（电力电子与电力传动专业论文）电力线扩频载波通信技术的研究及实现.pdf

r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no fp o w e rl i n e s p r e a ds p e c t r u m c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y ，n e t w o r kt e c h n o l o g yh a s b e e na p p l i e da l m o s te v e r y w h e r ei np e o p l e s1 i f e e s p e c i a l l yt h eh o m e n e t w o r kt e c h n o l o g y w h i c h t a k e sf a m il y u s e de l e c t r ic a lp r o d u c t sa s e m p h a s i sh a sb e e nf a s td e v e l o p i n g t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i t hp o w e r l i n ea si t sm e d i u mh a sb e e np a i di n c r e a s i n g l ya t t e n t i o nb e c a u s eo fi t s n on e e do fs p e c i a lw i r i n g ，w i d ec o v e r a g e ，l o wc o s ta sw e l la st h e c o n v e n i e n c eo fc o n f i g u r a t i o na n dm o b i1 it yo fc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s i n c h i n a ，l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni sg e n e r a l l yu s e d i nc e n t r a l i z e do np o w e ra m m e t e rs y s t e m s w h i l ei ne u r o p e ，p o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e ne x p e r i m e n t e di ni n d u s t r i a lc o n t r o la n d h o m ea u t o m a t i o n i nt h i st h e s i s ，at e s tp l a t f o r mo fp o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e e ne s t a b li s h e dw i t ht h et e c h n i q u eo fp o w e r 1i n es p r e a ds p e c t r u mc a r r i e r ( s s c ) i ta d o p t sc e b u s f a m il yn e t w o r k c o m m u n i c a t i o na sp r o t o c o la n d h a sad a t at r a n s m i s s i o nr a t e o f a p p r o x i m a t e l yl o k b i t s i ti sb e l i e v e dt h a tt h ed e p l o y m e n to ft h i st e s t p l a t f o r mw i1 1p r o m o t et h ed e v e l o p m e n to fh o m ea u t o m a t i o nn e t w o r k p o w e r1i n et r a n s m i s s i o nc h a n n e l h a st h ec h a r a c t e r i s t i co f c o m p l i c a t e dn o i s e ，a t t e n u a t i o na n d v a r i o u si m p e d a n c e s i ti sv e r y d i f f i c u l tt ot r a n s m i td a t ar e l i a b l et h r o u g hs u c hc h a n n e l s t h em o s t a d v a n t a g eo fs p r e a ds p e c t r u mc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e1i e si ni t s g o o da b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c ea n da n t i a t t e n u a t i o n p o w e r l i n es s c i sas p r e a dc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，w h i c hi sb a s e do nc h i r pp r i n c i p a la n d s u i t a b l et oc a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s i t sc h i r pr a n g ev a r i e sf r o m i o o k h zt o4 0 0 k h z t h es p r e a dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb u i l tb yu s i n gs s cp 3 0 0 c h i pa n ds o m eo t h e ra n a l o gc i r c u i t sc a nb eu s e dt oc o n s t r u c tp o w e r1 i n e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i ti sp r o v e dt h a tt h i sc o m m u n i c a t i o ns c h e m ei s f e a s i b l ei no u rc o u n t r y sp o w e rli n e t h et h e s i si so r g a n i z e di nt h r e ep a r t s t h ef i r s to n ei st h e f u n d a m e n t a lt h e o r yp a r t i ti n t r o d u c e st h em a g n i f i c e n c ea n dc u r r e n t s t a t u so fp 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 ，a n a l y z e sp o w e rl i n ec h a n n e l a tl e n g t ha n dp o w e rl i n es p r e a ds p e c t r u mc a r r i e rc o m m u n i c a t i o ne s p e c i a l l y t h ec h i r ps s c t h es e c o n dp a r tisa b o u tt h ei m p le m e n t a tio no fp o w e rlin e c o m m u n i c a t i o nt e s tp l a t f o r m f i r s tt h eh a r d w a r ed e s i g no fp o w e r1i n e c a r r i e rm o d u l ec e n t e r e do ns s cp 3 0 0i sp r e s e n t e d t h e nt h ew o r kp r i n c i p l e o fh o m en e t w o r kt e s tp l a t f o r mb a s e do ns s c ，c e b u sp r o t o c o la n dt h e s o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e d f i n a l l yc o m e st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t t h et h i r dp a r tp r o p o s e st h ep r o s p e c to fp 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 ， i n t r o d u c i n go 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 ea n di t sa p p l i c a t i o n i np o w e rl i t i eh i g hs p e e dd a t at r a n s m i s s i o n s k e yw o r d sp o w e rli n ec o m m u n i c a t i o n s ，n o is e ，s p r e a ds p e c t r u m ， c h i r p ，p r o t o c o l ，h o m ea u t o m a t io n 上海交通大学 学位论文原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注瞬弓 用的蠹容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 彳万缸 l 园期：2 汐哆年f 月，绍 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文昭规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密圈，在鱼年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 一躲彳歹鲁精教一参乇 日期：细尊多年 月1 8 日 日期a 一年，月巧e t 上海交通大学硕士学位论文 第一章电力线通信概述 第一章电力线通信概述 1 1电力线通信的意义及研究现状 人类已经迈入了信息时代的2 1 世纪，信息技术渗透到社会的各行各业和人们社 会生活的各个方面，并推动着技术的进步和人们的生活质量。如果利用电力系统现 成的网络，在发展电力技术的同时发展信息技术，不仅可提高电力系统的经济效益， 拓宽人们获取信息的渠道，还可降低通信的成本。因为以电力线为传输媒介的通信 系统无需专门铺设通信线路，不需要维护或者维护量极少，且电力线网络覆盖面广， 使得通信终端设置和移动非常方便。利用电力线网络，可以方便的组建计算机局域 网( l a n ) 、传递远端监视图象、自动抄表( a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ) 系统、火灾 报警系统等。因此研究电力线通信有很大的使用价值，将对家庭自动化产生深远的 影响。 传统的电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 技术在电力系统中广泛的应用于电力 调度通信、远动信息传输和继电保护的高频通道等。从上世纪5 0 年代开始，这项技 术就被广泛的应用于高压输电网中，并已经从最初的模拟传输技术发展到现在的数 字技术。然而要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据传输并非易事。各种电 力线对信号所呈现的特性阻抗和衰减常数不大相同，用电负载有不同特性，负载情 况也经常变化，加上不同来源的电磁干扰，通过电力线传递的信号会出现明显的衰 减和畸变。长期以来，许多公司和学者对电力线通信系统进行了大量的研究和实验 工作，取得了一定的经验和成果。许多新的通信系统的理论被应用到电力线通信中， 随着扩频通信理论和正交频分复用( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x ) 技术的出现，以及它们在无线通信中的成功应用，给电力线通信理论带 来了新的生机。 电力线网络分为高电压( 1 0 0 k v ) 、中电压( 1 1 0 0 k v ) 、低电压( i 时，菲涅耳纹波很小，信号 能量9 5 以上集中在b 2 f 上海交通大学硕士学位论文第二章数字通信用的扩频通信 原理来设计全通延迟网络。由于线性调频信号的频带很宽( 一般为几百千赫 以上) ，很难设计一个适当的延迟线。在经过e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h 仿真 后，我们发现，使用简单的延迟滤波器只能在很窄的频段内起到延时作用， 不能体现线性调频信号的频带宽的特点。图2 - 6 是一个二阶全通网络结构 瀚，图2 - 7 是个上调频信号通过该全逶网络得到的仿真信号。如果要在整 个线性调频频带范围内实现延迟功能是很复杂的，扶电路设计到电路实现都 有很大的难度( 涉及到电路结构的选择，电阻、电容、电感的选择以及匹配 等，如果使用运算放大器，还受到运放的带宽限制) 。 2 ) 锁相环法 锁相环是一个能够跟踪输入信号相位的闭环基动控制系统。它在电子技术的 番个领域得到了很广泛的应用。锁相环的具有优良的性能，具有载波跟踪特 性，作为一个窄带的跟踪滤波器，可以提取淹没在噪声之中的信号；具有调 制跟踪性能，可以制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可以 大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。线性调频技术是一个调频信号， 嚣此可以幂| j 用锁相环来解调。 3 ) 数字信号处理方法 由于快速n d 变换器、中、大规模集成电路技术以及快速傅利叶变换( f f t ) 技术的应用，使信号的实时处理成为可能。数字处理的优点是工作稳定、重 复性好，并且具有较大的灵活性。缺点是成本较高( 需要高速的n d 以及 d s p 等能够进行高速运算的处理芯片) 。在第三章介绍的扩频通信系统就是 采用的这种方法。 2 3 线性调频通信系统的性能分析 到用线性调频信号进行通信，是扩展频谱通信的一神特殊形式，它不需要随机 码，而是用固定的斜升( 或斜降) 信号来控制发射频率，由于占用很大的带宽，线性 调频通信技术也能很大程度上提高信噪比。 线性调频通信系统的模型如图2 - 8 所示。根据要传送的数据的值( 1 或o ) 把 这些数据分为两组，分别进行调制后( 数据“o 的时候发射上调频信号，数据“l ” 的时候发射下调频信号) ，这个调制信号经过放大电路( 包括电压放大，功率放大) 1 8 上海交通大学硕士学位论文第二章数：通信用的扩频通信 得到发射信号，发射信号经过通信信道传递到接收机。接收机把收到的信号进行放 大、整形后，经过解调电路得到相应的发射信号，这就是线性调频通信系统的工作 过程。 线性调频通信系统是扩频通信的一种形式，它能够克服通信信道的干扰，辅以 其他的一些措施后，能大大改善通信效果。线性调频解调前后的信噪比之比等于扩 频增益g ，等于发射信号的带宽与信号带宽之比( 一般大于1 0 ) 。 信 c b ) 接收系统横跫 图2 8 线性调频通信系统 f i g2 8c h i r pm o d u l a t i o nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 设要发射的数字信号为d ( t ) ，d ( t ) 是宽为t 的1 或o 值的矩形波信号，在0 f l l c c e 鹃c o n l j 0 1 ， re a d re gi s r _ 4p rs o x 9 4 r al dl l r c l i l k s t a i l l s p 3 0 0 发送一个a d r i a c k a c k 确认。 表3 3s s cp 3 0 0 数据结构 结构名称( 全名)结构名称( 缩写)字节数 l a y c rc o n 堍u m t i o nl nt b n m ti o n h y 甜c m r f i gl t 加 7 i n t e r l h c ef l a g s h , t e 蛹t h a g sl n o d ec o n t r o lf l a g sv o d ec o n t r o l ， _ s t a t t t si n 国n m t i o n s t a t u s 加o6 d l lac e c s $ c o n t r o ld uf t c c e s sc o n t r o l l d a t al i n kr e c e i v ei i n ks i a t u sd l lr cl i n ks t a t u s l c e b u sr c cc i v ep a c k etf o r m a t r e c e i i ep n c k ec l l 主处理器在需要发送新的分组之前有责任处理已完成的发送。p 3 0 0 仅支持单一的缓 冲的发送分组，所以在主处理器转发新的分组之前必须完成前一个发送。分组的发 送能够通过使用p t 命令写分组实现，或者通过使用m h 和忻i 命令分别转发 3 0 上海交通大学硕士学位论文 第三章基于s s c 技术的扩频通信系统 t r a n s m i th e a d e ri n f o 和t r a n s m i tn p d uf i e l d 。 p 3 0 0 使用一个与发送目标关联的序列计时器以确保不将新的分组发送到某些 设备，这些设备在超时情况下仍然没有完成前一次发送，因此发送到新的或与以往 不同的分组将会被延时以等待发送序列计时器失效。发送到相同目标地址的分组将 不用考虑延时问题。如果发送一个新地址的分组，p 3 0 0 将确定主处理器使用特殊的 命令。写分组标题的命令包含改变目标地址的方式。无论如何，只有分组本身( n p d u ) 可以用命令写入，作为最后一个发送的分组必须有相同的分组标题。 s s cp 3 0 0 能够处理两个分组：一个即时发送，另一个为缓存。直到第一个发送 的关联计时器失效，才可接受第三个分组。当分组发送完i n t e r f a c ef l a g s 字节中 t ra t t n 被断言，t r e x c e p t 反映成功和失败。关于发送接受分组的操作流程及时序 我们将在下一章软件部分详细介绍，这里仅对s s cp 3 0 0 芯片做一些原理性的介绍。 3 2 3s s cp 3 0 0 与电力线耦合电路 3 2 3 1 发送模式电路 在发送模式下，由s s cp 3 0 0 内部产生的“c h i r p s ”波形输出n s o 管脚。此信号在 被加到由q l ，r 8 ，r 9 和r 1 0 组成的缓存放大器之前，需经c 9 进行交流耦合，经r 7 c 1 2 进行滤波。缓存放大器可以降低阻抗以驱动由c 1 3 ，c 1 4 ，l 1 和r 1 l 组成的3 级低通滤 波器。滤波范围为5 3 5 n 1 7 0 5 k h z 。在预置滤波后，“c h i r p s 信号通过c 1 5 进行交流 耦合，再传输n s s cp 11 1 功率发大器的信号输入脚( t ) 。此功率放大器可将信号 电压幅度增至原来的2 倍。s s cp 1 1 1 具有输出三态开关和功率放大的功能，在接受模 式时使功率放大器与耦合网络分离，处于失电状态。它还提供了过温保护装置以提 高系统的可靠性。信号从s s cp 11 1 的t x o 脚输出，并被电感l 2 所滤波。之后，信号 通过c 1 8 进行交流滤波后，传输到电力线耦合电路。如图3 一1 0 所示。 上海交通大学硕士学位论文第三章基于s s c 技术的扩频通信系统 图3 1 0 发送模式电路 f i g3 1 0t r a n s m i tm o d ec i r c u i t r y 由于s s cp 1 1 1 驱动a c 电力线，因而线上的瞬间电压将会通过电路返回到p 1 1 1 的输出管脚上。在某些特定条件下，具有较大幅度或较大加速度的瞬间电压会造成 p l l li c 的损坏，所以采用c r 4 瞬时电压抑制器( t v s ) 与c r l 肖特基二极管组合 来确保芯片的正常工作。此抑制器应用于电感与电容之间，将t v s 的电容与s s c p 3 0 0 的输出管脚隔离，并能保持其所需的相域。这里c r 4 采用p 6 k e l 0 a ，它必须 在瞬时幅度达电源限之前启动，此时才能使“c h i r p s 无衰减的通过。 3 2 3 2 接受模式电路 由耦合电路输入的波形首先通过带通滤波器来衰减带外频率波形。由图3 1 1 可以看出，r 1 3 ，c 2 0 ，l 3 ，c 2 1 ，l 4 ，c 2 2 和c 2 3 组成这个带通滤波器。它的频 率范围是1 0 0 k h z 到4 0 0 k h z 。当响应为负3 0 分贝时，为4 0 k h z 到1 0 m h z 。经过 滤波后的输入信号要经过由q 2 ，r 1 4 ，r 1 7 组成的晶体管发大器进行缓存。此放大 器的信号增益为2 0 d b ，它可以提供给节点峰一峰值为1 m v 的灵敏电压。图中r 1 4 和r 1 5 两个电阻为发大器设定了直流偏移点，将s s cp 3 0 0s i 脚输入的直流电流电 平置为电源电压的一半。同时它还接在输入滤波器的端点处。其阻值大约为9 0 0 欧 姆。二极管c r 3 可根据环境温度来稳定放大器的直流偏移点。而作为双二极管封装 的c r 2 则将加在s s cp 3 0 0s i 管脚的信号固定于设备电源提供的电压范围内。同时 也为s s cp 3 0 0 提供了额外的瞬间高压保护。本系统中有两个电源：+ 5 v 和+ 1 0 v 的直流电源。 3 2 上海交通大学硕士学位论文 第三章基于s s c 技术的扩频通信系统 s 图3 1 1 接收模式电路 f i g3 11 r e c e i v em o d ec i r c u i t r y 3 2 3 3 电力线耦合电路 s s cp 3 0 0 的信号波形经放大滤波后必须经过电力线耦合电路才能接到2 2 0 v 的交流线上。电路如图3 1 2 所示。变压器t 1 0 1 对于10 0 - - 4 0 0 k h z 的扩频载波信 号提供了一个线性传输的功能；电容c 1 0 15 l 孙j - j 变压器电流以避免变压器铁芯的饱 和；电阻r 1 0 1 在c 1 0 1 与电力线断接后，可对其进行放电，因而减轻了由于c 1 0 1 中储藏的高压而带来的损坏或破坏设备的可能性；稳压二极管d 1 0 1 和d 1 0 2 可用来 稳定加在s s cp 3 0 0 模拟支持电路上的电压；而金属氧化物变阻器m o v l 0 1 则可以 在电力线瞬时高电压下提供保护。 c 1 0 1 l 哆d 1 0 1l ， 盘 一一d 1 0 2 i k l 图3 1 2 电力线耦合电路 f i 9 3 - - 12 p o w e rl i n ec o u p l i n gc i r c u i t r y 3 3s s c 技术的试验结果 上海交通大学硕士学位论文第三章基于s s c 技术的扩颓通信系统 图3 1 3 所示的是“c h i r p s ”波形耦合到电力线传输的耦台波形 i ，尹? i l 蓑萎搦 罕 ： i ： ? ：_ 。 氇 ! 、l 二扩 鬻粼 2 1 a 一2 0 n 0 + + 函匦自i ；：；：嚣”2 上海交通太学硕士学位论文 第三章基于$ s c 技术的扩额通信系统 a j j ! j ! ( d ) ，o 。m f 一豫；强；”2 上簿交通上学硕士学位论文 第三章基于s s c 技术的扩频通信系统 ( e ) 图3 13 耦台到电力线的“c h ir p s ”波彤 f 1 9 3 1 3p o w e rl i n ec h i r p 在本试验中，两块载波板通过插头连接到2 2 0 v 的交流电力线上。图( a ) 是电力 线的波形，( b ) ( c ) ( d ) ( e ) 是耦合了c h i r p 波的电力线波形。分别是全周期半周 期，十分2 _ - - n 期，五十分之一的耦合波形。这样可以较清除的显示c h i r p 波形在电 力线的传输情况。 本章着重讨论了s s c 技术及基于s s cp 3 0 0 的载波板的硬件设计。在下一章我们将 讨论基于此技术的监控网络的测试平台的构成，通信协议及如何实现数据准确可靠的 传输。 上海交通大学硕士学位论文第四章基予s s c 技术的家电网络试验平蠢 第四章基于s s c 技术的家电网络试验平台 随着电子技术的发达，消费电子产品( c o n s u m e re l e c t r o n i c s ) 已与资讯 ( c o m p m e r ) 、通讯( c