（电力系统及其自动化专业论文）扩频技术在电力线载波通信中的应用研究.pdf

竺圭堕兰堑塑垫查变! ! ! ! 些堂堕望堕! 塑壁旦竺型 a b s t r a c t t h i sa r t i c l e b r i e f l y d e s c r i b e dt h eb a s i c p r i n c i p l e o fs p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n a n dd i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e ，d i s a d v a n t a g e a n dt h ec u r r e n ts t a t eo ft h e p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n t h e a d v a n t a g e ，m e t h o d a n dc u r r e n ts t a t eo fu s i n g s p r e a ds p e c t r u m t e c h n i q u e i n p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e d t h e nt h e c h a r a c t e r i s t i co fl o wv o l t a g ep o w e rn e t w o r kw a sa l s oa n a l y z e d o n a b o v e b a s e s ，a l o w v o l t a g ep o w e r l i n es s cs y s t e mw h i c hi s c o m p o s e d o f a s i n g l e c h i pc o m p u t e r8 0 c 1 9 6 k b ，p l 2 0 0 0 i sd e s i g n e d t h i sa r t i c l ed e s c r i b e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h e s y s t e m f i n a l l y t h ee x p e r i m e n t a t i o ns h o w e dt h el o w v o l t a g ep o w e r l i n es s c s y s t e mi s f e a s i b l e l k e yw o r d s ：s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u ep o w e r l i n ec a r r i e r d i r e c ts e q u e n c e h 碗十论炙扫1 频授术在也力线载波通f 击中的应用研究 1 概论 电力线载波通信是利用电力线路作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的 种通信力式。电力线载波通信和其他通信方式相比，具有自己独特的优势蚓而在 电力系统中得到了广泛的应用。然而随着通信技术的飞速发展，传统的电力载波通 信正渐渐失去市场，如何用新技术改造传统的电力载波通信，充分利用遍布城乡的 电网来提供通信服务，满足人们日益增长的信息需求已经越来越为人们所重视，在 这其中，电力线扩频载波通信因其优越的性能为人们所关注。 1 1 论文背景 电力线载波通信是电力通信网的基础之，在早期是传送电力系统继电保护， 远动信息，组织电力调度指挥的种重要手段，主要使用在高压电力线上进行载波 通信。它具有通道可靠性高，抗破坏能力强，投资少，见效快，与电力网建设一j 步 等特点，凶此在很长的时间里，电力线载波在电力系统通信中占有主导地位。 在进入9 0 年代后，随着现代通信技术的快速发展，各种新的通信技术不断涌现， 特别是通信技术与计算机技术、图像技术的结合，使通信技术发生了质的飞跃， 综合业务数据网( i s d n ) ，光通信网络( s d h ) ，光纤分布式数据接口( f d d i ) ，片 步传输模式( a t m ) ，光通信波分复用( w d m ) 等技术的突破及应用，为各类高速、 宽带信息的传递和交换开辟了更为广阔的前景。而传统电力线载波通信由于其固何 的一些缺点，正在被新型通信手段所取代。据国际大电网会议的3 5 研究委员会 c 1 g r e s c 3 5 1 9 9 6 年统计报告，在1 9 9 2 至1 9 9 6 年间，全球电力通信网中电力线载 波所占比重下降了近5 i f i 仅占7 ，在国内，各网、省局也在加快电力通信网的建 设，迅速完善微波，重点发展光纤，载波通信正纷纷退位，只充当调度备用通道。 目前，全国有约7 1 0 0 0 k m 微波电路干线，电力特殊光缆和普通光缆通信电路超过 1 0 0 0 0 k m ，地球卫星站3 9 座，1 l o k v 及以上的l l o k v 及以上的电力载波电路，己超 过6 7 万话路。同时，随着电力系统规模日渐扩大，大容发电机组成为电网的主力， 在电网中需要传送的运行控制信息，保护信息越来越多，传统的电力线载波通信已 无能为力。为满足现代电力系统发展的需求，适应全球通信发展的大趋势，发展更 为先进的通信技术势在必行。 随信息技术的飞速发展，互联网正以前所未有的速度，以i n t e m e t 为代表的数据 硕f 论文扩频技术在电力线戟波通信中的应! ! 里堕 业务在全世界范围内以惊人的速度在增加，随着业务量的急剧增长，日联网的发展 面临三大问题：线路如何更方便地接入到用户的家中，如何进一步提高数据的传输 速率和如何降低投资费用。为此，有远见的电力公司和通信公司都希望将遍及t + 家 万户的低压配电网开发成为信息接入网。利用电力网传输语音、数据、图像，可以 节省大量人力物力，给用户提供经济、方便的通信媒体。 1 9 9 3 年英国s w e b 公司成功架设了一条远方测量载波通信电力线，采用中低压 配电网双向数字载波通信，将电度表、水表、天然气表连接起来，实现了地区范围 内远方抄表、自动收费、系统能源管理，在中低压电力线网络通信上迈出了可喜的 一步。 北方电讯( n o r t e lt e l e c o m ) 和英国联合公用事业公司( n o r w e b ) 于1 9 9 7 年1 0 月 8 日在英国h a r l o w 宣布，经三年努力，他们成功的开发了一项在电力线上传输数据 的技术。该技术能通过电力配电线将数据送到用户家中，传输速率己超过i m b i t s ， 比现行的i s d n 快十倍，是目前可采用的技术中传输速率最快的。 1 9 9 3 年3 月1 1 日，德国r w e 能源股份有限公司和瑞士阿斯克姆( a s c o m ) 公 司在德国莱锡林根向公众展示了利用公用电网传输电话和数据的技术。这项技术， 使用户可以通过低压电网，以高于目前i s d n 技术2 0 倍的速度在互联网 = 浏览，发 送数据，在有电源插座的地方都可以用有线电话或计算机上网。r w e 公司扣算在2 0 0 0 年将这项技术推向市场，利用自己控制的电网，开展电话和互联网业务【3 9 】。 在国内，电力正在由计划经济逐渐向市场经济过渡，国家电力公司实体化改革， 推行城市配电网改和农村电网改造，提高供电能力和供电可靠性。其中供电可靠性 的提高除加装改造一次设备使供电设备有多端供电能力外，提高供电设备的运行可 靠性及故障处理的及时性有重要地位，配电自动化设备和自动化系统是保证供电- p f 靠性、减少停电时间、对电网科学有效管理物资基础。但在城网和农网改造实践中 自动化系统的发展并不像人们预计的那样发展迅速】。其中主要原因是配电网自动 化系统投入太大，特别是信息通道的组织困难m i 。一些城市小区尝试使用光纤、无 线、专用通信线等构成信息通道，但多数只能采集到配电变压器处和开关处的信息， 对“一户一表”处的信息难于采集和控制。同时随着人们生活水平的提高，人们对 生活质量要求更高，智能化小区、智能化家庭开始出现并成为今后的发展趋势，智 能化小区、智能化家庭同样存在信息通道的组织问题。在这种情况下，低压电力线 载波通信技术受到人们的重视，对于低压电力线载波的研究也越来越多，但是由于 低压电力线固有的通信缺点，要实现高质量的电力网络通信还有相当大的困难。如 何有效的利用低压电力传输通道，开展基于低压电力传输线的信息服务功能，已成 里圭堡兰 堑鉴垫查垄皇垄望塾鲨堕堕坚堕旦里墨一 为电力行、i k 和通信行业研究的重点。 1 2 电力线载波通信的基本原理及优、缺点 1 2 1 电力线载波基本通信原理 载波通信是有线长途通信中应用十分广泛的一种通信方式，按载波媒介的小同 可分为明线载波通信、对称电缆载波通信、同轴电缆载波通信、海底电缆载波通信、 电力线载波通信等。电力线载波通信是利用电力线路作为载波传输通道的通信方式。 它根据频率搬移、频率分割原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到 不同的线路传输频带，送到电力线上进行传输。由于通信所使用的频率股在几百 k h z 以上，因而可以避开5 0 h z 的工频电流的干扰i 5 2 3 i 。 由图l2l ，信号由载波机或其他调制装置调制为高频信号，经耦合装置送上i 电 力线传输，再由其他耦合装置下行进入载波机或解调装置还原为原始信号，即完成 一次通信过程。由于电力线上存在严重的工频谐波干扰，工作频率范围般选择柏： 4 0 s 0 0 k h z 。 由小 1 阻波器2 耦合电容器3 一结合滤波器4 一载波机 图121 电力线载波通信系统组成示意图 电力线载波通信系统主要由电力线载波机，电力线路和耦合装置组成。电力线 载波机的作用是对用户的原始信息信号实现调制和解调，把原始信号调制成适合传 输的高频信号或把高频信号还原为原始信号，并满足通信质量的要求。 电力线路用来传送调制好的信号。 耦合装置包括线路阻波器、耦合电容器、结合滤波器等。线路阻波器串联在电 力线上，接在耦合电容器在线路上的连接点和变电所之间，线路阻波器主要有强流 线圈、保护元件及相应的电感、电容与电阻等调谐元件组成。它的主要作，【_ | j 是通过 电力电流、阻止高频信号电流进入变电站和短分支线，以减少变电所或分支线路刈 商频信号的介入衰减，以及同母线不同电力线路上高频通道之问的互相：十一扰。b i l i 硕士论文 j r 频技术在电力线载波通信r 】的应用研究 阻波器对高频信号的介入衰耗要小，而对工频电流呈现很小的阻抗，以保 l f 在电力 线路故障是，能承受最大的故障电流。 结合滤波器是和耦合电容器相配，组成高通滤波器或带通滤波器。它的基本功 能是把电力载波器的高频信号传输到高压输电线上去，同时隔断电力线e 的工频高 压，电力电流对通信设备和人身的危险影响。 耦合电容器接在结合设备和高压电力设备之间，对工频电流呈现足够大的阻抗， 防止工频电流和工频高电压进入载波设备，确保人身、设备安全，对高频传输频带 有较小的衰耗，在电气性能上与结合设备中的调谐元件配合，形成高通滤波器或带 通滤波器。耦合电容器的容量一般为3 0 0 0 1 0 0 0 0 p f 。 目前，在电力线载波通信中，耦合方式有三种：相一相耦合方式、相一地耦合 方式、相一地混合耦合方式。相一地耦合方式将载波设备连接在一根相导线和大地 之问。它的特点是只需一个耦合电容器和一个阻波器，在设备的使用上比较经济， 因而得到广泛的应用。但这种方式所引起的衰减比相一相耦合方式大而且在相导线 发生接故障时高频衰减增加很多。相一相耦合方式是用两个耦合电容器和两个阻波 器将两相连接起来，设备多，接线复杂，优点是高频衰减少，安全性高。 1 2 2 电力线载波通信的特点 和其他通信方式相比，电力线载波通信以电力线为载体，具有投资少、施工期 短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继通信距离长等一系列优点。输电线架 到哪里，通信线路就可以延伸到哪里。在抵御台风、洪涝等自然灾害方面，由于输 电线路机械强度高，不易受外力破坏，这些优点，是其他通信方式所不及的。目前， 1 1 0 k v 及以上的电力载波电路，已超过6 7 万话路，此外，还有大量的电力载波机在 1 1 0 k v 以下农电网上运行。庞大的电力载波通信网担负着电网内调度电话、继电保 护和远动信息的主要传输任务，在一定时期内不可能由其他通信方式所代替 1 4 1 15 心i 。 每种通信手段都有其适用的范围和环境，在其他条件均等情况下，我们要考虑 具最佳性能价格比的选择。在高压电网中，世界仍公认电力线载波的价值，电力线 载波通信可以贯穿经常遇到的长距离传输据国外介绍，在载波机发送功率达2 5 0 w 时可传输约1 0 0 k m ，而其他通信方式都需要接力或中继，输电线路的机械强度也不 是其他通信方式比的上的。在配电网自动化、互联网接入、远程自动抄表、智能化 小区、智能化家庭方面，低压电力线载波技术也因其性价比高、可靠性好、易扩展 硕l 论史 扩频技术在电力线载波通信t 1 的应h 研究 性、连通丁- 家万户而被看好。而在各种低压电力线载波技术中，电力线护频载波披 术抗干扰性强、保密性好等特点倍受重视。本文主要讨论扩频通信技术在低爪i t t ) j 线载波通信中的应用。 1 2 3 低压电力线载波通信面临的问题 相对于高压电力网而言，以低压电力网作为通信媒介则困难的多，这也是低压 电力线载波通信发展缓慢的原因。低压电力线对传输信号的不利影响主要有以下几 点： 1 电力线对信号所呈现的特性阻抗和衰减常数不同。 2 用电负荷具有不同的特性，如阻抗的电灯，感性的荧光灯，变压器等，对信号的影 响各不相同。 31 j 脉冲噪声具有瞬间，高能和覆盖频率范围广的特点，因而对载波信号传输的影响 很大，不仅会造成信号的误码率高，使接收装置无法对信号进行正确的纠错，还有z ， 能使 接收机产生白干扰，严重影响整个系统工作。 4 等幅振荡波干扰( c o n t i n u o u s - - w a v ej a m m i n g ) ，随开关电源的f 1 泛膨川，其 产生的大功率窄带干扰对通信有很大影响。 综上所述，电压电力线路上信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机陀、 时变性大。如何克服干扰是低压电力线载波通信技术的关键所在。 1 2 4 解决方案 前面谈到电力线上干扰严重，为排除这些干扰，在电力线上传输数据，人们采 用了多种调制方式，包括振幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 、移相键控( p s k ) 、 q a m 调制、无载波调幅调相( c a p ) 、d m t 调制及扩展频谱技术等，前面几种技术 属于窄带通信技术。 窄带通信方式价格低廉而且易于实现，但抗干扰能力弱，尽管其接收机具有较 窄的通带，使仅由一部分噪声进入接收机，但由于接收装置中的滤波器具有高品质 因数，瞬间的脉冲噪声会使其发生白干扰，使其发生误操作，而低品质的滤波器义 会使通带带宽加大，令更多噪声进入接收器。所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较 差。 扩频通讯相对于窄带通讯而言具有一定技术上的优势，主要表现在抗卜扰方向。 堕兰鲨茎! 。塑垫查垄皇垄垡望堕堕! i ! 塑些望堕塞 因为扩频载波信号的带宽通常较大( 几十至几百k h z ) ，所以其受r 扰的频；车范旧 所占l l t ，1 k h x ? 减小，换句话讲，就是各种噪声仪能影响到一小部分所要传输的信弓， 而人多数的信号都能够完整、正确的到达目的地，所以对于各种类型的干扰都具有 较强的抵抗性。利用扩频技术，当接收到具有较大能量的噪声信号时，接收器会在 噪声的高能部分到达时自动停止工作，所以接收方仅对一小部分受影响的信号进行 纠错解码即可；另外，扩频接收设备使用的滤波器具有较低的品质因素，因而彳i 会 造成系统白干扰，所以扩频技术具有较强的抗噪能力。同时尽管扩频通信占的频带 宽，由于扩频通信所用的伪随机序列码具有优良的自相关特性和互相关特性，在接 收端利用相关检测技术进行解扩，在分配给不同用户不同码型的情况下可以区分不 同用户信号，在同一宽频带上许多对用户同时通话，频带利用率还是很高的。它可 以实现低压载波通信的高速率传输并从理论上可以组成电力线局域网络和广域网 络。由于它抗干扰性强，又不用铺设通讯电缆，很适合于采油、矿井、生产车间等 干扰严重的数据传输场合。此外，扩频通信还具有组网灵活，数据保密性好等优点。 因而，电力线扩频载波通信技术受到人们的关注1 2 4 i ”i i “i 。 1 3 电力线扩频载波技术的发展现状 由于传统的窄带通信不太适宜在低压电力网上应用，利用扩频技术为解决低压 电力线载波通信提供了一条可行的途径【6 例i ih 2 7 i i ”】【”i 。 近年来，电力线扩频通信一直是扩频通信技术的一大研究领域。国内外研究的 主要目标是在低压配电网( 2 2 0 v ，1 1 0 v ) 上实现数据通信，并应用于家庭自动化。 鉴于扩频通信技术日益成熟，成本不断下降，同时看到窄带通信在电力线环境下的 缺陷，国际电工委员会( i e c ) 开始研究利用电力线扩频通信作为配电网自动化的通 信手段。德国、英国、美国、加拿大等国家的研究机构先后开发了自己的扩频载波 通信系统，推出了基于电压电网的扩频数据传输产品，用于家用、商用电气控制， 还提供了名为扩频信号处理器的单片集成电路。例如，e c h e l o n 、a d a p t i v e n e t w o r k s 、i n t e u 。o n 、s t a n d f o r dt e l e c o m 等公司的产品。其中，e c h e l o n 公司的产品有基于l o n w o r k s 技术的扩频电力线收发器p l t 3 0 。a n 公司推出的 符合e u r o p e a nc e n e l e c 标准的a n l 9 2 芯片。i n t e l l o n 公司的支持c e b u s 规范的p 2 0 0 、p 3 0 0 系列芯片。世界上1 3 家著名的半导体公司，如a m d 、3 c o m 、 c i s c o 、t i 、m o t o r o l a 、i n t e l 、c o m p a q 、i n t e l l o n 等组成家庭插座电力线联 盟( t h eh o m e p l u gp o w e rl i n ea l l i a n c e ) ，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家 硕士论文 扩频技术在电力线载波通信中的应用研究 庭( d i g i t a l h o m e ) ，进行了大量的工作，取得很大进展。另据2 0 0 0 年8 月3 【j 参 考消息报道，德国已经率先开通以配电网为传输媒介的互联网。 在国内，这几年，开始重视对配电网低压电力线扩频载波通信技术，国内一蝼 大学和公司正在进行这方面的工作，引进，一些国外的技术和产品，也有一些产品 面世】。例如，清华大学电机系已开发成功基于扩频载波技术的配电网电力线通信 网络实验平台，可在该平台上任意2 台计算机之间通过2 2 0 v 电力线实现速率为 1 0 k b i t s 的数据传送 1 。北京晓程公司研发的p l 2 0 0 0 芯片，深圳峨嵋实业公司的远 程自动抄表系统，上海晨兴公司的p m 2 3 0 0 采集模块等。但总体来说，进展远不如 国外，大部分工作为国外扩频载波芯片的具体应用，对于基础技术的研究尚未能有 效的展开”i i ”i 。 随着软、硬件技术的不断发展，电力线扩频载波技术应用范围必将越来越广泛， 从配电网调度自动化、远程自动抄表、用户需求侧管理、电压稳定、谐波的检测、 电力线局域网、楼宇自动化系统到家庭智能化及互联网的接入。人们只要找个电源 插座一插，就可以在网上冲浪，在外面可以随时随地遥控家中的电器设备。电力线 扩频载波技术将给人们的工作、生活带来极大的便利、 1 4 论文工作的展开 对任何一种通信方式而言，信号传输通道的传输特性、干扰和噪声的研究是极 其重要的，对低压电力线的传输特性的研究是我师姐的研究课题，已经较好的完成， 本课题正是在她的研究基础上展开的，将从以下几个方面开展工作。 首先在理论上讨论扩展频谱通信技术的原理、优缺点，及扩频通信在低压电力 线上应用的可能性及其工作原理。 讨论分析低压电力线的传输特性。 在物理层的基础上，研究电力线扩频通信所用的通信规约，包括：信号的格式、 编码方式、接口标准、通讯速率、纠错编码的选择。 在理论分析的基础上，利用1 9 6 单片机实验开发系统设计一套以8 0 c 1 9 6 k b 为 基础的低压电力线扩频载波通信系统，该系统使用扩频通信技术，对理论分析进行 验证。 开发适用于电力线扩频载波通信系统的软件。 里! ：堡塞 芏塑垫查垄皇查堡鏊鲨堕笪! 塑查旦竺堑一 2 扩频通信原理及系统组成 2 1 扩频通信原理 扩频通信即扩展频谱通信技术( 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 ) ，属于宽带通 信范畴，扩频通信和无线通信、光通信并称现代通信的三大技术。 2 1 1 扩展频谱通信基本概念 扩展频谱通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展成为宽频 带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系 统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们己熟知的各种调制方 式要求的带宽要宽的多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。信息已不 再是决定调制信号带宽的个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。 因此，扩展频谱系统满足以下两条准则口】： ( 1 )传输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽； ( 2 )传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数常用的是伪随机编码信号。 我们以伪随即序列作扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例，研究其原理。它 的般方框图如图21l 所示。 信源产生的信息流fa t l ) 通过编码器输出二进制码流d ( u ，t ) ，其中u 用以表示随机变 量。二进制码流d ( u ，t ) 与一个高速率的二进制伪随机码c ( u ，t ) 相乘，得到复合信号 d ( u ，t ) c ( u ，t ) ，这就扩展了传输信息的带宽。一般伪随机码的速率是m b s 的量级， 有的甚至达到几百m b s ，而待传信息流fa n ) 经编码器编码后的码速率较低，入数字 语音信号一般为3 2 6 4 k b s ，这就扩展了信息的速率。扩频后的d ( u ，t ) c ( u ，t ) 复合信 号对载波调制后，通过发射机送入信道。发射机输出的信号用s ( u ，t ) 表示。而s ( u ，t ) 的射频带宽取决于伪随机码c ( u ，t ) 的码速率。 堕主笙兰 芏鉴堡查奎皇查垡塑茎翌堕! 塑生塑竺窒 一 图21 扩频通信系统模型 ( a ) 发射系统；( b ) 接收系统 在接收端用个和发射端同步的伪随机码or = ( “，r i ( “) ) 所调制的本地信号 2 e 小( 州“砌) ，与接收到的s ( u ，t ) 进行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，然 后求其数学期望或求两个信号瞬时值相乘的积分。当两个信号完全相同时( 或相关 性很好) ，经数据检测器恢复发射端的信号为d ( u ，t ) 。若信道中存在着干扰，它们和 有用信号s 。( u ，t ) 同时进入接收机。由于干扰信号和本地扩频信号不相关，故在相关 处理中被消弱( 干扰信号与本地扩频码卷积积分其频带被扩展) ，也就是干扰信号的 能量被扩展到整个扩频带宽内，降低了干扰电平。相关器后的基带滤波器只输出基 带信号d ( u ，t ) 2 h 处于滤波器通带内的那部分干扰和噪声，这样大大改善了输出信噪 比。 从扩展频谱信号中恢复基带信号d ( u ，t ) ，是利用了下列两个基本关系式，即 d ( u ) c ( u ，f ) c ( “，f ) = d ( u ，f ) ( 21 ) 其中：d ( u ，t ) c ( u ，：) 足接收到的扩频信号，c + ( u ，t ) 是本地扩频码信号，于c ( u ，t ) 共扼。 用序列逻辑运算，可表示为 d ( ) o c ( “) o c + ( “) = d ( ”)( 2 2 ) 关系式( 21 ) 1 f ：j 】( 22 ) 是数字通信中采g j g s n 机码实现扩频技术的个基本出 发点。 硕士论文 _ r 频技术在电力线载波通信中的应研究 2 1 2 扩频技j 。理论基础 扩展频谱技术的理论基础可刚香农( c e s h a n n o n ) 信道容量公式1 c = l o g 2 ( 1 + 专) 来描述。式中c j i 息的传输速率，s 为信号的功率，n 为噪声功率，w 为信号带 宽。该公式表明，芷高斯信道中当传输系统的信号噪声比s n 下降时，可用增加系 统传输带宽的办；- r 保持信道容量c 不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可用 增大传输带宽来彩：得较低的信息差错率。扩展频谱通信技术就是利用这个原理，用 高速率的扩频码爿。到扩展待传输的数字信息带宽的目的。扩频通信系统的带宽比 常规通信体制大尸j 倍至几千倍，故在相同的信噪比条件下，具有较强的抗噪声一1 扰的能力。 香农定理指 f在高斯噪声的干扰下，在限平均功率的信道上，实现有效和r t j 靠通信的最佳信r ! 具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声具有理想的 自相关特性，其一浯为 一o 。 缈 + o 。 ( 23 ) 它的臼相关j 、+ 为 r ( r ) = 击二，( 弦，“d o = ；- - - 。d ( r ) ( 24 ) 其中：= 2 可，- ”，r 时延， 即) = 括耋；蔼 ( 25 ) 白噪声的自，j 一数具有6 ( t ) 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。 但白噪声信号的，? 乍、加工和复制很困难，于是人们找到了易于产生又便于加工和 控制的伪噪声序孔它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。 设某种伪随1 j ：列周期为p ，且码元都是二元域( 1 ，一1 ) 上的元，一个周期 为p ，码元为x ”l f 一q 二元序列x 的归一化自相关函数为 lp f 古v 。= 1 匈= o 时( 枷) ( ) = 7 ；1 ( 26 ) i 古善。，“，古 判t o 时( 模p ) 式中：j - 0 ， 一3 ，p - 1 。当伪随机序列码长p 取足够长或p 。时，式 硕士论文扩频技术在电力线裁波通信中的应用研究 ( 26 ) 可简化为 婺；岛溉 ， 比较式( 2 4 ) 和( 2 7 ) ，看出它们比较接近，当码长p 足够长时，式( 2 7 ) 就逼近于式( 2 4 ) 。故伪噪声码具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它逼近 于高斯信道要求的最佳信号形式。所以用伪随机码扩展待传基带信号频谱的扩频通 信系统，优于常规通信体制。 早在5 0 年代，哈尔凯维奇( a a x a p k e b “q ) 从理论上证明：要克服多径 衰落干扰的影响，信道中传输的最佳信号形式应该是具有白噪声统计特性的信号形 式。扩频函数( 伪码) 逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的 能力。 扩展频谱通信系统按其工作方式可以分为下列几种： ( 1 ) 直接序列扩展频谱系统( d s s s ) ：图211 中讨论的，就是直接序列扩 频系统。它是由于待传信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制刺频 信号的某个参量，扩展了传输带宽而得名的。这种扩频系统又称为“平均系统”。 ( 2 ) 跳频扩频系统( f r e q u e n c y h o p p i n g ) ：数字信息与二进制伪码序列模二 相加后，去离散地控制射频载波振荡器的输出频率，是发射信号的频率随伪码的变 化而跳变。眺变系统可以随机选取的频率数通常是几千到2 2 。个离散频率。每次移频 是根据信息和伪码序列的状态加权所得到的随机数来选取频率。 ( 3 ) 跳时扩频系统r t i m e h o p p i n g ) ：跳时是用为码序列来启闭信号的发射 时刻和持续时问。发射信号晌“有”、“无”同伪码序列一样是伪随机的，跳时一般 和跳频结合起来使用，两者一起构成一种“时频跳变”系统。 ( 4 ) 线性调频( c h i r p ) ：线性跳频和直扩相似，不同的是它的扩频载波不是 伪随机序列码，而是扫频发生器产生的线性调频波一载波频率在信息脉冲周期内进 行线性变化。 在电力线嗵信中，廖川的扩频通信方式主要有直接序列扩频( d s ) 和线性调 频( c h i r p ) 两种。 2 1 3 扩频通信系统的模型 现以二元j + 一正j 手列扩j 妫来讨论扩频通信系统的数学模型。在o o k 、f s k 、 p s k 三种数字! ：浊调制中，p s k 性能最佳，现代d s s s 中载波调制一般采用b p s k 硕土论文扩频技术在电力线载波通信巾的应用研究 或d p s k 。图211 ( a ) 就是在这种情况下的发射系统数学模型图。p s k 调制信号表1 i 为 式中：u 。载频 a 振幅； ( f )初相； ( ，) = ac o s ，_ o o h p 。( r ) + p 。( 州 ( 27 ) 妒。( f )二进制序列的数字信息所控制的相位。 为运算方便设a = 1 ，9 。( f ) = o 。现规定二进制序列中的“l ”对应于。( f ) = o ， 而二进制序列中的“一1 ”对应于p 。( f ) = 7 c 时，则有 ，c ，= lc o 。s 。c 。o o 。，耋二蓑i ：墨裂舅：二”， czs ， 这种调制信号可等效为一个只取1 的二值波形，对载波实行抑制载波幅度调制 后的信号为 f ( t ) = m ( t ) c o s ( o 。f( 29 ) 式中 俨 ! 。 当二进制波形为1 时 当二进制波形为 - - 1 时( 2 1 0 ) 在图21 1 ( a ) 中，我们用d ( u ，f ) 表示( a t l ) 经编码后的数字信号，c ( u ，) 表示扩频 码波形。d ( u ，f ) 和c ( u ，f ) ) 都是二进制波形，且都满足式( 21 0 ) 。从图211 ( a ) 可以写出 发射系统的输出信号s ( 以，) 的表达式为 j ( f ，) = d ( ，t ) c ，1 ) c o s 胁o h 妒 )( 2j i ) 现在，我们发c m 叫) c ( u ，t ) 是相互独立的，r d ( u ，t ) 的码元宽度t 。是c ( ”，f ) 码 元宽度t b 的整数倍。s ( u ，r ) 在传播过程中受到各种信号和干扰噪声的污染。信号在 传输过程中要产生随机时延t ( u ) 和多普勒频率。( u ) 及随机相移中( u ) ，因此进入接收机 的信号加噪声为 尺( “，f ) = tf ，r n ，) 】+ ( “，r ) + s ： ”，f ( “) ( 21 2 ) 式中：s ， “，一j ( 4 例表i 、同一扩频系统的多址干扰及其他无线电设备发出的信号出包 埘i 论迎 _ f “，一f ( “) 】为有用信号。 刺频滤波器焉的接收信弓取实部，用表示， r ( u ，) = d u ，一f ( “) c 【“，rr ( “) c o s i ( o j o + c o 。，( “) ) ( ，一f ( “) ) + 妒( “) 】+ n ( “，) 十j ，【“，t f ( ) ( 2 13 ) 式中，( d , t ) 表示通过射频滤波器的带限加性噪声： j ，t f ( “) 1 表示落入射频滤波器通带内的干扰信号。 信号进入接收机后进行于发射端相反的变换，即可恢复发射端传送的信号。在扩 频通信里，这个反变换就是解扩和解调。一般采用相关解扩。 载波解调用相干解调，接收系统数学模型如图21l ( b ) 所示。图中两个乘法器是 相关解扩和解调，c ： “，r i ) 1 是与发射端同步的本地扩频码，i ( “) 为延迟锁定环路 提供的控制跟踪量，作为对信道随机延时v ( u ) 的同步跟踪。设基带滤波器的冲击响应 为h ( t ) ，其带宽与发射端数字信息带宽相同，而且射频滤波器能够无失真的处理 r ( u ，t ) ，则基带滤波器的输出 v ( u ，f ) = ih ( t a ) r ( u ，a ) c j 阻，口一i ( “) 】2 c o s ( c o o + 西。( “) ) 口+ 6 ( u ) d a ( 21 4 ) 我们设所有的器4 q 名l g 是线性的，则我们建立的模型也是线7 阻泊q ，即从接收机输入 端到基带输出，整个处理过程都是线性的，于是式f 2 1 4 州。的各项就可以利用线性叠 加原理分别求出它们在基带滤波器输出端的响应，在求总的响应。我们先对有片j 信号 分析，先假设其他信号都为零，于是式( 2 1 3 ) 可简化为 r ( “，) = d u ，一r ( “) k 似，f r ) c o s 【( 珊n + 甜d ( “) ) ，+ 妒( “) 将，( “，) 代入式( 2 1 4 ) 并作积分变量代换后，则有 v ( u ，) = 2f d 吖，口一r ( “) 】c “，口一r ( “) 】0 0 4 ( c o o + d ( “) ) 口+ 妒( “) k ：m ，口一( “) 】 c o s ( c o 。+ c o d ( “) ) a + 妒( “) 】 ( f a ) d a( 21 5 ) 对于式( 21 5 ) ，前面假设相关器是理想的，c ：( “，o i ( “) ) 与e ( u ，a f ( “) ) 共轭，且 ji ( “) = r ( “)扩频码码元同步 面d ( “) = 。)频率锁定 1 8 ( u ) = 妒( “)相位锁定 成立时，则基带滤波器输出的有用信号为 v ( u ，f ) = ld ( “，“一f ( “) ( f 一8 ) d a 从式( 217 ) 知道，只要基带滤波器能无失真传送数字信息d kr 字检测器处理后，便能恢复出发射端信源传来的信息( a n ) 。 f 2 1 6 、 ( 21 7 ) v ( u ) ，经基带数 从上述处理过程中我们可以看出，扩展频谱接收机提取有用信号的功能，足充分 埘! i j 论文 发挥了伪随机码尖锐的 1 相关特性而完成的。对各种十扰信号，如j ，【“，t r ( “) 及 r ) ，它们与本地伪码1 i 肘i 关，存砌关处理过程中7 扰信号能量被扩展到整个扩频 带宽内，通过基带滤波器的输出很小。 2 1 4 扩展频谱系统的抗干扰性能分析 我们在前面多次提到扩展频谱系统抗干扰能力强，在本节我们定量分析扩频系统 的抗干扰能力。进入接收机的干扰有：同一扩频系统中各地台站的信号( 称为多址干 扰) 及其他无线电系统发出的信号，一般可以把它们归类为带限平稳高斯随机过程； 人为干扰；把各种自然干扰( 如雷电、飞行体和汽车的火花干扰等) 归为广义平稳随 机过程：此外还有多径衰落干扰等。 通常用“处理增益”g 。来衡量扩展频谱系统抗干扰能力优劣，其定义为接收机 解扩器输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比，即 g ，= 桊糍 它表示经扩频接收系统处理后，使信号增强的同时抑制输入接收机的干扰信号能 力的大小。g 。越大，则抗干扰能力愈强。因此讨论扩频系统抗干扰能力，就要分析 它的处理增益。由于我们建立的数学模型是线性的，可利用叠加原理，对各种信号分 别分析。在电力线上的各种于扰中，频率在扩频系统中也、频谱附近的周期性干扰对系 统干扰最大，下面重点分析这种情况。 设进入接收机的广义平稳随机信号为 n ( u ，、p 州q + q 加肌i ( “j 7 这个干扰信号通过接收机射频滤波器并取实部后，用n ( u ，f 1 表示，即 ( “，) = r e n ( u ，啦小m “h 1 ( 2 i 8 ) 2 n ( u ，) c o s ( c o o + 吼( “) 弘+ 痧( “) 】 式中：n ( u ，f ) 为基带干扰，是一个均值为零的平稳高斯噪声。n ( u ，r ) 作傅式变换后有 s 。( 厂) = 爷。i f 一( 厶+ 厶) + s 。i f + ( 厶+ 厶) ( 21 9 ) 其中：f 0 = 0 9 。2 丌是中心频率； 厂，= 面。2 z 是多普勒频率。 将式( 2 ，1 8 ) 代入式( 2 1 5 ) 即得基带滤波器输出的干扰为 v ( “，f ) = 2 l 。( “，口) c ：( “，口一 ( u ) c o s ( c o o + 亩d ( ) ) a + ( “) 】岛( f a ) d c t = 2 l 。 ( “，d ) c o s2 ( 础o + 0 5 d ( “) ) 口+ 乒( “) p ：( “，口一) 向( f 一口) d d 将c o s 讯。十0 5 。( “) ) a + ( 1 ) j 项展开，并认为二次谐波已经滤除，且接收端已同步。 u l 沱义 则l 式化简为 vv ( “，f ) = 广n ( u ，髓) c ：( “，“一；( “) ) ( 卜a ) d z ( 22 0 ) ( “，) 是个! 稳随机过程，且n ( u ，) ，c ：( “，f ) 互相独立。卜【斫求j _ 义平稳i - 扰作j 口 下接收机输出、，、( “，) 的统计特性。 均值( 数学期望) e l y 。( “，f ) 】= f 。e n ( u ，甜) 】 c ：“，“一f f u ) ) h ( t a ) d a 由于假设n ( u ，a ) 是零均值的平稳过程，则 q v 。( “，) 】- 0 方差 e v 。( “，驯2 = ”( “，口) c ：( “，口一i ) ( ，一a ) d 口l h 。一f 1 ) c ，( “， = 广广e n ( u ，a ) n ( u ，) 一a ) h + ( 卜) e 托：( “，口) c ，( “，一) 巧倒口 ( 2 2 0 ) 令式中 r 。( f ) = e n ( u ，a ) n ( u ，) ( 2 2 1 ) r 。( ，) 是n ( u ，) 的集自相关函数。由于式( 2 2 0 ) 中e c ：( “，d 一) c ，( “，一) 是非平稳过 程，这个运算结果依赖于，一，因而输出的干扰功率e v 。( “，蚓2 是，的周期函数，其 周期与本地扩频吗序列的周期一致。因此剥式( 22 0 ) 求时间平均( 以 符号表示时| h j 平均) ，则得： = = e ( 口) 厅( f 1 ) n ，( 一口) 尺。( d f 1 ) d a d f l ( 2 2 2 ) 其中 r 。( f ) 垒 ( 2 2 3 ) 不再是嗣问，t 的函数，且月。( ，) 的傅式变换就是本地扩频码的功率频谱密度s 。( 厂) 。 尺，c r ) 的傅式变换足干扰信号的功率谱密度s 。( 厂) 。则式( 2 2 2 ) 简化为 吒2 h ( f ) l i s 。( 厂) + s 。( f ) l d f ( 2 2 4 ) 式中：s 。( 厂) + s 。( 厂) 表示卷积积分，( 厂) 是基带滤波器传输函数，l h ( f ) l 2 表示功 率传输函数。盯：表示输出干扰的平均功率。 上式说明广义平稳干扰的功率谱密度s 。( 厂) 由于与频谱很宽的扩频信号的功率 渚密度s 。，( 厂) 卷积而被展宽，同时又被基带滤波器限制，从而大大地降低了十扰 n ( u ，f ) 对系统的影响。若有用信号进入接收系统，由于信号与本地扩频码相关性很强， 存卷积过程中把信号能量从扩频码的带宽内集中到基带滤波器带宽内，从而提高了信 号电平，也就是提高了系统的输出信噪比。这就是扩频系统具有强的抗干扰性能的基 帧j j 论文 本原理。 2 2 扩频技术在电力线载波通信的应用 如第一章所述，国内外很多单位、公司都在积极的开展电力线扩频载波通信的研 究，并且取得很多成果，有些已经进入实用阶段。目前应用在电力线载波通信m t 的扩 频方式主要有两种：直接序列扩频雨i 线性调频。本节将介绍这两种方式。 2 2 1 直接序列扩展频谱技术 直接序列扩展频谱系统又称“平均”系统或伪噪声系统。所谓直接序列扩频，就 是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端用相同的扩频 码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原为原始的信号。一般情况下，直接序列均 采用p s k 调制，而较少使用f s k 或o o k 。有通信原理可知，在p s k 、f s k 、o o k 三种调制中，p s k 信号是最佳调制f j 弓，在其他条件相同情况下，p s k 误码家最小。 为节省发剩功率和提高发射机工作效率，通常使用抑制载波的双向平衡调制。图221 为直接序列扩频系统的组成和原理框图。 碍码 _ 筮t 挞 钟 麟 数扒 发利f , f 【 t 明磊 本抓1 ( a ) 接投机 数抓 州明貅一 锵+ j 繁“妒： 肌踪淡芹 一， i j 频 蚂嗡 钟o i 仙啦 h 、一囊j 器 蒜 柱 欠1lj柑榭一 一下舭j 堡 坝 论义 厂( 1 ) f 。j 息州 。!，。一 1 、， ! h ! ! ! r l l1 11h ! ! 产_ ! ，洲 1010 l110 0101l11001 10000 1 1 ( 3 ) 发送序列 n0n0nh 00 h 0n00 n 0000 (