（微电子学与固体电子学专业论文）基于ofdm的电力线载波通信系统的研究.pdf

r e s e a r c ho fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do no f d m b y q ig u o g a n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e l n m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g h o n g n a n a p r i l ，2 0 1 1 舢0m 9舢86 09l舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 j 仪7 号的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：厣酬 日期：少庐岁月狮 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子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 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 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：幻年岁月枷 日期溯1 年月跏 基于o f d m 的电力线载波通信系统的研究 摘要 电力线通信( 简称p l c ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 是一种以电力线作为 传输媒质来进行数据信息和话音信号传输的通信方式。由于电力线分布广、成本 低、速率高、即插即用等优势，在远程控制、自动抄表、智能家居以及宽带接入 等方面具有广阔的应用前景，使p l c 通信技术得到了长足发展。但电力线的主 要用途是电力传输，信道环境恶劣，需要在对电力线信道特性研究的基础上，使 用合适的信号编码与调制技术，采用合理的组网策略，来组建电力线通信系统。 文章首先分析了室内电力线信道的噪声特性、信道衰减特性以及阻抗特性。 在总结国内外电力线信道特性分析、建模的基础上，用m a t l a b 仿真了电力线 上的噪声特性，并设计制作了无源分布式衰减模块，用实验观测了具有复杂时变 性的电力线信道特性。然后阐述了o f d m 技术原理以及优缺点。 论述了基于o f d m 的p l c 载波通信收发模块的硬件设计。先介绍了主芯片 基带m a x 2 9 9 0 与模拟前端m a x 2 9 9 1 的功能，然后主要说明了发射通道的设计， 包括放大电路、耦合接口电路、保护电路、功率控制电路以及电源电路的设计， 并根据实际需要将模块进行了小型化的改进。电力线载波通信测试结果表明模块 硬件设计的合理性，也进一步验证了上一章信道特性的分析。 搭建了基于f p g a 的p l c 通信系统。首先介绍了o f d m 系统的物理层参数， 描述了发射通道中的卷积编码、交织等和接收通道中同步、解调等模块的实现过 程。然后设计了收发通道的外围电路，主要包括s a l l e n k e y 结构的6 阶带通滤波 器、步进精度为3 d b 且动态范围3 0 d b 的数字v g a 与a d c 电路，测试结果表明 整个接收通道的无杂散动态范围达到4 8 d b 。 分析了f 乜力线组网的特性，采用树形路由进行了小规模的组网试验。在说明 m a x 2 9 9 0 介质访问控制和差错控制之后，分析了不同的网络结构树形路由的建 立、路由以及维护过程，结合p l c 通信测试软件进行了小规模组网测试，通过 对主从节点的相关信息进行统计，结果表明树形路由的可行性。 关键词：电力线载波通信；信道特性：正交频分复用；收发模块；组网特性； a b s t r a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) i s ak i n do f c o m m u n i c a t i o nu s i n gp o w e rl i n ea st r a n s m i s s i o nm e d i u mf o rd a t aa n d v o i c es l g n a i fr a n s m i s s i o n 。d u et op o w e rl i n e sw i d e l yd i s t r i b u t e d ，l o wc o s t ，h i g hs p e e d ，p l u ga n d p l a ya n d0 t h e ra d v a n t a g e s ，p l ch a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h er e m o t e c o n t r 0 1 a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，s m a r th o m ea n db r o a d b a n da c c e s s ，s o t h a tp l c c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yh a sm a d eag r e a tp r o g r e s si nt h ep a s td e c a d e s h o w e v e r , t h ed o w e rl i n e sa r em a i n l yu s e df o rp o w e rt r a n s m i s s i o n ，c h a n n e le n v i r o n m e n t l sp o o r t h es t u d vo f t h ep o w e rl i n ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c si sn e e d e d ，a p p r o p n a t es l g n a l c o d i n ga n dm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，r e a s o n a b l en e t w o r k i n gs t r a t e g ym u s tb e u s e dt o b u i l dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， t h ep a p e rf i r s t l ya n a l y z e d t h ei n d o o rp o w e r l i n ec h a n n e ln o l s e ， c n a n n e t a t t e n u a t i o na n dt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n di m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c s b a s e d o nt h e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho np o w e rl i n e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t l ca n a l y s l s a n dm o d e l i n g ，u s em a t l a bt os i m u l a t et h ep o w e r l i n en o i s ec h a r a c t e r l s t l c s ，a n d d e s i g n e d a p a s s i v e d i s t r i b u t e d a t t e n u a t i o nm o d u l e ，c o m p l e x t l m e v a r y i n g c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rl i n ec h a n n e lw a so b s e r v e db ye x p e r i m e n t t h et e c h n l c a l p r i n c i p l e so fo f d m w a sa l s od e s c r i b e d ，a n da l s oi t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s d i s c u s s e dh a r d w a r ed e s i g no fp o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt r a n s c e i v e r m o d u l eb a s e do no f d m f i r s ti n t r o d u c e dt h em a i nc h i pb a s e b a n dm a x 2 9 9 0 a n d m a x 2 9 91a n a l o gf r o n t e n df u n c t i o n a l i t y ，a n dt h e nm a i n l yt oe x p l a i nt h ed e s l g n o f t h et r a n s m i s s i o nc h a n n e l ，i n c l u d i n gt h ea m p l i f i e rc i r c u i t ，c o u p l e di n t e r f a c e c i r c u i t , p r o t e c t i o nc i r c u i t s ，p o w e rc o n t r o l c i r c u i ta n dp o w e rc i r c u i td e s i g n a c c o r d i n gt o a c t u a ln e e d s ，t h em o d u l ew a sm i n i a t u r e d t e s to fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n l c a t l o n s w e r em a d e ，t h er e s u i t ss h o wt h a tt h em o d u l eh a r d w a r ed e s i g ni sr e a s o n a b l e ，b u t a l s o f u r t h e rv a l i d a t e st h ep r e v i o u sc h a p t e rt h ea n a l y s i sf o rc h a n n e lc h a r a c t e n s t l c s b u i l daf p g a b a s e dp l cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m a c c o r d i n gt o t h ee u r o p e a n s t a n d a r d s ，d e s i g n e dt h eo f d mp h y s i c a ll a y e rp a r a m e t e r s o ft h es y s t e m ad e t a i l e d d e s c r i p t i o no ft h et r a n s m i s s i o nc h a n n e li n c l u d i n gc o n v o l u t i o n a lc o d i n g ，i n t e r i e a v l n g ， e t c a n dr e c e i v ec h a n n e l si ns y n c h r o n i z a t i o n ，d e m o d u l a t i o n a n do t h e rm o d u l e so ft h e i m p l e m e n t a t i o np r o c e s s a n dt h e nd e s i g n e dp e r i p h e r a l c i r c u i t so ft h et r a n s c e l v e r c h a n n e l ，i n c l u d i n gs a l l e n k e y s t r u c t u r e ，6 - o r d e rb a n d - p a s sf i l t e r ，3 0 d bd y n a m i c m 基于o f d m 的i u 力线载波通信系统的研究 r a n g ef o rt h e3 d bs t e pa c c u r a c y1 2 - b i td i g i t a lv g aa n dt h ea d cc i r c u i t ，t e s tr e s u l t s s h o wt h a ts p u r i o u s f r e ed y n a m i cr a n g eo fr e c e i v e rc h a n n e li s4 8 d b a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rl i n en e t w o r k ，u s i n gt h et r e er o u t i n g ， s m a l l - s c a l en e t w o r kt e s t sa r em a d e f i r s t l y ，m e d i aa c c e s sc o n t r o la n de r r o rc o n t r o lo f m a x 2 9 9 0a r ed e s c r i b e d ，f o rd i f f e r e n tn e t w o r ks t r u c t u r e ，t h ee s t a b l i s h m e n to ft h e t r e er o u t i n g ，r o u t i n gp r o c e s s ，a n dm a i n t e n a n c ep r o c e s sa r ea n a l y z e d f i n a l l y , w i t h t h et e s t s o f t w a r e ，g e ts t a t i s t i c e d r e l e v a n ti n f o r m a t i o n sf r o m p r i m a r yn o d eb y s m a l l s c a l ep l cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt e s t s ，t h er e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo ft h e r o u t i n gt r e e k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ；c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ；o r t h o g o n a l f 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 ；t r a n s c e i v e rm o d u l e ；n e t w o r k c h a r a c t e r i s t i c s 硕十学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 电力线通信概述1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 2 3p l c 通信面临的挑战以及发展趋势4 1 3 课题研究背景5 1 4 论文研究内容及安排5 第2 章电力线信道特性分析与o f d m 技术原理7 2 1 电力线信道特性分析j 。7 2 l 1 电力线信道噪声特性7 2 1 2 电力线信道传输与衰减特性1 2 2 1 3 低压电力线的阻抗特性1 4 2 2o f d m 技术原理与优势1 5 2 2 1p l c 通信的调制方式1 5 2 2 2o f d m 基本原理与优缺点。1 6 第3 章o f d m 调制电力线载波通信收发模块设计1 8 3 1 主芯片功能介绍及其连接1 8 3 2 发射通道电路设计2 2 3 2 1 发射通道的放大电路设计2 2 3 2 2 电力线通信耦合接口电路设计2 5 3 2 3 保护电路设计及功耗控制2 7 3 2 4 电源电路设计2 9 3 2 5 接口板与m a x 2 9 9 0 的连接2 9 3 2 6 发射通道的测试结果3 0 3 3 接收通道的实现3 1 3 4 收发模块的小型化实现3 1 3 4 1 通信模块接口标准介绍3 1 v 基于o f d m 的电力线载波通信系统的研究 3 4 2 模块小型化策略。3 2 3 5 模块通信的试验结果分析3 3 第4 章基于f p g a 的p l c 通信系统设计3 5 4 1p l c 通信系统原理3 5 4 1 1 发射通道的原理与实现3 6 4 1 2 接收通道的原理与实现4 0 4 2a f e 接收电路的设计4 1 4 2 1 接收通道的硬件总体方案4 l 4 2 2 带通滤波器的设计4 2 4 2 3v g a 电路的连接4 7 4 2 4a d c 连接设计5 0 4 2 5 模块的电源设计5 l 4 2 6 接收通道的测试结果5 2 4 3a f e 发射通道的设计5 4 4 4 ，j 、结5 5 第5 章低压电力线通信的组网实现5 6 5 1 电力线网络拓扑结构与特性5 6 5 2p l c 可靠通信策略。5 6 5 2 1 介质访问控制5 6 5 2 2 差错控制5 8 5 3 树形路山的建立与维护5 8 5 3 1 树形路由的建立5 8 5 3 2 树形路由过程6 0 5 3 3 树形路由的维护6 0 5 4 常见网络结构树形路由的建立6 0 5 5p l c 通信测试6 3 5 5 1p l c 点对点通信测试6 3 5 5 2p l c 组网通信测试6 3 5 6 小结6 6 结论6 7 参考文献7 0 致谢7 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录7 5 v i 硕+ i ：学位论文 1 1 电力线通信概述 第1 章绪论 1 1 1 电力线通信的特点 电力线是世界上覆盖最广的一种物理媒介，由其构成的电力网是一个近乎天 然的网络。电力线通信( 简称p l c ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 以电力网作为 传输信道，在网络内部各节点之间以及与其他通信网络之间实现数据传递和信息 交换，是唯一不需要线路投资的有线通信方式，具有分布广、低成本、高速率、 即插即用( 插上电源即可联网使用) 等特点【1 1 ，在一些干扰大、布线困难的恶劣 通信环境下如矿井通信等，具有无线通信等方式所没有的先天优势。 1 1 2 电力线通信的分类 p l c 有不同的分类方式，一般可以按占用频率带宽、通信速率和应用场合 等加以分类，如表1 1 所示。从占用频率带宽角度，p l c 可分为窄带p l c ( n b p l c ) 和宽带p l c ( b b p l c ) ，窄带p l c 的载波频率范围在欧洲为3 k h z 一 1 4 8 5 k h z ，美 国为5 0 k h z 一- 4 5 0 k h z ，中国地区为3 k h z 5 0 0 k h z 。宽带p l c 的载波频率范围在 美国为4 m h z - 2 0 m h z ( h o m ep l u 9 1 0 版) ，欧洲e t s i 规定为1 6 m h z , - 一1 0 m h z ( 接 入通信) 和1 0 m h z 一 3 0 m h z ( 户内通信) 。从通信速率来看，p l c 可分为低速p l c 表1 1 电力线载波通信分类 和高速p l c ，以2 m b s 线速为分界线。一般窄带p l c 传输速度有限，等同于低 速p l c ，宽带p l c 可实现视频传输和宽带接入，传输速度较高，等同于高速p l c 。 基于0 f d m 的r 乜力线载波通信系统的研究 根据使用场合的不同，可分为四类即h ( 高压) 、m ( 中压) 、l ( 低压) 以及p ( 室内) 。 1 1 3 电力线载波通信应用 电力线载波通信技术起源于欧洲，产生于2 0 世纪2 0 年代，早期主要在中高 压电线上用于变电站间的调度通信，低压p l c 通信( 对应低速，一般不超过 1 2 0 0 b p s ) 一般用于远程抄表和负荷控制等。近年高速窄带型电力线通信的速率 与可靠性取得长足进步，在矿井通信、路灯控制与智能家居等方面取得广泛应用， 而高速宽带p l c 接入也接近实用阶段，随着传输速度的提高，在业务模式上可 以与其他通信网络相融合，也可实现面向家庭的网络服务，如网络远程医疗，视 频通信、安全监控及家政服务等。 运用电力线作为载体进行信号传输受到人们更多的重视和关注，在自动抄 表、智能家居以及宽带接入得到了广泛的应用。利用已有的电力线作为信息传输 的信道，不必再进行网络的投资与建设，由于电力线为电力公司所拥有，电力线 载波通信也成为了智能电网通信的首选技术。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 国外研究现状 低压电力线载波通信首先在德、英等欧洲等国家取得了突破性的进展。英国 曼彻斯特n o r w e b 供电公司很早就研究了低压电力线进行载波通信的可行性， 于1 9 9 3 年完成世界上首次低压电线上的2 5 个终端用户的电话与数据通信试验， 并开发出2 m h z 带宽内速率为1 m b p s 的系统。随后英国s w e b 公司在电力线上 开发提供包括水、天然气、电能自动抄表功能的系统。 宽带电力线通信作为进入家庭的第三条宽带线，已经成为研究热点并在部分 地区进入实用阶段。高速电力线载波通信技术经历了两种发展模式：一是p l c 发源地欧洲和亚太地区的发展模式，由于这些地区的低压配电网布线与规划比较 规范，电网一般供电户数为两三百左右，结构比较类似，所以推广接入服务的半 均成本比较低，能够提供从变压器或小区至户内家庭接入全面的p l c 接入力案。 另一种是家庭联网模式，以美国等北美国家为代表，户外访问采用光缆、光纤等 传统的接入方式，而p l c 接入方式只用于解决户内联网。 电力线载波通信技术早期主要基于f s k ( f r e q u e n c ys h i f tk e y 频移键控) 调制方式，但当电表数量达到上百万台之后，很难保证电表与主控中心安全、可 靠的通信，智能电网要求的实时通信也变得难以实现。在此状况下， p r i m e ( p o w e rl i n ei n t e l l i g e n tm e t e r i n ge v o l u t i o n ：电力线智能计量演进项目) 联盟 于欧洲成立，以实现开放的智能抄表标准的目的，采用o f d m 调制方式， c e n e l e c a 波段，具有前向纠错和数据交错功能，原始数据传输速率达 硕一i ：学位论文 1 3 0 k b p s 。其m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l - 媒质访问控制) 层提供了系统接入、 拓扑解析等核心m a c 功能，优化了低压电力线环境，使用i e c 6 1 3 3 4 4 3 2 提供 的服务。很多能源供应商、通信商、i c 企业和仪表商，如西班牙第二大能源供 应商i b e r d r o l a 公司，i c 企业a d d 和s t ，通信和能源管理解决方案企业 l a n d i s + g y r 和z i v 都参与了p r i m e 。 美信公司于2 0 0 8 年推出首款基于o f d m 的高速、窄带电力线载波调制解调 器m a x 2 9 9 0 。它的工作频段在1 0 k h z - 4 9 0 k h z 之间，有效数据速率大于1 0 0 k b p s 。 西班牙a d d ( a d v a n c e dd i g i t a ld e s i g n ) 公司、德国i a d 与其合作伙伴a r i v u s 公司 均推出了基于o f d m 的电力线载波通信芯片，包括p h y 层和m a c 控制协议， 集成了微控制器，数据速率分别达到1 2 8 k b p s ( 4 2 k h z - - 8 8 k h z ) 、5 7 6 k b p s ( 1 0 k h z - 4 9 0 k h z ) 。 目前，国外p l c 研究的主要内容有：电力线的信道特性与模型【2 以0 1 ，信号 的编码调制以及处理【1 1 _ 1 3 1 ，电力网络的拓扑结构以及网络协议【1 4 - 1 5 】。国际上有 关电力线通信的进展很快，日本很早就开始研究利用电力线通信实现家庭通信网 络的接入和覆盖，欧盟执委会也已决定正式开放电力线通信接入方式，使电力公 司也能够参与到宽带通信的竞争之中，并将更进一步制订p l c 的规定以提供更 佳的服务。法国电力局确定了下一代的电力线通信标准g 3 ，基于该标准将实现 全国范围内大约3 5 0 0 万单位的自动抄表( a m r ) 。目前，世界上已经有几十个国 家和地区，进行了大量的电力线通信的联网试验。 1 2 2 国内研究现状 “十一五规划中把电力线载波通信列入大力研究项目，其中低压电力线载 波的发展对策是研究电力线通信的技术原理和各种应用技术，探讨电线上网的政 策和运营方式，把实现全面电线上网打好基础作为发展重点。 中国电力科学院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，2 0 0 0 年实现了1 m b p s 的通 信速率；2 0 0 0 年初，深圳国电公司在开始研制户内p l c 产品，目前，该公司采 用美国i n t e l l o n 公司的速度高达8 5 m b p s 芯片，相应的p l c 产品在小范围内试 验成功，在家庭联网、楼宇和地铁监控等场合取得较好应用效果。2 0 0 1 年国电 通信中心建立了国内第一个p l c 产品测试实验室；清华大学研制的基于扩频通 价的系统，在两台电脑之间的数据传输速率达到几十k b p s ：福建省电力试验研 究院住令围率先推出的电力线上网的调制解调器，速率达到1 0 m b p s l l 6 2 。 目前在国内应用的基本都是国外的m o d e m 芯片，但中国的电网特性、电网 结构、分布状况决定了电力线载波通信的应用领域等方面与国外有一些不同之 处。深圳力合微电子的的o f d m 电力线载波通信芯片于2 0 0 9 年面市，其工作频 段在5 k h z - - 4 9 9 k h z 之间，速率达1 0 0 k b p s 以上，已在重庆、黑龙江等地试点了 基于o f d m 的电力线载波通信系统的研究 四载波技术。在北京的些小区，m a x i m 公司已与合作伙伴开展了o f d m 产品 的相关试验，北京科迪讯通公司计划于2 0 1 1 推出更适合于国内电网特性的 o f d m 电力线载波专用芯片。黑龙江省电力公司系统建设电力线载波通信系统 的具体实践国内开创了大规模低压电力线载波通信技术应用的先河，吉林省电力 有限公司有关芯片技术的成功尝试初步验证了统一技术标准的必要性和可行性。 国内低压电力线载波通信在自动抄表领域经历了十多年的发展，其技术目前 仍未完全成熟，至今尚没有一款完全适合中国电网的载波芯片。另一方面，原有 抄表系统建设所形成需求市场的不规范和建设目的不明确，没有规模化的市场需 求背景形成推动技术的进步的因素，没有统一的标准去规范p l c 技术的进步和 推动应用，形成低压电力线通信技术技术“各行其是 的无序局面。尽管有很多 失败案例，但基于电力线载波方案仍是集中抄表最希望采用的技术。随着众多电 力载波芯片厂家的加入和努力，电力线载波通信技术已逐渐开始进入可实用阶 段。 近来a m r ( 自动抄表) 的开始得到广泛的应用，我国电力线通信技术发展较 快，并已经开始了商业应用，但离a m i ( 自动测量) 还有很长的距离。由于国内旧 式楼宇的比重还比较大，普遍缺乏系统的综合布线，导致电力线接入网络混乱， 通信技术上的瓶颈还没有完全克服。而且目前我国的载波通信协议标准体系还不 完善，没有欧洲o p e r a 这样的技术联盟，也没有类似欧洲政府支持的p r i m e 项目联盟，这都制约着我国电力通信技术的发展。 1 2 3p l c 通信面临的挑战以及发展趋势 电力线主要是用来传输电能的，传输介质对通信来说为非理想的随机参数通 信信道。由于用电负载及负荷的不同，在不同的地点频率响应特性及干扰特性也 会不同，都可能导致通信的效率低下甚至失败【，其发展面i 临的三大挑战是电力 线上的噪声、阻抗匹配以及载波信号的耦合。 实际上，各种电器都可能是电力线通信的噪声源，接收信号的信噪比必须足 够大才能被接收器正确解调，然而电磁兼容规范限制了p l c 信号的发射电甲， 使得不能通过单纯提高发射信号强度来提升通信效果。具有确认机制的双向通信 包括错误检测、数据重发等技术，可以克服脉冲噪声的影响，而采用不同的调制 方式会对抗干扰性能产生关键性的影响。终端阻抗不匹配导致的信号反射也是一 种干扰，当不同的用电器接入电网时，电力线的阻抗就会动态变化，p l c 收发 模块需要设计为可以预先感知电力线上的这种阻抗变化，以保证信号传输的性 能。发射端和电力线阻抗匹配对保证信号的最大化传输有利，阻抗匹配问题解决 得越好，损耗就越少，而高的接收机阻抗可使接收的信号损失最小。将调制解调 器出来的信号合适地耦合到电力线上非常重要，耦合需要的变压器须使耦合损耗 硕 ：学位论义 最小以优化性能。 随着智能电网、最后一公里接入等概念的逐步实施，高速、可靠以及低成本 的电力线载波通信解决方案的需求正在上升。o f d m 作为新一代通信系统的主 流技术之一，o f d m 电力线载波通信解决方案正成为通信领域的研究热点，世 界上很多组织和企业正在研发基于0 f d m 的电力线载波通信技术。 1 3 课题研究背景 根据国家电网公司营销计量【2 0 0 8 1 6 7 号文件“关于印发电力用户用电信息 采集系统建设领导小组第一次会议纪要的通知”的要求，将实现公司系统范围 内电力用户的“全覆盖、全采集”，有效地改变长期以来无法及时、完整、准确掌 控电力用户信息的局面。为了实现“全覆盖、全采集”的目标，应用载波抄表是最 可行的技术手段。从电表的市场规模来看，新建住宅的电表需求每年为1 4 0 0 万 台、旧表替换其需求为2 5 0 0 万台( 按5 1 0 年生命周期) ，每年合计总规模约达 到4 0 0 0 万台，利用电力线载波通信的技术优势在低成本智能电能表设计方案中， 将具有极大的市场前景。 高速、双向、实时、集成的载波通信系统使智能电网成为一个动态的、实时 信息和电力交换互动的大型的基础设施。当这样的通信系统建成后，它可以提高 电网的供电可靠性和资产的利用率，繁荣电力市场。它将形成一个“即插即用 的环境，使电网元件之间能够进行网络化的通信，构成一个开放的通信系统。 本课题是北京某研究所与某通信芯片设计公司合作的横向项目，旨在为推出 适合于国内电力线环境的p l c 载波芯片打下理论与实践基础，并得到了m a x i m 公司以及电力科学院的支持，以推广o f d m 方式的p l c 通信技术在路灯控制， 矿井通信，特别是在电网中的电表、水表、气表的自动抄表等方面的应用，为加 快智能电网的建设进度做出努力。 ， 1 4 论文研究内容及安排 本论文研究的主要内容是基于o f d m 的电力线载波通信系统的研究。在分 析了电力线的特殊信道特性的基础上，进行了电力线载波通信模块的硬件设计。 为了配合o f d m 通信系统物理层算法的研究，对a f e 收发通路进行了设计。最 后对p l c 电力线组网的路由算法进行了研究。 论文共分为五章，各章节安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了p l c 通信的国内外研究现状与发展趋势，并描 述了本论文的研究内容与章节安排。 第二章主要分析了室内电力线信道的噪声特性和信道衰减特性以及阻抗特 性。在总结国内外电力线信道分析、建模的基础上，用m a t l a b 仿真了电力线 基于o f d m 的电力线载波通信系统的研究 上的噪声特性，并实际制作了无源分布式衰减模块，以便观测和分析电力线的信 道特性。之后也介绍了o f d m 技术原理以及优缺点。 第三章主要进行了基于o f d m 的p l c 载波通信收发模块的硬件设计。先介 绍了主芯片基带m a x 2 9 9 0 与模拟前端m a x 2 9 9 1 的功能以及它们之间的连接， 说明了发射通道的设计，其中包括放大电路、耦合接口电路、保护电路以及电源 电路的设计。并根据实际需要，将模块进行了小型化的改进，最后进行了电力线 载波通信测试。 第四章研究了基于f p g a 的p l c 通信系统。先介绍了o f d m 系统的物理层 参数，对物理层发射以及接收模块设计有详细描述。然后对分立元件构成发射与 接收通道的设计进行了说明。 第五章首先分析了电力线组网的特性，针对不同的网络情况，分析了树形路 由的建立，路由以及维护过程。最后，用设计的收发模块和p l c 通信测试软件 进行了组网测试。 最后对论文工作进行了总结，并展望进一步的研究工作。 硕。i j 学位论文 第2 章电力线信道特性分析与o f d m 技术原理 电力线信道是电力线通信系统中非常重要的一部分，电力线载波通信的其他 研究都是建立在信道特性研究的基础上。电力线信道具有复杂的噪声特性，衰减 特性和阻抗特性，并且在不同地点以及不同的时间段，特性又有较大的不同，表 现出时变性。为了能有效进行电力线载波通信，必须对电力线信道进行合理的假 设，采取合适的模型来分析信道特性。由于电力线信道通信环境恶劣，信号传输 可能经历多条路径并附有较大的起伏和波动，而o f d m 技术具有强大的抗多径 衰落与抗干扰能力，能够在电力线中实现可靠的快速传输数据。 2 1 电力线信道特性分析 研究信道噪声特性，可以知道在实际通信过程中应该如何避免噪声对通信质 量带来的影响，以使在硬件与编码等方面采取更有针对性的措施，从而提高通信 质量。通过对电力线信道分析和建模，掌握信号在信道中的传输特性，才能有针 对性的采用适合于电力线环境的通信方案。 2 1 1 电力线信道噪声特性 2 1 1 1 电力线信道噪声特性分析 低压电力线的网络结构复杂，连接的负载众多且经常变化，因此信道的噪声 非常复杂，不能简单归结为加性高斯白噪声( a w g n ) 【2 引。电力线信道的噪声主要 是由电网中工作的各种用电设备产生，不同地点、不同时间电网中用电设备不同， 因此电力线信道的噪声必然随着时间和地点等不同而变化，主要分为以下5 种噪 声【2 3 】： ( 1 ) 窄带噪声：通常的频率范围为12 2 m h z ，这类噪声大多为带调制幅值 的干扰信号，主要由引入电力线的中短波无线广播频带信号所引起，在夜间有最 - ：枷f i ! ；值，白天相对较低。 窄带噪声部分可通过n 个独立的正弦函数叠加来描述，如式2 1 所示： n ，z ( f ) t a ( t ) s i n 2 n f i t + 够】 ( 2 1 ) 而 其中，每一个正弦分量由它的频率f i 、幅值a i ( t ) 和相位巾i 来描述。频率 f i 通过国内中短波广播电台频率表可以知道，中波频率范围为5 3 1 - 1 6 0 2 k h z ， 频率间隔为9 k h z ，短波频率范围为2 3 2 6 m h z 。幅值a i ( t ) 在时间上既可以 是常数，也可采用与a m 广播信号近似的调制幅值，在实验室环境测量的窄带 基于o f d m 的f ( i 力线载波通信系统的研究 噪声功率谱在8 5 6 5 d b m 之间缓慢变化。载波相位可在区间【o ，2 p 上用独立于 时间的随机数选择。 ( 2 ) 有色背景噪声：这种噪声具有相对低的功率谱密度( p s d p o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ) ，且是频率的衰减函数，在较低的频段p s d 有显著的增加。它主要是由 各种低功率的噪声源如电脑、调光器产生，可以造成频率高达3 0 m h z 及以上的 干扰。它的功率谱密度随时间变化缓慢，可能在几分钟或几小时内保持平稳变化， 可由不同幅度的在不同频段的一些白噪声源近似。从频域来看，下面的模型能较 好的模拟背景噪声的功率谱密度【2 引，其表达式为：( 厂