（电路与系统专业论文）基于cebus协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究.pdf

y 6 2 幺始矿 堡主望奎苎王! ! ! 竺塑望塑芏垦塑煎垫查垄皇垄垡垫垫望望! 塑些旦! 塑 摘要 本文首先对电力线的传输特性和噪声进行了深入的分析，指出了电力线作为 通信介质存在的主要障碍包括变化的衰减和阻抗，阻抗调制，窄带干扰，脉冲噪 声。针对这些困难，本文对各种电力线扩展频谱技术进行了详尽的理论分析和比 较，从原理上指出这些扩频技术的优缺点，并确定采用当前比较先进的扩展频谱 载波( s s c ) 技术来实现。 在进行深入的理论分析之后，着重研究了电力线通信具体的实施方案。采用 符合c e b u s 标准的电力线通信集成电路s s cp 3 0 0 ，从软硬件两方面设计出一套 简单的点对点的电力通信系统。详细地介绍了该系统的硬件设计、制作和调试， 软件的编程和调试，采用的扩展频谱载波( s s c ) 技术已经在实验室模拟网上进 行了传输实验，结果表明，这种扩展频谱技术适合低压电力网的实际情况，得到 了满意的通信效果。 关键词电力线载波通信；扩展频谱通信；s s c p 3 0 0 ；c e b u s 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯巾的应用研究 a b s t r a c t d i g i t a ld a t at r a n s m i s s i o n o v e rt h el o w v o l t a g en e t w o r k h a sm a n ya d v a n t a g e s b e c a u s et r a n s m i s s i o nl i n e sa r ea l r e a d yp r e s e n t ，n on e w w i r ei sn e e d e df u r t h e r m o r e ， a n yl o a da t t a c h e d t ot h ep o w e rc i r c u i tc a ub er e a c h e dt h r o u g hi t h o w e v e r p o w e r l i n e sa r en o tt h eb e s tc a f i e li no r d e rt oi m p l e m e n tr e l i a b l ea n dr o b u s tp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n s ，t h eo b s t a c l e so fv a r i o u sn o i s e sj a m m i n ga n da t t e n u a t i o nm u s tb e r e m o v e d s p e c t r u ms p r e a d i n gt e c h n i q u ew h i c hs h o w sh i g hr e j e c t i o n t oi n t e r f e r e n c e s e e m ss u i t a b l ef o rd a t et r a n s m i s s i o no v e rp o w e rl i n e t h e r e f o r et h ep u r p o s eo ft h i s p a p e ri s t oc o n d u c tr e s e a r c ho na p p l y i n gs p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yo nt h ed a t a t r a n s m i s s i o no v e rp o w e rl i n e a f t e rd i s c u s s i o nt h et r a n s m i s s i o nc h a n n e lp r o p e r t ya n dn o i s eo fp o w e rl i n e s t h i s p a p e rp o i n t e do u tt h a tt h eo b s t a c l e sf a l l i n t of o u rc a t e g o r i e s ：v a r i a b l ea t t e n u a t i o na n d i m p e d a n c e ，i m p e d a n c e m o d u l a t i o n ，i m p u l s e n o i s e ，n a r r o w - b a n df r e q u e n c y i m p a i r m e n t a i m i n ga ts o l v i n gt h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ra n a l y z e da n dc o m p a r e da l l k i n d so fs p r e a ds p e c t r u mp o w e r - l i n ec a r r i e rt e c h n o l o g i e s ，d i s c u s s e dt h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s et e c h n o l o g i e s ，a n df i n a l l yd e c i d e dt oa d o p tt h em e t h o do f s p r e a ds p e c t r u mc a r r i e r ( s s c ) ， a f t e rt h e o r ya n a l y s i si nd e p t h ，t h i sp a p e rd i s c u s s e de m p h a t i c a l l yo nt h ed e s i g n d e t a i l so f t h es c h e m e s c e b u sc o m p a t i b l ep o w e r l i n ec a r r i e ri cp 3 0 0w a sa p p l i e da n d as i m p l ep o i n t - t o p o i n tp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a si m p l e m e n t e db o t hi n s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h i ss y s t e mc a nr e a l i z eh a l f - d u p l e xc o m m u n i c a t i o nt h r o u g h p o w e r l i n e sa n do b t a i nt h es t a t i s t i c so nr e l i a b i l i t y t h es p r e a ds p e c t r u mc a r r i e r ( s s c ) t e c h n o l o g yp u t f o r w a r di nt h e p a p e r h a s b e i n ga p p l i e d i nt h ee n v i r o n m e n to f l a b o r a t o r ya n d o f f i c eb u i l d i n g t h er e s u l tp r o v e st h a ti ti ss u i t a b l ef o rc o m m u n i c a t i o n s o v e rl o w e r v o l t a g ep o w e r l i n e s ，a n dt h es y s t e mc a nw o r k w e l lw i t h i nc e r t a i nd i s t a n c e k e yw o r d s ：p o w e r l i n ec a r r i 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 n ，s s cp 3 0 0 ，c e b u s 硕上论文 基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 1 绪论 飞速发展的信息时代对于通信产业不断提出新的要求。人们在不断探索新的 通信手段的同时亦不断地对现有资源进行再开发。利用现有的电力网络进行数字 通信，已经成为近年来各国电力系统研究的一个重要方向。 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 的一种通信方式。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因 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，如何充分利 用遍布城乡的电网作为通信介质来提供通信，以实现各种智能化服务，满足人们 目益增长的各种需求已经越来越为人们所重视。 i 1 论文背景 电力线载波通信是电力通信网的基础之一，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一种重要手段，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 建设同步等特点，因此在很长的时间里，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，如综合业务数据网( 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 ) ，异步传输模式( 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 载波通信由于其固有的一些缺点，正在被新型通信手段所取代。 但是电力线载波通信也有其无法比拟的优势。由于电力线几乎已经安装在每 一座建筑物内，所以这就节省了安装额外的传输媒体( 例如电缆，双绞线或光缆) 的费用。而且由于电力线网络的分布几乎遍布所有的家庭，这给很多应用提供了 经济而且实用的传输介质。 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。 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 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十阿斯克姆( a s c o m ) 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 倍的速度在互联网上 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 公司打算在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。 北方电讯( n o r t h l 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，经过三年努力，他们成功地开发了一项在电力 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 已超过l 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。 在国内，电力正在由计划经济逐渐向市场经济过渡，国家电力公司实行体制 化改革，推行城市配电网和农村电网改造，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 是保证供电可靠性、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。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，已成为电力行业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 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，按载波媒介的不 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。 1 2 1 电力线载波基本通信原理 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 硕士论文基j 二c e b u s 协议的扩展频谱技术存电力线载波通讯中的应用研究 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一 般在几百k h z 以上，因而可以避开5 0 h z 的工频电流的干扰。 如图1 2 1 ，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，工作频率范围一 般选择在4 0 5 0 0 k h z 。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列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。 ，7 - 2 一卜e 卜口3 三三i 剥 1 一阻波器2 一耦合电容器3 一结合滤波器4 一载波机 图1 2 1电力线载波通信系统组成示意图 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。它的主要作用 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 支线路对高频信号的介入衰减，以及同母线不同电力线路上高频通道之间的互相 干扰。因此，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， 以保证在电力线路故障时，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，同时隔断电力线上的工 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，确保人畜、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。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 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频潜技术在电力线载波通讯中的应用研究 在一根相导线和大地之间。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 3 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系列优点。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、易扩展性、连通千家万户而被看好。 而在各种低压电力线载波技术中，电力线扩频载波技术抗干扰性强、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压电力线载波通信中的应用。 1 3 1 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得多，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，如阻性的电灯，感性的荧光灯，变压器等， 对信号的影响各不相同。 3 干扰脉冲噪声具有瞬间，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，还有可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，随着开关电源的广泛应用，其产生的大功率窄带干扰 对通信有很大影响。 综上所述，低压电力线路上信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、 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 3 2 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 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 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，仅使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 器又会使通频带带宽加大，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，主要表现在抗干扰方 面。因为扩频载波信号的带宽通常较大( 几十至几百k h z ) ，所以其受干扰的频 率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪声仅能影响到一小部分所要传 输的信号，而大多数的信号都能够完整、正确地到达目的地，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- - d 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 4 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。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 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 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 ，i e l l 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 r k s 技术的扩频电力线收发器p l t 一3 0 。a n 公司推出的符合e u r o p e a n c e n e l e c 标准的a n l 9 2 芯片。1 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 1 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 ) ，旨在推动阻电力线为传输媒介的数字化 家庭( d i g i t a lh o m e ) ，进行了大量的工作，取得很大进展。 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 些大学和公司正在进行这方面的工作，引进了一些国外的技术和产品，也有一些 产品面世。如北京晓程公司研发的p l 2 0 0 0 芯片。 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 5 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，对低压电力线载波通信的研究，将从以下几个方面开展工作。 首先理论上分析低压电力线的传输特性，进行低压电力线载波可行性分析。 其次分析几种低压电力线扩展频谱通信技术的原理、优缺点，及扩频通信在低压 电力线上应用的工作原理。 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、纠错编码等。 在理论分析的基础上，以a t 8 9 c 5 l 单片机为基础，采用美国的符合c e b u s 标准的电力线通信集成电路s s cp 3 0 0 ，从软硬件两方面设计出一套点对点的电 力通信系统。该系统使用扩频载波通信技术，对理论分析进行验证，并对通信的 可靠性进行统计。 6 硕士论文基十c e b u s 协议的扩展频谱技术竹电力线载波通讯巾的应用研究 2 低压电力线的传输特性和载波可行性分析 2 i 常用通信信道模型 通常在通信系统设计中都要求分析物理传输信道特性。因此我们有必要对信 道进行分析。 通信信道最简单常用的数学模型是加性噪声信道。这种模型中，发送信号 s ( ，) 被加性随机噪声过程一o ) 恶化。在物理上，加性噪声过程由通信系统接收机 中的电子元器件和放大器引起，或者由传输中的干扰引起。 若噪声主要由接收机中电子元器件和放人器引起，则可表征为热噪声。这种 模型的噪声统计特性可表征为高斯噪声过程。由于此模型适用于大部分物理通信 信道，且易于用数学方法处理，所以在通信系统分析和设计中是常用的最主要信 道模型。信道的衰减很容易加到该模型。信号在信道传输中受到衰减时，接收方 信号为 r ( f ) = a s ( f ) + ”( f ) ( 2 1 ，1 ) 式中a 是衰减因子。 在一些信道中，如有线电话信道，采用滤波器来保证传输信号不超过规定的 带宽限制( 通常语音信号只占用电话信道几k h z 的带宽) ，从而不会引起相互干 扰。在数学上可将这种信道表征为有加性噪声的线性滤波器，设信道输入信号为 s ( f ) ，那么信道输出信号为 r ( ，) = j ( ，) + c ( f ) + ( f ) = rc ( f m r p r + n ( f ) ( 2 1 2 ) 式中，c f ，) 是信道的冲激响应， 表示卷积。 此外，像水声信道和电离层无线电信道这样的物理信道，它们会导致发送信 号的时变多径传播，在数学上可表征为时变线性滤波器。线性滤波器可表征为时 变信道冲激响应c f ；，) ，即信道在卜f 时刻加入冲激而在，时刻的响应。故r 表示 “历时( 经历时问) ”变量。对于输入信号j ( f ) ，信道输出信号是 r ( ，) = 一( ，) + c ( r ；，) + n ( ，) = 广c ( f ；f b ( f r 如+ ”t ) ( 2 1 3 ) 用来表征通过物理信道的多径信号传播的模型是上式的一个特例，这样的物 理信道包括电离层( 在3 0 m h z 以下的频率) 和移动蜂窝无线电信道。此时时变信 硕上论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术曲：电力线载波通讯中的应用研究 道冲激响应为 c ( r ；f ) = 吼o p ( r 1 ) ( 2 1 4 ) = i 式中，h 表示l 条多径传播路径上可能的时变衰减因子，k 是相应的延 时。如果将此式代入式( 2 i ：j ) ，则接收信号为 相= 吼o 一o ) + 一t ) ( 2 1 5 ) k = l 因此，r ( f ) 由l 个路径分量组成，其中每一个分量的衰减为h ) ，且延时为 k ) 。”1 2 2 低压电力线信道分析 要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事，因此在整个系 统设计之前有必要分析电力线载波的可行性，认识电力线载波方式区别于其他通 信方式的特殊性，了解低压电力线信道特性。这样才能选择用何种调制解调方式 及采用何种通信协议为整个系统最终设计的成功打下良好的基础。本节参考了 国内外的资料，对电力线信道进行详细分析。 对j育的通信信道，阻抗、信号衰减、相移和干扰是决定其性能的基本参 数；而且是在分析信道性能时所无法避免并要面对的问题。在我们使用电力线作 为信号传输媒介之前，需要对电力线的这些信道特性进行分析。 由于1o k v 以上中高压电力线信道环境较好，利用l o k v 以上中高压电力线作 为信号传输通道的电力线载波通信已经获得了广泛使用，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。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相比却有较大区别，突出表现在工作环境恶劣( 各种 干扰噪声复杂) 、线路阻抗小、信号衰减强( 电力负载有时对载波通信信号近似 短路) 、：干二扰大且时变性大等特点。 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究输入阻抗，对于提高 发送机的效率，增加网络的输入功率有重要意义。低压电力线一般由良导体加工 而成，本身阻抗小。i f 同频率的信号，其阻抗略有变化但相对稳定，因此电力 线本身的阻抗不是产生衰减的主要原因。 但研究表明低压电力线一1 - _ 的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想 情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和 硕士论文基于c e b u s 协 义的护展频谱技术n 电力线载波通讯中的府用研究 分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时， 所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗 变化也不同，所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。i 3 i 图2 2 1 用对数图绘出了文献 1 实测出的输入阻抗与频率的关系数据。 8 ( 】f jlo o t l 顿毫，k l ， 两曲线足存两十甄胍巾力线踺的不同地点测得的 图2 2 1 输入阻抗一频率关系图 从图中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从 0 1 q 变到大于1 0 0 q ，变化范围超过了1 0 0 0 倍。而且，在实验所测的频率范围 内，输入阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规 律，甚至与之相反。为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面 连接有各种各样的负载。这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振 频率及其邻近频率上形成低阻抗区、因此，在输入阻抗一频率图上可以看到许多 阻抗低谷区。这些低阻抗区组合起来，就形成所示的图形，并会在局部上违反电 力线上阻抗随负载增大而降低的一般规律。同时，正是由于负载会在电力线上随 机地连上或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。 由于负载是随机分布的，因此电力线上不同位置的输入阻抗也不同。在由许 多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的点上看进去，输入阻抗显然是不同 的。图中的两曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出，信 号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。 由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机功率放大器的输出阻抗和接 收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。 在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要认真研究的重要问题是电力 线上干扰的特殊性质。电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干 扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在 电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有更严重的影响。 经过研究发现，电力线上的干扰不能简单地视为加性高斯白噪声。为了表示 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 这种干扰的复杂特性并简化分析，我们可以近似地将其分成：周期性的连续干扰、 周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰等。通常情况f ， 前两类干扰占主导地位。 首先说明低压电力线上的周期性_ t 扰。在以前的研究中发现，谐波噪声以交 流电频率( 九，) 的整数倍出现，因此我们有理由相信干扰也会存在周期性的倾向。 图2 2 2 是某一时刻实验室中电力线上的干扰波形。图中显示电力线上的主要干 扰是周期性出现的，其出现频率为2 ，1 。，而且其幅值比时不变连续干扰大许多。 这种干扰的强度有时可能很大，其峰峰值可达1 0 v 以上。 35 ：i 30 2 5 罾20 1 5 t - 1 1 l s 图2 2 2 电力线上的干扰波形 0 产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备会在工频交流电基波的某 个固定相位上释放出干扰。若可控整流电源在交流电源基波的某个固定相位上释 放出干扰。若可控整流电源在交流电源基波正半周和负半周的4 56 切换，则在一 个工频周期中交流电源上会出现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，而且这种干扰与交流电源有着固定的相位关系。而每次干 扰的持续时间也受多种因素的影响，如可控整流电源在交流电源上产生缺口的宽 度，电力线对高频干扰的衰减强度等。在图中，每次干扰的持续时间约为3 i l l s 。 而许多开关电源、逆变器等还可能产生频率高于1 0 0 t t z 的周期性干扰。 为对这种周期干扰进一步分析，画出干扰信号的对数频谱特性如图2 2 3 所示。从图中可知，干扰信号的频谱非常不规则，存在许多突变，有些频率信号 的强度很高，有些则很低。但是，从总体上来看，9 k h z 以上干扰信号的强度比 8 k h z 以下的信号的强度平均要大7 d b 一8 d b 。因此，这种周期干扰主要是由大量 的高频干扰组合而成的。由于通常使用的电力线载波通信设备的工作频率都在 1 0 k h z 以上，所以这种干扰必然会对它们正常工作产生很大的影响。 0 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的施用研究 。、1 1 量j l 簧 参：， 董t 、 i ， k1 1 1 l l 锄卑k m 图2 2 3 干扰信号的对数频谱特性 消除这种干扰的困难有两点：首先，由于无法对这种干扰的周期、宽度、强 度和发生时间等做出准确的预测，而且这些参数的变化范围可能很大，所以很难 有针对性地采取措施抑制这种干扰；其次，由于这种干扰的频谱非常宽，所以对 接收端滤波器的灵敏度要求很高。 另外，有许多大功率的用电设备，如电机等，会在电网上产生很多的高次谐 波。这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率有可 能延伸到几万赫兹。如果信号频率j 下好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很 大的影响。 在实际情况中，低压电力线上由于有大量的用电设备同时释放出干扰，而这 些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线 上产生时不变的连续干扰。在图中，幅值较低的连续干扰就属于这种干扰。这种 干扰表现为平均功率较小，但是频谱很宽而且持续存在。由于信号在电力线上传 输的衰减非常大且富于变化，而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因 此，在通信过程中的信噪比可能会变得很低，通信误码率增加。【5 l 【1 9 1 其次，来看低压电力线上的随机性干扰。除了上述的周期性和连续性的干扰 外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。这种随机干扰通常是由于高压开关的 操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的，往往是能量很 大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。 高压开关的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁 脉冲( 脉冲群) ，而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。 雷电会在电力线路上产生能量很大的电流和电压脉冲，电流峰值可达几千安 培，电压峰值可达几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不大于5 5 伊，下降 时间相对较长，但通常也不大于7 5 坤。雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、 硕士论文基于c e b u s 悱议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的应用研究 二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路。这样的雷击过电压在低压网络内 传播时，遇阻抗不同的节点时将发生反射，产牛振荡波，其频率和传播速度与电 路内的各种参数有关，最具典型的是上升时间为0 5 脚、振荡频率为i o o k i i z 的衰减振荡波。显然，这种脉冲会对载波通信产生很大的影响 另外，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、功率因数补偿电容器的投切以及短路、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干扰而影响通信。 上述这些干扰持续时间较短，从几十微秒到几秒不等，强度大小也不等，出 现时间也是随机的，具有很大的不可预测性。如果它们正好发生在数据通信过程 中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干个位甚至整个数据 传输过程发生错误。在一个完善的低压电力线载波通信系统中，呵以通过前向纠 错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。【1 1 1 1 9 1 再次，来看低压电力线上的多变性干扰。出于与信号衰减多变性同样的原迭i ， 低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变性表现在两个方面。首先是因时而 变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同。对于一般的用户，我国采用 的是2 2 0 v 交流两线电。由于电网上不断有接入、切出，电机的停止、启动，电 器的开关等各种随机事件，使其表现出来的信道具有很强的时变性。低压电力线 在秒内可对某频率的衰减变化达到2 0 d b ，而且在一秒内信噪比( s n r ) 也可达 l o d b 左右。其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同； 而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。前者是因为在不同的 电网之间，连接的负载、线路情况、电网结构等都不同，导致电网内的各种参数 都不同，则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在电力线上的传播也要遵循 高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰减特性的影响，因而对距离、 负载分布等也很敏感。因此，电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载波 通信系统也会有很大的影响。 高频信号在低压电力线上的衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际 困难。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质 的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在低压电力线上 的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。 总的来说，信号传输越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均匀 不平衡的传输线，接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波 等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复 杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相 硕士论文基于c e b u s 协议的扩展频谱技术在电力线载波通讯中的心用研究 电源所接的负载大小和性质都不相同，所以同样强度的信号在三相上的衰减也不 同。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的 误码率不同。 信号频率与信号衰减有着直接的关系。图2 2 1 是在一个工、i k 建筑内测出的 信号衰减与频率之间的关系。 型 群黝 r i = 勺 崔 型 八l - 。， i 一0 。- j 。、弋， 蛹枣k m 蛮骑h i l | l 】鸢， 攮牢 ， i 变骢时f l i j 为魄i l s 曲拽楚花近舅! 矗( 妁i n 1 ) 同。棚i 溯糊的辍i 曲缱 l 曲境艇在较长最；离弼押k i l l 樽的i ； i 墁； i 羊引 、l | i l 蠖表 彤 较长f l 发堪帆和接收机不在f a ，棚l 的蠕q 娃喃强。， 图2 2 4衰减一频率变化曲线 图( a ) 中，i s 曲线的衰减随频率变化比较平缓，且小于5d b 。由于距离很 近，发送与接收两点间的负载对信号衰减影响不大。i 曲线的传输距离在2 0m 一3 0 0m 。将i s 曲线和i 曲线进行比较，可见传输距离对衰减的影响是非常明显 的，在某些频率，衰减的变化可以超过5 0d b 。从i 曲线可以看出，小于6 0 k h z 的信号，衰减大约在2 5d b 附近，然后衰减随频率增加而增大，到了2 0 k l l z ，衰 减大约为5 0 d b 。a i 和 2 曲线的传输距离同样也在2 0 m 一3 0 0 m 。比较i ，a l 和 2 曲线可以发现，高频信号在跨相传播时，衰减一般都要比同相传播大。通常情况 下+ 这个差距可以达到l o d b 以上。但是，有些时候跨相传播的衰减并不一定大 于同相传播。引起这种现象的原因是三根相线之间存在的一些耦合电容，以及有 些三相供电的用电设备( 如三相电机、大功率加热器等) 。对称地使用三相电源， 也就等效于为高频信号在三相电源之间加入了耦合元件。 硕士论文基于c e b u s 协议的打展频谱技术柜电力线载波通讯中的应用研究 值得一提的是，电容器对低压电力线载波通信系统有重大的影响。由于电容 器高频信号的阻抗比较小，所以会使高频信号有比较大的衰减。例如，一个接在 一相上的1 0 i 电容器，对l o o k h z 的信号的阻抗只有0 1 6 q 。这对于低压电力 线载波通信系统可以说是一个巨大的障碍。 图( b ) 为晚上在同一地点测得的衰减曲线。因为t s 曲线与图( a ) 几乎完 全一样，所以未画出。从i 曲线可以看出，晚问同相传输的衰减基本上比白天要 小，在某些频率，衰减甚至可以小于2 0 d b 。这主要是因为晚问的负载较轻。在 跨相传输中，衰减的波动比较大，在某些频率上的衰减比白天还要大2 0 d b 。这 是电抗性负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。 从以上曲线的分析可知，在低压电力线载波通信中，确定一个合理的通信带 宽并不容易从衰减变化的趋势来看，大于l5 0 k h z 的信号会有比较大的衰减。所 以，许多现有的低压电力线载波通信系统大多使用低于1 5 0k l l z 的载波频率。但 是图( b ) 中，8 0k l t z 信号衰减的突然增加表明在5 ( ) k i l n 1 5 0 k l l z 的频率范围内 也可能会出现很大的衰减。 高频信号在低压电力线上传输时，还有一个显著的现象是其衰减随工频电源 的相位而变化。有时高频信号在工频电源的某个相位范围( 比如3 0 。一1 5 0 ， 2 1 0 。一3 3 0 。) 内会发生较大的衰减变化。在这个相位范围内，信号衰减有可能会 减小几个分贝，或是增大几分贝到十几分贝。产生这种现象的原因，可能是因为 一些工作于开关状态的设备，如丌关电源等，在工频交流电的一定相位时打开，f 关器件，于是就将电力线连接到了后面的电路上。这些电路上通常含有大容量的 电容器或大功率的负载，所以会引起高频信号衰减的急剧变化。而且大多数的开 关电源都在一次侧接有补偿电容，虽然电容量较小，但是由于数量较多，所以其 影响不容忽视。除此之外，开关电源会向电力线上旋放大量高频干扰，从而影响 通信系统的工作。 随看负载在电力线上的连接或断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出 不同的特点。有时这种变化的程度会很大。这一现象，在对比图( a ) 和图( b ) 中就可以看出。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变化。 但是，从统计上来说，这种变化还是有一一定的定性规律可寻的。多数情况下，电 力线上负载的大小、性质是按照一定规律在一定范围内变化，例如，在工业区， 白天的衰减比晚上大，而在居民区，晚上1 8 ：0 0 到2 2 ：0 0 的衰减是最大的。合 理地利用这些规律，对于提高通信系统的可靠性有重要的作用。例如抄表系统， 在抄录电表数据时。可以避开用电高峰区以使所抄录的数据达到较高的可靠性。 但为了得到电网负载的实时监测，评估有无漏电、偷电现象，又要