（电路与系统专业论文）适于低压电力线高速通信的调制技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘登 摘要 l 乜j 线通信( p l c ) 技术足指利j j 电力线传输数搦的一种通f j 打l = 。l 乜力i 础络 儿竹攫盖而j “，接入方便灵活的特点，作为接入网使用具r 彳】独特的优铸。似址m 力线信道存在的各种噪声、衰减和多径干扰，这些部人人挺新了迎竹的雄度。扩 频嗣i i f 交频分复用( o f d m ) 技术成为抵抗电力线上各种1 扰的热fj 调制技术。 奉文首先介绍了电力线通信的相关背景知识，包括发展现状、发展趋势及舸i 天i q 际组织嗣l 标准，接着分析了低压电力线的信道特性，片进伊了低城l u 力线多 释f ? i 逝模型。然后研究了适于低压电力线信道特性的调制技术，对两种j t - 1 5 掰抗 1 4 扰性的数字调制技术：扩频通信技术( s s ) 和诈交频分复i j ( o f d m ) 投术进 行了理论分析和仿真由于o f d m 和c d m a 的优缺点互补。并行利弊在研究 o f d m 和c d m a 技术的基础上，提出了把o f d m 和c d m a 斗1 i 结合的技术 多载波码分多址( m c - c d m a ) 应用于低压电力线通信，并对i 幺技术进行了理论分 析和仿真，仿真结果表明m c c d m a 比o f d m 可以获得更好的性能：最后，本 文分析比较了当静的电力线通信解决方案并选用美国i n t e l l o n 公i 的i n t 5 1 x l 芯 片设计了电力线通信系统框图，并就关键电路模块进行了分析设计。 关键词：电力线通信、信道模型、扩频、正交频分复用，i n t 5 i x a b s l m ：i a b s t r a c t p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) i saw a yo fc o m m u n i c a t i o ni nw h i c hp o w e r l i n e i su s e da sac o m m u n i c a t i o nm e d i af o rd a t at r a n s m i s s i o n w i t hi t sw i d ec o v e r a g ea n d c o n v e n i e n ta c c e s s t h ep o w e r l i n en e t w o r kg r a n t si t s e l f a sau n i q u ea d v a n t a g e o u sa c c e s s n e t w o r k b u tt h en o i s e s ，t h ea t t e n u a t i o na n dt h em u l t i p a t hp r o p a g a t i o ni n h e r i n gi nt h e p o w e r l i n em a k e ss u c hak i n do fc o m m u n i c a t i o ns y s t e mv e r yd i f f i c u l tt ob er e a l i z e d s p r e a ds p e c t r u ma n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) h a s b e c o m ep r o m i s i n gm o d u l a t i o nt e c h n i q u e st or e s i s tv a r i o u sn o i s e sa n di n t e r l b r e n c e s b r i e fb a c k g r o u n d so fp l ca r ei n t r o d u c e d f i r s t l y s u c h a si t s h i s t o r y 。i t s d e v e l o p m e n tt r e n d s ，t h er e l a t e di n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o n sa n di t ss t a n d a r d s t h e nt h e c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c so fl o w - v o l t a g ep o w e r l i n ea r ea n a l y z e da n dam u l t i p a t hc h a n n e l m o d e lo fl o w - v o l t a g ep o w e r l i n ei sb u i l tu p t h e r e a f t e r t h em o d u l a t i o nt e c h n i q u e s s u i t e df o rt h el o w - v o l t a g ep o w e r l i n ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d t w od i g i t a l m o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，s p r e a ds p e c t r u ma n do f d m ，w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so f r e s i s t i n gt h eh i g hi n t e r f e r e n c e s ，a t ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l ya n ds i m u l a t e dw i t h m a t l a b s i n c et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fo f d ma n dc o d ed i v i s i o n m u l t i p l e x i n ga c c e s s ( c d m a ) a r ec o m p l e m e n t a r y ，b a s e do nt h es t u d yo fo f d ma n d c d m a m u l t i c a r r i e rc d m a ( m c c d m a ) w h i c hi sac o m b i n a t i o no fo f d ma n d c d m a ，i ss t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r o p o s e dt ob ea p p l i e dt ol o w - v o l t a g ep o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tm c c d m ah a sb e t t e rb e r p e r f o r m a n c et h a no f d m f i n a l l y ，s o m ec u r r e n tp o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ns o l u t i o n s a r ec o m p a r e da n di n t 5 1 x io fi n t e l l o nc o r p o r a t i o ni sc h o s e nt od e s i g nap o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m 1 1 1 ek e yc i r c u i tm o d u l e so ft h i s s y s t e ma r ed e s i g n e da n d a n a l y z e d k e y w o r d s ：p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n c h a n n e lm o d d s p r e a ds p e c t r u m o f d m i n t 5 l x l 独创生( 或创新性) 声明 本文声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进j j ：的研究i ：作及l ) c 绀f | j 研 究成粜。尽我所知，除了文q - 特别加以标注和致谢一 ，所罗列的内容外论文1 i 包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安i 包f 科技人学或j 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的川忠对木研究所作 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 l j 请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责仃。 本人签名：了螽鹧 r 期：如；- ) 印 关于论文使用授权的声明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离 校后，发表论文或使用论文工作成果时署名仍然为西安电子科技大学。学校有权 保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全部或部分 内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文( 保密论文解密后遵：j 。此规 定) 。 本人签名：碡鹧 导师签名： 彬刎 | = = 1 期：矗弹；o o i ：= 1 期：矽乡、? 彳7 孙乖纳论 第一章绪论 1 1 电力线通信简介 i u 力线通信技术，英文简称p l c ( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，址指利川l 乜 力线传输数搬和话音信号的一种通信方式。该技术足把钱f i - f 扎想的“频加找j ：i 乜 流，然后用f 乜力线传输，接收信息的调制解凋器再把商频信 j 从i 乜流- i 一分离水， j i ：传送到计算机或l 乜话，以实现信息传递。在低f i i ( 2 2 0 v ) 领域，p l c 技术i y j 先川 j ：负衍控制，远程抄表和家膳自动化，其传输速率一般为1 2 0 0 b p s 或业低，杨：为 低速p l c 。近几年幽内外丌腱的利j j 低压电力线传输速率在l m b p s 以i ：的i 乜力线 邋信技术称之为商速p l c 。玖技术在不需要重新白线的基础上，舀：现，f r f 也线上实 现数据、语音和视频等多业务的承载，目前高速p l c 已可传输商达2 0 0 m b p s 的 数据，而且能同时传输数据、语音，视频和电力，有可能带来“阴网合一”的新 趋辨。终端用户只需要插上电源插头就可以实现因特网接入，电视频通接收竹 h ，打电话或者是可视电话。 图1 1 为典型的p l c 系统应用示意图。在配电变压器低i 丘出线端安装p l c 主站，将电力线高频信号和传统的光缆等宽带信号进行互相转换。p l c | i 站的 侧通过电容或电感耦合器连接电力电缆，注入和提取高频p l c 信号：另一侧通过 传统通信方式，如光纤、c a t v , a d s l 等连接至i n t e m e t 。舀：川户侧，j j 广，的汁卯 机通过以太9 啊接口或u s b 接口与p l c 调制解调器相连，普通话机通过l u 1 i 接rj 连至p l c 调制解调器，而p l c 调制解调器直接插入堵上电源插座。如果p l c 高 频信号衰减较大或干扰较大，可以在适当的地点加装中继器以欣人信号。 i 划i 1 媳，p 的p l c 系统f j i j l i 艺c 旧 2 适j 低j f 、l u 力线i 确述通价的州制i 土术研究 i ，日e 他通信方式枷比，高速p l c 具存如下优越性。 1 允分刷j j 观彳f 的低脏配 乜刚络毖 i ；l ：设施，无需任何和线，足种”n on e w w i r e s ”技术杠约了资源。无需挖沟、丸需穿墙打“一日，避免了对建筑物年i i 公川 改施的破坏： 2 ) i i r 以为川户提供价格低廉的高速因特阀访问服务、i p 话音服务，从而使川j ii ： 网和引。l u 衍增加了新的选择，有利于例其它电信服务断的竞争； 3 ) 对家庭联| 叫提供支持，使人们可以尽亭山p l c 技术带来的家庭音、视频l 叫络， 多人对抗游戏等娱乐： 4 ) 是家膳f l 幼化的尘力军，通过遍布各个房m 的墙上插座将智能家f 也联网，挺前 拿f j 数，化家庭的舒适和便利： 5 ) 利j l jp l c 的永久在线连接构建的防火、防盗、防有毒气体泄漏等的保安监控 系统，让l ：班族高枕无忧：构建的医疗急救系统，让家有老人、孩子和疵入的 家庭f 齐感方便； 6 ) 远程自动读出水、电、气表数据，为公用事业公司节省大量的抄表费用也方 便了用，o ： 7 ) 为电力公司提供负荷控制、需求侧管理的新手段，提高电力公司管理水平； 8 ) 电力公司以极低的投资就可以进入i s p 、i c p 和话音等电信服务市场，成为新 的利润增长点； 9 ) 实现数拟、话音、视频、电力”四网合一“，创造巨大的经济和社会效益。 1 2 国内外电力线通信的发展现状及趋势 1 2 1 固外l 乜力线通信的发展现状 1 ) 欧洲 当前，在高速p l c 进行商用化运营方面走在前列的是德国公司。德团顶级电 力公司r w e 集团从1 9 9 7 年丌始与瑞士的a s c o m 公司合作丌发p l c 技术， 2 0 0 0 年5 月，丌始进行2 0 0 户参与的现场试验。2 0 0 1 年3 月，r w e 公司和a s c o m 发起项名p o w e r n e t 的计划，两家公司将向大约2 力- 用户提供这种利用电源线 路的! i = 联两接入服务。2 0 0 1 年7 月还丌展了r w ep o w e r n e t 计划，r w e p o w e r s c h o o l 和r w ee h o m e 三项业务。 英【l i 的n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就丌始研究电力网技术，1 9 9 5 年，该 公一d 义j 加i 拿大北电网络( n o r t e l ) 联手，共同7 r 发这项新技术。1 9 9 6 年9j j 红 c i g r e 人会j v j f j 向各 日代表展示了样并提供了在曼彻斯特进行2 0 ，! - 的试验 求像。f 输迷二笨达剑im b p s ，f | k 能褂剑推r 。1 9 9 8 年就已成功地进i j 了采川 鼐。行结论 f 0 统n 勺输i 【i 线路进行联m 接入的试验。 2 0 0 4 年f ! u , i - 以水，西班爿：d s 2 公r d 先后推j f 4 5m b p s 、2 0 0m b p s 的芯”； 2 ) 北炎 奖旧i n t e l l o n 公司继1 4 m b p s 芯”投入实际应j f j 后。2 0 0 4f l i1 0jj 肝义相i 继外 笈j l ；8 5 m b p s 、2 0 0m b p s 的芯片产品。 2 0 0 4 年l o 月荚嘲联邦通信委员会( f c c ) 发自j 了。项父j ：支持i t ! j j 线赶带通佑 服务的规! j i i j 通告( n p r m ) ，修改了f 乜力线宽带j ：嘲的些技术 t 制舭! l ! i j 以擞肭 笈瓞pl 1 ：宽带业务的商业化应j 玑 2 0 0 4 年7 月2 01 1 ，关围电气电f 工程师学会( i e e e ) ? ( 机制定i u 力线宽倦 硬件规格“i e e ep 1 6 7 5 ( s t a n d a r df o rb r o a d b a n do v c l p o w e r l i n eh a r d w a r e ) ”，争 取在2 0 0 6 年中期完成规格的制定。 3 ) 几韩 h 本于2 0 0 4 年8 月解除了禁止在只本国内进行p l c 试验的限制，此后尔床 i 也力立即做出了p l c 技术的推广计划。2 0 0 5 年7 月，多家大型l i 奉i 乜。r 公，4 成 立了个名为消费电子电力线通信联盟( c e p c a ) 的组织，旨舀j 促进建：讧家庭i u 力 线i 叫络。联盟计划利用现有的家庭电力线连接家庭内部的各种消赞类设备，如 d v d 播放器、p c 机、数码相机、电视和i p 电话等。最近，该联i 盥m 在努力吸引 荚幽公司加入这一非赢利组织。除松下外，加入联盟的企业还包括z 菱i ur 厂、索 尼，闩立、先锋、三洋、东芝以及雅马哈。2 0 0 5 年7 月，n e c 直币j 利川审内i t l 线 的通信技术“电力线载波通信”进行实证实验。实验中使j 】的调制解凋器山 东洋通信机生产，速度达到业界最大的2 0 0 m b i t 秒。 韩国x e l i n e 公司成立于1 9 9 9 年5 月，主要业务是丌发、制造、销售膝i 二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 产品解决最后一一公艰接入、家 庭网络应用的方案，在韩国汉城建立了与互联网相连接在示范点。该公司并柞：德 囡、闩本、美国、中国等地建设了p l c 试验点。 1 2 2 国内电力线通信的发展现状 自从英国诞生高速p l c 技术以后，我国的研究机构也进 j ：了相应的研究，取 得了一定的成果。中国电力科学研究院自1 9 9 9 年j l ：始从事商速p l c 的研究一l ：作， j i ：发了2 m b p s 、1 4 m b p s 、4 5 m b p s 等高速p l c 系列产品。j ：j ：2 0 0 1 f8j 】起住 沈1 n | 电业新村小区建。注了我j 日第。个高速p l c 实验网络，j r 通了耱j 该m 络的数 f 化利：i = 。 l 建也力试验研究院j 1 j ：家庭捅i u 联龇钿i 准，研制了1 0 m b p si u j 线 渊制解删器。从2 0 0 1 年1 2 j 起，嘲l u 通竹- i t 心j l ：始至1 i 织1 日内外j 向f 1 ：北l i 的 4 适j 。低j k i u 力线“述迎竹的州：i i l | 土术训究 譬小i ) ( ”眨ll i 力线i - m 实验。包括华轩小的韩 日x e l i n e 公t d1 4 m b p s ，“i 讪、 o # j ； l 硝小l x ：的埔l 二a s c o m 公i j 】4 ，5 m b p s 产品( 含i pf l i 诵功能) 、善粜小i x 哟 f l ；缱 i u j 试验 i j 究院1 0 m b p s 产船、i 岳峰旧小隧的炎闰l e a p 公i d1 4 m b p s 产f i f i ，椿树 i 州小lx ，1 6 j 楼的西班爿：d s 2 公司4 5 m b p s ，“- 以及华能平渊l l 小k30 楼l f i i qq ! _ ) j # l - f 究院的1 4 m b p s 产品等。 1 2 3i u 力线通信的发展趋势 确：术米的宪带接入服务市场，电力线1 二嘲必将占有夔婴的一席之地。 o ，则保留e ，若e 0 则令p = o ，表示信道干扰或衰减过大而不分配功率； 3 ) 计算所有的所，即是= 弓，并与匕比较； 4 ) 若是圪! 则调整k ，重新执行第2 ) 步，直到足= 昂； 5 ) 得到p 后，由式( 2 2 0 ) 可得信道容量。 2 5 本章小节 本章首先分析了电力线信道的时变、阻抗、衰减和干扰特性，然后针对乜力 线上的干扰噪声进行了建模和分析，通过建立低压电力线信道的多径传输模型， 对其传输函数进行了仿真，仿真结果与理论分析结果基本一致。根据 w a t e r f i l l i n g 定理推导了给定发射功率情况下，实现信道容量的最大化。尽管 建立一个通用的精确模型来模拟所有的电线信道非常困难，但本方案对理论分析 仍有十分重要的指导意义，它为系统和深入地研究电力线载波通信打下了= 良好的 基础。 第二三帝低挑也力线通f 矗的谢澜技术 第三章低压电力线通信的调制技术 为了克服低压电力线上传输数据的困难，人们试图将先进的数f 。；吁处尹i ! 技 术，j i 入到p l c 中。针对低压电力线信道上的各种干扰及噪声，陶内外f ? 家学者进 行了大量的研究，也提出了很多抵抗低压电力线f 扰及噪声的方法，研究的热点 足两种具有高抗干扰性的数字调制技术：扩频通信技术( s s ) 和i f 交频分复j i 】 ( o f d m ) 技术。 3 1 1 扩频通信的原理 3 1 扩频通信技术 扩频通信即扩展频谱通信( 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 ) 的简称。扩频通信 技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于信息的带宽。频带的 扩展是通过一个独立码序列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、解扩来恢复所传信息数据。因为扩展 了信号频谱，所以扩频通信具有一系列独特的优点。 为了将要发射的信号扩展到一个很宽的频带上，扩频系统需要在频带和技术 复杂性方面付出昂贵的代价，这样做能得到什么好处呢? 从著名的香农( s h a n n o n l 定理中可以找到答案。 香农定理指出；在商斯白噪声干扰条件下，通信系统的极限传输速率( 信道容 量) 为： c 2 w i 0 9 2 ( 1 + 嵩) o 1 ) 其中c 信道容量( b i t s ) w 信号带宽( h z ) n 噪声平均功率 s - f 言号平均功率 当s n 很小时( o 1 ) 得到： = 最警( 3 - 2 )1 4 4s l ：式说明： 1 ) 要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加f 譬输信吁的带宽 或增加信噪比束实现； 2 ) 红给定的传输速率不变的条件下，频带宽度w 和信噪比s n 址可以，i 换的。 适j 。低k f n 力线南速通f ：的埘制技术研究 即i i 通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下传输信息。扩腱频卅换 取f 矗啜比要求的降低，乍是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的应j l j 奠 定了基础； 3 ) 当带宽l ! 加到一定程度后，信道容量不可能无限制地增加。因此，在无差错化 输的f 青息速率不变时，如信噪比很低( n s 很大) ，则可以用足够宽的带宽束传 输信号。 扩频通信的主要优点： 1 ) 抗f ：扰 ，i ：能好： 扩频技术其有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、巾继转发式f 二扰 的能力有利于电子反对抗。d s s s 、f h s s 、d s f h 、d s t h 等系统对多径十 扰不敏感如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波，可以使多径干 扰消除，这对军用和民用移动通信是很有利的。 2 ) 保密性好： 山于扩频系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特 性，经它调制后的数字信息类似于随机噪声。将其用于保密通信中，敌方采用 普通侦察手段和破译方法不易发现和识别信号。接收端进行解扩时，只有当本 地码和发射的伪码完全一致时，才能有效地恢复信息。不易被破密。若要破密， 必须准确地知道所用伪随机码的种类、码长和初相，这显然是比较困难的。 3 ) 低通量密度： 扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位带宽内的 电波“通跫密度”，这对空日j 通信大有好处，可以防止对地面通信的干扰。对 于无线电波运载的各种信息充塞了有限“时频空日j ”的大城市，使用扩展频谱 码分多址通信技术，可以解决常规通信中存在的难题一电波拥挤的缺点，故扩 频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。 3 1 2 扩频通信系统的基本模型 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 ) ：前面讨论过的扩频通信，就是直接序列扩 额系统。直扩系统采用高码速率的直接序列伪随机码在发端扩展信号频谱，在收 端采用棚同的伪码( p n ) 进行相关解扩，得到原始信息数据。它是由于待传信息信 号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制射频信号的某个参量，扩展了传 输带宽l f i i 他名的。 ( 2 ) 跳频扩频系统( f h s s ) ： 第三章低压电力线通信的调制技术 j ， 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，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变跳变系统可以随机选取的频率数 通常是几千到2 加个离散频率。 f h s s 实际上是一个“多频、选码和移频键控”系统。在跳频系统中控制频 率跳变的指令码的速率，没有直接序列扩频中的伪码速率高，一般为每秒几十跳 到几万跳。f h s s 中扩展频带的宽度是由跳变的频率总数n 和频率跳变的最小间 隔来决定的 ( 3 ) 跳时扩频系统( t h s s ) ：跳时是用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时 间发射信号的“有”、“无”同伪码系列一样是伪随机的。把传输一个原始信息 位的时间分成许多片断，在哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。也就是 采用特定的伪码控制的多时片的时移键控由于采用了比原始信息位所占时间窄 得多的时片发送信号，所以信号的频谱展宽了。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 ) ：就是发射信号的载频频率在信息脉冲持续周期内作线性变 化，由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，所以这种通信系统 也是一种扩频调制系统。线性调频和直扩相似，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，其载波频率在信息脉冲周期内进 行线性变化 在电力线通信中，应用的扩频通信方式主要有直接序列扩频s - s s ) 和线性调 频( c h i r p ) 两种 下面以伪随机码序列作扩频函数的直接序列扩展频谱通信为例来研究扩频系 统的数学模型1 3 1 ， 掣瞪攀计倒爵圆 囱圉 l 器 ii 嚣 i ( b ) 图3 1 扩频通信系统模型( a ) 发送部分( b ) 接收部分 如图3 1 所示为扩频通信系统模型，信源产生的信息流 吼 通过编码器输出 适j ：低l t 0 1 u 山线：i 述通价的埘制技术研究 ：进制数：信垮d ( ，) ，d ( ，) 与一个高速率的二进制伪随机码c ( ，) 相乘，得剑复合 信譬d ( f ) f ( f ) 。一般伪随机码的速率是m b s 的量级。有的甚至达剑几阿m b s 。 f 酊待传信息流 以 经编码器编码后的码速率较低，数字话音信号一般为3 2 6 4 k b p s ，这就扩展了信息的速率。扩频后的复合信号对载波调制( 血接序列扩频- 般j l 】b p s k 调制) 后，通过发射机送入信道中传输。s ( ，) 的射频带宽取决j j 伪i ；f f 移l 码c ( ，) 的码速率。在b p s k 情况下等于伪随机码速率的2 倍，而与数7 信息流 的码速牢几乎无关。以上处理过程就达到了扩展数字信息流频谱的h 的。 在接收端用一个和发射端同步的伪随机码f ( ，) 所调制的本地振荡信号，j 接 收到的信号迸行相关处理。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) ，得到域火 的相关峰值经数据检测器恢复发射端的信号为d ( ，) 。若信道中存在着干扰，这 些于扰包括窄带干扰、单频干扰、多径干扰或码分多址信号。它们和有用信号嗣 时进入接收机。由于窄带噪声和多径干扰与本地扩频信号不相关。故在相关处理 中被削弱，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。 棚关器后的箍带滤波器只输出基带信号和处在滤波器通带内的那部分干扰, l - l l t 噪 声，这样就大大改善了系统的输出信噪比。如图3 2 所示为扩频通信系统的实现 过程。 凡一凡+ e - 恻3 2 扩频j i 耍信系统的实现过程 编p 5 信号功串璇 发送扩频信号功率潜 接收信号功率瞒 解扩后信号助半谱 滤波府价5 j j j 年讲 第三章低城i 也力线通价的鹕制技术 出上面对扩频通信系统的定性讨论中，我们知道了现代扩频通信系统从部件 或框图上看，没有什么新东西。它与常规通信系统榭比，发射端增加了个商迷 率的伪随机码。并与数字信号实现波形相乘。接收端增加了一个本地扩频码，j 接收到的信号进行一次相关解扩经过这些处理，扩频系统就比常规的_ l i 礁信系统 具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。此外还麒仃信息隐蔽、 低的空f n j 无线电波“通量密度”及多址保密通信等优点。 3 1 3 扩频通信系统的抗干扰性能分析 i t ) 扩频系统处理增益和干扰容限 在信息接收系统中，如果输入、输出信噪比分别为( 剐) 和( 剐n ) o ，常用系 统处理增益g 表示系统对信噪比的改善程度。 定义g = 名篑或q 1 0 1 9 ( s ，l - l0 1 9 ( s l ( 招)( 3 3 ) 假如收到的信号平均功率为p ，信号带宽为芝，则平均功率谱密度为缉；假设 其它信源发出的干扰信号的平均功率为p ，则干扰信号的平均功率谱密度为 g b , ，接收信号的输入信噪比为： ( s ，l = 丽t b , ( 3 4 ) r ，为噪声功率密度接收机解扩后，能在基带信号带宽吃内获得全部信号功率， 平均功率谱密度为尸吃，其它干扰信号不被相干解扩压缩干扰信号功率仍分砸j 在带宽置内，平均功率谱密度不变，故解扩后输出信噪比为： ( s l = 而e e , ( 3 5 ) 系统处理增益为： q = 器= 毒= 考 c 。石， ( 2 ) 抗单频干扰能力 如图3 3 为扩频通信抗单频干扰示意图，假设数据调制和扩频调制都采用 b p s k ，干扰信号是对准传输带宽中心频率的功率为j 的单频干扰。接收信号为： r ( ，) = 、i 2 s d c d f ) c 和一r ) c o s ( c a o + 妒) + 4 2 j c o s ( o - o t + 妒) ( 3 - 7 ) 接收信号功率瓒为： 适于低压电力线高速通信的调制技术研究 s , t f ) = 三碑 簖【彤一五) 正卜勋2 【彤+ 工) z 】 + 三j 阿一f o ) + 盯+ 石) 】( 3 8 ) 解扩输出信号： 。 y ( f ) = 届0 ( f | _ f ) c o s ( ，+ 伊) + 至_ c ( t ) c o s ( c o o t + p ) ( 3 9 ) 则解扩输入信号功率谱为： s a y ) = 三蹈 勋2 【彤一石) i 】+ 勋2 【彤+ 石) 巧b + 吾s c 勋2 【石( 厂一五) c 卜2 【石u + 五) i 】 ( 3 - l o ) 。 通过滤波器的干扰功率为： 图3 3 抗单频干扰示意图 i o = s 1 日1 2 a t ( 3 - 1 1 ) 考虑正负轴对称性： 2 謦矽= 皿睁2 防u 圳瓦协 由于瓦“l ，s a 函数在积分范围内近似为常数1 ，于是 山= ，号2 瓦j ( 3 - 1 3 ) ( 3 ) 抗多径干扰能力 多径干扰属于乘性干扰，是由于电波传播过程中，遇到各种反射体，引起反 输一：簪低j k i 乜力线通衍的嗣捌技术 射或敞射，在接收端收到的直接路径信号与这蝗群反射信i ，之n u 的1 9 i 机l ：涉肜成 的。i i | 于多径干扰信号的频率选择性衰落和路径引起的传播i i j 延，使价 ，j r 哦的火真和波形展宽，并导致信息波形重叠，使通信系统发，j i 咂的跌m 。 l i 在上i i 纪5 0 年代，哈尔凯维奇从理论上证明：要客服多径衰落i ：扰的影响。 f 矗通1 1 1 传输的最佳信譬形式应该足具订臼噪声统计特性的信0 形式。j 功频函数 ( 伪随机码序列) 逼近臼噪声的统计特性，因而扩频通信义l f f 抚多径i 二扰的能 。13 1 3 i ， 经分析表明，伪随机码尖锐的丰1 j 关特性使多径射束完全独讧。1 人1 i | j 扩展频珧 系统具仃抗多径干扰的能力，即对多径干扰不敏感。归纳其原i j 寸如卜： 1 ) 埘于直接码序列调制，由于伪码相关函数具有尖锐的蜂值，i ，多径传插时延： 小于一个码元t c 时。反射信号与直接信号叠加，看作信号的一部分，对彳1 j 数 字信号略有影响，叠加在伪码上的信号只影响其幅度，而不产生对伪码信号的 肢宽或压缩，故不影响系统的信息传输。但多径时延超过一个码冗宽度t c 时， 由于互相关系数为零，则作为噪声处理。 2 ) 当码元t c 相当窄，且伪码长很长时，系统的频谱很宽，反射刈来的多径频率 分量不可能同相地到达接收点，所形成的多径干扰信号在相天检钡j j q , 被削弱。 3 ) 在跳频系统中，其瞬时带宽一般均能满足相关带宽的要求。故1 二扰信号不影响 跳频系统接收有用信号。 因此在一般常规通信中，被认为极难对付的多径干扰，在扩频系统巾得剑解 决。 3 1 4 扩频技术在p l c 中的应用 对付干扰，人们早就积累了丰富的经验，扩频调制就是一种十分有效的技术 手段。目前国内外的很多低压载波芯片几乎毫无例外，都采用了扩频调制方式。 确实它对提高信道物理层通信能力起到了重要的作用。但仔细分析就会发现。依 然存在报本性矛盾没有解决。我国低压载波通信频段规定在4 0 - 5 0 0 k h z 左右。这 就限制了扩频调制只能是窄带扩频。通过计算可以知道，在规定频率范围内，我 们可以获得的窄带扩频增益，大约在2 0 3 0 d b ，不可能更高。否则。将突破我国 觑定的低压载波频率范围。 常规单载波调制不但频带利用率不高，而且在无法预计箨利- 搬二i 二扰噪声频嘴 分斫i 的d h 提下是无法避丌或抑制突发噪声和脉冲噪声干扰的，w 此也尼法实现町 铱的 百述数据传输。对商速p l c 来i 兑，要实现很商的通信速率柏i 仃瞅的频- 淞内 采j l jc d m a 方案较难实现较高的处理增益，所以c d m a 技术难以n ：如速p l c i 他川。 适r 低1 1 0 1 j 力线曲述通f 占的酬制 上术研究 3 2 正交频分复用( o f d m ) 技术 3 2 1o f d m 的缺奉原理 1 l ：变频分复j ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 技术1 怂 多载波调；l jr j ( m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n ，m c m ) 技术的一种。它町以被厅作足种凋 制技术。也叮以破石f 11 足一种复用技术。多载波传输把数撕流分解成符l 一r 比特 流这样 锤个f 数捌流将其有低得多的比特速率用这样的低比特迷率形成们低 速率多状企符l j i i f 去调制相应的予载波。就构成多个低速率衍蛩并行发送们f 输 系统。0 f d m 足对m c m 的一种改进，具有抵抗多径衰落能力强，频游利川率i 留， 消除码mi 二扰能力强，接收机结构简单、成本较低等优点，非常适合高速数批化 输。近些年来受到人们酌广泛关注， o f d m 的特点是各子载波相互萨交，调制后的频谱可相互重叠，不但减少了 子载波 l j 的相互干扰，还大大提高了频谱利用率。传统的频分复用系统中，整个 带宽分成n 个子频带，子频带之间不重叠。为了避免子频带日j 相互干扰，频骷1 h j 需加保护带宽。但这会使频谱利用率下降。为了克服该缺点，o f d m 采用n 个重 叠的子频带，子频带白j 正交，接收端无需分离频谱就可将信号接收下来，因丽最 大限度的利丌j 了频谱资源，见图3 4 。 顿牟 幽3 4 常规频分复h j 与o f d m 的信道分配 频率 o f d m 的基本原理足：高速信