（电力系统及其自动化专业论文）基于直序扩频技术的电力线数字通信系统设计.pdf

要模块的软硬件实现，其中硬件设计包括对p l 2 1 0 1 及a t 8 9 c 2 0 5 1 的电力线节点 设计、辅助放大及控制电路的设计等，软件开发主要包括单片机汇编程序的编 写和p c 机与单片机通信程序的编写；然后，针对系统在实验中暴露出的问题给 予简单分析、提出了解决方案：最后，对该系统进行了调试和性能分析。 关键词：电力线直接序列扩频p l 2 1 0 1同步捕捉自适应滤波 t h ed e s i g no fd s b a s e dp o w e rl i n e d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns 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 x ub o s u p e r v i s o r t i a ny u a n f u a l o n gw i t ht h ep a c eo fg 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 fe 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 t h 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 t 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 ea s 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 fm a k i n gf u l lu s eo fr e s o u r c e so n h a n d 、e a s yc o n s t r u c t i o n 、l o wc o m p r e h e n s i v ec o s t 、b e i n g u 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 tc 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 xc h a n n e lc h a r a c t e r ， w h i c hn e e d sh i g h e rc o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s a tt h es a m et i m e ，i fw ec a l la p p l y t h es p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u eo np o w e rl i n e ，i m p r o v et h eq u a u t yo ft h ep 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 n ，m a k et h eb e t t e ru s eo f t h ee x i s t i n gp o w e rl i n er e s o u r c e ，t h e n w ec a nr e s o l v et h ec h a n n e l l a c k i n gp r o b l e ma n do v e r c o m ec o m p l e xc h a n n e l c h a r a c t e r , b r i n gd i r e c ta n dc o n s i d e r a b l es o c i a le c o n o m i cb e n e f i t b a s e do nt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rm a k e ss t r e e tl a m p si n t e n s i v em a n a g e s y s t e mf o re x a m p l ea n dd e s i g n sac o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nd i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u mm 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 yo np o w e rl i n e ，a n da i m s a tt h ep r o b l e m sw h i c he m e r g e dd u r i n gt e s t sb r i n g sf o r w a r dr e s o l v e u t s t h ea c t u a l t 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 tp 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 ec a p a b i l i t y 、g o o dr e l i a b i l i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c e p r i c e r a t i oa n d c a r lb eu s e di ns u c hm i d d l e & l o ws p e e dd a t at 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 r d 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 ya sd 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 r r 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 a n dt h e ni n t r o d u c e sp r i n c i p l e so fd s 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 dd i s c u s s e st h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t y o ft a k i n gd st 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 n i nd e t a i l s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g n & t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta r et h o r o u g h l y d i s c u s s e d t h eh a r d w a r ed e s i g ni n c l u d e sp l 2 1 0 1a n da t 8 9 c 2 0 5 1p o w e rl i n en o d e ， a s s i s t a n tm a g n i f yc o n t r o lc i r c u i t ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tc o m p r i s e st h ec o m p i l e o ft h em i c r o c o n t r o l l e r sa s s e m b l yp r o g r a ma n dt h ec o m p i l eo ft h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a mb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h em i c r o c o n t r o l l e r s u b s e q u e n t l y , t h ep a p e r a i m sa tt h ep r o b l e m sw h a tw e r ee m e r g e dd u r i n gt e s t sb r i n g sf o r w a r dr e s o l v e n t s a t l a s t ，t h ed e b u g g i n ga n dt h ep r o g r a mb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dm i e r o c o n t r o l l e r k e yw o r d s ：p o w e rl i n e 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 p l 2 1 0 1 s y n c h r o n i z a t i o nc a p t u r e s p e c t r u md o m a i na d a p t i v ef i l t e r i n g 四川大学硕士学位论文 1 综述 1 1 课题的意义 伴随着信息化的进程，现代社会人们对于信息的需求量与日俱增，于是新 的通信方式应运而生。微波、光纤等通信手段以其优越的性能，极大的满足了 人们的需求，但是巨大的投入资金和漫长的建设周期使得人们无法期望在较短 的时间以较少的投资得到较大的回报。失望之余，电力线又重新回到了人们的 视野中。电力传输网络作为己建成的最大、最完整的网络系统，不仅可以传输 电能，还可以作为通信媒质，利用现有的电力线传输网络实现数字通信可以避 免对于通信网建设的再投资，从而减少通信网的建设费用。 电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式，它利用电力线作为传输 载体，以变电站为终端，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，具有 信息传输可靠、可同时复用等特点。通过载波，电力线可以传送语音、图像、 数据并且能够进行信息交换、处理、控制、检测，实现信息的自动化。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，在中低压电力 线的利用上仍处于研究阶段。这是因为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问变化，配置情况复杂。其对传输 信号的不利影响主要表现为具有随机性的信道损耗、信道噪声和多径效应。因 此，如何利用城网低压电力线路发展载波技术，特别是如何实现高速、可靠的 数字载波技术是摆在人们面前的重大问题。 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、楼宇问的数字通信， 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 一5 0 0 k h z 之间： 四川大学硕士学位论文 3 高速率通信( 1 0 0 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 控( f s k ) 、相移键控( p s k ) 、q 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。数字调制的频率利用率是指在单位频带内能传输的信息 比特率。提高频率利用率的措施很多，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。 扩频通信技术是近几年来发展非常迅速的一种技术，它包括以下几种调制 方式：直接序列扩展频谱( d s ) 、调频( f h ) 、跳时( t h ) 、线性调频( c h i r p ) 。 此外，还有这些扩频方式的组合，如f h d s ，t h d s ，f h t h 等。扩频通信的实 现是先在发送端用伪随机编码调制待传送的信息数据，完成频谱扩展后将信号 以载波的形式在低压传输线上传送：接收端则采用相同的编码进行解调及相关 处理，恢复原始信息数据。这种通信方式与一般的窄带通信方式的不同之处在 于该方式先将要传输的信号扩展频谱，以宽带信号的形式通信，再将宽带信号 经过相关处理恢复成窄带信号，尔后解调数据。这就使得扩频通信同时具有伪 随机编码调制和信号相关处理两大特点。正是这两大特点，使得扩频通信具有 很多优点，主要有四抗：抗噪声、抗千扰、抗衰落、抗多径；二多：多地址通 四川大学硕士学位论文 信( c d m a ) 、多媒体组网( 语音、传真、数字、图像、视频) ；- - 4 ：小功率： 一无：无照经营。 基于低压电力线传输特性以及电力线信道的数字调制技术要求，本文提出 了利用d p s k 直序扩频技术开发扩频数字传输系统来实现低压电力线上载波信号 的高速、有效传播。该系统可用于电网自动化、配网自动化以及自动抄表系统 等。 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 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， 经解调后复原。 信号低压 信号 载波 + 一 耦合 + 斗 电力+ _ 耦合 + + 通信 网络 网络 网络设各 图11 电力线载波通信原理框图 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 四川大学硕士学位论文 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 l i 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； 夺单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起： 夺非同步周期噪声，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： 令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 i 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： 夺时间不同，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 间不同，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。 四川大学硕士学位论文 1 3 国内外电力线数字通信技术硪究现状及发展趋势 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。但 是，电力线作为一种通信传输媒介，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声 以及等幅振荡波干扰等不利于数据传输的特性。传统的单边带调幅电力载波通 信技术在电力系统中始终起着主导作用，并取得了成功的经验，但对于低压电 力线路，因其恶劣的通信特性，只有采用先进的通信方式及抗干扰措施，才能 得到满意的解决方案。电力线通信主要有三种模式，幅度调制、频率相位调制 和扩频通信。幅度调制是最早使用的数字通信技术，通过调制载波的幅度来传 播0 、“l ”信号，它是一种最不可靠的通信方式，特别是在充满噪声的低压 电力线上，难以保证高速、可靠的通信，因此实际应用较少。另外的两种通信 方式具有较高的抗干扰能力，目前是研究和应用的重点领域。以往采用的窄带 通信，如f s k 、p s k 等存在数据传输率低、误码率高等缺陷，因此其应用受到了 极大的限制。为了更好的满足通信速率及可靠性方面的要求，基于扩频技术的 电力线载波通信技术得到了长足的发展。扩频通信作为信息时代的三大高科技 通信手段之一，具有许多窄带通信所不具备的优良性能，如抗干扰性强、误码 率低、抗多径衰落等优点。即使在背景噪声恶劣的情况下也能保证安全可靠的 通信。实践表明，将扩频技术用于电力线实现电力线扩频载波通信，作为种 新型的通信方式，已经成为电力系统通信的研究重点。 扩频通信的原理提出的很早，但是真正的研究却开始于5 0 年代中期。美国 军事研究机构发现，一般通信方式在强干扰存在的情况下，很难检测出发送来 得信号；另外，对于通信的保密性也无法得到很好的保障。5 0 年代美国麻省理 工学院研究成功了n o m a c 系统( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) ， 成为扩频通信研究发展的开端，从此，军事通信机关对军事通信、空间探测、 卫星侦察等方面广泛应用扩频通信方式的研究十分活跃。6 0 年代以来，随着信 号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，使得编码和相关处理可咀 方便进行；同时，大量的军事通信技术向民用转化，这些因素极大的推动了扩 频通信理论的研究与应用。 近2 0 年来，扩频通信理论得到了卓有成效的丰富和发展。1 9 7 7 年8 月i e e e 四川大学硕士学位论文 通信汇刊的扩频通信专辑和1 9 7 8 年c c i r 全会对扩频通信的专门研究都集中反 映了扩频通信的研究成果，这标志着在世界范围内对扩频通信研究的开始。1 9 8 2 年美国第一次军事通信会议，公开展示了扩频通信在军事通信中的主导作用， 并开始了民用扩频通信技术的研究。1 9 8 5 年5 月，美国联邦通信委员会( f c c ) 制定了民用、工业、科学、公共安全等领域采用扩频通信的标准。1 9 9 0 年1 月 c c i r 研究未来公众陆地移动通信系统( f p l m t s ) 的研究小组，在实现f p l m t s 的计划技术报告中，明确建议采用扩频通信技术，这对扩频通信的研究和应用 产生了深远的影响，解开了扩频通信研究和应用的新阶段。 低压电力线载波扩频通信的研究起步较晚，但在美、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扩频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，电力载波扩频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 l 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 信号传输速率已达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 h p s 的数据传输。美、 德、法等国家已提出家庭插座( 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 ) 。低压电力线载波扩频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。 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。 6 四j i 大学硕士学位论文 2 讨论扩频通信的基本原理以及将该项技术应用于电力线的可行性。 3 分析核心处理器p l 2 1 0 1 的结构、特性及功能，设计其外围电路，包括与 单片机a t 8 9 c 2 0 5 1 等的接口控制，构建通信模块。 4 编写软件，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 针对在实验中暴露出来的问题给予分析，并提出解决问题的构想。 6 进行系统软、硬件调试，并进行性能分析。 技术关键： 1 直序扩频技术 2 自适应滤波技术 3 扩频序列的同步识别技术 四川大学硕士学位论文 2 基于电力线信道特性的技术选型 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1 0 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 电力线的信道特性 2 1 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 审；2 2 0 v 。l 中；2 0 8 v 。3 中等所进行的阻抗测量结果，并与一个典型5 uh 阻抗平衡网络提供的阻抗进行 了对照，结果表明商业电源阻抗随频率的升高有上升的趋势( 平均从2q 到1 0 0 0 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 如；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 t i e s 等人进 行了在5 - 2 0 k i 4 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 四川大学硕士学位论文 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；低压配电网上发生的谐振在4 0 0 k h z 以上，这使得配电网的阻抗在高频 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0 1uf 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一般较小，但 如果配电线没有扭绞在起，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1 0 0 k b 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2q ， 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 1 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而成，且在不同电网上噪声强度有区别，同时具有时变性； 但噪声也具有定的规律性，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 1 2 1 噪声分类 1 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 9 四川大学硕士学位论文 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 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 一4 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 1 2 2 噪声模型 针对以上的噪声基本分类，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： u ) = 1 0 k 。旷5 77 胁) 矿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： v 。o ) = 爿，( t ) s i n ( 2 巧，t + 庐，) 其中，每一卜分量由它的频率，、幅值a ，o ) 和相位痧来描述。幅值4 ，o ) 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 四川大学硕士学位论文 在区间 o ，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 nm hl 提出了噪声脉冲的 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l o 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o = 1 , 2 ，u ) 和b ( i = 1 + u ，2 + w ，疗) ，a 中的d 个状态表示没有脉冲事件发生 的情况，b 中的= n 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r 。的概率，用离散时间七表示为： 只( 女) = g 。，g ：忙= 1 , 2 ) 其中，g 。，表示从b 中的某个状态，向临界状态+ 1 过渡( 脉冲开始消失) 时的转移概率，g “表示b 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 ) = u “：g = 1 , 2 ) 3 = i 其中，u o + i , j 表示从a 中的某个状态j 向临界状态u + 1 过渡( 脉冲开始发生) 时的转移概率，“表示a 中的某个状态不发生状态转移( 无脉冲保持) 的概率。 四川大学硕士学位论文 2 1 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l o o k h z 以下的衰减相对稳定，在l o o k h z 到2 0 0 k t t z 之间 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。 誊 - j ： 筘 产 、，、；：；_ “哼1 q ：；，_ 一 l 棚i 闻 图2 1 电力线信道的冲击响应 四川i 大学硕士学位论文 2 1 4 相移特性 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， 相移与参考相移之差小于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 2 电力线信道模型 通过以上对电力线信道特性的分析，可以看到建立一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 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。 2 2 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z ，和传输常数y 决定。 z , o c ) = 勰 ，= 、j l ( r ( f ) + j 2 ；, r j z ( f ) x g o e ) + j 2 a y c ( f ) ) 其中r 为单位长度电缆阻抗，g 为单位长度电缆电导，上为单位长度电缆 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f 的电力线传输函数可以定义为 日( 厂) ：p 一，( ，e j p ( f 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 ( f ) 2 * r f l ) g 驴) 6 伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或形式是预先可以确 定的，并且可以重复地产生和复制。伪随机序列可由移位寄存器产生。移位寄 存器的简单构造，如下图所示： 四川大学硕士学位论文 图31 移位寄存器序列生成器 列输出 在图中，我们可以看到一个简单的移位寄存器，它由模二相加器和反馈线 路组成。其中，模二相加器是按o + 0 = 1 + 1 = o ，1 + o = o + 1 = 1 的运算法则进 行的。如果，相加项超过了2 ，可按该法则两两相加处理，得到最后的相加输出。 移位寄存器是由外部时钟控制，来个时钟脉冲就移位一次，同时相加反馈一 次。 3 1 2m 序列 由移位寄存器生成的序列大致分为两类，一类是最大长度序列，另类是 非最大长度序列。m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生 的最大长度序列。在二进制移位寄存器发生器中，若r l 为级数，则所能产生的 最大长度序列的周期为2 “一l ，也就是说周期为2 “一1 的移位寄存器序列是最大 长度序列，即m 序列。 m 序列是同样级数的线性移位寄存器所产生的最大长度序列，它具有极高 的效率、良好的自相关特性，并且容易产生和复制，因此在扩频通信中最早获 得广泛的应用。m 序列的生成可用移位寄存器的特征多项式确定，一个特征多项 式对应一个最大长度序列，也就是对应一个m 序列。 若m 序列是由一个n 级移位寄存器产生的，则该m 序列的特征多项式可以 表示为： 厂( j ) = g + c 1 鼻+ q x 2 + a + e z ” 其中，g = 1 ，e = 1 ，特征多项式中的z 口= 以lz0 ，与移位 寄存器的第1 个寄存器相对应，反映了线性反馈寄存器的反馈特性。 四川大学硕士学位论文 线性反馈寄存器的原理图，如下所示 x i x z x ，x xh 图3 2n 级线性反馈移位寄存器原理图 在图中有n 个移位寄存器，它们的状态为z ( j 亿z0 一) ，经g ( i 亿za ”二) 相乘后进行模二相加，再反馈。这里，c , e ( o ，i ) ，仅取0 值或1 值，其乘法规则为0 0 = 0 1 = 1 0 = 0 ，1 1 = l ，实际上，g 值为0 时表示断开不通，值为l 时表示闭合连接，可传送数据。 m 序列具有许多优良特性，是最常采用的伪随机序列。它具有如下性质： 1 ) 平衡性：最大长度序列中1 的数目比0 始终多1 个，且1 的个数为2 7 ，0 的 个数为2 一1 。 2 ) 状态唯一性：m 序列发生器中移位寄存器的各种状态，除全零状态外，其他 状态只在m 序列中出现一次。 3 ) 移位可加性：某个m 序列与相移为任意值的同一m 序列的模2 相加之和是另 一相移的m 序列。 4 ) 数量有限性：在m 序列发生器中，并不是任何抽头组合都能产生m 序列。理 论分析指出，产生的m 序列数由下式决定： n ：型：剑 ” n n 其中，庐( ) 为欧拉函数，定义为：设 ，是自然数，庐( ) 为不超过且与n ，4 四川大学硕士学位论文 互质的正整数的个数。 5 ) 良好的相关特性： ( i ) 自相关函数 r r = 凸( m o dn ) r tt ) = 、 。一， r 口：( m o dn ) ( i i ) 互相关函数 对于周期性二进制序列，则周期均为n 的序列 a 。) 和 b 。) 之间的互相关函数 可表示为： r ( f ) = “。 力亿 f ) 月= l 互相关系数为： p ( f ) n ( 1 n ) 其中，岛、岛为 岛) 和( 础的元素，其均值为i 或一1 。计算互相关函数的 均值为： nn q d t = 、n ( 1 n ) t t 1 n ) rf 该式说明，m 序列的互相关均值等于i ，在胗，) ，时，互相关系数为零。 小结：要构造一个产生m 序列的线性移位寄存器，首先要确定生成多项式。 确定生成多项式的方法是先得到所有的7 次既约多项式，再计算各个既约多项 式的周期，周期为? 一的多项式即为生成多项式。当打很大时，若想得到生成 数素 为 p 矽似 u j p _ | ) | | 一 p 卜 ，畔 h 厂一l = 矗r k 。d、 一 ，l i “ 。d = 吒 。d。 j i 、jp r 。d 四川大学硕士学位论文 多项式十分困难。通过理论分析和计算机模拟计算，人们已经得到了级数从1 到1 6 8 的m 序列生成多项式的系数，并已造表以供查用。本系统采用的p l 2 1 0 1 芯片采用了级数n - - 4 的移位寄存器，初始状态为l 的m 序列，其生成多项式为 f ( x ) = l + x + t 3 2 直接序列扩频系统 直接序列通信系统( d i r e c ts e q u e n c es 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 y s t e m ) 是直接扩频方式构成的扩展频谱通信系统，通常简称为直扩系统( d s ) ， 是最典型的扩展频谱通信系统。 3 2 1 直扩系统的构造 直扩系统由发射极和接收机两部分组成，下面简单介绍这两部分的构造。 1 ) 发射机 发射机由模二相加器、伪随机序列发生器、时钟、载波发生器、平衡调制 器、宽带放大器等六部分组成，其具体结构如下图所示： 图3 3 发射机结构图 四川大学硕士学位论文 从上图我们可以看到，发射机的工作流程是在模- - $ n j j n 器中将含有发送信息的 数据与伪随机序列发生器产生的扩频序列调制成高速数据序列。再经过载波调 制器调制以载波信号( 最常见的载波调制方式是b p s k ) ，从而获得具有相当频谱 带宽的扩频信