（电力电子与电力传动专业论文）飞机电力线载波数据通信调制解调技术的研究.pdf

飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 a b s t r a c t i nt h ed i s s e r t a t i o n ，m o d e mt e c h n o l o g yo ft h ea i r b o r n ee l e c t r o m e c h a n i c a lc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e d0 1 1p l c i ss t u d i e da n dt h er e s e a r c hh a sp r a t i c a lv a l u et oi m p r o v et h em o d e r n i z a t i o no f a e r o n a u t i ce q u i p m e n t si no u rc o u n t r y f i r s t l y , t h ea i r b o r n ee l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to fb u sp r o t o c o l ， p o w e rl i n e c h a n n e la n dp o w e rs y s t e ma r ed e s c r i b e di nt h ed i s s e r t a t i o n ；s e c o n d l y , t h e a l g o r i t h mo fq p s k a n dr o o tr a i s e dc o s i na r ed i s c u s s e d ；t h i r d l y , t h ed e s i g n a t i o no ft h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h em o d e mb o a r d ，b a s e do nq p s k ，b u i l tu pw i t hd s pa n d c p l da r eg i v e n t h e h i g h s p e e d d a t a t r a n s p o r t i n g c a r do fa i r b o r n ee l e c t r o m e c h a n i c a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w h i c h i sb a s e do np l c ，a r ep u tf o r w a r di no u rc o u n t r y k e yw o r d ：a e r o p l a n e ，p o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) ，d a t ac o m m u n i c a t i o n ，m o d e m ，q p s k ， d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ，a i r b o m e e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m 宣室堕至塾丕查兰堡主兰焦堕苎一 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 随着科技的迅猛发展，机载机电系统所需要传输的信息量不断增大，而信息传输 的实时性以及能否实现共享资源等都已变得至关重要。飞机机载机电系统，又称飞机 公共设备系统，是指飞机上完成诸如次级功率产生、环境控制和燃油管理等飞行保障 功能系统。 飞机上有多种机电设备，如发电配电、直流电源、燃油测量输送、液压动力装置、 应急动力装置、起落架收放、机轮防滑刹车、前轮转弯、环境控制等，这些设备对于 保障飞行安全具有重要意义口j 。对于一架飞机而言这些设备就如同人的不同的部位， 必须协调地进行工作，但是在目前的飞机上，各种机载机电系统的发展相对独立。显 然，这种机载机电系统的设计方法必然会造成所用的机载机电系统的能量和控制信息 等都不能共享，并导致资源浪费，同时也使飞行员很难对机载机电系统进行综合控制 和管理。因此，有必要对这一传统的设计方法进行改进。随着我国机电一体化的发展， 数字化已达到一定的水平，在此基础上适时进行综合化的管理研究，即放弃对各予系 统单独管理的传统方案，将整个机电系统视为一个整体，采用数据总线技术和多处理 机技术实行统一管理，已经成为机载设备的发展方向【2 j _ i ”。 2 0 0 3 年11 月，美空军开始组建飞机局域网通信系统，并于在爱德华兹空军基地 对一架c 一1 3 5 c “斑点鲑鱼”进行改装，安装机载局域网系统。可见，组建飞机机载 通信系统局域网是目前改进飞机机载机电设备数据通信性能的一种趋势。该局域网采 用常用的局域网组建方式，导致了飞机机载机电通信系统设备进行改装的费用更加昂 贵。针对这一问题，本课题提出了利用飞机低压电力线组建飞机机载机电设备通信系 统局域网的设想，即将各种机载机电设备通过飞机的低压电力线进行联网，实现资源 共享。 目前基于电力线进行载波数据通信在商业领域得到了日益广泛的应用。在商业应 用领域。电力线载波通信是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。结合发展 迅速的民用低压电力线载波通信技术，提出把低压电力线载波通信应用到机载机电系 统上的方案，不仅在对机载通信作局部改进，促使信息传送效率和质量提高，以达到 改善整个飞机通信系统的性能方面具有重要意义，而且开展本项目的研究，对于提高 航空电子系统的性能、可靠性、安全性、维修性，实现机载设备的数字化、智能化以 及加速航空电子综合化的步伐，推动航空装备的现代化具有实用价值。 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 1 2 飞机低压电力线通信技术的特点 1 2 1 国内外民用低压电力线通信技术的发展状况 电力线通信通过电力线载波方式传送网络信息。其历史可追溯到2 0 世纪2 0 年代。 那时，主要集中在1 l k v 以上的高压远距离传输。到2 0 世纪5 0 年代，高压电力线通 信技术已广泛用于监控、远程显示、设备保护以及语言传输等领域。由于光纤通信技 术的飞速发展，高压电力线载波通信逐步被淘汰。5 0 年代知9 0 年代早期的3 0 多年 中，电力线通信开始应用在中压和低压电路网络【5 。 低压电力线载波通信技术是目前国内外普遍关注的一个热点前沿研究课题。简单 地说，低压电力线载波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 和信息交换的一种技术。由于它利用已有的低压电力线路作为通信媒介，因此可以大 大节省敷设新的通信信道的投资，可带来极大的经济效益。 低压电力线载波通信的研究，在美、德、英等国家已取得了突破性的进展。最早 提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻斯特点一家地区性供 电公司n o r w e b ，n o r w e b 公司在完成世界上首次配电网上的2 5 个终端用户的电 话与数据通信试验后，已开发出2 m h z 带宽内传输速率为1 m b i t s 的系统。1 9 9 3 年， 英国s w e b 公司成功地在一地区性有限遥测系统( r m s ) 中采用中、低压配电网进 行两路数字载波通信，将已有的水、电表与电能表计连接起来，能提供包括水、天然 气的自动抄表等功能。 就载波调制理论研究而言，低压配电网络( 2 2 0 v 5 0 h z ) 电力线载波通信已从传 统的频带传输如幅移键控( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ，简称a s k ) 、频移键控 ( f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ，简称f s k ) 和相移键控( p h a s e s h i f tk e y i n g ，简称p s k ) 发展到了扩频通信( s m e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ，简称s s c ) 技术和多载波正交 频分多址o f d m ( o r t h y 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 k i n g ) 技术 j 。，目前，电力 线载波通信主要采用即扩频通信技术和正交频分复用技术。国际上，在英、美等国已 经提供了采用扩频技术的现场试验报告，a b b 公司已成功开发出基于调频方式的低 压电力载波通信系统d a r t n e t ，其信号传输速率为1 2 k b i t s 。在国内，清华大学已研 制成功基于s s c 技术的配电网通信实验平台，可在两台计算机之间通过2 2 0 v 低压电 力线实现文件或数据的传输，传输速率为1 0 k b i t s 。至于扩频芯片，据i n t e l l o n 公司 最新报道，采用p o w e r p a c k e tt e c h n o l o g y 技术的芯片的信号传输速率可达i 4 m b i t s 。 以此为背景，其o f d m 技术也取得了突破性进展，组网试验中己成功实现了速率为 1 4 m b i t s 的数据传输。美、德、法等国家已提出家庭插座( h o m ep l u g ) 计划，旨在 推动以电力线为传输媒介的数字化家庭 6 l 。在北京某小区，5 0 0 个家庭中进行了h o m e p l u g 的测试，结果表明其中8 0 达到5 m b p s 的传输速率，9 8 达到大于1 m b p s 的传 南京航空航天大学硕士学位论文 输速率。可以预见，随着技术的不断发展，低压电力线载波通信技术定会受到更加广 泛的关注，有更加广阔的发展空间和前景。 1 2 2 飞机电力线载波数据传输特点 1 、飞机电力线载波数据通信的优点： ( 1 ) 投资少。飞机电力线通信不需额外布线，可一线两用，降低成本，且飞机 易于维护； ( 2 ) 能组建类似家庭局域网的飞机局域网。通过各个位置上的电源插座，将各 种电子设备进行联网，在更大程度上实现本机机载通信系统硬软件及信息资源的共 享： ( 3 ) 传输速率高。从理论上分析，电力线作为通信线路的传输速率，根据使用 的频率不同，可达到3 l o m b p s ； ( 4 ) 飞机上用电量变化少，电压波动小，促使飞机电力线通信稳定性较好，且 安全可靠性高； ( 5 ) 屏蔽性能好。首先，整个飞机外壳就是一个良好的屏蔽罩，其次飞机一般 多飞行在雷电集中的对流层之上，只在特殊情况下如起飞，降落等穿越对流层。因此 可在很大程度上降低非人为干扰等。 2 、飞机电力线载波数据传输的不足： ( 1 ) 人为干扰等。人为干扰是连接在低压电力线上的用电设备造成的。其噪音 是影响数据信号传输质量的主要因素，主要有白噪声、脉冲噪声以及周期噪声等几种 类型。这种干扰一般是不可避免的f 8 】； ( 2 ) 低压电力线载波通讯无论采用何种数据编码进行数据通讯，其载波中心频 率的选择、中心频率的注入耦合和检出部分电路决定着通讯质量的好坏。 对于低压电力线上的干扰特性，阻抗变化及信号衰减情况，很难找到一个较为明 确的解析式或数学模型加以描述，上述这些问题对通信系统的设计提出了很高的要 求，也是严重影响通信质量的主要技术障碍。目前各国有关研究人员正在对电力线数 据传输的不足点进行深入研究，探寻解决方案，本课题只作简单介绍。 1 3 论文的组织结构 根据课题内容的要求和所做的主要研究工作，论文的组织结构安排如下： 第一章研究背景和总体设计。该章主要介绍了国内外低压电力线通信技术发展状 况，以及我国目前飞机机载机电设备数据通信的现状，并说明了本课题的主要研究工 作； 第二章建立飞机电力线载波通信系统局域网。该章介绍了飞机机载机电设备的分 3 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 布情况和飞机电源系统，并给出了机载机电设备数据通信系统局域网的网络结构，同 时就低压电力线信道特性进行了简要分析； 第三章调制解调模块的理论分析。本章介绍了调制解调的基本概念，描述了q p s k 的调制解调方式，并详细论证了q p s k 的调制解调原理及实现，并分析了调制解调模 块中成型滤波器的选用，最后对q p s k 调制解调方式的性能进行了m a t l a b 仿真； 第四章调制解调模块的总体设计。该章介绍了调制解调器开发的总体流程，设计 了调制解调器的硬件实现框图，并详细介绍了模块中的核心芯片( d s p 和c p l d 芯片) ： 第五章调制解调模块的硬软件的研制。本章分析了模块中硬软件的具体设计方 案，包括电源的设计，复位电路的设计，存储器扩展电路的设计，串行通信电路的设 计，以及b o o t l o a d e r 引导程序的编写设计； 第六章制作与调制。对电路板的制作过程及调试过程作了一定的介绍； 第七章中总结了本论文研究成果。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章飞机电力线载波通信系统体系结构 2 1 飞机电力线载波通信系统体系 飞机机载机电设备是保证航空电子系统、飞控系统等飞机系统正常工作以及飞行 人员安全的一些基本机电系统，通常包括电源系统、燃油管理系统、环控救生系统、 刹车系统、液压能源系统和应急动力系统等。 一般来说，飞机上各个机载机电设备都是重叠地分布在飞机的各个部分，如发动 机组位于机翼两侧，燃油油箱在机身的中部、前部、后部和两个机翼上都有，起落架 和液压动力装置在左右机翼等。 为了使分布在飞机各处的各个机载机电设备的信息、冗余资源等能够共享 9 1 ，达 到各个机载设备相互协调工作的目的，这就有必要对机载机电设备进行综合管理和控 制。其次需要减少机载设备处理器之间的连线，以便减少飞机重量，因此在设计飞机 电力线机载通信系统局域网时，必须考虑使一个处理器能够处理离它最近的几个机载 设备的不同功能”。 飞机电力线载波通信系统的网络结构框图见图2 1 。 芒 处理机1处理机2 。 处理机n 图2 1 飞机电力线载波通信系统的网络结构框图 飞机电力线机载机电设备通信系统局域网网络结构与目前常用通信系统的网络 结构不同，由表2 1 所示，飞机机载机电设备通信系统局域网的网络结构主要有两层： 数据链路层1 d l l ( d a t al i n kl a y e r ) 和物理层p h y 。其中d l l 的主要功能是保证相 邻节点的正确传输，使有噪音和干扰的数据通道近似成为一个无差错的数据通道。 物理层的主要功能是提供在数据链路实体间建立、维持及释放物理链接( 如数据 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 表2 1 网络结构对比表 飞机电力线机载机电设备 0 s i 参考模型t c p i p 参考模型 通信系统局域网模型 应用层 表示层应用层 会话层 数据链路层 传输层传输层 网络层网际互连层 数据链路层 网络接口层 物理层 物理层 电路) 的有关机械方面及电气方面的功能和规程。换句话说，物理层也就是考虑信息 流在通信信道上的传输问题。 2 2 低压电力线信道分析 目前，大部分数字信号传输系统都是基于双绞线、同轴电缆或光纤光缆等物理媒 介进行通信的。这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高，维护困难，尤其对一 些旧设施的通信系统改造就更加不易。相反，利用现有电力线进行载波通信可以大大 地减少投资和对线路的维护成本。下面了解一下飞机电力网典型的几个拓扑结构、电 力线信道容量、电力线信道对数据通信的干扰源，理想电力线信道模型和电力线信道 的传输特性。 2 2 1 飞机电力网的拓扑结构 对飞机电气设备系统的分析表明4 ”，在飞机上大约9 0 以上的电器可用交流电 工作“，而在现代飞机交流供电系统中，有单相和三相两种电力网。单相电力网供电 c 卤 吉 f： f ti f 三相负载| f 单相负载j 单相负载i 图2 2 以机体为中线的三相电力网示意图 6 南京航空航天大学硕士学位论文 系统比较简单，一般被应用到辅助供电的交流系统中，而作为主电源系统，则都采用 三相供电系统。在三相交流供电系统中，其电力网拓扑结构又有三种形式：以飞机壳 体为中线的三相四线制电网( 见图2 2 ) ，中线不接地的三相电网( 见图2 3 ) 和以飞 机壳体为第三相导线的双线电网( 见图2 4 ) ，其中采用最为广泛的是第一种三相交 流电网。这种电网的特点是在同一电源中可获得两种电压( 即相电压1 5 0 v 和线电压 2 0 0 v ) ，这样可使联接在各相上的负载相等以保持三相交流系统的对称。 a c 图2 3 中点绝缘的三相电力网结构示意图 图2 4 以飞机壳体为第三相导线的双线电力网示意图 2 2 2 电力线信道容量 电力线信道容量由信道本身的特征( 带宽和信噪比) 来决定，与具体的通信手段无 关”。对于理想信道，根据奈奎斯特定蟹 ! ( n y q u i s tt h e o r y ) ，如果信道带宽为h ，码 元状态数为n ，则信道的最大数据传输速度为：s 。= 2 h 1 0 9 2 n ( b p s ) ，而实际信道的 噪声限制了n 的无限增长。根据香农定理吲( s h a n n o nt h e o r y ) ，带宽为h 的有噪信 道，最大的信道容量为：c = h l 0 9 2 ( i + s n ) ( b p s ) ，其中s n 为信噪比，所以依据香 农定理，各种信号处理和调制的方法不断出现，目的都是为了尽可能接近传输速率极 限。 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 2 2 3 电力线信道对数据通信的干扰 数据通信系统中，提高数据传输的可靠性和吞吐量是很关键的，但影响数据通信 可靠性和吞吐量的因素又极为复杂，下面简单分析几个影响数据通讯质量的因素。 低压电力线上的干扰可分为人为干扰和非人为干扰【】。 非人为干扰是由于雷电等自然现象对电力线上信号造成的干扰，是随机发生的， 但它不是影响信号传输质量的主要因素。 人为干扰是指由连接在低压电力线上的用电设备造成的。其噪音是影响数据信号 传输质量的主要因素，大至有以下几种： ( 1 ) 与4 0 0 h z 电源电压频率同步的嗓音。它主要由低压电力网上电力设备的开 关切换造成的。可控硅等电子电力器件对电压正弦波形造成畸变，使电网除4 0 0 h z 正弦电压外，还含有各次谐波组成的复杂波谱源。 ( 2 ) 白噪声。它是信号传输中基本的起伏干扰，主要有热噪声等，它们服从高 斯分配规律。此外还有低压电力线系统中电动机产生的干扰噪声。 ( 3 ) 脉冲噪声。在时间上它是无规则的，从频谱上观察从低频到高频都有脉冲 噪声，随机地对数据信号传输进行干扰。电网中在用电设备起动时能够产生这种脉冲 干扰。 ( 4 ) 周期性噪声。它是一正弦波干扰，但幅度、频率、相位事先都不能预知。 这种干扰的特点是占有极窄的频带。 以上大部分噪声源都是随机产生的，不可预知，不能用符合连续函数规律的数字 规律来描述。在飞机内不同的用电区域，各种噪声的分布也不同。所以对载波中心频 率的选择应有很高的要求。 2 2 4 电力线信道的网络特性 1 、电力线理想信道传输模型 一般来说，电阻，电容和电感等是电力线上主要的参量，且由电力线的物理结构、 材料的介电常数等因素决定的。在导线周围绝缘介质中的能量损耗用分流电导g 表 示。文献 1 5 】给出了单位长度电力线信道理想模型，如图2 5 所示。 g 图2 5 单位长度电力线信道理想模型 l 一串联电感c 一导体间的电容r 一传输线的电阻g 一分流电导 南京航空航天大学硕士学位论文 由于理想的电力线信道电阻和电导g 很小可以忽略，单位长度低压电力线载波 通讯数据信号传输模型可以大大被简化( 见图2 6 ) ，这样只需考虑网络的特性阻抗。 而影响电力线载波信道间阻抗变化的主要因素实际上是负载阻抗。 二二 图2 6 理想电力线信道的简化模型 由于低压电力网中不同分支上连接着不同类型的用电设备，其负载各不相同，无 法做到理想模型系统的阻抗匹配，导致阻抗的变化比理想状态下复杂。 文献i t 5 1 中的研究表明随着传输距离的变化，电力网阻抗也会随之变化，因此为 了尽可能使通讯网络阻抗匹配，一般对通讯距离有一定的限制。 2 、理想电力线信道的传输特性 由于实际传输系统中的电力线的频带宽度有限，文献【1 5 】提出信道传输特性可用 等效理想低通特性来近似表示，如图2 7 所示 图2 7 理想低通特性 图中所示特性是传递函数h ( m ) 。 r e x p ( 一j c o t d )l c o l ( - o 。 - ( c 0 1 = _ l o 陋l 脚。 式中：t d 一信号通过滤波器的延迟时间；u t d 一滤波器的线性相移特性；mc 低 通滤波器截止角频率；k 一通带内传递系数，可令k = 1 。 设一输入信号为单位冲激脉冲，通过这种理想低通传输特性的网络进行传输，根 据数字信号传输的奈奎斯特准则，对数字码流的抽样判决点在n t ( n = o ，1 ，2 ，) ( t 表示数字信号间隔时间) ，就可以完全实现消除数字信号传输的符号问干扰。但 这只是一种理想情况，实际传输网络是达不到的。 根据国内外对电力线信道的研究，总的来说，电力线信道一般具有时变特性、干 扰噪声、衰减特性和阻抗特性等，文献 1 6 】也给出了大量的电力线信道的实测数据， 从而可以把握电力线通信信道的如下几点要点： ( 1 ) 针对我国飞机大部分采用的是l i o v 交流三相四线供电的用电设备，在电网 负载的不断接入、切出，电器有开有关等各种随机事件影响下，电力线信道呈现出很 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 强的时变特性。低压电力线在1j 内可对某一频率信号的衰减变化达到2 0 d b ，因此不 能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。同时，在ls 内信噪比的变化也可达到 1 0 d b 左右。 ( 2 ) 干扰噪声：噪声干扰特性前面已经做了简述。 ( 3 ) 衰减特性：低压电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻 抗很小( 根据导线的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略有变 化且相对稳定。 显然电力线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因，对信号衰减影响很大的是电力 线上并联的负载。那些用于调整电网功率因数的大电容，对几百k h z 的载波通信信 号来说，就相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它 会分去相当一部分的功率。一般来说，信号衰减由耦合衰减和线路衰减两部分组成。 理论上，如果将耦合器内阻做得很小，衰减就主要取决于线路的衰减【4 “。 文献 1 6 】的实验数据表明，信号的衰减是距离的函数，一般为4 0 1 0 0 d b k m 。 ( 4 ) 阻抗特性：由电力线的衰减特性可知，电力线的阻抗特性也主要决定于电 力线上所接入的负载阻抗特性。而负载是针对电力频率设计的，一般低频阻抗较小。 如文献 1 6 给出的实验数据表明电力线信道阻抗应该随着频率的升高而升高。因此， 如果输出阻抗不能与线路阻抗相匹配，则信号能量就不能有效输出，从而造成对数字 信号传输质量的影响。 通过电力线信道传输特性的复杂多变可知，要想利用低压电力线在飞机机载机电 系统设备间进行较为理想的数据传输，达到通信的标准，必须从多方面综合考虑，如 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；要有好的功率利用率， 可以把功率集中在有效的频带中降低功率损失；窄带频率的选取尽可能使电力线呈现 较高的输入阻抗，以减少对载波信号的衰减；较强的噪声抑制功能，在低噪声的环境 下仍能正常工作等等，从而可以选择一种最佳的通信方案。 壹壅塾窒塑丕奎兰堡主兰堡堡墨 _ _ 一。 第三章调制解调模块算法的研究 随着世界新技术革命的蓬勃发展，现代社会进入了一个信息化的新时代，其最主 要的特征是建立一个现代化的信息系统。该系统的基础是通信技术与计算机技术的结 合，这种通信方式一般是数据通信方式，其中一个重要的环节就是调制解调过程【1 7 】。 3 1 调制解调基本原理 3 1 1 调制解调的基本概念 数据通信是通过某种传输媒介进行数据交换的过程，通常指终端与计算机之间的 通信或计算机与计算机之间的通信。由图3 1 所示，数据通信系统是由信源、编码器、 陌矿卜r 网r 丽i l _ 田丁丽磊 _ 彳耐吖夏雨一 o 一一1 一 一 噪声 图3 1 数据通信的结构 调制器、解调器和解码器构成。编码器包括信源编码和信道编码，信源编码是把模拟 信号转换为数字信号，如果信源已经是数字信号( 如计算机通信) ，这部分就可以省 去。信道编码是为了数字信号与传输媒介匹配，提高传输的可靠性与有效性，如纠错 等。信号经过编码后，把不经过调制和解调过程就直接传送数字基带信号的系统称为 数字基带系统；把经过调制和解调过程来传送数字频带信号的系统称为数字频带传输 系统。对大多数信道而言，并不能直接传输基带信号，必须用基带信号对载波波形的 某个参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，系统通过传送载波来完成 信号的传输，这就是“调制”的概念。基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号 变换为频带数字信号的过程称为数字调制；把频带数字信号还原为基带数字信号的反 变换过程称为数字解调”“。 数字调制和模拟调制，在本质上没有差异，都是进行频谱搬移，目的都是为了有 效地传输信息。数字调制和模拟调制的区别在于：数字调制的基带调制信号是数字的， 模拟调制的基带信号是模拟的。由于数字基带信号在幅度和时间上的离散性，在实现 数字调制时，采用键控的方法比较方便。因为键控法可由数字电路来实现，具有调制 变换速度快、调整测试方便、体积小设备可靠等优点。 数字调制过程，可以是二进制数据信号控制载波的幅度、频率和相位，因而有三 种调制方式：幅移键控( a s k ) 、频移键控( f s k ) 和相移键控( p s k ) 。相移键控就 墨塑皇垄垡望垫塑塑望焦塑生! 塑塑垫查塑壅 是利用二进制数字基带信号控制连续载波的相位，进行频谱变换的过程。发送端要产 生相位随数字基带信号变化的振荡信号，接收端则把不同相位的载波还原成数字信号 1 或o 。相移键控有很多种相位可供选择，如b p s k ，q p s k ，m p s k ( m 4 ) 。b p s k j q p s k 调制制度具有适中的频谱利用率，而且对于给定的信噪比，它具有很低的比特误码率。 在本系统调制解调方式采用的是q p s k 调制方式。q p s k 是建立在b p s k 的基础上的 ( 即由两路b p s k 构成) ，因此，下面有必要介绍一下b s p k 这种相移键控的调制原 理。 3 1 2b p s k 调制解调的原理 二进制数字调相是利用二进制数字基带信号控制连续载波的相位，进行频谱变换 的过程，也就是载波的相位随着调制信号变化而变化过程，通常用相位0 和来表示 1 或0 。 二进制相移键控b p s k ( 或称2 p s k ) 是最基本、最常用的相位调制方式。b p s k 信号可以用平衡调制器产生。调制必须使用相干( 或同步) 解调方法同步恢复载波的 相位和频率，从而获得好的接收性能。 b p s k 的已调信号可用下式来表示： 广 s ( 归 g ( ，一n 瓦) b ( c o c i + ) ( 3 1 ) l ”j 其中， r + i概率为p 。一2 t 一1 概率为l p 式( 3 1 ) 中，s 。( f ) 为已调信号，甜。为载波频率，g ( f ) 是幅度为1 ，宽度为瓦 的矩形脉冲，吼为第n 个码元的载波相位，吼的取值只有两个：0 或刀，所以在一个 码元持续时间内： s 口m k ( f ) = 口。c o s ( o 。t 叫f - c o s 6 0 c r l c o s f 概率为p ( 3 2 ) 概率为1 一尸 b p s k 的矢量图如图3 2 所示，调制方式原理图如图3 3 所示。 b p s k 信号具有恒定的包络，所以不能采用包络解调，应该采用相干解调。若 已调信号为s ”。k o ) = c o s ( o ) 。f + 妒。) ，则相干解调后，输出为： 南京航空航天大学硕士学位论文 “= s 日，w ( ，) c o s ( ( ) 。，) = c o s ( t o 。fq - o ) c o s ( a , 。f ) = 昙【c o s ( 2 峨f + 以) + c 。s ( 丸) 】 ( 3 3 ) 10 - 与- 图3 2b p s k 的矢量图 判为1 ，当。为0 时；( 3 4 ) 判为0 ，当。为厅时： 相干解调的原理图如图3 4 所示。 图3 3b p s k 调制器原理图 3 1 3q p s k 调制的原理 图3 4b p s k 解调器原理图 由于b p s k 信号占用带宽约为2 r b ，其相位路径不连续，在数据极性转换时刻， 相位发生1 8 0 度跳变，已调波功率谱高频滚降缓慢。为提高频带利用率，提出了q p s k 调制。采用q p s k 调制技术，一次调制传输2 比特数据，因此，它的带宽效率比b p s k 高1 倍删。 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 _ 一 q p s k 为正交相移键控( q u a d r a t u r ep h a s e s h i f t k e y i n g ) ，或四相相移键控 ( q u a t e m a r y p h a s es h i f tk e y i n g ，) ，有时也称4 p s k 。它是多相相移键控( m p s k ) 中 常用的- - i 十。与二进制相比，多进制调制有以下特点。”1 ： ( 1 ) 在相同的码元传输速率下，多进制系统的信息传输速率比二进制系统的 高。 ( 2 ) 在相同的信息速率下，由于多进制码元传输速率比二进制的低，因而多进 制信号码元的持续时间比二进制的长。增加码元的宽度就会增加码元的能量，并能减 少码间干扰的影响。正是基于这些特点，使多进制调制方式获得了广泛的应用。 q p s k 是用载波的4 种不同相位来表征数字信息的。由于每一种载波相位代表两 个比特信息，故每个四进制码元又被称为双比特码元。两个二进制码元组成一个四进 制的相移键控，这样就有0 0 ，o l ，1 0 ，1 1 四种双比特码元，来对应载波的四种不同 的相位，可以是0 、玎2 、口、3 z 2 ( 称为石2 系统) ，或者是 石4 、3 z 4 、5 z 4 、7 z 4 ( 称石4 系统) 。把组成双比特码元的前一信息比特用a 代 表，后种信息比特用b 代表。双比特码元和载波相位之间的关系如表3 1 所示， 双比特码元中两个信息比特a ，b 通常是按格雷码排列的，这种码型解调时有利于减 表3 1 双比特码元和载波相位的关系 双比特码元载波相位 a b 1 g 2 系统7 r ，4 系统 0 0 0 0 2 2 5 0 1 0 9 0 03 1 5 0 1 1 1 8 0 04 5 0 0 1 2 7 0 01 3 5 0 少相邻相位角因误判而造成的误码，可提高数字通信的传输质量。q p s k 的波形如图 3 5 所示。 、 由于在一个调制符号中传输两个比特，q p s k 比b p s k 的带宽效率高两倍。对于 载波相位为n 2 系列的符号集，q p s k 信号可定义为1 ： s 删= 序c o s 卜t + ( i - 1 ) 爿s l 氓s ， 其中，i = 1 ，2 ，3 ，4 其中，e 为每个符号的能量，z 为符号持续的时间，等于两个比特周期。使用 三角恒等式，上式在。曼f s t 时可重写为 4 南京航空航天大学硕士学位论文 棚，_ j 争o s 卜，舟c ：哪， 一庠s i n ”井崛删互 s ， 如果q p s k 信号集的基本函数 稿( f ) _ 丽c o s ( 2 x f t ) ，识( f ) - 獗s i n ( 2 n - f d ) 型! 一墨l 曲! ! ! 由! 曲! 由- 晗 弋岛勺獭， 图3 5 q p s k 的波形图 ( a ) 石2 系列 ( b ) 石4 系列 2 刁t 图3 6 q p s k 星座图 定义在o ，z 的时间间隔内，信号集内的4 个信号可由基元信号表示出来： 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 s 删= 厄c o s 卜，舭卜厄咖 ”，批， ( 3 7 ) 基于这种表示，q p s k 信号可以用有4 个点的二维星座图表示，如图3 6 ( a ) 所 示。需要注意的是另一个q p s k 信号集疗4 系列的星座图，可以通过旋转z 4 角度得 到，q p s k 的丌4 系列星座图，如图3 6 ( b ) 所示。 图3 7 给出了典型q p s k 调制的原理图。单进制和二进制消息流比特率为r ，首 先用一个单极性一双极性转换器将它转换为双极性非归零码( n r z ) 序列。然后比特流 ( f ) 分为两个比特流m ，( t ) 和啊，o ) ，每一路的比特速率都减半为r 。= r 。2 。比特流 m 雕) 叫做“偶”比特流，髀，( f ) 叫做“奇”比特流。 奇偶比特数据流分别通过程序滤波器进行滤波。成型滤波器的作用有两个：一是 平滑波形，使调制信号频谱带外衰减加快，提高频带利用率。二是为了消除码问干扰， 一般此滤波器的频域特性满足奈奎斯特定理。满足奈奎斯特定理的滤波器有多种类 型，其中具有升余弦滚降特性的低通滤波器较为常用。为了满足接受端进行匹配滤波 的要求，可将升余弦低通滤波器的传递函数分解为两部分的级联：一部分子发送端用 于波形成型，另一部分用于在接受端进行匹配滤波。每一部分称为平方根升余弦低通 滤波器。关于平方根升余弦低通滤波器将在3 5 节中详细介绍。 图3 7 q p s k 调制原理图 两个二进制序列分别用两个正交的载波旃( ，) 和戎( f ) 调制，两个已调信号均可以 看作是一个b p s k 信号，对它们求和产生一个q p s k 信号。调制器输出端的滤波器将 q p s k 信号的功率谱限制在分配的带宽内。这样可以防止信号能量的泄漏到相邻的信 道，还能去除在调制过程中产生的带外杂散信号。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 1 4q p s k 解调的原理 q p s k 信号是两个正交的b p s k 信号的合成。因此，可仿照b p s k 相干解调法， 用两个正交的相干载波分别检测两个分量a 和b ，然后，还原成二进制双比特串行 数字信号，此法又称为极性比较法。 图3 , 8 是q p s k 解调原理图，不考虑噪声及传输畸变时，接收端输入的q p s k 信 号码元，可表示为： 厅i - p w ( f ) = 1 f = 笋c o s ( 2 ，r f d + 丸) ( 3 8 ) v 1 。 若此q p s k 是丌4 系列，那么丸= i z - 、等、等、等。其中，巨为每个符号的能量， i 为符号持续的时间，等于两个比特周期。 l 并 审 掣i 转 换 剐jr 8 u p s k 斛调原理图 ( w c 2 2 e r r ) 带通滤波器输出的两路信号为：邑( f ) = ( r ) = 。( ，) 两路分别与载波c o s ( 2 丌工f ) 和一s i n ( 2 r c f d ) 相乘，输出分别为： 啪) - 俘删( 2 斫圳c o s ( 2 ，r 脚 。j 每 c o s ( 4 斫+ 以) + c o s 丸】 ( 3 9 ) 瓠，) _ 片( 2 咖丸) - s i n ( 2 x 秽】 = 悟h i n ( 4 哪+ 丸) + s i n 丸】 ( 3 1 。) 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 蹦归砉c o s 吮 ( 3 1 1 ) “忙压s i n 丸 根据q p s k ( a ：4 体系) 信号的相位配置规定，抽样判决准则如表3 2 所示。 当判决器按极性判决时，正取样值判为1 ，负取样值判为0 ，则可将调相信号解 调为相应的数字信号。解调出的a 和b 再经并串变换器就可还原出原调伟4 信号。 表3 2 相干正交解调的判决准则 判决输出 符号相位丸c o s 六的极性s i n 纯的极性 ab | 4+ 11 3 石4+o1 5 霄f 4o0 7 石，4+ 10 3 2 均方根升余弦滤波器 前一节中所提到的升余弦波形满足奈奎斯特第一准则的传输波形，升余弦是一种 脉冲成型技术，适用于传输信道严格受限的传输要求。当数字基带信号为矩形方波时， 频域内将会无限延伸( 事实上为s i n c 函数) ，这种频域内无限延伸的信号通过有限 信道时，将会导致传输系统接受端接收信号频谱失真，即传输数字基带信号波形发生 了变化；当信道频带严格受限时( 如频分复用调制传输) ，这种失真将会变得更严重， 导致接受端严重误码。而升余弦( r a i s e dc o s i n e ，简称r c ) ，正是在此基础上提出 来的 18 1 。 3 2 1 升余弦简介 奈奎斯特第一准则告诉我们，如果信号经传输后整个波形发生变化，只要特定点 抽样值不发生变化，就可以准确无误的恢复原始信息。也就是说，只要把通信信息系 统包括发射机、信道和接受机的整个响应设计成在接受机端每个抽样时刻时，对当前 的符号有响应，而对其他符号的响应全等于0 ，那么符号间干扰i s i ( i n t e r s y m b o i i n t e r f e r e n c e ，也称码间干扰) 的影响便可消除。即假若囊。( ，) 是整个通信系统的冲激 响应，那么数学上可以用下式来表示 2 1 】： 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 h 彬( n e ) - - 一时，约为1 t 3 ) 衰 减得快得多。由图3 1 0 可见，随着滚降因子口的增加，滤波器带宽也增加，相邻符 号间隔内时间旁瓣减小。这意味着增加a 可以减小对定时抖动的敏感度，但增加了占 用的带宽。折中考虑，本系统选择的升余弦滚降滤波器的滚降因子口为o 3 5 。 3 2 2 均方根升余弦滤波器 升余弦滚降滤波器满足奈奎斯特第一准则，即只对当前抽样时刻有效，如式 ( 3 1 3 ) 所示的： 假若发送端和接受端滤波器分别为嚏( 厂) 和吃( ，) ，且假设它们的相位为0 ，那么 1 9 丝玎 害箩 荔蜡 生打 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 就有 吃( 厂) 哆( 厂) = ( 厂) j ，1 f 一a ；o ， 左婆盏”1 影v 谬v _i-_ 图3 9 升余弦滚降滤波器的冲激相应 ￥ 疑 ( 3 1 7 ) 图3 1 0 升余弦滤波器的转移函数 只要发送端和接受端滤波器满足式( 3 1 7 ) ，同时，因为接受端附加均衡器，传 输信道对系统的影响可以忽略不计，这时整个系统的冲击响应就可构成升余弦。事实 上，对于发送或者接受端滤波器，只要两者关系满足使k ( ) 具有线形相位的要求即 可( 也就是说发送和接收滤波器可以带有一定的线形相位，不定为o ) 。如下式所 示： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 嚏( 删= i l ( 州= 厕 ( 3 1 8 ) 当满足忱( 刊= 晦( 门i = 而时，便构成均方根升余弦滤波器( r r c ，r o o tr a i s e d c o s i n e ) 。而本课题所设计的滤波器就是满足忱( 刊= l h ，( 刊= 撕：丽的均方根升余弦 滤波器。 3 3q p s k 调制的m a t l a b 仿真 这一节的内容是利用m a t l a b 对q p s k 系统进行仿真，计算并绘制出在不同的 信噪比下，q p s k 的误符号数和误比特数。 3 3 1q p s k 的m a t l a b 仿真的算法 目无于臣导计算误俏翠的公式。q p s k 的一组4 个载波调相信号波形表达式为 蹦归州咖。s ：卿+ 等 m = 0 , 1 , 2 , 3 其中g r ( f ) 为输入端的成形脉冲，决定发送信号的频谱特征，a 是信号的振幅。 当g ，( ，) 为矩形脉冲时，它的定义为 g ，( ，) _ ；， 。，s 丁 ( 3 - 2 0 ) 在这种情况下，发送信号波形在符号间隔o f r 内可以表示为( 其中爿：厄) = 序c o s 胁+ 丁m t t - m = 0 , 1 , 2 , 3 z ， 式( 3 1 5 ) 中余弦函数的角度可看作两个角度的和，这样可将式( 3 2 1 ) 变形为 最( ，) = 瓦m c o s ( 等c 。s2 z 刀一瓦胁i n ( 等) s i n 2 厅力 2 s m c y i ( f ) + s i n s y 2 ( ，)( 3 2 2 ) 其中 驴厄c o s 降 z ， 飞机电力线载波数据通信调制解调技术研究 ：厄s i n f 等 z 且( ，) 和( ，) 是正交基函数，定义为 矿l ( f ) = g r ( t ) c o s 2 z c f 。t ( 3 2 4 ) ( 3 2 5 ) g t ( t ) 2 一g r ( f j s i l l 2 疗l t ( 3 2 6 ) 通过适当地归一化g ，( r ) ，可将这两个基函数的能量归一化为1 。这时一个调相 信号可被看作为两个正交载波，该载波幅度由每个信号间隔的发送相位决定。因此， 数字调相信号在几何学上表示为具有分量5 。和j 。，的二维矢量s 。 。l 厄c o s 等厄s i n 了m t j 通过加性高斯白噪声信道传输的一个信号间隔内接收到的带通信号可以表