（电力系统及其自动化专业论文）电力线远程自动抄表系统的研制.pdf

类戗戳太瓣的冲突检测方式，蜜瑗总线复瘸。萋予戴，本文设诗了一鼙争在低压 电力线上进行数据传输的电路模块，以实现数据的准确传输。此电路模块的核 心部件就是一种基于线性调频的扩频载波( s p r e a ds p e c t r u m c a r r i e r s s c ) 技术 的电力线网络接口控制器。 本文试强从通信数角度探讨魄力线远程抄表系统熟设诗葶瑟实现。蓠毙象设 计孛采矮懿线缝谣颓技术貔萋本蒎理彳乍了分褥，陡爱洋维论述了系统懿矮箨设 计合软件开发。其中硬件设计包括用户数据采集器、数据集中器和数传机。软 件开发包撼蒜模块单片机汇编程序的编写。最后，对该系统进行了调试和性能 分析。实验童调试及现场测试绺果说明，本抄表系统性能优越、性价比筒，稍 加改动即可遴入真正静实用阶段。 关疆竭：抄袋系统扩颏逶蕊魄力线线缝调频 d e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i cm e t e r r e a d i n g s y s t e m o np o w e rl i n e e l e c t r i cs y s t e ma n di t sa u t o m a t i z a t i o n p o s t g r a d u a t e y u a n x i a o p e n gs u p e r v i s o r t i a ny u a n f u w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ec o n s u m p t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rh a s g r e a t l y i n c r e a s e d b e c a u s eo ft h e g r e a t a m o u n ta n d w i d e s p r e a d o ft h e p o w e r c o t l s u m e r s ，t h ew o r k l o a do fm e t e rr e a d i n gb e c o m e sb u r d e n s o m e a u t o m a t i cm e t e r r e a d i n gs y s t e mi sag o o ds o l u t i o nf o rt h i sp r o b l e m a m r sc a nh e l pu sr e d u c et h e w o r k l o a do fm e t e rr e a d i n g ，i m p r o v ew o r ke f f i c i e n c ya n dr e a l i z et h em a n a g e m e n t a u t o m a t i z a t i o n a tp r e s e n t ，t w os c h e m e sa r ea p p l i e di na m r s t h ec o n v e n t i o n a ls c h e m ei s b a s e do nt h es p e c i a lt r a n s m i s s i o nl i n e i nt h i ss c h e m e ，s p e c i a lt r a n s m i s s i o nl i n e sa r e l a i dt ot r a n s m rt h es i g n a l s ，w h i c hg r e a t l ye n h a n c et h es t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o n 。 h o w e v e r , t h ee x o r b i t a n tc o s to fl a y i n gs p e c i a ll i n e sa n dm a i n t e n a n c e ，g r e a tw o r k l o a d a n dd i f f i c u l t yi nc o n s t r u c t i o np r e v e n ti tf r o mp o p u l a r i z a t i o n t h eo t h e rs c h e m ei s b a s e do nt h ee l e c t r i c a lp o w e rl i n e ，w h i c hm a k e su s eo ft h ep o w e rl i n ea st r a n s m i s s i o n m e d i a o nt h ec o n t r a r yt ot h ef o r m e rs c h e m e ，t h eo v e r a l lc o s to ft h i ss c h e m ei sf a i r l y l o w , w h e r e a s ，t h es t a b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ni su n w a r r a n t e d g r e a ti n t e r m i t t e n tn o i s e ， w i d e v a r i e t yo fi m p e n d e n c ea l o n gw i t h t h el o a da n dg r e a ta t t e n u a t i o no f s i g n a l sh a v e r e s t r i c t e dt h ef u r t h e ru t i l i z a t i o no f p o w e rl i n e ， i na l l u s i o nt ot h ep r o b l e mm e n t i o n e da b o v e ，an e ws c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d i nt h i sp a p e r s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nt h i ss c h e m e ， w h i c h g r e a t l yi m p r o v e d t h e r c l i a b i l i t y o fd a t a t r a n s m i s s i o n s p r e a ds p e c m a m c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yc a i lb ec l a s s i f i e di n t of o u r c a t a l o g s ：d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，f r e q u e n c yh o p p i n g ，t i m eh o p p i n ga n dc h i r p t h e c h i r p t e c h n i q u ec a ne f f e c t i v e l ys p r e a dt h es i g n a l st ot h ea v a i l a b l ef r e q u e n c yb a n dw i t hl o w c o s t i td o e sn o tn e e dp s e u d o r a n d o mc o d ea n dc a r l b eu s e dt oi m p l e m e n tc a r r i e r s e n s em u l t i p l ea c c e s sn e t w o r k s t h i sp a p e rf i r s ti n t r o d u c e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so fc h i r pt e c h n i q u e ，a n d t h e nd i s c u s s e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n to fa m r si nd e t a i l t h e p e r f o r m a n c ea n a l y s i sr e s u l t so f t h i ss y s t e m a r ea l s ol i s t e di nt h ee n do f t h i s p a p e r k e y w o r d s ：a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m ，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 ， p o w e r l i n e ，c h i r p s 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 1 概述 1 1 课题的目的、意义和必要。| 生 从十九世纪七十年代贝尔发明电话到今天信息高速公路的建设一百多年 来，通信技术已经发生了翻天覆她的变化，特别是近年来，随着微电子技术和 计算机技术的商速发展，通信技术更是日新月异。迅速发展的通信技术已经成 为人们生活不可缺少的一部分。 随着城乡电网改造工程的深入和电力市场改革的深化，要求用电管理、配 电管理实现智能化、自动化和科学化，配电网的自动抄表系统是用电营业管理 自动化的一个重要手段和组成部分。通过自动抄表可以实现自动、集中、定时 地抄录各用户的电量；迅速统计低压实时线损；通过银行向各用户自动完成转 账收款、电费结算：为供电部门的用电监察提供服务；当配网电力市场开放时， 提供更多的用户信息和市场信息。因此自动抄表系统是迈向配电自动化的第一 步。 集中抄表的媒介可以有低压电力线、双绞线、同轴电缆等。目前，大部分 建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电缆或光缆等物理 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、维护难，尤 其对老建筑物的改造更加不易。相反只要有建筑就会有电力线，利用电力线进 行通信可以大大地减少投资和对线路的维护成本。电力线自动抄表系统的成本 低，免去了重新架设线路的麻烦，而且可最大限度地发挥电力系统的优势。电 力部l j 平u 用电力线传输数据可以达到四遥的水平，即遥测、遥讯、遥控和遥调。 这样就可以节约大量的人力、物力和财力。 因此，电力线远程抄表是最符合电力系统特点的自动抄表方案，但低压电 力线路的恶劣通信环境和由此造成的抄表成功率低的现象却阻碍了此项技术的 大量应用，所以在电力线远程抄表系统中，核心问题就是低压电力线上的通信 问题。单边带调幅电力线载波通信技术在电力系统中许多年来一直起着主导作 用，并取得了成功经验，但对配电线路( t 0 k v ) 来说，其恶劣的通道特性，历来 被认为是不宜使用载波通信的。同样，在低压( 2 2 0 v 、3 8 0 v ) 电力线上的干扰问 题也十分严重，以往采用的窄带通信技术，如f s k 、p s k 等存在数据传输速率 低、误码率高等缺陷，因而其应用受到极大限制。 近几年来，扩展频谱通信( 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 ) 技术在通信，特 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 别是无线通信领域已经广为应用，例如，无线局域网、点对点数传系统、个人 通信系统等。同时在导航和测量系统中也受到日益广泛的重视和应用。 扩频通信相对窄带通信技术而言具有一定技术上的优势，主要表现在抗干 扰能力方面。因为扩频信号的带宽通常较大，所以其受干扰的频率范围所占比 例相对减小，换句话说，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传输的信号， 而大多数信号都能完整、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。对于最常见的脉冲噪声而畜，尽管窄带通信中的接收器具有较 窄的通带，使锝仅有一小部分噪声能进入接收器，但由于此类接收装置中的滤 波器具有高品质因素，瞬间的脉冲噪声会使其发生自干扰；而使用低品质因素 的滤波器又会使其通道带宽加大，令更多的噪声进入接收器，所以，窄带通信 对脉冲噪声的抵抗性较差。然而，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，因而不会造成系统自干扰。所以，扩频技术具有较强的抗干扰 能力。 综上所述，将扩频通信技术应用到电力线远程抄表系统之中，可以有效的 解决电力线通信信道中干扰严重的问题，进一步把远程抄表系统推向实用化。 远程自动抄表系统不仅可用于对电能表的远程抄表，也可用于水表、煤气表等 的远程抄表。远程自动抄表系统使管理更加科学化、规范化，提高了工作效率 和管理水平。管理部门在自己的计算机上就可进行读表、控制、显示、打印等 操作，真正实现了抄表的自动化，因此，远程自动抄表系统必将得到广泛的应 用。 1 2 国内外技术研究现状及发展趋势 随着全球范围内电力经营市场化的发展，自动抄表技术( a m r ) 的应用愈加 广泛。自动抄表成为新的产业部门，国外已有不少著名厂商已生产出a m r 系 列产品，而且对a m r 的研究也越来越深入。美国于1 9 8 6 年就建立了自动抄表 技术协会( a m r a ) ，近年又成立了欧洲自动抄表技术协会( e u r o a m r a ) 和英国 自动抄表技术协会( u k a m r a ) 。 自动抄表可以从多种途径来实现。比如，电能表的数据可借助电话线、电 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 力线载波、微波或无线电传送。a b b 公司设计的e m t c o n 系统利用电力线将电 能表数据送至变电站，而后换用空闲电话线或微波送至电费计量中心。g e 设计 的u c n e t 同时使用了无线电和载波技术。 美国农村电气化管理局( n r e c a ) 的农村电气化研究工程出资赞助了一种称 作“海龟”的抄表系统。该系统是由h u n t 技术公司研制的，抄表器通过电力线 载波在很窄的频带宽度内传输数据，而“海龟”的工作频率也很低，只有6 h z 。 由于频带窄，它发出的信号能通过电容器和变压器，并能沿很长的配电线路传 送。“海龟”系统的频带宽度比无线电所载的声音信号窄三百万倍，因而它的 抗噪声性能相当强，进而功耗低、可靠高，但它抄表时间较长，一天最多只能 读到三次电费数据。 自动抄表技术在我国的出现仅有7 年左右，但发展很快，全国各地有不少 制造商。目前安装试用单位也不少，但大多只有小区规模，当前全国上规模的 自动抄表系统都是低压配电线载波方式，载频1 0 0 k h z 左右。 二十一世纪是网络化时代，在计算机技术、微电子技术和网络技术等的迅 速发展下，抄表方案也层出不穷。各种方案都有其特点，有其相适应的应用环 境和存在的条件，不能一概而论，甚至在特殊情况下还需要将其结合在一起， 扬长避短可发挥出更大的优势。 基于三网合一的抄表系统 美国率先在1 9 9 3 年9 月宣布了“信息高速公路计划”，此后全世界范围内 掀起了一场信息高速公路的建设热潮。因此把通信广播电视、电信业务和多媒 体传输等多种信息服务纳入计算机网络，打破传统的信息传递模式和行业界限， 统一规划建立一个宽频带、大容量、高速率的共用信息网络( 即三网合一) 就 变得尤为重要。在智能化小区以及现代化城市中，利用多功能、多接口的机顶 盒进行三表( 电表、水表和煤气表) 的自动抄表系统自然是未来的发展方向。 基于电网的抄表系统 近年来，信号处理技术、通信技术的进步，使低压电力载波通信得n t 迅 速发展。为了抑制噪声，目前主要采用扩频通信技术。低压电力载波通信的强 大优势电所到、网所达，使低压电力载波通信仍然保持强劲的发展势头。 基于移动无线网络的抄表系统 目前蜂窝移动无线网( g s m ) 覆盖面已几乎遍及全国，因此构建这种抄表系 露j | | 大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 统时，完全可以利用现成的无线网络黼不必重新建设掰的基站。 1 3 课题研究的主鬃内容和技术关键 谍蘧醑究豹主要内容： 详细分析电力线网络接口控制器s s cp 3 0 0 和s s cp 4 8 5 的特性、功能 及内部组成，每圭楚瑷器靛接弱及数撵收发过程。 设计电力线网络接口控制器的外围电路，包括微控制嚣，输入、输出滤 波器，输基数大器，壤力线藕合电路等。 v ，编写单片机汇编程序，实现系统各部分之间的相互通信。 鼹整今系统逐行潺试，并进行经辘分季葑。 技术关键： 在已鸯瓣工终蒸醚上，遴一步俊伲癸嚣奄路，势根据溪场试验，谖整势 确定最佳的信母发送功率及占用频带。 割定系统各部努之翅懿逶痿协议，共逡霉亍萃片撬汇编糕序夔缓写。 匹川大学疆士学垃论文( 2 0 0 3 ) 2 扩展频谱通信原理概述 2 扩震频谱通储萋本原淫 2 1 1 基本概念 掰谓扩震频谱系统，楚撵其中锩辕豹售露被扩鼹至占攒一禳宽豹频带熬系 统，其占用带宽远大于传输该原始信号所需要的最小带宽。例如，个带宽为 足予赫兹熬话毒菇号，溪幅瘦调割对，占震豢宽纹秀 轰音售譬本身豢宽熬嚣傣。 而在扩展频谱系统中，传输同样的话音信号可能占用几兆赫带宽。扩展频谱的 主要方法之一是攫待发送售弩襄一宽；黪缓羁信号去溪巷载波。 2 。 。2 分类 扩展频谱技术一般可分为三类： t 。 蛊棱序列( d s ) r n 所谓直接序列( d i r e c ts e q u e n c ed s ) 扩频，就是_ 鲞接用具有高速率的扩频码 序列农发送端去扩展饺号静频谱，两在收端用相同鲍扩频码廖到去遴孝子解扩， 把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 2 ， 跳频( f h ) 翳外一种扩展信鼍频谱的方式称为跳频( f r e q u e n c yh o p p i n gf h ) 。所谓跳 频，比较确切的意思怒；用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说， 用扩频码序剜去进行频移键控调制，筏载波频率不断的跳变。 3 跳时f r h ) 与蹒频相戗，跳辩( t i m eh o p p i n gt h ) 怒使发射信号在时间轴上虢变。先 把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。 因诧，可以怒虢对理解为：掰一定码侉剜进行选择的多融片的时移键控。由于 采用了窄得很多的时片去发送信号，相对来说，信号的频谱也就展宽了。 4 。 线性调频( c 醯p ) 如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称 为线谯键频。强秀英频率在较宽静菝带内交纯，信号静叛带也被震宽了。它稠 用一系列短促的、可同步的扫描频率c h i r p s ( 线性调频波) 作为载体，每个线性调 频波一簸持续1 0 0 1 ts ，它代袭了最基本懿逶僚符号爵润s d 。这登c h i r p s 覆 盖了1 0 0 4 0 0 k h z 的频带，并总是以2 0 0 4 0 0 k h z 的频率开始，继而以1 0 0 2 0 0 k h z 霆矧大学骧士学位论文( 2 0 0 3 ) 的频率结束。豳于c h i r p s 信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加 速度憝较高静，丽等襁强荡液于撬静频率热遮凄一般是稳定静，掰驻将滤波耩 设计成只能通过具有特定角加速度的信号，就可以将等幅振荡波干扰排除在外。 隽舞，这耪线经调频浚波形逐其有缀疆静鑫穗关特经，这种模襁逻辑游程关彀 决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独 特波形，并显不需要夜发送霸缓浚设冬淹进行阉步。 鐾于本设计采用的电力线网络接圈芯片利用的就是线性调频技术，下一节 将详缀会绥它豹原理。 2 。 。3 疆专仑基戳 扩频通信的理论纂础可以用信息论和抗干扰理论的基本观点来加以说明。 睡农( s h a n n o n ) 在其信息论中餐到激下毒关落遂容爱戆著名公式 c = w l 0 9 2 ( 1 + 告) ( 2 1 ) 式中c f 言道容l ( b i v s )n 一磉声劝率 渺一带宽( h z )s 一信号功率 这个公式琢意是说：在给定信号功率s 和自嗓声功率的情况下，一定存 在某种编码系统，能以任意小的差错概率，以接近于c 的传输速率来传送信息。 这个公式碴示：在绦持信怠传输容量c 不变静条释下，我稍可淤靥不满频带宽 度和信噪比s 来传输信息。换旬话说，频带和信噪比s | 是可以互换 豹。鲡莱蹭热频带宽度，羲毒滋在较低豹售啜院豹蒲撬下瘸鞠同豹信怠率爨强 意小的麓错概率来传输信息。甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的埔 麓辖号带宽，氇戆保持霹靠懿_ i 蠹信。 对公式( 2 - 1 ) 还可以进行变换，在改换对数的底之尉，得到 二w 2 1 , 4 4 1 0 9 。( 1 旁 舀- 2 ) 一 。 、7 当s n 很小时( 例如s n o 1 时) 上式变成 三w “14 4 素( 2 - 3 ) 嘲c t + 争= 熹 静2 + 挣3 - a a ae 趣丙s 鞠 由式( 2 3 ) 褥出 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 一n 1 4 4 w 。一w f 2 4 1 scc 及w ：丝f 2 - 5 1 5 上述公式表明，在任何给定的低信噪比条件下，用增大带宽的方法就有可能无 误的传输给定的信息。 例如，若我们要求一系统工作在s n = 0 0 1 的条件下，信息速率为3k b i t s ， 则按式( 2 4 ) 计算，需用带宽为： ：掣：2 0 8 1 0 5 赫 1 4 4 在一些抗干扰系统中，常遇到这种工作于低信噪比的情况。 柯捷尔尼可夫在其潜在抗干扰理论中得到如下关于信息传输差错概率的公 式 r “意) ( 2 - 6 ) 这个公式指出：差错概率岛是信号能量e 与噪声功率谱密度之比的函数。 设信号频带宽度为职信息持续时间为t ，信号功率为s = e l 噪声功率为 ， p o ，信息带宽为a f = 1 l 则( 2 6 ) 式可化为： 异o c 厂( 熹研) = 厂万s 石w ) ( 2 - 7 ) 从上式可知：差错n 是输入信号与噪声功率比s 和信号带宽与信息带 宽比a f 二者乘积的函数。也就是说，对于传输一定带宽z i f 的信息来说， 信噪比和带宽是可以互换的。它同样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比 上的好处这一客观规律。 以上即是扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 2 1 4 处理增益与抗干扰容限 扩频通信系统由于在发端扩展了信号的频谱，在收端解扩后恢复了所传信 息，这一处理过程带来了信噪比上的好处，即接收机输出的信噪比相对于输入 信噪比大有改善，从而提高了系统的抗干扰能力。因此，可以用系统输出信噪 比与输入信桑l t - - 者之比来表征扩频通信系统的抗干扰能力。 7 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能都大体上与扩频信号的带宽与 所传信息带宽之比成正比。一般把扩频信号带宽与所传信息带宽a f 之比称 为处理增益g 警，即 q=否w(2-8) 它表示了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统其他一些性能也大 都与郇有关。因此，处理增益是扩频系统一个重要的性能指标。 仅仅知道了扩频系统的处理增益，还不能充分的说明系统在干扰环境下的 工作性能。因为系统的正常工作还需要保证输出端一定的信噪比，并扣除系统 其他一些损耗，我们引入抗干扰容限m j ，其定义如下： m r = g p ( 告) o + 上s 】 ( 2 - 9 ) 式中e ) 。一输出端的信嗓比l s 一系统损耗 例如，一个系统的回为3 0 d b ，最小岱奶。为1 0 d b ，则m j 为1 8 d b 。它表 明干扰功率超过信号功率t 8 d b 时，系统就不能正常工作；而在两者之差不大于 1 8 d b 时，系统仍然能正常工作，鄂信号在一定的噪声淹没下也能正常通信。 2 1 5 主要特点 扩频通信系统主要有以下特点 有选择地址的能力 对于多元接入系统能实现码分复用 信号的功率谱密度低，有利于信号的隐蔽 有利于防止消息被窃听 v ，测距地分辨率高 抗干扰能力强 抗衰落能力强 2 ，2 线性调频原理 2 ，2 1 基本概念 线性调频是一种不需要用伪随机编码序列的扩频调制技术。由于这种线性 8 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 调频信号占用的频带宽度远大于信息宽度，所以也可以获得很大的处理增益。 线性调频信号有时也称鸟音信号，因若其频谱落于可听范围则听若鸟声。 顾名思义，线性调频信号是指瞬时频率随时间成线性变化的信号。假设在 一信码持续时间t 内，信号的瞬时频率变化如图2 1 所示。也就是说，假设信 号的瞬时角频率。，为 铲”下2 ；, r z u v f一吾鲻；( 2 - l o ) 式中6 , 1 d 一中心角频率 4 ，一瞬时频率变化范围。 由于信号的瞬时角频率与瞬时相角西f 纠之间是微分关系： q 2 云 ( 2 1 1 ) 所以，线性调频信号的时域表示式可以写为： 邝) = c o s = c o s ( ，+ 警f 2 ) 一i t ，i t ( 2 - 1 2 ) 这时，为简单起见，已假定信号的振幅为1 ，初始相位为零。其波形画于图2 2 中。 按处理增益的定义，现在信号的高频带宽近似等于a f ，信息带宽为1 r ， 故处理增益为 g 一= a f t 通常选用4 f r 1 。 l 6 ， “o + 4 f刁 z i 6 - ) 0 - 4 f 刀2耽 图2 1线性调频信号的瞬时频率 图2 2 线性调频信号的波形示意图 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 2 2 2 线性调频信号的频谱 现在来讨论这种信号的频谱。为了便于计算，采用复信号形式。一般情况 下，常用一复函数的实部表示一时问波形。例如， c 0 $ 0 ) o f = r e e “) c o s o f 的傅立叶变换为硝万 一o ) + 占 + 0 7 0 ) ，而s i n 0 2 0 r 的频谱为 j l r 8 + 棚o ) 一万 一出。) 】。因此，g 。“的频谱为 f e 州】= 厅【占( 一o ) + 占( 脚+ 0 9 0 ) 】+ j ，石 j ( 脚+ o ) 一5 ( c o 一曲o ) 】 = 2 7 r 6 ( c o 一o ) 由此例看出，此复信号的频谱只包含正频率分量，而且等于对应的实信号频谱 中正频率分量的两倍。这一结论可以推广到任意时间波形，因为任一时间波形 可以分解成许多频率分量，而每一分量都可应用上述结论。可以说。一复函数 的频谱等于其实部频谱中正频率分量的两倍。这一结论在数学上是可以严格证 明的。 我们知道。一时间波形( 实函数) 的频谱中正频率部分和负频率部分是有 确定关系的：其频谱的模是偶函数，而相角是奇函数。因此，分析一复函数的 频谱与分析对应的实函数的频谱是等效的。 把信号时间表示式俐变为复数表示式 ，r r ) ：p w + 芋一一t f 一t ( 2 1 1 3 )，( r ) = p 7 w + 了r 一i f i ( 2 刑的频谱为 脚) ：f ：胀嘞：点。瓜 砷睾1 l 出 ：。一，忐州荐。j 争怿+ j 赤( 圹础( 2 - 1 4 ) i 进行变量代换，令x 代表被积因子中方括号内的项，则上式变成： 即冲1 忐q 7 压。西 5 ) 式中 1 0 驴一俘+ j 志刊“- 一丁+ 、f 磊面叫) 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 旷等+ j 赤c 叫，”：2 、丁+ 、芴面【叫) 式( 2 1 5 ) n - j 计算如下： 脚冲1 岳”曲2 j 去 卜s ( 三工2 边+ 嵋s i n ( 争2 胁】 ( 2 _ 1 6 ) 由于下列两式给出的是一种特殊函数，称为富瑞斯纳( f r c s n e l ) 积分： c ，= j 昙r c 。s ，2 西c ( “，= j 姜f s t n ，2 西 c z t ， 其积分值在数学手册中已列表可查，而式( 2 一1 6 ) 中的积分与它的形式一样，所以 可用富瑞斯纳积分来计算。因此，将( 2 一1 6 ) 改写成： 荆i 击1 去隙啪舯) 】 ( 2 - 1 8 ) 式中 c 小) = c ( “：弓一c ( 蚝店)蹦“) = s 后) 跏层) 吖叫的模 p f 叫郾相角争r 叫分别为： lp ( ) i _ 1 f i ；【c ? ( “) + s ；( “) ( 2 - 1 9 )l p ( ) i _ j 【c 洳) + s 洳) 】2 咖) ：缸l 剿一垡型：( 2 - 2 0 ) 烈叻- t a n 。1 i 黹 - 茅 当处理增益6 警时的幅频特性示于 图2 3 中。这时，信号能量的9 5 以上 在带宽4 f 之内，而且基本上是均匀分 布的。 由式( 2 2 0 ) 可见，频谱尸，。j 的相角 妒r 由两部分组成。式中第二项决定的 群时延r = d r p ( 。j d 。与。成直线关系， 它是主要部分。而第一项的数值，在带 宽a f 内很小，基本上也是均匀的。我 图2 3 线性调频信号的频谱( g p = 5 0 1 厂 -ttiji-l 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 们将它称为残余相角，也示于图2 3 中。 由以上分析可以认为，线性调频信号的振幅频谱是均匀分布在频带a f 内 的，而由相位谱决定的群时延是线性的。 2 2 3 线性调频信号的产生和接收 产生线性调频信号的方法不止一种，最简单的是用锯齿形电压加到压控振 荡器上就能产生它。 除了压控振荡器以外，还有调频脉冲产生滤波器。这种滤波器的冲击响应 应该使其输出信号是输入频率成分的时间序列。这就是说，一个具有“连续” 频率谱的冲激引起一系列输出信号，其时间延迟取决于被延迟的频率成分。如 果延迟斜率d t a t 是线性的( 在感兴趣的范围内是常数) ，则输出是线性扫频的 信号，并且调频脉冲产生滤波器可以正好是接收机解调线性调频脉冲滤波器的 互补器件。实际上，如果能将调频脉冲滤波器设计成双向器件，调频脉冲产生 滤波器也可用做接收滤波器。 现在，来讨论线性调频信号的接收方法。虽然其接收方法也不止一种，但 原理上都是应用匹配滤波器的概念。与频谱为p ，u 的信号匹配的匹配滤波器的 传输函数应该为： ( c o ) = l h ( c o ) l e 一川。= e - j 嘶p ( c o ) ( 2 - 2 1 ) 式中自一滤波器的延迟。 按上面的分析，线性调频信号的频谱可以近似写为： 一z ! 竺：些! ： p ( ) = | p 。4 “5。口一z t a f 。u 口1 l x a f( 2 2 2 ) 式中k = i p r 。，i 为一常数。 将上式代入( 2 2 1 ) 得到 月 ) = k i p ，【訾一圳 。一万彳f 。手j r 4 f ( 2 2 3 )月( 国) = p 一4 时 o d 一万彳o o 口手j r 4( 2 一 式中k = f 盯卅i 一匹配滤波器的增益； 护) = 掣+ 耐。一匹配滤波器的相移。 而此滤波器的群时延等于 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) r = 丢鼬) = 杀( 吨) + ，。( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 3 ) 和( 2 2 4 ) p t 见，要求线性调频信号匹配滤波器基本上具有平坦的 增益k 和线性的群时延r ，如图2 4 所示。 时延。为简单起见，下面讨论中令k - = 1 ， 到限制的，因此式( 2 2 3 ) 中的匹配滤波 器特性变成t ! ! 竺= 些2 1 日( 国) = e 。4 “( 2 - 2 5 ) 现在来求当式( 2 1 3 ) 的复信号加 入此滤波器时，输出的复波形肘m ： m ( f ) = 瓦1 e 日( 脚) 。尸( 国) e 埘如 ：去e 。j 塑轰警【立。j 【( 劬刊r + 警一纠严如 由此图直观看出，幻为滤波器的平均 t d = 0 ，并且认为滤波器的带宽是未受 图2 4 理想匹配滤波器特性 = 去如 _ ，半f 2 十即+ 面t c 0 0 2 一三4 ：r a f ( 半r 竽f ) 2 ” 昏x p m 去) 曲一( 2 x r a ff - 2 1 r r & f f ) 】2 洳冲 ， 2 刀f 2 t r a f 、 一【翻o + f f 一了 令“= 苫j 一，代入上式 f 4 n a p 1 了 则上式变为 而 一霉脚晖x a f r 2 。t 面0 0 2 一去等r 一半矿伊 e e x p ( j u 2 ) d u d f ( 2 - 2 6 ) 由于 f = p f d “= e ( c 。s “2 + ，s i n u 2 胁= 而。i 1 3 四川大学硕士学位论文( 2 0 0 3 ) 一庠椭p 错虐e j 芋”d r = 庠“”纠协竿胁 ：、摩堕堂。爷 ( 2 - 2 7 ) = i 一一p o vt剃l w t 在通信中，线性调频信号可以用来传输二进制数据。这时，分别用频率线 性增高和线性降低两种不同信号代表信码“l ”和“0 ”。接收端采用相应的两 个匹配滤波器来接收。现在，设代表信码“l ”的波形表示式如式( 2 1 2 ) 的f ( 0 ， 则它通过其匹配的滤波器后，输出的复信号朋彬即如式( 2 2 7 ) ，输入波形刑和 输出的复信号的包络l m ( t ) l 示于图2 5 ( a ) 中。 i f 0 六万i丁。 ，j 4 八 。 m ( t ) l 州， t 峨 ( a ) j 万万丁 r m ； 乍i s ( o i 亨4 0 7 图2 5 匹配滤波器的输入和输出波形 婴型奎堂堡主堂堡丝苎! ! ! 塑! 代表信码0 的频率线性降低的信号表示式为 ( f ) = c o s ( o j o t - 7 r a t f t 2 ) 一要，i t ( 2 - 2 8 ) 与它相应的复信号通过同滤波器时，由于不匹配，输出变为： s ( f ) ：土r m 。，訾 斥tp 州”咿一了n a fr z l d r ，j n 幽 s ( f ) = 寺c e 。