 的研究中将脉冲噪声的总和假设为方波的 包络形式，如图2 2 所示： 图2 - 2 时域脉冲噪声包络及相关参数 其中，噪声的幅度aam a x 群，4 ) ，脉冲宽度为0 ，脉冲到达时间为乙，j 。 两个脉冲事件之间的间隔便可以由公式( 2 2 ) 所示的到达时间间隔来表达嘲。 f 倒r 昌t w + t d = 乙。i + 1 一t a r ，i ( 2 - 2 ) m a n f r e dz i m m e r m a n n 和k l a u sd o s t e r t 的研究中对电力线噪声的频域和时域特 性进行了分析，包括幅度特性，脉冲宽度以及到达时间间隔等等。对于时域脉 冲噪声的统计模型，他们采用了基于马尔可夫链( m a r k o vc h a i n ) 的模型。y h m a 和p l s o 则针对o f d m 系统，在文章 1 0 的基础上提出了另一种更为简单 的，基于泊松的电力线脉冲噪声模型，见公式( 2 - 3 ) 。 。 k 暑g k ( 2 3 ) 该模型可以理解为具有b k 概率分布和戤随机幅度的脉冲噪声随机地夹杂到每一 个传输数据中“1 ，如图2 - 3 所示。 其中，仇是一个泊松过程，g 。是均值为零，方差为6 2 的高斯白噪声。，是 数据符号宽度， n o i s e 是平均脉冲噪声宽度。由于脉冲噪声的出现近似于泊松 过程，因此脉冲的到达服从到达率为入每秒的泊松分布，即在t 秒内有k 个到 嚣南交通大学硕士研究生学位论文第13 贾 - k 阳i 卜叫 7? f f 一，。 r 。 一7 一 一? 一彳? | ( j = = ：j i 王l = = = ：医互z = z ：磊刁 = = = = ：= a w ( n i n 蛐i v en o i s e d a t as y m b o l 图2 - 3 噪声与数据符号示意图 达的概率为： 最p ) - e 一知( 知广k !k - 0 ，1 , 2 t ( 2 4 ) 毒于琵掰号冤魇t 志司髓甾现多个脉冲噪声，不妨定义p i 为时闻t 内平均霓厦 为t n o i s e 的脉冲噪声所占的平均比仞j 。 肌监：簦坠：翌 吣妇【矿r 焉】 5 ) 啦一驴甜簪】 基于以上的分析，可以