（电力系统及其自动化专业论文）基于msk的电力线数字载波通信系统的设计.pdf

a d s 8 0 3 和f i f oi d t 7 2 2 4 5 构成的解调回路、d s p v c 5 4 1 6 和数据终端的r s 2 3 2 4 8 5 接口以及c p l dx c 9 5 1 4 4 对系统的时钟、逻辑控制等电路。软件设计主要是d s p 对整个系统工作控制及实现的c 与汇编程序的编写。最后，对该系统进行了调 试和性能分析。 关键词：电力线载波通信m s k d s p c p l d 数字频率合成 i i d e s i g n o fm s k b a s e dp o w e rl i n e d i g i t a lc a r r i e r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m e l e c t r i cs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e l iz h i h a o s u p e r v i s o r t i a ny u a n f u a l o n g w i t ht h ep a c eo f g l o b a ln e t w o r k i n gq u i c k e n i n g ，i n f o r m a t i o nn e t w o r k i n g a n dc o n t r o la u t o m a t i o nh a v eb e c o m et h ep r e s s i n gr e q u i r e m e n t so f e v e r yi n d u s t r yf o r i m p r o v i n ge f f i c i e n c ya n dr e a l i z i n gm o d e r n i z a t i o n s oi th a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c tu s i n gp o w e rl i n ea sc h a n n e lt or e a l i z ed a t at r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o n e x c h a n g i n g 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 nt e c h n o l o g ya d o p t sp o w e rl i n e 觞 c o m m u n i c a t i o nm e d i u ma n dp o s s e s s e st h em e r i t so f m a k i n gf u l lu s e0 f r e s o u r c e so n h a n d ，e a s y c o n s t r u c t i o n ，l o w c o m p r e h e n s i v ec o s t ，b e i n gu n r e s t r i c t e d b y e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b u tp o w e rl i n ei sc h a r a c t e r i s t i co fv i o l e n t c h a n g ei n a m p l i t u d e f r e q u e n c yp e c u l i a r i t y ，n a r r o we f f e c t i v eb a n d ，c o m p l e x c h a n n e lc h a r a c t e r , w h i c hn e e d st o u s i n g m o d u l a t i o n t e c h n o l o g y w i t h h i g h e rc o m p r e h e n s i v e c h a m c t e r i s t i c s a tt h es a m et i m e ，w i t ht h ec o n t i n u o u sp e r f e c t i o na n dm a t u r i t yo f l a r g e s c a l e ，v e r yl a r g e - s c a l ei n t e g r a t e d c i r c u i t t e c h n o l o g y a n dt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to fd i g i t a lc i r c u i td e s i g n ，u s i n gd s pa n dc p l d t oe s t a b l i s ha l ld i g i t a l a p p l i c a t i o ns y s t e m h a sb e c o m e d e v e l o p m e n t t r e n d t h i s p a p e rb r i n g s f o r w a r dt h ei d e ao f u s i n g m s kw i t h h i g hf r e q u e n c y e f f i c i e n c y ，f a s tp o w e rd e s c e n to u t s i d eb a n d ，c o n s t a n tw r a p ，s u c c e s s i v ep h a s ea s c a r d e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mo fm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nt e c h n o l o g ya n d d e s i g n s a l ld i g i t a lc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do n d s p ，c p l d ，d i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i sa n ds o f t w a r ed e m o d u l a t i o nt oi m p l e m e n tt h er e l i a b l em i d d l e l o ws p e e d d a t at r a n s m i s s i o n t h ef i e l dt e s t sa n da n a l y s e ss h o wt h a tt h es y s t e mh a se x c e l l e n t n i p e r f o r m a n c e ，s t r o n g a n t i - i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y ，g o o dr e l i a b i l i t y a n d h i g h p e r f o r m a n c e p r i c e r a t i o ，a n d c a nb eu s e di ns u c hm i d d l e & l o ws p e e dd a t a t r a n s m i s s i o no c c a s i o n sw i t hh i g h e rd e m a n do fc o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t ys u c ha s d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，i n d u s t r yc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e lc h a r a c t e ra n d e s t a b l i s h e st h ec o r r e s p o n d i n gc h a n n e lm o d e l t h e ni n t r o d u c e sp r i n c i p l e so fm s k t e c h n i q u e ，m e t h o d so fi m p l e m e n t a t i o na n dt h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft a k i n g m s k t e c h n i q u ef o rt h em o d u l a t i o np l a no fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni n d e t a i l s s u b s e q u e n t l y t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dt h eh a r d w a r e & s o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o ni n c l u d i n gm o d u l a t i o nl o o pb a s e do nd s p v c 5 4 1 6 a d 9 8 5 1 d e m o d u l a t i o nl o o pm a d eu po fa d s 8 0 3 & f i f oi d t 7 2 2 4 5 ，d s p v c 5 4 1 6a n d r s 2 3 2 4 8 5 i n t e r f a c e ，s y s t e mc l o c k i n ga n dl o g i c a l c o n t r o lc i r c u i t u s i n g c p l d x c 9 5 1 4 4 ，t h ew h o l es y s t e mo p e r a t i o nc o n t r o lu s i n gd s pa n di t sr e a l i z a t i o nb yc a n da s s e m b l yp r o g r a m sa r ep r o v i d e d t h es y s t e md e b u ga n dp e r f o r l l l a n e ea n a l y s i s a r ea l s ol i s t e di nt h e p a d e l k e yw o r d s ：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 nm s kd s pc p l d d i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s i v 四j 1 i 大学硕士学位论文 1 概述 1 1 课题的目的、意义和必要性 随着全球网络化进程的加快，信息网络化、控制自动化，已成为各行业提 高效率、实现现代化的紧迫要求；各种类型的信息网络技术日新月异，网络功 能不断完善，接入技术逐渐成为网络发展的瓶颈。无论采用哪种有线接入技术， 除了需要各类网络接入和控制设备以外，还需要铺设大量的基础网络线缆。电 力网络是已有的最广泛的有线网络，电力网络比任何其他的有线通信网络更加 稳定和现代化，其普及率和牢固程度都是其他的有线通信网络所不及的；而电 力线载波通信( p l c ) 作为一种“无新线”( n o n e w w i r e ) 技术，利用现有的电 力网作为信道，实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景。 电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信，是电力系统特有 的一种通信方式。电力线不同于光纤、同轴电缆、双绞线等专用的通信媒质， 它的主要功能是电力传输，即传输5 0 h z 的工频信号，所以电力线的设计不可能 兼顾高频通信的技术要求；特别是低压电力线，是一种复杂的传输媒介，线上 存在大量噪声，负载多且其工作状态随时间变化，配置情况复杂，对传输信号 的不利影响主要表现为信道损耗、信道噪声和多经效应，而且具有随机性和时 变性。但随着现代通信技术、网络技术及相关的数字信号处理技术的快速发展， 利用低压电力线进行数据传输已逐渐成为现实，并开始服务于人们的目常生活。 利用电力线进行通信，不同的载波调制方式应用于不同的场合，按速率和 载波频率分为： 1 低速率通信( 1 k b p s 以下) ，主要应用于长距离( 1 k m 以上) 利用中高压 电力线对配电设施进行控制： 2 中速率通信( 卜5 0 k b p s ) ，主要应用于固定小区间、楼宇间的数字通信， 包括自动照明、消防报警、自动抄表以及数据监控等系统，载波频率一般在 5 0 5 0 0 k h z 之间： 3 高速率通信( i o o k b p s 以上) ，主要用于小区域中的大流量数据通信，如 网络中的文件、打印共享，多媒体等，采用高载波频率1 7 - 3 0 m h z 。 对于中、低速电力线通信有多种调制方式，包括幅移键控( a s k ) 、频移键 四j | l 大学硕士学位论文 控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 、o a m 调制、无载波振幅调制( c a p ) 及d m t 调制： 而为实现高速电力线数据传输，发展了扩频通信技术以及多载波正交频分多址 技术( o f d m ) 。 针对电力线幅频特性变化剧烈、有效带宽窄、信道特性复杂的特点，需要 一种具有较高综合特性的数字调制技术。对适用于电力线信道的数字调制技术 有以下要求： 1 频谱利用率高。数字调制的频谱利用率是指在单位频带内能传输的信息 比特率。提高频谱利用率的措施很多，基本的方法是减小信号带宽。对数字调 制而言，就是要求其频谱的主瓣窄，使能量集中在有限频带内，而带外的剩余 分量应尽可能低。 2 误码率低。即在输入信噪比一定的条件下误码率低。它反映了信号的功 率利用率。误码率不仅受信道噪声和各种干扰的影响，而且在电力线通信中受 严重的振幅衰落影响，会使信道的误码率性能严重恶化。单凭增大发射信号功 率不能解决根本问题；而且，为防止通信信号对其他设备的干扰，发射信号的 功率受到限制。 3 已调信号的包络恒定。对信道的非线性不敏感，不会因为信道的非线性 作用而发生明显的频谱扩散，从而产生大量的带外频谱导致主瓣功率下降。 m s k ( 最小频移键控) ，作为恒包络调制解调技术的代表，具有许多其他窄 带调制方式所不能比拟的优越性，它具有信号相位连续、频带利用率高、包络 恒定等优点，可以较好的克服电力线信道传输带宽窄、信道衰减具有随机性等 不良信道特性。 信息技术的发展日新月异，数字化浪潮正在迅速席卷全球。数字信号处理 作为数字化最重要的技术之一，在其应用的广度和深度方面，正以前所未有的 速度向前发展。数字化是各种信息进行有效获取、存储、处理、交换、综合与 应用的基础，而数字信号处理技术及其集成化产品为信号数字化处理提供了广 阔的发展和应用空间。随着数字信号处理器( d s p ) 性能的不断提高，开发工具 同臻完善，价格迅速下降，使其在语音合成与识别、图像处理、通讯、高速控 制、医疗器械等众多领域得到极为广泛的应用。 大规模可编程逻辑器件c p l d 和f p g a 是当今应用最广泛的两类专用集成电 路( a s i c ) ，这种集成电路具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得 2 四川火学硕士学位论文 硬件可以像软件一样通过编程来修改这样极大的提高了电子系统的灵活性和 通用性，大大缩短了产品上市时间，降低了开发成本。 本论文正是基于上述原因，采用t i 公司的高速数字信号处理器d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 为核心处理器，以x l i n x 公司的复杂可编程逻辑器件c p l d x c 9 5 1 4 4 作为系统逻辑控制，利用a d 公司的a d 9 8 5 1 完成直接数字频率合成， 采用高精度a d 芯片a d s 8 0 3 进行高速采样，完成模数转换，构建了基于m s k 的全数字电力线通讯系统，实现了电力线上较为可靠的中、低速数据传输。目 前该系统已被上海市久隆电力科技有限公司采用，解决市区供电公司电缆监测、 小区配电网信息采集等工程。 1 2 低压电网数字通信概况及其特点 电力线载波通信( p o w e rl i n ec a r r i e r ，p l c ) 是利用高压电力线( 通常 指3 5 k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 1 0 k v 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 2 2 0 v 用户线) 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。 目前，电力线载波技术主要用于3 5 k v 及以上高压线路上，载波带宽为4 0 5 0 0 k h z ，传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。但是，如 何利用城网低压电力线路发展载波技术，特别是高速、可靠的数字载波技术则 仍处于研究阶段。 典型的电力线载波通信原理如图1 1 所示，数据信号通过载波通信设备， 经过调制和功率放大后，由信号耦合网络加载到电力网上，而在电力网的另一 端，同样通过信号耦合网络将电力网上的调制信号送到相应的载波通信设备， 经解凋后复原。 载波 通信 【设备 信号 耦合 网络 图11 电力线载波通信原理框图 载波l 通信i 设备1 四川i 大学硕士学位论文 在2 2 0 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大 的区别，突出表现在环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大 等特点。 1 噪声和干扰 低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严 重污染着电力线通信环境。v i n e se ta 1 定义了4 种电力线噪声： 夺硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突 变； 夺平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小 电机是产生这种噪声的根源； 令单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起； 令非同步周期噪声，如电视的行扫描频率对电网的干扰。 2 ，信道阻抗 电力线网络是一个广泛存在的网络，变电站的二次变压装置和用户负载同 时并联在电力网络中，信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗 匹配是很重要的，因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时，接收端得到的 有用信号能量最大。 低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成： 夺变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大； 夺导线的特性阻抗，导线可以看作电阻和电感的串联，不同导线的特性阻抗 相差7 0 1 0 0 欧姆； 夺接在电力线上的设备阻抗，一般相差1 0 1 0 0 0 欧姆。 3 信号衰减 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到l o o d b k m 。信号 衰减有以下特点： 耷时间不同，衰减幅度也不同； 夺信号频率不同，衰减幅度也不同： 夺距离不同，衰减幅度也不同。 4 多径干扰 多径效应是电力线通信存在的干扰之一，由于信号通过不同通路所用的时 4 四川大学硕士学位论文 问不同，延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。 1 3 国内外电力线数字通信技术研究现状及发展趋势 电力线载波通信技术的发展经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波 通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期，它以电力线路为传输通道，具有可靠性 高、投资少、见效快、与电网建设同步等得天独厚的优点。 5 0 - - 6 0 年代，我国开始研制自己的z d d 一1 型电力线载波机，未能实现产 品化。后经不断改进，形成了具有中国特色的z d d 一5 型电力线载波机。该机所 代表的模拟制式电力线载波机得到了广泛应用。7 0 年代，我国模拟电力线载波 机技术已趋成熟。8 0 年代中期，电力线载波技术开始了单片机和集成化的革命， 产生了小型化、多功能的载波机，如s 一2 载波机等。在这一阶段，主要的技术 进步为单片机自动盘代替了布线逻辑的自动盘：集成电路的调制器、压扩器、 滤波器和a g c 放大器代替了笨重、多故障的模拟电路；c m o s 、v m o s 高频大功率 管在功放电路中的应用等。9 0 年代中期，以s n c 一5 电力线载波机为代表，在 国内首次采用数字信号处理( d s p ) 技术，将载波机音频至中频部分的信号处理 使用d s p 器件来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益控制。由此开 始，电力线载波业界进入了载波机的数字化革命阶段。9 0 年代末期，采用新西 兰生产的m 3 4 0 数据复接器，结合电力线载波机的高频部分为一体的全数字多路 复接的载波机问世。这一成果提高了载波机的通信容量，从根本上初步解决了 载波机通信容量小的技术“瓶颈”问题，从而为电力线载波市场带来了空前的 机遇。 电力线载波在1 0 k v 线路上的应用国外自5 0 年代开始，主要应用在中压电 网的负荷控制领域，大多为单向数据传输、速率低( 有时小于l o b p s 甚至更低) ， 并没有形成大规模的电力线载波通信服务产业。国内在8 0 年代后期多数是直接 使用小型化的集成电路农电载波机实现点对点通信，也有个别采用窄带调频载 波机，使用范围很受限制。随着1 0 k v 线路通信需求的增长，到了9 0 年代末， 出现了多种载波通信设备。这些设备可采用不同的线路耦合方式，如电容耦合、 变压器耦合、低压耦合、陶瓷真空耦合及天线耦合等，同时开发了先进的扩频 调制方式以及o f d m 正交频分复用技术。目前在国内使用的l o k v 电力线数据传 输设备中，使用最多的还是窄带调制设备( 主要是多进制p s k 及f s k 调制) ，采 四川大学硕士学位论文 用扩频方式的设备开始崭露头角。 电力线载波在3 8 0 2 2 0 v 用户配电网上的应用，在9 0 年代后期之前只限于 采用调幅或调频制式的载波电话机，实现近距离的拨号通话，也有采用专用的 芯片实现近距离数据传输的。我国大规模开展用户配电网载波应用技术的研究 是在2 0 0 0 年左右，目前在自动集抄系统中采用的载波通信方式有扩频、窄带调 频或调相。在使用的设备中，以窄带调制类型的设备为多数，其主要原因是速 率要求不高，成本低廉，技术相对成熟，开发周期短。而电力线上网的应用由 于要求的速率至少要达到5 1 2 k b p s l o m b p s ，所以无一例外地采用扩频通信或 o f d m 调制方式。在各种方式中，由于采用o f d m 调制具有突发模式的多信道传 输、较高的传输速率、更有效的频谱利用率和较强的抗突发干扰噪声的能力， 再加上前向纠错、交叉纠错、自动重发和信道编码等技术来保证信息传输的稳 定可靠，因而成为电力线上网应用的主导通信方式。 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的一家 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( 1 9 9 2 1 9 9 3 年) ，已开发出2 m h z 带宽内传输速 率为1 m b p 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 能表连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。 作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及 潜在的巨大市场而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究的 热点。国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究，并开发出相对应的器 件和产品。a b b 公司已成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系统 d a r t n e t ( 1 9 9 9 年) ，其信号传输速率为1 2 k b p s ；i n t e l i o n 公司最新报道，其 p o w e r p a c k e tt e c h n o l o g y 信号传输速率己达1 4 m b p s ，以此为背景，其o f d m 技术也取得了突破性进展，组网试验中已可实现速率为1 4 m b p s 的数据传输。美、 德、法等国家己提出家庭插座( h o m e p l u g ) 计划，旨在推动以电力线为传输媒 介的数字化家庭( d i g i t a l h o m e ) 。低压电力线载波通信技术已成为新的研究热 点，引起了世界各国的广泛关注。 6 四川大学硕士学位论文 1 4 课题研究的主要内容和技术关键 课题研究的主要内容： 1 分析电力线信道特性，建立信道模型。 2 分析核心处理器d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 的结构、特性及功能，设计其”围 电路，包括与数字频率合成器a d 9 8 5 1 、c p l dx c 9 5 1 4 4 以及r s 2 3 2 4 8 5 等的接口 控制，构建通信模块。 3 运用c p l d 对系统内各芯片进行逻辑控制。 4 编写d s p 软件，包括与终端设备的数据收发以及对线路数据的调制、解 调。 5 进行系统软、硬件调试，并进行性能分析。 技术关键： 1 系统同步的实现。 2 窄带解调 四j | i 大学硕士学位论文 2 电力线信道特性 利用电力线作为通信媒体进行通信，主要有两种形式，即高压输电线路上 的载波通信和低压线路上的载波通信。利用l o k v 以上中高压电力线载波通信已 经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。 但是在2 2 0 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区 别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且具有时变 性等方面。为了设计在预定环境下能良好工作的通信系统，选择合适的信号调 制、编码、传输、解调方法，必须对通道特性有深入的了解。为此，本章对低 压电力线通信信道的各方面特性进行了深入的分析，并在此基础上建立了低压 电力线通信信道的近似模型。 2 1 阻抗特性 电力线输入阻抗是信号发送装置和信号接收装置驱动点上电力网的阻抗， 它直接影响信号耦合效率，是电力线传输特性的重要参数。 电力线阻抗主要是由电力线上接入负载的阻抗特性所决定的。由于接入负 载阻抗的不确定性和时变特性，引起了电力线阻抗的不稳定。早在1 9 7 3 年， j ，r n i c h o l s o n 和j a m a l a c k 就公布了他们在2 0 k h z 到3 0 k h z 范围的2 5 个离 散频率下，对美国3 6 个未滤波的商业电源1 1 5 v 。1 中；2 2 0 v 。l 由；2 0 8 v 。 3 中等所进行的阻抗测量结果，并与一个典型5uh 阻抗平衡网络提供的阻抗进 行了对照，结果表明商业f 乜源阻抗随频率的升高有上升的趋势( 平均从2 q 到 1 0 0q 左右变化) 。1 9 7 6 年j a m a l a c k 和j r e n g s t r o m 公布了在相同的频率范 围内，对6 个欧洲国家的8 6 个商业电源2 2 0 v 。1 由，3 巾；1 1 0 2 2 0 v 。3 中； 2 2 0 3 8 0 v 。3 中等所进行的阻抗测量结果，表明欧洲各国之间商业电源的阻抗 值变化不是很大，并且与在美国商业电源上测得的阻抗值相似。1 9 8 5 年， r m v i n e s 等人进行了在5 - 2 0 k h z 频率下的低压电力线上的阻抗测量，并针对 决定低压配电网阻抗的配电变、线路和电气负荷分别进行了阻抗的测量，得出 了如下结论：配电变二次侧阻抗类似一个r l 电路阻抗，阻抗值随频率升高而增 加，并有较大的相角移动；在低压配电网上发生的谐振4 0 0 k h z 以上，这使得配 四j l i 大学硕士学位论文 电网的阻抗在高频时比在低频时( 5 - - 2 0 k h z ) 更加不可预测，这样的谐振常常 是由容性负载( 如电视o 1pf 引起的) ：连接线的电感试图隔离网络中的各元 件，并在高频时消除远方连接负荷的影响；连接房屋和配电变的线路对阻抗的 影响般较小，但如果配电线没有扭绞在一起，可能会有比较大的影响；在各 种负荷中，电阻性供热负荷在低频时会引起较大的阻抗变化，其效果是在电路 回路中并入了电阻和电感，感应电机负载不会改变千赫兹级频率下的阻抗，这 是因为负载本身的电抗很大。 所有研究表明低压配电网的输入阻抗随频率的升高而呈上升趋势，在i 0 0 k h z 以下的阻抗值一般很低，单个住户的阻抗在9 - - 9 5 k h z 频率下已经低到2 0 ， 如此低的线路阻抗，对系统功率输出部分提出了严峻的考验。如果系统输出阻 抗不能降低到与线路阻抗相接近的水平，则信号能量不能有效输出，实际耦合 到线路上的能量就会很小，产生较大的耦合损耗。另外，由于随机负荷的影响， 低压配电网的输入阻抗变得不可预测，在不同时间或不同位置，阻抗值均可能 发生较大的改变。由此来看，采用高频率载波是有利的，它可以消除远方负荷 的影响，使低压配电网的输入阻抗相对稳定，不过这样可能会产生由容性负载 引起的谐振和大的信号衰减。 2 2 噪声特性 研究表明，电力线上的噪声不能简单认为是加性高斯白噪声，而是由许多 性质不同的噪声叠加丽成，且在不同电网上噪声强度有区别还具有时变性；但 噪声也具有一定的规律性，比如，噪声随频率的升高而呈下降趋势。因此，下 面我们将对噪声进行分类分析，以对电力线噪声特性有一个透彻的了解。 2 2 1 噪声分类 】平滑功率谱噪声 该类噪声的功率谱密度( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ) 相对较低，是频率的 衰减函数，它主要是由线路上与电力系统频率不同步的各种负载所产生的，其 功率谱密度随时间变化较慢。由于平滑功率谱噪声在时域持续时间长，在频域 覆盖面积广，因此很多文献中把它作为电力线信道的背景噪声来研究。 2 与系统频率无关的窄带噪声 9 四川大学硕士学位论文 这类噪声大多数为窄带幅度调制的正弦干扰信号。它主要是由引入电力线 的广播频带信号引起，它在夜间有最高幅值，白天相对较低。由于窄带噪声的 来源固定，频谱恒定，功率变化的时变性也不强，因此我们把它归入背景噪声。 3 与系统频率同步的周期脉冲噪声 这主要是由可控硅整流( s c r ) 引起的噪声，它每5 0 h z 周( 美国为6 0 h z ) 要切换一定次数，引起在时域上的一系列噪声脉冲，或在频域上的工频的更高 次谐波噪声。5 0 h z 谐波噪声对电力线通信，特别是中、低速电力线通信系统有 严重的影响。 4 与系统频率无关的单事件脉冲噪声 这类噪声主要是由电力线上负载的开关操作造成，自然界的闪电以及天气 干扰也会引起。这种冲击噪声的幅度一般比背景噪声高出l o - - 4 0 d b ，噪声强度 根据噪声源的性质和位置的不同而不同。 2 2 2 噪声模型 针对咀上的噪声基本分类，下面建立了用某些特性参数描述噪声的模型。 1 背景噪声 背景噪声的功率谱密度是频率的减函数，其平均值用下式描述： v ( 厂) = 1 0 * q 枷。77 胁矽k h z 其中k 和时间及发送接收的位置有关。 2 窄带干扰 窄带噪声部分可通过如下n 个独立的正弦函数叠加来描述： n o ) = a ，( t ) s i n ( 2 ，t + ，) f l 其中，每一个分量由它的频率，、幅值4 ( f ) 和相位以来描述。幅值4 ，( f ) 在时间 上既可以是常数，也可以是对a m 广播信号更好近似的调制幅值。载波相位可以 在区间 0 ，2n 上用随机数选择，并独立于时间。噪声既可在时域中合成，也 可先在频域中合成，再通过快速傅立叶反变换( i f f t ) 得到。 3 脉冲噪声 脉冲噪声是低压电力线通信的严重有害源，其对数据传输的影响程度主要 是由脉冲的幅度、脉宽和间隔时间决定。1 9 8 9 年c h a nmhl 提出了噪声脉冲 1 0 四j i l 大学硕十学位论文 的幅度、脉宽和间隔时间的概率分布估计，根据测量结果得出了如下结论：脉 冲噪声强度一般比背景噪声水平高1 0 d b ，有时可以超过4 0 d b ，脉冲强度与噪声 源的强度和噪声源离接收装置的距离有关；主要脉冲系列的脉冲频率( 由脉冲间 隔时间决定) 一般为1 2 0 h z ，它与6 0 h z 电源电压的正负周期同步；对于1 2 0 h z 脉冲噪声，其脉宽变化达到几个百分点；脉宽与所选定的幅度水平t 有关，一 般来说，脉冲宽度随t 增加而减小；有些噪声源将增加背景噪声功率( 如真空 吸尘器和搅拌机) ，其它一些将增加脉冲噪声功率( 如复印机以0 0 1 的概率产 生高于背景噪声2 7 d b 的1 2 0 h z 周期脉冲，灯光调节器以同样的概率产生高于背 景噪声4 0 d b 的脉冲噪声) 。 考虑到脉冲为随机事件的事实，其特性可以用随机变量来描述，这里通过 一个分割马尔可夫链对脉宽和脉冲间隔时间进行模拟。假定把噪声状态分成两 组爿( f = 1 ，2 ，u ) 和b ( f = 1 + u ，2 + u ，n ) ，a 中的d 个状态表示没有脉冲事件发 生的情况，b 中的c o = 九一u 个状态表示有脉冲事件发生的情况。 则脉冲宽度大于某个宽度t 。的概率，用离散时间k 表示为： 艺0 ) = g 叫g ：0 = 1 , 2 ) j - i 其中，g 。，表示从b 中的某个状态j 向临界状态0 3 + 1 过渡( 脉冲开始消失) 时的转移概率，g 表示口中的某个状态不发生状态转移( 脉冲保持) 的概率。 脉冲间隔时间超过某一时间跨度t 。的概率，用离散时间k 表示为： 只o ) = 。，“。k ( k = 1 , 2 ) j = l 其中，“。，表示从a 中的某个状态j 向临界状态d + 1 过渡( 脉冲开始发生) 时的转移概率，“。表示爿中的某个状态不发生状态转移( 无脉冲保持) 的概率。 2 3 衰减特性 低压电力线信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减：二是线路衰减。耦合 衰减是由载波通信模块与线路输入阻抗不匹配引起的，可以通过适当调整通信 模块输出电阻来改善。而线路衰减的主要原因是配电网结构复杂，负载具有多 样性和时变性，这种衰减特性难以预测。 试验表明，信号在1 0 0 k h z 以下的衰减相对稳定，在1 0 0 k h z 到2 0 0 k h z 之 四川大学硕士学位论文 间以0 2 5 d b k h z 的比例线性增长，信号衰减与频率有关是由电抗性负载和传输 线效应引起的。传输线效应包括反射和多峰抵消，这引起网络中某些特定点出 现窄带衰减。频率越高传输线效应越明显，发生谐振的可能性越大。 除了衰减较高以外，电力线信道的另一个典型特征是多经衰落，从而产生 频率选择性衰落。图2 1 所示为电力线信道的冲击响应，可以看出电力线信道 的冲击响应表现为多个冲击函数的叠加，每个冲击函数的幅值递减，表明电力 线信道是一种多经信道。 另外，发送和接收装置跨相传输时信号衰减比同相传输时大，我们可以通 过在相间加电容耦合来消除。 2 4 相移特性 图2 1 电力线信道的冲击响应 测量表明，对于单对电力线，当信号传输2 5 0 米时，信道相位传输为线性， 相位与参考相位之差小于1 0 。，并较为恒定。因此我们可以认为电力线的相移 特性是理想的。 2 5 电力线信道模型的建立 通过以上对电力线信道特性的分析，可以看到建立个通用精确模型来模 拟所有低压配电网通道情况是非常困难的，但是我们可以建立一个能反映通道 1 2 四川大学硕士学位论文 基本特性的近似模型。下面我们采用带有加权因子的时间抽头模型来模拟电力 线多经衰落信道，建立具有频率选择性衰落的信道传输函数模型。 25 1 单根电缆传输函数 电力线中的信号传输可以根据传输线的特征阻抗互和传输常数y 决定。 z ，( 厂) 月) + j 2 班( ，) g 仃) + j 2 , 醇c f f ) y驴)：4(r(f一)+j2ztfl(f)xg(f)+j2afc(f) 其中r 为单位长度电缆阻抗，g 为单位长度电缆电导，l 为单位长度电缆 电感，c 为单位长度电缆电容。 如果传输线的阻抗匹配，则只需要考虑从信号源到接收机之间的传输损 耗。长度为埔q 电力线传输函数可以定义为 u ) = e - r ( i y p 一伊( 7 y 式中，前一项代表幅度传输函数，后一项代表相位传输函数。 电缆为弱损耗传输媒质，电力线中r 驴) 2 班u ) ，g 盯) 2 刀u ) 。由于 l ，c 与频率的相关性不大，所以特征阻抗五和传输常数，可以用下面的方法 近似： z ，= 后 y = 圭掣+ 圭g u ) z 川z 石厨 简化电缆参数可以得出 y l r ) = t 。4 7 + 七：f + j k ，f = a o c ) + j f l ( f ) 传输常数的实部a 表示电力线衰减系数，它随的增加而增加。a 与，的 关系可以表示为 口u ) = a o + 口1 ， 因此，荜根电缆的幅度传输函数可以表示为： 4 ( ，d ) = p 一。( ，h = p 一+ q ，p 四川大学硕士学位论文 2 5 ，2 多经传输模型 对于多经传输，采用图2 2 所示信道模型。 图22 频率选择性衰落信道的抽头延时模型 在这一模型中，信道的冲击响应为 n o ) = k ，艿( ，一o ) j t l 式中r 。表示信道延时，k 表示信道信号幅度的衰减。 信道传输函数为 h 仃) = k ，p 1 2 以 而一= d 。，其中d ，表示信道长度，表示信号在电力线中的传播速度。 所以日驴) 可表示为 h ：兰即“，f 2 可号 式中，、a 。为电力线参数决定的衰减常数，g ，为衰减因子，它与电力线 网络结构、信道传输路径的长度有关，d 是路径i 的长度。 2 5 3 低压电力线信道近似模型 本文构建的低压电力线近似模型如图2 3 所示。 四川大学硕士学位论文 她亟 l 匝卜竺号 i 噪声 图2 3 电力线信道简化模型 该信道模型包含三个模块：( 1 ) 输入耦合，该模块模拟由于电力线阻抗变 化而导致的耦合损耗；( 2 ) 噪声，该模块包含电力线信道中的三类主要噪声， 它们是背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声：( 3 ) 信道衰减，该模块反映电力线信 道固有的对信号的频率选择性衰落和限带特性。 四川大学硕士学位论文 3 基本原理 电力线通信信道具有衰减和噪声复杂多变的特征，因此要实现可靠、具有 较高通信速率的通信系统，数字调制解调的方案应该从多个方面考虑。首先， 要有较高的频谱利用率，这样才能适应电力线通信信道有效带宽窄的特点；其 次，要有较好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带内，降低功率损失； 另外，对信道的衰减特性和非线性特性要有较好的抵抗性：对噪声干扰要有很 强的抑止能力，能在很低的信噪比情况下正常工作。下面，在比较各种数字调 制解调技术和对电力线通信技术要求分析的基础上，着重分析了m s k 调制解调 技术，并提出了其全数字调制解调方案。 3 1 主要数字调制解调技术的比较 目前采用的窄带调制解调技术主要有以下几种： 1 a s k 幅移键控，在该调制技术中，传输信号的幅度随调制数字信号的变 化而变化，属于线性调制技术。这种调制方案有较好的频谱效率，但传输中必 须使用功率效率低的r f 放大器，用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除的 边瓣再生，造成严重的相邻信遒干扰，使线性调制得到的频谱效率全部丢失。 2 f s k 相移键控，该方式通过调制载波的相位来传输数据，也是种线性 调制技术，同样存在边瓣再生的问题，特别在发生相位突变时，包络不恒定而 导致在通过带限信道后频谱发生扩散。 3 f s k 频移键控，通过两个不同的载波代表二进制数据中的两种状态，来 完成数据的调制，它属于非线性调制；同时，不管调制信号如何改变，载波的 幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。这种调制方式，可以使用功率效 率高的c 类放大器，而不会使发送信号占用的频谱增大；带外辐射低，可达一 6 0 d b 至一7 0 d b ；接收机设计简单。不过其占用带宽比线性调制大。 m i l k 最小频移键控，是一种特殊的连续相位的频移键控，它是恒包络技术 的代表，不仅具有包络恒定、能量集中等优点，而且具有频谱利用率高、误码 率低、自同步等性能。这种调制技术已经在无线领域得到了较好的运用，但其 传统的实现方法较为复杂。 1 6 四川大学硕士学位论文 3 2 电力线通信对信号调制解调技术的要求 对适于电力线信道通信的数字调制解调方式，主要有以下技术要求： 1 频谱利用奉高。数字调制技术的频谱利用率是指在单位频带内能传输的 信息比特率，以b p s h z 表示，即 月 2 一b 式中r 是每秒数据率，b 是已调信号占用的带宽。提高带宽效率的措施有很多 种，基本办法是减小信号所占带宽。对数字调制而言，就是要求其频谱主瓣窄、 旁瓣衰落快，带外能量低。 2 误码性能好。误码率反映了数字调制方案的功率效率_ ，由怎样有利于 信号保真度和功率之间的折中来衡量，通常表现为在接收机输入特定误码率下， 系统接收信噪比高，或是输入信噪比一定的情况下，误码率低。电力线通信中 信号不仅受到严重的振幅衰落，而且受到信道噪声和各种干扰的影响，不能单 凭增大发射功率来解决。 3 已调信号的包络恒定，对信道的非线性( 主要指发射机的功率放大器、 信道幅频特性、接收机的功率放大器) 不敏感，不会因为信道的非