（机械电子工程专业论文）低压电力载波网络研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 低压电力线通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递 和信息交换的一种通信手段。目前智能大厦、智能小区已成为人们研究的热点， 也是未来的发展趋势。采用低压电力线作为智能小区内的通讯介质，和其它通 讯方式相比，省去了铺设线路，并且具有可靠性高、投资少、见效快等优点， 因此具有广阔的市场前景。 在此背景下，本文介绍了基于直接序列扩频技术的国产电力线m o d e m s c l l 2 8 作为电力载波芯片，详细介绍了以它为核心的电力载波通讯系统的硬 件设计和软件设计，并针对如何实现自动组网等制定了相关的网络通讯协议。 文章主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 首先介绍了电力载波通讯的基本概念、发展现状及其应用情况，深入 地分析了电力载波通讯技术和其它通讯技术相比，具有的自身优势、存在的问 题，给出了一些解决问题的方法：分析了今后电力载波通讯技术今后的发展方 向。 ( 2 ) 随后对电力载波通讯理论，尤其对扩频通讯理论、特点等作了详细地 论述。 ( 3 ) 详细介绍了以s c l l 2 8 为核心的电力载波模块的硬件设计。 ( 4 ) 介绍了电力载波模块通讯软件的编写，及制定了适合家庭局域网的通 讯协议。 最后，在总结全文工作的基础上，对系统目前存在的问题进行了分析，并 为下一步研究指明了方向。 关键词：电力载波通讯，扩频通信，s c l l 2 8 ，电力载波模块，自动组网 a b s t r a c t t h el o w e r v o l t a g e p 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 nr e f e r st ot a k i n g t h e l o w e r v o l t a g ep o w e rl i n ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka st h et r a n s m i s s i o nm e d i u m ，r e a l i z i n g t h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h ee x c h a n g eo f i n f o r m a t i o na so n em e a n so f c o m m u n i c a t i o n a tp r e s e n tt h ei n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，t h ei n t e l l i g e n tc o m m u n i t yh a v e b e c o m et h eh o ts p o tw h i c ht h ep e o p l es t u d i e s ，a l s ow i l lb et h e f u t u r ed e v e l o p m e n t t e n d e n c y t a k i n gt h el o w e r v o l t a g ep o w e r l i n ea st h ec o m m u n i c a t i o nm e d i u mo ft h e i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y ，c o m p a r e d w i t ho t h e rm e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，d o e sn o tn e e dt o l a yd o w n t h el i n e ，a n dh a st h eh i g hr e l i a b i l i t y ，f e wi n v e s t m e n t ，q u i c ke f f i c i e n c ya n ds o o n t h e r e f o r ei th a st h eb r o a dm a r k e tp r o s p e c t u n d e rt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sd o m e s t i c a l l yp r o d u c e dp o w e r l i n e m o d e ms cl12 8b a s e do nd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y ，a n di nd e t a i l i n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g no fp o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mw h i c h t a k e ss c112 8a st h ec o r e a n da i m i n ga th o w t or e a l i z et h es e l f - n e t w o r k , f o r m u l a t e st h er e l a t e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na g r e e m e n t t h i sp a p e ri n c l u d i n gt h ef o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： ( 1 ) f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e sb a s i cc o n c e p to ft h ep 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 ， t h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n di t sa p p l i c a t i o ns i t u a t i o n ，a n dh a st h o r o u g h l y a n a l y z e d o w ns u p e r i o r i t ya n dt h ee x i s t e n c eq u e s t i o no ft h ep o w e rl i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc o m p a r e dw i t ho t h e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n d g i v es o m em e t h o d so fs o l v i n gt h eq u e s t i o n s i t h a sa n a l y z e dt h en e x td e v e l o p m e n t d i r e c t i o no ft h ep o w e r1 i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ( 2 ) a f t e r w a r d si t i n t r o d u c e st h ep 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 nt h e o r y ， e s p e c i a l l yt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt h e o r y ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds oo ni n d e t a l l ( 3 ) i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ed e s i g no fl o w e r - v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e rm o d u l e t a k i n gs c l 1 2 8a st h ec o r ei nd e t a i l ( 4 ) i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r ec o m m u n i c a t i o no fl o w e r v o l t a g ep o w e r l i n ec a r r i e r m o d u l e ，a n df o r m u l a t st h ec o m m u n i c a t i o na g r e e m e n ts u i t e df o rt h ef a m i l yl o c a la r e a 武汉理工大学硕士学位论文 n e t w o r k f i n a l l y ，ac o n c l u s i o no fp a p e ri sm a d e i nt h ee n d ，w ea l s op o i n to u tt h ef l a wo ft h e s y s t e m ，a n dp r e s e n t st h eo r i e n t a t i o no fs u b s e q u e n tr e s e a r c hw o r k 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 ( p l c ) ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ， s c l1 2 8 ，p o w e rl i n ec a r r i e rm o d u l e ，s e l f - n e t w o r k i i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 电力载波通讯概述 第1 章绪论 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 ) 技术简称为p l c 技术【l j 出现予 2 0 世纪2 0 年代初期。它是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据 传递和信息交换的一种通信手段。应用电力线通信方式发送数据时，发送器先 将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线 上。信号频带峰峰值电压一般不超过i o v ，因此不会对电力线路造成不良影响。 此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来， 滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号完成通信过程【z j 。 它的应用范围主要是在一个变压器范围内进行数据的传输，用电力线调制 解调器将电信号从电力线上提取下来。目前，该技术主要应用于水、煤气、电 表等的自动抄表系统，同时该技术也是局域网接入很有竞争力的一种接入技术。 电力线无论在城市、乡村，还是偏远落后的地区到处都是，只要用电的地 方就会有电力线存在，不铺设额外的通信线路而直接利用已有的电力线资源进 行数据或话音信号的传输，将会大大降低通信成本，并且电力线通信有着它自 身的一些优势。采用电力线通信有以下几个方面的优点1 3 l ： ( 1 ) 实现成本低 因为有效的利用了已有的配电网作为传输线路，不用铺设额外的线路，从 而大大减少线路投资，节约了成本，而且避免了因铺设网络线路带来的一些问 题，如住宅打孔，带来的对住宅的破坏作用。 ( 2 ) 永远在线 以电力线作为通信信道，可以灵活的实现“即插即用”，不用繁琐的拨号 过程，接入电源就等于接入了网络，只要插上电源就永远在线。 ( 3 ) 范围广 民用电力线是世界上最普及的网络，这是电话和有线电视都不能比拟的优 势。p l c 可以轻松的渗透到每个家庭，为现代家庭智能化和互联网的发展提供 广阔的发展空间。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究背景 研究开发此项技术，对于充分利用电力设施，节省普通通信所需要的数据 传输媒体，发挥电力资源优势，发展电力通信产业，为电力企业提供进入电信 公共服务的技术手段，为电信用户提供方便的、价格合理的宽带接入和访问 i n t e r n e t 。 目前智能大厦、智能小区已成为市场热点。在智能大厦、智能小区内部， 实现数据、语音、视频和电力的“四网合一”，这将具有十分广阔的前景。采用 电力载波通讯有其无法比拟的优越性，在智能大厦、智能小区底层通讯方式的 选取上，各公司不约而同地把电力载波通讯作为首选。家庭网络在数据通信方 面花样百出，包括无线通信、红外线、光纤、同轴电缆、双绞线等，在实用上 却出现了不少麻烦。人们一般不愿穿墙打孔；无线方式，成本有些高，人们不 愿付出更多额外负担。于是，不断寻找适当的方法，要为用户做到灵活、实用、 可靠、简单和廉价，就对家庭自动化系统的市场化和实用化提出了挑战。于是， 人们开始着手考虑电力线的利用。电力线载波通讯以电力线路为传输通道，具 有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步等优点。电力线载波通讯 是利用现有交流电源线作为通讯线路，省去了不必要的铺线工程。同时，这是 一个综合性的系统工程，包含许多小系统，每家每户以及每一房间也存在铺设 通讯线路问题，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，采用电力线载波通讯有其无法比拟的优越性。 尤其作为家居智能化的应用，以电力线为媒介，把分布在住宅内的微控制 器和家电、p c 机连成一个网络，是推进家庭自动化的最现实最经济的途径。其 优点是：电力线和信号线合一，无须布设信号线。人们原来使用和维护电器的 习惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线 载波通信芯片，再更新程序就行了。家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺 点也不突出。因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景， 特别是在中速率传输应用方面，具有可靠性高、造价低廉等优点，可与“蓝牙” 相媲美。 在有些干扰大、布线困难的工业自动化控制系统，采用电力载波通讯方式 能达到事半功倍的效果。电力载波通讯技术适用范围相当广泛，电力线在现代 生活中已无处不在，只要能满足通讯要求，而又不便布线，都可采用电力载波 2 武汉理工大学硕士学位论文 通讯技术【4 1 。 1 3 发展现状 1 3 1 电力载波芯片发展现状 目前p l c 厂家较多，产品也千差万别。产品形式有单芯片、双芯片、模 块、成品【5 】。采用的协议有标准的也有专有的。数据传送速率分为低速、中速、 高速。采用的技术主要有窄带载波( 双频、链码自适应调制) 、扩频( 直序扩频、 c h i r p ) 、m c m ( 多载波调制) 、d m t ( 离散多音频) 、o f d m ( i e 交频分复用) 等。 低速系统多以5 1 系列作为核心微处理器；中速系统采用5 1 系列、n e u r o n 模块、 中低端a r m 作为核心微处理器；高速系统多以高端a r m 作为核心微处理器。 ( 1 ) 产品形式 单芯片：提供核心芯片，由用户根据自己的需求进行开发。 双芯片：提供核心芯片和重要的外围电路芯片。这主要是由于核心芯片的 速率较高，外围的某些电路( 如：耦合电路、采样电路、滤波电路等) 设计较为复 杂，所以厂商将相应的外围电路设计好并以芯片的形式提供给用户，这样可缩 短用户应用的开发周期。 模块：以一定的电路实现某些功能并作为固定的模块，通过一定的模块组 合以满足用户的需求。 成品：提供用户所需的产品，用户无需开发。 ( 2 ) 采用协议 标准协议：采用标准协议，用户开发按照标准协议进行，开发、调试及扩 展方便一、 专有协议：厂商自己设计专用协议并封装于产品中，用户必需按该协议设 计自己的系统，否则无法开发，在系统扩展及与其它厂商产品集成时工作量较 大，对于用户不利。 ( 3 ) 可达速率 低速：实用传送速率在1 k 以下。多采用窄带技术，应用于无实时性要求 的抄表系统。 中速：实用传送速率在1k - 5 0 k 之间。多采用扩频、m c m ，d m t 等技术， 武汉理工大学硕士学位论文 用于实时抄表监控、用于家庭、楼宇、小区自动监控系统。 高速：实用传送速率在1 m 以上。多采用d m t , o i i d m 等技术，用于家庭 楼宇、小区的宽带网络。 ( 4 ) 高端系统 国内研究起步较晚但发展较快。中国电力科学研究院的e p l c 4 5 m 系统已 开发成功，更高速率的系统正在研发中。但遗憾的是我国缺乏具有自主产权的 高端p l c 芯片。 国外研发进展较快。法国s p i d c o m 公司的s p c 2 0 0 系列芯片速率可达 2 2 4 m ，已发布以s p c 2 0 0 系列芯片作为核心的s p k 2 0 0 开发系统。西班牙d s 2 公司的d s 9 0 0 0 系列芯片速率可达2 0 0 m ，己发布多款以d s 9 0 0 0 系列芯片作为 核心p l c 模块。 1 3 2 应用发展现状 近年来电力线载波通信技术的面貌己发生了重大变化，现在电力载波与微电 子学、数字技术j 数字信号处理、微型电子计算机相结合，使电力线载波通信 的技术发展到一个崭新的阶段，从总体来说，电力线载波通信技术应用在向以 下5 个方面发展： 从个别用户到低压段区段使用( p l c ) ，其后段部分采用电话线、光缆、无 线等构筑网络； 仅用于低压部分( a c11 0 2 2 0 v ) ； 室内系统正在出笼； 室外系统成为研究课题； 向家居自动化发展( 需要1m b p s 以上速率) 。 2 0 0 1 年6 月2 6 日h o m e p l u g 电力线联盟颁布了1 0 版技术规范，将会对电 力线通信( p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 技术产品和网络化家用电器产生重 大的影响。在美国、加拿大、英国和德国，电力线通信技术已经进入了实用阶 段，德国r w e 电力线通信公司2 0 0 1 年7 月1 日开始p l c 的商用化，2 0 0 1 年5 月7 日h o m e p l u g 电力线联盟结束了为期半年的p l c 现场试验，在美国和加拿 大进行了5 0 0 户的室内联网试验和l 万次插座至插座的连接测试，并取得了圆 满成功【6 】。目前，国内除了自动抄表方面的应用外，在其它方面应用刚开始起 4 武汉理工大学硕士学位论文 步，没有形成规模。 1 4 电力载波技术的发展方向 近年来，随着人类文明水平的不断提高，载波技术也在不断的更新与发展， 其发展的新技术与方向，有下述几点【7 】： ( 1 ) 语音压缩技术 采用码本激励线性预测编码( c e l p ) 技术，矢量和激励线性预测编码( v s e l p ) 技术，可进一步压缩话音信号的带宽。 ( 2 ) 宽带电力线载波 可以极大地发挥电力线网络的通信潜能，依据奈奎斯特准则，任意信号通 过带宽为b 的理想低通滤波器时，能够完全重建的信号最大速率每秒2 b 个抽样， 若为m 元信号，则信号的最大速率为每秒2 b l o g ，m 个抽样，若采用纠错编码 和多进制限制相结合的t c m 技术( 网络编码调制) ，与传统电力线载波相比，带 宽提高了近百倍。为保证己调信号和工频信号的同传，需要在相应的节点上安 装三出口的定向耦合单元( ( c u ) ，形成网络出口( n p ) ，通信分配出1 ：3 ( o c v ) ，和 电力分配出1 7 ( e d p ) ，一定数目的c u 构成高频调制电力网络( i - w c p 卜0 。耦合的 信号频率大于1 m h z ，可为远端用户提供6 - 1 0 m h z 的带宽。这种技术实际上是 把低压配电网变成局域网【8 】。 ( 3 ) 超窄带载波技术 应用于电力线传输中，可以无需任何中继，在低功耗的情况下，穿透多级 变压器。传输距离在不大于2 0 0k m 的范围内，超窄带载波技术是使低功耗信号 集中在1 个非常狭窄的频带内传送。超窄带的每个独立发送源被分配1 个介于 5 - 9 5 h z 之间的频率，每个频道的带宽为0 0 0 1 5 h z ，这就是其名称的来历，真 正的数据都包含在每个载波模块的双边频带里。例如，对于1 个被设定在6 0 0 1 5 h z 的载波模块，它的每个数据单位代表如下： ( 1 ) 低频带频率= 6 0 0 1h z ，代表位l ； ( 2 ) 中心频率= 6 0 0 1 5h z ，代表位0 ； ( 3 ) 高频带频率= 6 0 0 2h z ，代表同步位。 数据以二进制的方式写出来再加上同步位，然后依据电力线的频率和分配 的频带发送不同频率的电流信号。由于电流信号频率是在电力线工频的基础上 武汉理工大学硕士学位论文 通过变压器的，所以穿透力很强。超窄带载波技术传输速率比较低，这是由它 本身的特性所决定的。 ( 4 ) 扩频技术 第二章将对此进行详细论述。 1 5 应用存在的问题及解决方法 虽然低压电力线载波通讯有很多优点，但在低压电力线上进行信号传输， 还未达到令人满意的水平，这在一定程度上限制了低压电力载波通讯网络的广 泛应用。其主要原因在于i 9 1 1 ”1 1 “l ： ( 1 ) 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个 配电变压器区域范围内传送，这对网络的互联有了很大的限制。 ( 2 ) 低压电力线上的负载接入较多，电器频率特性各不相同，阻抗时变性和 随机性大，很难做到阻抗匹配，且存在着较大的频率不一的干扰信号。 ( 3 ) 电力线存在本身固有的脉冲干扰，目前使用的交流电有5 0h z 和6 0h z ， 则周期为2 0m s 和1 6 7m 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 或1 2 0 h z 的干扰。 ( 4 ) 电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 1 欧姆以下，造成对载波信号的高削减。 ( 5 ) 电力线上存在高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感 性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给 电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。 ( 6 ) 电力线引起数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络，不同点对数 据信号影响不一样，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数 据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号，所以必须 加以特殊处理。 ( 7 ) 国外配电网结构与中国相比有很大区别，国外产品无法在中国直接使 用，居民小区的低压配电线路不够规范用户装修时电源布线不合理，电源插座 的质量不同。都给电力线载波通信的普及带来了难题。 如上所述，由于电力线本身的固有特性，要利用电力线进行较为理想的通 信，必须从几方面进行考虑： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 要有较高的频谱利用率，以适应电力线信道有效带宽窄的特点。 ( 2 ) 有好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带中，降低功率损失。 ( 3 ) 载波频率的选取，尽可能使电力线呈现较高的输入阻抗，以减小对载波 信号的衰减。 ( 4 ) 有很强的噪声抑制能力，并能在信噪比很低的情况下正常工作。 1 6 课题研究内容 ( 1 ) 电力载波芯片的选型、电力载波模块电路的分析设计。 ( 2 ) 网络协议的制定。目前，低压电力载波模块的网络应用还刚开始起步， 还没有一个统一的网络协议。为了更好将电力载波应用到实际中，需要制定适 合低压电力线数据传输的网络协议，来更好地满足智能家居、安防系统等应用 的需要。 本论文的结构安排如下： 第1 章介绍电力载波通讯技术，发展现状、发展方向、存在的问题和课题 的研究背景，并对本文结构进行了说明。 第2 章详细介绍电力载波通讯原理，并重点对扩频通讯基本原理、基本理 论、特点作了讲解。 第3 章介绍了电力载波芯片s c l l 2 8 ，并对它周边电路作了详细介绍。 第4 章主要研究了电力载波通讯的软件设计，并初步制定了电力载波通讯 协议。 第5 章是介绍了载波模块通讯过程中的一些数据，包括引脚电压、波形等。 第6 章对全文进行了总结与展望。 1 7 本章小结 本章介绍了电力载波通讯技术原理，发展现状、发展方向、存在的问题， 并对课题的研究背景作了介绍。最后对本文的结构作了介绍。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章电力载波通讯技术原理及载波调制解调技术 2 1 电力载波通讯技术原理 电力线载波是以电力线路为传输通道，通过载波的方式将模拟信号或者数 字信号进行高速传输，具有通道可靠性高，路由合理，是唯一不需要线路投资 的有线通信方式。 低压电力线是为传输5 0 h z 工频信号而铺设的，是一种分布非常广泛的线 路资源，长久以来，人们一直试图通过它传输数据或者语音信号。由于不是为 通信铺设的，故其特性往往较难直接满足载波通信的要求，主要体现在两个方 面： o ) 电力网络的阻抗特性及其衰减制约了信号的传输距离，这与通信信道的 物理长度和低压电网的阻抗匹配相关。 ( 2 ) 低压电力线上的噪声干扰制约了信号的传输质量。噪声干扰主要来自与 低压电网相连的负载，以及无线电的干扰。在这样的恶劣的电力线通信环境下， 很难保证数据传输的质量，并且电力线通信的噪声和信号衰减是随时间而变化 的，很难找到其变化的规律，所以在利用电力线进行信号的传输时，必须对信 号进行一定的处理，并贯穿从信号发送到接收的全过程，这正是电力线载波通 信技术所涉及的重点和难点。 2 1 1 载波模型 为了更好地理解载波通信的传输与发送的特性，首先要了解载波通信的基 本原理，以载波接收发送实验为倒，以便提供比较感性的实验材料肼埘。 8 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 发送部分电路图 图2 - 2 接收部分电路图 1 发射部分 发射部分( 见图2 1 ) ，由q 1 、q 2 接成复合管的形式，组成频率为1 3 5 k h z 的哈特利震荡器。由0 2 、d i 、d 2 、d 3 、( 2 5 等构成电压为3 0 v 的电源部分。当 按下发射按钮p l 时，在u 的副边感应出的1 3 5 k h z 的振荡信号通过a 注入电 力线路网络。 2 接收部分 9 武汉理工大学硕士学位论文 由发射部分过来的1 3 5k h z 的正弦波通过电力线路传播至接收部分倪图 2 - 2 1 ，通过c 6 并由l 1 、c 1 0 构成的选频电路取出1 3 5i d - t z 信号。该信号经q 3 、 q 4 放大并整形至幅度为1 2 v 的方波信号。d 7 、d 8 构成限幅电路，保证q l ( 图 2 - 1 ) 的基极峰值电压小于1 v ，以防止电力线路网络中各种异常干扰脉冲损坏 q 3 。d 9 的作用是过滤掉信号中的负极性部分，并由0 4 驱动发光二极管工作。 c 9 是用来保持输出部分的平稳，过滤掉信号中的残余部分。 由上述电力线载波模型可以看出，无论在电力载波的发射部分还是在接收 部分，都使用了耦合电路来对信号进行处理。实验模型采用阻容耦合与电磁耦 合相结合的复合耦合技术。 由此可以对载波的通信原理有一个了解，载波通信通过发送端发送调制信 号经由通信信道至接收端解调出信号完成一次通信。遵从香农模型以及通信的 基本理论，通过载波传送模拟的信号，需要通过正弦形载波调制将低通的模拟 信号变换为频带信号，其频带是在中心频率正附近，载波信号c ( t ) 的表达式为： c ( o - 4c o s ( 2 l t + 谚) 公式( 2 一1 ) 式中 _ 。载波的幅度； 无载波的频率： 妒t 初始的相位。 2 1 2 调制方式 模拟基带信号坍o ) 对载波c ( f ) 进行调制是按照m ( f ) 的变化规律去控制载 波的幅度、频率或者相位，分别称为幅度调制( a m ) 、频率调制( f m ) 、相位调制 口呻【1 3 1 。 1 幅移键控：a s k 幅移键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的，原 理如图2 - 3 所示。其最简单的形式是载波在二进制调制信号控制下通断，这种 方式称作通断键控( o o k ) 。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 0 0 l10l000l0 厂 r 厂 图2 - 3 幅移键控原理图 2 频移键控：所谓频移键控( f s k ) 就是用数字信号去调制载波的频率， 原理图如2 - 4 所示。f s k 是信息传输中使用得较早的一种调制方式，它的主要 优点是：实现起来较容易，抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中 得到了广泛的应用。 ， 疆ollol000l0 厂 厂厂 图2 - 4 频移键控原理图 3 相移键控：所谓p s k 就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在 两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法，其原理图如2 - 5 所示。 ool薹ol00010 厂 厂厂 图2 - 5 相移键控原理图 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 产生p s k 信号的两种方法： ( 1 ) 调相法：将基带数字信号( 双极性) 与载波信号直接相乘的方法： ( 2 ) 选择法：用数字基带信号去对相位相差1 8 0 度的两个载波进行选择。 2 d p s k 调制：二进制差分相移键控常简称为二相相对调相，记作2 d p s k ! 。 它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相 位值传送数字信息。所谓相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。 假设相对载波相位值用相位偏移妒表示，并规定数字信息序列与妒之间的关 系为 妒j 1 d 鍪主鏖是! 公式( 2 2 ) 妒。1 石数字信息“1 ” 公氏屺屹 如图2 - 6 所示，与2 p s k 的波形不同，2 d p s k 波形的同一相位并不对应相 同的数字信息符号，而前后码元的相对相位才唯一确定信息符号。这说明解调 2 d p s k 信号时，并不依赖于某一固定的载波相位参考值，只要前后码元的相对 相位关系不破坏，则鉴别这个相位关系就可正确恢复数字信息。 绝对码t 纵 l01 l0 01 2 p s l c 守气毋产时 2 f f p s k ，舻沪氏精 相饶肆霉。冀鼻童0 柑对蚂慨 0 ll0111o 图2 - 62 d p s k 的波形图 电力载波芯片s c l l 2 8 就是采用这种调制方法。 2 2 载波调制解调技术 为排除电力线干扰，电力线主要采用窄带载波f m 和扩频通信【1 5 1 的方式。 由于数据信号信噪比决定数据传输距离的远近，目前电力线载波通信依靠功能 武汉理工大学硕士学位论文 强大的载波模块，其所要完成的基本功能是调制和解调信号，也就相当于1 个 m o d e m 。这些模块所采用的技术有：f s k 方式的调制解调；扩频( c h r i p 方式) 调制解调。其最根本的环节就是调制与解调信号，难点是信号的有效传输与信 号的真实还原解调。 f s k 广泛应用于中低速的远程数据通信，f s k 信号由频率调制器产生不同 的频率，常用的是，l 和，2 两种频率，其中，i 代表码元o ( 又称空号) ，2 代表码 元1 ( 又称传号) 。调制数据的码元决定频率调制器的输出频率。实现f s k 的方 法有：选择法、调频法、数字调频法，其中数字调频法是最先进的方法，其原理 框图见图2 - 7 。 图2 - 7 数字调频法原理框图 f s k 解调就是从f s k 载波信号中恢复调制码元，其常用方法是非相干解调， 其原理见图2 - 8 。 眦1 画区h 至 吨区 怔 卜解调输出 图2 - 8 非相干解调原理框图 2 2 1 扩频通信的定义 扩频通信技术利用与传输数据无关的码，对被传输信号扩展频谱，使其占 有远远超过传送信息所必须的最小带宽，在接收机中利用同一码对接收信号进 行同步相关处理，以解扩和恢复数据。扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩 频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。 扩频通信具有如下特征： 是一种数字传输方式； 带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数( 扩频函数) 对被传信息进 武汉理工大学硕士学位论文 行调制实现的； 在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被 传信息。 2 2 2 扩频通信的工作原理 扩频通讯的工作原理如图2 - 9 所示。其工作过程如下；信息数据d 经编码 后变成带宽为b 1 的信号( b 1 为基带信号带宽) ，然后用扩频序列码( 伪随机码) 发生器产生的伪随机编码去对基带信号作扩频调制，形成带宽为b 2 ( b 2 b1 ) 、 功率谱密度极低的扩频信号再发射。在接收端，首先使用与扩频信号发送者相 同的扩频码序列作扩频解调处理，把宽带信号恢复成通常的基带信号，再使用 通常的通信处理手段进行译码，得到数据d 。当接收端用某一伪随机编码处理 接收到的信号时，通信信道中的另一些与之不同伪随机编码的扩频信号或干扰 信号不能在该接收端的扩频解调处理器形成明显的输出，即不会对该接收端的 解扩形成干扰，提高了抗干扰性能i ”l 。 信息输出 图2 - 9 扩频通信的工作原理 2 2 3 扩频通信的基本理论 根据香农( c e s h a n 舯n ) 信息论i 切，其信道容量公式( 即香农公式) 为： c - 形l 0 9 2 ( 1 + s ) 式中：c信息传输速率 1 4 公式( 2 - 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 s有用信号功率 w 频带宽度 n噪声功率 由香农公式可以看出，为了提高信息传输速率c ，可以从两种途径实现， 即加大带宽w 或提高信噪比s n 。换言之，当信号的传输速率c 一定时，信号 带宽w 和信噪比s n 可以互换，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当 带宽增加到一定程度时，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率， 甚至淹没在噪声之下也是可能的。 扩频通信1 18 】1 1 9 】就是用宽带传输技术来换取信噪比的好处，这是扩频通信的 基本思想和理论依据。扩频技术是已经广泛应用，较为成熟的抗干扰技术，采 用高速率的扩谱码对原始数据或者己调制的载波进行二次调制，大大扩展原信 号的频谱。 频谱扩展用数字化方式实现，在一个二进制码位的时段内，用一组新的多 位长的码型置换原码，新码型的码速率远远高出原码的码速率。由傅里叶分析 可知，新码型的带宽远远高出原码的带宽，从而扩展信号的带宽，这些新的码 型也叫伪随机( p n ) 码，码位越长系统性能越好。最新的“链码”调制窄带载波 技术，采用链式的转发电力网传输结构，把需要传递的数据分解成以。能量密 度”表示的链接模板，调制发出。如果接收方能以模糊查询的方式识别数据， 就将数据复制，并且还原，这一原理类似于d n a 的基因克隆。倘若接收方无 法识别，则把接收到的畸变形状反发给发送方，发送方依据接收到的畸变的形 状，推知信道畸变特性，重新发送，直到接收方接收成功，构成一个高度智能 化的系统。 另外一款载波系统，设计采用数字载波调制和直接序列扩频技术，即利用 高码率的扩频码序列在发送端直接去扩展信号频谱，在接收端直接用相同的扩 频码序列对扩展的信号进行解扩，还原出原始信号。其实现过程如图2 - 1 0 所示。 ( 1 ) 在发送端，信息码经码率较高的p n 码调制以后，频谱被扩展，如图2 1 0 ( a ) 、2 - 1 0 ( b ) 所示。 ( 2 ) 待传信号的频谱被扩展以后，能量均匀分布在较宽的频带上，功率谱 密度下降，如图2 1 0 ( b ) 所示。 ( 3 ) 在信号传输过程中加入噪声，如图2 1 0 ( c ) 所示。 ( 4 ) 在接收端，扩频信号经过同样的p i g 码解扩后，其宽带信号恢复成窄带 武汉理工大学硕士学位论文 信号，功率谱密度上升，如图2 - 1 0 ( d ) 所示。 ( 5 ) 相对于有用信号，噪声只经过一次与p n 码的调制过程，频谱被扩展， 功率谱密度下降，从而在噪声干扰中提取出有用信息。 萋匕霎b 霎峪翼啦 2 2 4 扩频增益和抗于扰容限 扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息， 这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系 统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号 带宽w 与信息带宽f 之比称为处理增益g ，即： ， 缈 ”p i 面 公式( z - 4 ) 它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性 能也大都与g 。有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。 系统的抗干扰容限m ，定义如下： c m j - g ，- 【( 告) o + 工，1 公式( 2 5 ) 式中： n ) 。= 输出端的信噪比，l = 系统损耗。 由此可见，抗干扰容限m i 与扩频处理增益g 。成正比，扩频处理增益提高 后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常 武汉理工大学硕士学位论文 的扩频设备总是将用户信息( 待传输信息) 的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千 倍，以尽可能地提高处理增益1 2 0 】。 2 2 5 扩频通信的特点 扩频通信具有许多窄带通信难以替代的优良性能，使得它能迅速推广到 各种公用和专用通信网络之中。简单来说主要有以下几项优点【2 1 】： ( 1 ) 干扰性强，误码率低 如上所述，扩频通信系统由于在发送端扩展信号频谱，在接收端解扩还原 信息，产生了扩频增益，从而大大地提高了抗干扰容限。根据扩频增益不同， 甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前商 用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。 各种形式人为的干扰( 如电子对抗中) 或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的干扰， 只要波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被 压缩。对于脉冲干扰，由于在信号的接收过程中，它是一个被一次”模二相加” 过程，可以看成是一个被扩频过程，其带宽将被扩展，而有用信号却是一个被 二次”模二相加”过程，是一个解扩过程，其信号被恢复( 压缩) 后，保证高于干扰。 由于扩频系统这一优良性能，其误码率很低，正常条件下可达l o - 加，最差条件 下也可达1 0 r 6 ，应该说，抗干扰性能强是扩频通信的最突出的优点。 ( 2 ) 易于同频使用，提高了频谱利用率 由于扩频通信采用了相关接收这一高技术，信号发送功率极低( l w ，一 般为l l o o m w ) ，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复 使用同一频率，也可以与现今各种窄带通信共享同一频率资源； ( 3 ) 扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信 自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码 分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、 图像信息传输； ( 4 ) 扩频通信绝大部分是数字电路，设备高度集成，安装简便，易于维护， 也十分小巧可靠，便于安装，便于扩展，平均无故障率时间也很长； ( 5 ) 另外，扩频设备一般采用积木式结构，组网方式灵活，方便统一规划， 分期实施，利于扩容，有效地保护前期投资。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 6 扩频通信的几种工作方式 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为： 1 直接序列扩频( d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ( 1 ) 直接序列扩频系统的组成和工作过程 所谓直接序列扩频【2 2 l 【矧( d s - d i r e c ts e q u e n c e ) ，就是用高码率的扩频码 序列( 伪随机码) 在发送端直接去扩展信号的频谱，在接收端直接使用相同的扩 频码序列对扩展的信号频谱进行相关解调，还原出原始的信息。直接序列扩频 系统的原理框图如图2 1 1 所示，由发射机和接收机组成。 电力线 - 略酽罾骼母 疗l l 2 t 辩 囱 妻 图2 1 1 直接序列扩频工作原理 发送信息数据时，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二相加，对信息 作扩频调制，形成的复合码序列( 与扩频码频率相同) 再通过平衡调相器去控制载 波信号( 将1 位二进制复合码用1 个或多个周期载波表示) ，获得宽频谱的扩频信 号，经放大后发射。在接收端，采用与发送端频率和相位相同的扩频码序列对接 收到的信号进行相关解扩得到中频信号( 与扩频码频率相同) ，经中频滤波放大后 由解调器进行信息解调得到原始信息。 武汉理工大学硕士学位论文 二 “ - _ 一 _ _ h _ _ - _ | 二二 。 。 ooil曼翌丁 旦 ili t 旦! i t 气 f参 、 2ll72ai气 ?i7 i 7lll 3 。 l7 3心 气lz 。 尊 。i， l， 。 矗 ，o。 。 。 五 。 -。 。 嚣， q。 一磊曩i 生 _ + 三 7 。2。 。 。 d囊鬟囊i_鼍 一 霉 l一l 丁 2 il v 21 一 3u 胃 lj 。 鼻 嚣 l 。嚣 。 l靠 司 。 嚣 。o。o 图2 - 1 2 直接序列扩频波形图 ( 1 ) 信码r e ( t ) ( 2 ) 伪码p ( t ) ( 3 ) c ( t ) = ( t ) + p ( t ) “) 载渡 ( 5 ) p g k 已调渡 8 1 ( t ) ( 6 ) s l ( t ) 捆位 ( 7 ) 中频相位 ( 8 ) 解调输出 ( 9 ) 解调后的信息 图2 - 1 1 和图2 1 2 中( 1 ) 信息码，( 2 ) 伪随机码，( 3 ) 发送序列，( 4 ) 发送端未 调制前载波，( 5 ) 接收端载波，( 6 ) 接收端载波相位，( 7 ) 伪随机码相位，( 8 ) 解扩 后的中频相位，( 9 ) 解调后的信息。图2 - 1 2 是图2 - 1 1 的各点波形示意图。( 1 ) 一( 4 ) 表示发射端的扩频调制过程；( 5 ) 一( 9 ) 表示解扩解调过程。 ( 2 ) 直接序列扩频信号的调