（测试计量技术及仪器专业论文）具有usb接口的低压电力线载波通信模块的研制.pdf

哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 具有u s b 接口的低压电力线载波通信模块的研制 摘要 电力线通信( 简称p l c ) 是利用工频电能传输线路作为传输媒介的通信方 式。电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介，覆盖 面要超过有线电视网络甚至电话线路，同时由于利用电力线通讯可以在现有 的电力线布局基础上进行，能节约大量的安装费用，因而利用电源线路实现 数据通信的技术有着可观的经济效益和应用前景。许多国内外的公司和机构 已经开展了对各种电力线载波通信的研究。 扩展频谱通信技术具有码分多址抗多径干扰、抗衰落、克服远近效应等 优点，因此该技术被广泛使用。本文试图以当前p c 机普遍配置的通用串行 总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 为通信接e l 来实现与p c 机的通信，其具有 方便、灵活、低价、热插拔和传输速度快等优点。 本文首先从通信原理出发，在扩频调制技术的基础上，采用福星晓程公 司的p l 2 1 0 2 调制解调芯片研制开发了基于u s b 接口的电力线载波通信模 块；其次，在研究通用串行总线u s b 规范及工作原理的基础上，采用u s b 接口芯片u s b n 9 6 0 4 和低功耗微处理器c 8 0 5 1 f 2 3 1 设计开发了通用u s b 总 线接口及其控制固件，实现了通用计算机与电力线载波通信模块之间基于 u s b 总线的通信功能；再次，采用v b 语言编程，调用w i n d o w s 内部的 a p i 函数，与选定的h i d 类驱动程序进行通信，完成了电力线载波通信模 块的上层软件开发；在以上工作基础上对电力线载波通信模块的性能进行测 试，并对测试的结果进行分析。 关键词电力线通信；扩频通信；通用串行总线； r e s e a r c ho nl o w - v o l t a g ep o w e r - l i n ec a r r i e r c o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t hu s b a b s t r a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ni so n e s p e c i a lw a yo fc o m m u n i c a t i o nb yu s i n g p o w e rl i n eo fi n d u s t r i a l 丘e q u e n c ya st h et r a n s m i s s i o nm e d i a i ne v e r yh o m e t h e p o w e rl i n ec i r c u i t sa r em o r ew i d es p r e a dt h a nt vn e t w o r ko rt e l e p h o n ec i r c u i t s m e a n w h i l e ，t h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nc a nb er e a l i z e do nt h eb a s i so fe x i s t e d p o w e rl i n en e t w o r k ，t h u si tc a ns a v ee x t e n s i v ee x p e n d i t u r e s ot h et e c h n o l o g yo f r e a l i z i n gc o m m u n i c m i o nt h r o u g hp o w e rl i n eh a sc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cb e n e f i t a n da p p l i c a t i o np r o s p e c t m a n yc o m p a n i e sa n di n s t i t u t i o n sa th o m ea n da b r o a d h a v er e s e a r c h e do nv a r i o u sp 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 si nr e s e n t y e a r s 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 i q u ei sw i d e l ya d o p t e dw i t ht h e a d v a n t a g e so fa n t i - m u l t i p a t hi n t e r f e r e n c e ，r e s t r i c t i n gd e c l i n a t i o na n dn e a r f a r r e s i s t a n c e p e r f o r m a n c ee t c i nt h i sp a p e r , t h es e r i a l b u su s bg e n e r a l l y c o n f i g u r e di np ci su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hp cb e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n t f l e x i b i l i t y , l o wp r i c e ，p l u g p u l la n dh i g hs p e e d a p o w e r l i n ec a r t i e rc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sd e s i g n e dw i t ht h et e c h n o l o g y o fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o na n du s bb u s f i r s t l y , t h e p r i n c i p l eo f c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e ds u c ha st h et e c h n o l o g yo fd i g i t a lm o d u l a t i o na n d s p r e a ds p e c t r u mm o d u l a t i o n ，a n dp l 2 10 2m o d e mc h i pp r o d u c e db yf ux i n g x i a oc h e n gc o m p a n yi su s e di nt h ed e s i g n t h e na c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho n t h es t a n d a r da n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fu s b ，u n i v e r s a lu s bi n t e r f a c ea n di t s c o n t r o lp r o g r a ma r ed e s i g n e dt h r o u g hu s i n gu s bi n t e r f a c ec h i pu s b n 9 6 0 4a n d l o wp o w e rm i c r o p r o c e s s o rc 8 0 5 1 f 2 3 1 ，w h i c hr e a l i z e st h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e ng e n e r a lc o m p u t e ra n dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ew i t hu s b b u s t h i r d ，t h es y s t e mp r o g r a m m e dw i t hv bl a n g u a g ec o m m u n i c a t e sw i t ht h e s e l e c t e dh i dd r i v e rp r o g r a mt h r o u g hc a l l i n gw i n d o w sa p if u n c t i o n ，w h i c h c o m p l e t e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t b a s e do nt h ea b o v ew o r k ，t h ep e r f o r m a n c e t e s to ft h ep l cm o d u l ei sc a r r i e do n ，a n dt h et e s t i n gr e s u l t sa r ea n a l y z e d 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 k e y w o r d s p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ，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 ， u n i v e r s a ls e r i a lb u s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文具有u s b 接口的低压电力 线载波通信模块的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明 部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签名：互童自日期：压略年尹月；日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 具有u s b 接口的低压电力线载波通信模块的研制系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究 成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发 表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布 论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 ， 不保桶。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：星娲 导师签名：嗍 日期：砌莎年乎月胡 日期：年月日 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，简称p l c ) 是利用工频电能传输线 路作为传输媒介的通信方式，是电力系统特有的一种通信方式。在商业领域， 开发利用现有的民用低压电力网络进行高速、实时数据通信具有可靠性高、不 用重新布线、使用方便和覆盖面广等优点而各受关注【1 1 1 2 1 3 i 。信息处理容量的爆 炸对数字传输方法提出了更大的要求。运用新的传输媒介例如通信卫星和光纤 能够处理较长的通信距离，而传统的电话线、红外线、双绞线、同轴电缆只能 够满足短距离的信号传输。固态电路的发展提出了一个新的名词一电力线载波 通信1 4 1 。由于运用这种传输方式，用于信号传输的介质已经存在，无须再投入 大量资金进行基础设施建设；并且通过电力线可以访问连接在它上面的任意通 信设备，因此，考虑使用到处可见的电力线作为传输介质的想法是很有诱惑力 的。在一个办公大楼中，这是个可行的传输低带宽的数字或模拟数据的方式。 虽然这个想法在原理上并不新，但主要由于电力线高压的危险性，电力线用于 载波传输在商业上投入使用是很困难的。在现代社会，电力线网络是世界上最 大的有线网络，电力线几乎存在于世界的每一个角落，所以利用电力线作为信 息传送信道就具有其它信道所无法比拟的优越性。随着社会的需求和电力线载 波技术的不断发展，中低压电力载波通信的技术开发及应用出现了方兴未艾的 局面，电力载波通信这座被国外传媒喻为“未被挖掘的金山 正逐渐成为- - f 电力通信领域内关系到千家万户的热门课题【5 】。本课题来源于国家自然科学基 金项目( 6 0 3 7 2 1 0 4 ) ：低压电力线载波通信环境的理论研究和仿真分析。 1 2 国内外研究现状及应用 1 2 1 国内外研究现状 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 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 件和产品，如：i n t e l l o n 、t h o m s o n 、a t m e l 、i t r o n 、d s 2 等等 6 1 。据r a d o m i r j o v a n o v i c 介绍，目前美国、德国、奥地利、西班牙、法国、中国等国家的p l c 网络已经开始运营了，并有众多的电力企业在悄悄地进行相关试验，争取有朝 一日进入电信运营市场分一杯羹。在国外，p l c 技术主要应用于接入，比如在 家庭内部用于视频内容的观看，其效果并不次于利用同轴电缆，而且能够节约 大量布线资源。另外，p l c 技术也被用于在汽车里上网或者接入视频的应用。 近期，由于技术的进步使连接计算机及可远程使用的应用等各种产品的家庭网 络有所发展。目前，欧洲已有2 0 多家电力公司在欧洲和全球各地进行1 0 0 项 p l c 服务的测试【7 】。 从全球的角度讲，电力线载波通信技术萌发于2 0 世纪2 0 年代，而到2 0 世纪9 0 年代已经进入成熟阶段。许多与电力线载波通信相关的组织定下了低 压电力线载波通信的频率使用范围，如欧洲电器委员会c e n e l e c 制定的e n 5 0 0 6 5 规约于1 9 9 1 年底开始生效，规定低压电力线载波频率使用的范围为3 1 4 8 5 k h z 【8 】；而美国联邦通信委员会f f c c ) 在f c c c f r l 5 1 1 3 中规定了电力线载 波通信的频带为i o o k h z 4 5 0 k h z t g l 。其中国外电力线载波技术发展比较典型的 国家有：英国，美国，日本等。 英国曼彻斯特的一家地区性供电公司n o r w e b 是最早提出低压电力线载 波通信概念并进行可行性研究的公司，在1 9 9 0 年就开始研究该项技术。1 9 9 5 年，该公司与加拿大北电网络联手，共同开发p l c 技术。1 9 9 6 年9 月在国际大 电网会议c i g r e ( i n t e m a t i o nc o n f e r e n c eo nl a r g eh v e l e c t r i cs y s t e m ，c o n f e r e n c e i n t e r n a t i o n a ld e sg r a n d sr e s e a u xe l e c t r i q u f e s ，简称c i g r e ) 期间向各国代表展示 了技术原理和演示产品，提供了在曼彻斯特进行2 0 户小范围试验的录像资料， 传输速率达到1 m b p s ，但仅进了小规模现场试验，未能得到推广。1 9 9 8 年就 已成功地进行了采用传统的输电线路进行互联网接入的试验。在德国，r w e 集 团从1 9 9 7 年开始与瑞士的a s c o m 公司合作开发p l c 技术，2 0 0 0 年5 月开始进行 2 0 0 户参与的现场试验。2 0 0 1 年7 月开展了r w e p o w e r n e t ( p l c 高速上网) 、 r w e p o w e r s c h o o l ( p l c 学校联网) 和r w e e h o m e ( 智能建筑遥控与自动化) 三项业 务【1 0 】【1 1 1 【1 2 1 ，2 0 0 2 年德国联邦议院议会上院就通过一项议案，批准使用能使互联网 信息通过电力线和墙上电源插座传输的技术。韩国x e l i n e 公司成立于1 9 9 9 年5 月，主要业务是开发、制造、销售基于p l c 的产品和网络解决方案。在2 0 0 1 年 3 月推出p l c 产品解决最后一公里接入t 家庭网络应用的方案，在韩国汉城建 立了与互联网相连接的示范点。 2 0 0 4 年下半年，美国联邦通信委员会( f c c ) 投票修订其规则，为通过电力 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 线接入普及宽带打开了大门。在f c c 的推动下，将来美国家庭尤其是广大的农 村用户，可以通过电力线上网，并享受到更加廉价的网络电话服务。美国电线 通信协会主席a l a n s h a r k 表示，在发展这项技术上所有的企业都相当谨慎，认 为这个市场将会大得惊人。2 0 0 5 年1 月5 日，美国宾夕法尼亚州立大学的研发人员 表示，他们已经找到了提高电力网宽带接入传输速度的新方法，新开发的电力网 接入系统最高传输速度可接近1 g b i t s 。美国有关监管机构对发展p l c 的支持政 策，将使这项新技术迅速的得到应用与普及【7 j 。 2 0 0 4 年8 月底，日本共获准在1 4 家服务商的2 8 种设备中进行了实验，根据 试验数据确定电力线通信的实用化。2 0 0 5 年1 月6 日，日本松下电器产业株式会 社、三菱电机株式会社及索尼公司宣布，成立一个致力于确立高速电力线通信 ( p l c ) 规格的联盟，将制订p l c 国际标准，以确保不同公司生产的设备可以互 连。2 0 0 5 年l 6 月，日本东京电力公司在住宅内进行了最高速度为2 0 0 m b i t s 的电力线通信( p l c n ) 实验，计划从秋季开始提供电力线通信商用服务，以便利 用电力线通信建立家庭内部网【7 l 。 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自 1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要考虑p l c 技术用于低压抄表系统，传输速率较 低。1 9 9 8 年开发出样机，并通过了实验室功能测试，1 9 9 9 年在现场进行试运 行，获得了产品登记许可。1 9 9 9 年5 月开始进行p l c 系统的研究开发工作，主 要对我国低压配电网络的传输特性进行了测试，并对测试结果进行了数据处理 和分析，基本取得了我国低压配电网传输特性和参数，为进行深入研究和系统 开发提供依据【”j 。2 0 0 0 年开始引进国外的p l c 芯片，研制了2 m b p s 的样机， 2 0 0 1 年下半年进行了小规模现场试验实验效果良好。在我国，清华大学己研制 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，速率为1 0 k b p s t l 4 】。2 0 0 3 年成功研制了e p l c 4 5 m 和e p l 1 4 系统。另外，一些高等院校的电力系、通信系也对p l c 进行理论 研究，如华中科技大学电力系对时变信道的信号均衡取得了一定的进展。北京 地区至u 2 0 0 4 年8 月，已有2 9 7 个住宅小区，约1 6 万个家庭通过电力线上网。目前， 由深圳国电科技发展公司控股，作为国家电网公司系统内专业生产电力线通信 产品的深圳市国电科技通信有限公司率先在全国推出2 0 0 m b i t s 电力线接入产品 及解决方案。2 0 0 2 年3 月，中电飞华电力线通信技术有限公司注册成立，该公 司在国内的电力线上网试运营已开展3 年多，开通了一系列p l c 试验小区中电 飞华公司在北京开通了5 - i 以上的实验小区，取得了大量的第一手工程资料。 实验小区的用户反映非常满意，只是网速会在特定的时候突然衰减。中电飞华 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 与国电通信中心高层在2 0 0 5 年频频接触，制订了电力线上网的发展策略：确保 2 0 0 5 年北京1 0 0 0 0 个p l c 用户的工作任务。并保持与信产部相关部门进行交 涉，尽快获得信产部许可。重庆网通己在一些小区进行试点，推广电力线上网 方式，为日后投入大规模商用做好准备。铁通和国家电网公司系统的深圳国电 通信科技产品技术科技时空公司合作，在深圳建立了p l c 试验小区。而且据业 内专家透露，我国p l c 费用一般为5 0 8 0 元月，最高不超过1 0 0 元月 6 1 。作为 自动集抄系统通道的载波应用目前已能够形成组网通信，完成数据抄收功能， 但是由于用户电网的某些时变特性和突发噪声对数据传输的影响在技术上并未 得到根本解决，因此还存在着抄表“盲区”的问题，这一问题是阻碍电力载波 通信技术在自动集抄系统应用的主要症结所在，市场还未全面认同这种方式的 可靠性【7 1 。 1 2 2 电力线载波通信的主要应用领域 电力线载波通信f f l c ) 作为一种“无新线”( n on e ww 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。其应用领域包括1 7 l ： 1 2 2 1 智能小区中的应用所谓的智能小区，是指通过综合配置住宅区内的 各功能子系统，以综合布线为基础，以计算机网络为区内各种设备管理自动化 的新型住宅小区。通常智能化大厦是“三a 系统，即： 1 安全自动化( s a s s a f ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 包括室内防盗报警系统、 消防报警系统、紧急求助系统、出入口控制系统、防盗对讲系统、煤气泄漏报 警系统、室外闭路电视摄像监控系统、室外的巡更签到系统。 2 通讯自动化( c a s c o m m u t a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 包括数字信息网 络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统。 3 管理自动化( m a s - m a n a g e m e n ta u t o m a t i o ns y s t e m ) 包括水、电、煤 气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系统、公共信息显示 系统。 随着我国国民经济、科学技术水平的提高，特别是计算机技术、通信技 术、网络技术、控制技术、信息技术的迅猛发展与提高，促使家庭实现了生活 现代化，居住环境舒适化、安全化。这些高科技已经影响到人们生活的方方面 面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量。在我国，智能住宅这一概念 推广较晚，但其发展的速度却很快，全国已建立了一些具有一定智能化功能的 住宅和住宅小区。家庭智能大厦、智能小区是一个综合性的系统工程，它包含 哈尔滨理_ 大学工学硕上学位论文 了若干子系统，作为智能大厦、智能小区的后备网络，采用电力载波通讯有其 无法比拟的优越性，因而在智能大厦、智能小区底层通讯方式的选取上，各公 司不约而同的把电力载波通讯作为首选。 1 2 2 2 在家居智能化中的应用 把电力线通信技术、网络、微控制器相结 合，是在现有基础上推进家庭自动化的最现实最经济的途径，即以电力线为物 理媒介，把分布在住宅各个角落的微控制器和家电p c 机连成一个网络。其优 点是：电力线和信号线合一，无须布设信号线；人们原来使用和维护电器的习 惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备电力线载 波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量 小，电力线载波速度慢慢的缺点不突出。因此电力线载波通讯技术在家居智能 化应用方面有着广泛的前景，特别是在中速率传输应用方面，因其具有可靠性 高、造价低廉优点，故可以与“蓝牙 相媲美。 1 2 2 3 在其他领域的应用在其他领域里，电力线载波通讯也显示出了其巨 大潜力，比如在一些干扰大、布线困难的工业自动化控制系统，采用电力载波 通讯方式能达到事半功倍的效果。电力线在现代生活中已无处不在，只要能满 足通讯要求，而又不便布线的地方，电力载波通讯技术都有着无比的的优越 性，可以得到充分的应用。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题在分析了国内外的研究现状基础上，设计开发出一对带有u s b 接口 的电力线载波通信模块。研究的主要内容如下：深入研究u s b 总线协议规范和 通信原理；采用c 8 0 5 1 f 2 3 1 作为主控芯片进行电力线载波通信模块的硬件电路 设计：设计软件，包括固件程序、界面应用程序( 客户软件) 。 本课题分五章： 第1 章对课题的背景进行讨论，阐明了课题的研究现状，介绍了课题的研 究内容。 第2 章主要论述载波通信模块的通信系统组成，从通信的基本原理，重点 讲述数字系统的载波调制o 最后讲述d p s k 调制原理。 第3 章详细论述了u s b 作为和p c 机通信的接口的通信原理，基于 u s b n 9 6 0 4 的通信模块的设计，载波通信模块的电路设计( p l 2 1 0 2 外围电路 设计，放大电路设计，接收滤波电路设计，耦合电路设计) 等。 第4 章详细论述本课题的软件设计，包括固件程序、界面应用程序( 客户 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 软件) 。 第5 章对电力线载波通信模块进行性能测试，分析试验结果的数据。 哈尔滨理工大学l t 学硕士学位论文 第2 章电力线载波通信系统 2 1 低压电力线载波信道分析 在2 2 0 v 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。 2 1 1 噪声干扰 低压电力线上的噪声主要是由连接在电力线上的用电设备产生的，它们对 数据通信有严重的影响。在低压电力线上进行载波信号通信时噪声特性也是需 要认真研究的重要问题。低压电力线上的干扰并不是简单地白噪声，通常可以 将电力线上的噪声分为5 类 1 5 - 1 6 】： 1 有色背景噪声这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的功率谱密 度。它主要是由各种低功率的噪声源产生的，它的功率谱密度随时间的变化而 缓慢发生变化。 2 窄带噪声一般由中、短波广播所引起，它随时间发生变化。 3 与工频异步的周期性脉冲噪声这种噪声的重复频率一般为 5 0 2 0 0 h z ，由电视机或电脑显示器干扰所造成，它的重复频率与电视屏幕或电 脑显示器的扫描频率同步。 4 与工频同步的周期性脉冲噪声脉冲的重复频率为工频或工频的整数 倍。脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升 高而下降。它主要是由可控硅整流器件造成的。 5 随机脉冲噪声闪电或网络上负载( 如电容器组，自动调温器、冰箱、 空气调节器等) 的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频 带。它的到达时间是随机的，持续时间从几微秒到几毫秒。脉冲噪声的功率谱 密度有时会比背景噪声高出5 0 d b 。 通常，前三种噪声随时间变化缓慢，常归结为背景噪声。后两种噪声的时 变性强，当出现这些噪声时，功率谱密度会突然上升，数据传输会造成很大的 误差。 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 频率i v i h t _ 图2 1 最大噪声电平 f i g2 1m a x i mn o i s el e v e l 低压电力线中的噪声具有频域特征，图2 1 1 1 8 1 是i n t e l l o n 公司在实验中测得 噪声的幅频特性图，显示了最大噪声电平在不同频率下的幅值情况。总的来 说，噪声特性有一定的规律性，比如噪声随频率的增高有下降的趋势，并且无 论噪声多复杂都是可由各种特定性质的噪声源叠加而成。与工频同步的周期性 脉冲噪声产生的原因是由于许多用电设备会在工频交流电基波的某个固定相位 上产生噪声。例如，可控整流电源在a c 电源基波正半周和负半周的4 5 。切 换，则在一个工频周期中a c 电源上会出现2 个缺口，从而会以1 0 0 h z 为周 期，每周期2 次释放出强烈的干扰，而且这种干扰与a c 电源有着固定的相位 关系【1 7 】。随机脉冲噪声通常是由于高压开关的操作、较大的负荷变化、电力线 路上的短路故障等引起的，往往持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽 【1 8 】。低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程以 及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、电流的突变和谐波分量的增加； 而在离接收机近距离的范围内，某些中小功率的负载，如日光灯、计算机等的 开关也会产生较大的突发脉冲噪声而影响通信。这些噪声的持续时间较短，强 度大小不等，出现时间随机变化，但如果它们j 下好发生在数据通信过程中，由 于其高能量、宽频谱的特性，通常会严重影响数据传输。 2 1 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 有用信号能量大。 低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成：变电站的变压器产生的阻抗， 它随着频率的增高而增大；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；接在电力线上的设备阻抗，一般 - _ r 一 期 为鞠 噪声电平鹏 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 相差1 0 1 0 0 0 欧姆。 2 1 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1 0 0 d b k m 。信 号衰减的特点：时间不同，衰减幅度也不相同；信号频率不同，衰减幅度也不 同：距离不同，衰减幅度也不同。 2 2 低压电力线载波通信调制技术分析 由于电力线信道的复杂多变，其它通信应用标准中的调制技术和媒介接入 过程应用于电力线时，都必须经过相应的修改。在低压电力线载波通信中，最 为突出的技术就是扩频通信和正交频分多路复用( o f d m ) 技术，这两种技术都 具有很强的抗干扰，抗多径效应的能力，能很好地适用于电力线特殊的通信环 境。 正交频分多路复用( o f d m ) 技术，其基本原理是将高速的串行数据流转化 为低速的并行数据流，再将这些并行数据流调制在相互正交的子载波上实现并 行数据的传输【1 9 - 2 0 。但是o f d m 被广泛应用于高速数据接入系统中，如高速数 据用户线路( h d s l ) ，非对称数字用户线路( a d s l ) 和甚高速数字用户线路 ( v h d s l ) 以及数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播( d v b ) ，高清晰数字电视 f l i n t y ) 和无线局域网( w l a n ) 通信。在电力线通信方面也已经出现了使用 o f d m 技术的电力线调制解调器，其传输速率可达1 4 m b p s ，如i n t e l l o n 公司 的p o w e r p a c k e t 产品【2 m 3 1 。 考虑到多种p l c 技术特点：扩频技术速率适中，抗干扰能力强，较易实 现；并且o f d m 技术硬件实现复杂，编写软件时考虑的要素较多。根据课题 的任务，从实际需求出发，从实现性、开放性、扩充性等方面考虑，得出结 论：在低压电力线通信中，扩频是使电力网成为实用通信网的较为成功的技术 之，一【2 2 _ 2 3 l 。 2 2 1 扩频调制技术 扩展频谱通信技术( 简称扩频通信) 是一种信息传输方式，其信号所占有 的频带宽度远远大于待传输的信息带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列 来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用 同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。由于在信息的传输过 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 程中，信息的频谱被扩展，使得扩展频谱通信技术有很强的抗干扰能力。可以 实现码分多址抗多径干扰、抗衰落、克服远近效应等优点，因此该技术被广泛使 用。扩展频谱通信技术分为直接序列扩展频谱通信( d s ) 、跳频通信( f h ) 、 跳时通信( t h ) 和线性调频( c h r i p ) 四种方式 2 4 1 。 扩频调制的几种主要方式： 1 直接序列扩频( d s s s - 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 ) 直接利用具有 高码率的扩频码序列和采用调制方式在发送端扩展信号的频谱，而在接收端， 用相同的扩频码序列进行解扩，把加宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一 种数字调制方法。 2 跳变频率扩频( f h s s f r e q u e n c eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 调频扩频技 术是通过伪随机码的调制，使载波工作的中心频率不断跳跃改变，而噪音和干 扰信号的中心频率却不会改变。只要收、发信机之间按照固定的数字算法产生 相同的伪随机码，就可以达到同步，排除噪音和其他干扰信号。 3 跳变时间扩频( t h s s t i m eh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 跳时是使发射信 号在时间轴上跳变。先把时间轴分成许多时片，由扩频码序列来控制哪个时间 片发送信号。在发送端，输入的数据先存储起来，由扩频码发生器的扩频码序 列去控制通断开关，经二相或四相调制后再经射频调制后发射；在接收端，由 射频接收机输出的中频信号经本地产生的与发端相同的扩频码序列控制通断开 关，再经二相或四相解调器，送到数据存储器和再定时后输出数据。只要收、 发两端在时间上严格同步进行，就能正确地恢复原始数据。 4 混合式扩频方式几种不同的扩频方式混合应用，如直扩和跳频的结 合( d s f h ) 、调频与跳时的结合( f h t h ) ，以及直扩、跳频与跳时的结合 ( d s f h t h ) 等。 2 2 2 扩频调制原理 扩频调制是指被发射的数据信号发送到信道之前，其频带被扩大若干倍 ( 简称扩频) ；而在接收端，接收信号的频带则被缩小相同的倍数( 谓之解扩或缩 频) 。当信道存在某种窄带干扰时，由于干扰是在发射信号被扩频之后才加入 的，所以接收端的解扩操作在将期望信号缩回到原带宽的同时，还会将干扰信 号的带宽扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽带干扰，减小了干扰的功率 谱密度。因此扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响，实现抑止窄带干扰的 目的。并且扩频越宽，系统抑制窄带干扰的能力就越强【1 6 1 1 2 7 挪l 。典型的扩频通 信系统结构如2 2 图所示。 哈尔滨理t 大学工学硕：e 学位论文 解扩频 图2 - 2 扩频通信系统结构图 f i 醇一2s p r e a df r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e md i a g r a m 假设待定发送数据的速率为( b i t s ) ，发射功率为s ( w ) ，信道存在一 般的热噪声n o ( w h z ) p a 及某一具有功率j ，带宽为wj 的加性干扰。通过扩频 调制，发射信号的带宽从r b ( h z ) 扩大为w 鼹( h z ) 。其中，其中w 。如， 表示扩频带宽。解扩后，期望信号的带宽再次等于轧( h z ) ，而干扰的功率谱密 度由于带宽被扩展为w 。( h z ) ，而成为n i = 阶蠢。因此接收端接收信号的等效 的比特能量e b 与总噪声能量n t 之比可表示如下： 墨：墨：兰! 鱼 n tn q + nj n q + j w s s 通常情况下，信中的干扰噪声远大于热噪声， 下式： ( 2 - 1 ) 即n j n o ，因此可以得到 墨墨：里生= 曼监 佗2 ) a t a lj w 褥 j r b 、 式中比率w s s r b 为扩频比，又称通信系统的处理增益，由于接受机的性 能取决于e b n t ，因此系统可以通过提高信号的发射功率和处理增益来获得有 效的抗噪声性能。而当发射功率一定，码速率一定的时候，便可通过提高扩频 带宽w s s 来提高系统的抗噪性。数据扩频前后的功率谱密度如图2 - 3 所示： 哈尔滨理| t 大学工学硕士学位论文 图2 3 数据扩频前后的功率谱 f i 萨3p o w e rs p e c t r u mb e f o r ea n da f t e rt h ef r e q u e n c ys p r e a d 图中示出了发射端扩频调制前后的数据功率谱图。从图中可以看出，发射 信号经扩频调制后，能量平均分布在某一扩频带宽内( 曲线2 ) 。当接收端做解 扩操作时，会将扩频信号p ( f ) d ( f ) 缩频，即将图中的曲线2 所示的扩频信息缩 频为曲线1 所示的实际数据信息。同时，解扩操作也将干扰信号，( ，) 扩频为 ，o ) d ( ，) ，降低了噪声的谱密度。扩频带宽越高，解扩后的噪声谱密度越低。 这就是扩频通信提高系统抗噪性的原理。 图2 - 4 中，a ) 为需发送的信息序列；b ) 为扩频码序列，由7 个码片组成； c ) 为扩频调制后的信号，是信号a ) 和信号b ) 相乘的结果。接收时，只需用相同 的扩频码序列与接收到的码序列相乘，即可还原出原始数据。 扩频后的码序列应该是不可预测、伪随机的宽带信号，因此扩频码应该具 有以下几个基本性质冽： 1 “0 ”和“l ”的出现频率各为1 2 。 2 令二进制随机序列的长度为n ，则连续出现n 个0 或i 1 个l 的次数应 各为n 2 硝。 3 若将给定的二进制随机序列位移任意纷0 个元素，则所得序列应和原 序列有一半元素相同，一半元素不同。 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 l o， r t i i j ； ； l | ； i l b ) 。 ； ： ： t c ) 图2 - 4 扩频调制原理图 f i 醇- 4f r e q u e n c ys p r e a de n c o d i n gp r i n c i p l ec h a r t 2 2 3d p s k 相位调制 相位调制分为“绝对相移”方式和“相对相移方式两种。所谓“绝对相 移 方式，就是用确定的载波的不同相位值去代表数字信息中不同的符号，所 谓“相对相移”方式，不是用确定不变的载波的不同相位值去代表数字信息的 不同符号，而是用载波的前后相对不同的相位值去代表数字信息的不同符号。 具体的表达符号和波形图( 对二进制波形) 如图2 - 5 所示。( a ) 是基带数字波形 j ( f ) ( 二进制、单极性矩形脉冲) ，2 p s k 波形的规则如下： 用载波的确定的零相位代表s ( f ) = o ； 用载波的确定的7 相位代表s 0 ) = 1 ； 2 d p s k 波形的规则如下： 用载波的相对相位不变( 后码元对相邻的前码元来说) 代表s ( f ) = 1 ； 用载波的相对相位改变，r r a d 代表s ( f ) = 0 ； 当然，这种规则不是绝对的，也可以反过来应用。但不论如何规定，我们 都可以发现：在绝对相移方式中，是以未调的载波作为参考相位的。因而，接 收端在解调时必须具备这样一个参考相位。通常，接收端的载波恢复中常常出 现“倒相 现象。使恢复出来的符号“1 ”和“0 ”互相颠倒，叫“反向工作 。而 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 在d p s k 方式中，就没有反向工作的问题( 因没有固定的参考相位) ，所以， 实际应用时大都采用d p s k 方式。 基带波形 ( a ) i 1r， l 冗。万冗0 0 基带波形 ( b ) i1 0 2 3 本章小结 图2 - 52 p s k 和2 d p s k 的波形 f i 9 2 - 5t h ew a v eo f 2 p s ka n d2 d p s k o 本章首先对低压电力线载波信道分析，电力线载波通信的信道环境恶劣， 线路阻抗小，信号衰减强，干扰大且时变性大等特点；其次论述了扩频调制技 术，扩频调制原理及d p s k 相位调制。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章硬件设计 3 1 通信系统硬件设计的总体方案 一个可靠的电力线通信网络的实现并不是那么简单的事情。一般简单的电 力线网络由以下几部分组成：发送方p c 机与单片机的接口的通信，发送单片 机与外围电路通信，电力线的传输数据，接收方单片机与外围电路通信，接收 方p c 机与单片机的接口的通信。本文的设计框图如图3 1 所示。 u s b 芯片 9 6 0 4 微控器 8 0 5 l f 2 3 l 赛客篓h 鍪h 竺竺h 墨萎h 耦合 剖卷慷辘蒯嚣 眦1 0 2h 变频h 翟妻h 冀要h 电明 图3 1 电力线载波通信模块原理框图 f i g3 - 1t h ed i a g r a mo f p l cm o d u l e 传统的外设与主机的通信接口一般是基于p c i 总线、i s a 总线或者是r s 2 3 2 c 串行总线。p c i 总线虽然具有较高的传输速度( 1 3 2 m b s ) ，但其缺点是插 拔麻烦，且扩展槽有限( 一般为5 - 6 个) ，i s a 总线显然存在同样的问题。r s 2 3 2 c 串行总线虽然连结简单，但其传输速度慢( 5 6 k b s ) ，且主机的串口数目也 有限。 通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是1 9 9 5 年康柏、微软、i b m 、 d e c 等公司为了解决传统总线的不足，而推出的一种新型串行通信标准。 u s b 接口可以提供+ 5 v 电源，可以直接为外设提供。而且u s b 接口具有热插 拔，用户可以把u s b 外设连接到一台正在运行的p c 机上，操作系统能自动识 别，并且用户可以立刻使用，而不需要重新启动p c 机；即插即用，u s b