（电路与系统专业论文）基于扩频技术的电力线载波通信系统基带信号处理的设计实现.pdf

摘要 电力线通信系统现在正越来越多的受到关注。电力线作为一种可以通信的介质， 如果能在电力线上传送数据，就能极大地方便人们的生活。使用电力线传送数据是可 能成为最有效和最便捷的数据通信方式。但是至今为止，由于中国电力线的特性，在 中国通过电力线传送数据仍然没有大量地投入使用，只是存在着小范围的试验。 本文首先针对中国的电力线信道，设计仿真了采用扩频通信方式构成的电力线通 信系统的算法，并且设计实现了这个通信系统的基带信号处理部分。本文设计的电力 线通信系统的及带信号处理，包括发射端的信号源c r c 编码、组帧、组包、信道的 r s 编码、扩频及通过数字频率发射器进行的调制。本文的设计实现了接收端的信号预 处理及信号的r s 解码及c r c 解码。 本文设计的电力线通信系统的算法，在一个自己搭建的硬件系统上实现并验证。 这个硬件系统由几片f p g a 和一个m c u ( h y p e r s t o n e ) 的开发板组成。在系统实现之后， 首先在实验室的环境下进行了实验，之后在三个城市的5 个地点进行了实地的测试， 通过实际的试验和测试，确定本文设计的电力线通信系统的性能相比于已有的某些电 力线通信芯片构成的系统有较好的性能。本文设计的电力线系统具有较好的实用性 能，在中国的电力线信道特性下，具有很强的抗干扰能力。 本文设计的电力线通信系统的基带信号处理部分，有些是在m c u 上用程序实现的。 在本文中还设计了这些部分( 主要是r s 编解码器) 的v l s i 实现。 关键词：电力线通信系统，扩频通信，c r c 编解码，r e e d s o l o m o n 编解码，v l s i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n m o r ea n dm o r ef o c u si s t h r o w no nt h i st e c h n o l o g y a sm e d i u mo fp o w e rt r a n s m i s s i o n ，p o w e rl i n ee x i s t s e v e r y w h e r e i fp e o p l ec o u l du s ep o w e rl i n ea st h em e d i u mo fd a t at r a n s m i s s i o n ，i t w i t lm a k ep e o p l e se v e h d a yl i v el a r g e l yc o n v e n i e n c e t r a n s m i t t i n gd a t at h r o u g h p o w e rl i n ei sac h e a p e rw a y st oa c c e s sc o m m u n i c a t i o n t i l ln o w t h e r ei so n l yaf e w p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ne x p e r i m e n t sm a d ei nc h i n a ，n oo r d i n a r i l yp o w e rl i n eu s e r a l l o wt r a n s m i t t i n gd a t ai np o w e rl i n e t h i st h e s i si sm a i n l ya b o u tt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fab a s eb a n di nar e a lp o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，f i r s tt h i st h e s i sd e s i g n sa n ds i m u l a t e st h ea l g o r i t h m u s e di nt h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e nd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h e b a s eb a n do fs y s t e md e s i g n t h i sp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nb a s eb a n di n d u d e s t r a n s m i t t e ra n dr e c e p t i o n t h et r a n s m i t t e ri n c l u d e sg e t t i n gd a t af r o ms o u r c e 。c r c c o d i n g ，m a k i n gf r a m e ，m a k i n gp a c k a g e ，r e e d s o l o m o nc o d i n g ，s p r e a d i n gs p e c t r u m a n dd i g i t a lm o d u l a t i o n t h er e c e p t i o ni n c l u d e sp r e t r e a t m e n tf o rt h ed i g i t a li n p u td a t a ， c r cd e c o d i n ga n dr e e d s o l o m o nd e c o d i n g t h i st h e s i s sw o r ki si m p l e m e n t e di no w nm a d eh a r d w a r es y s t e m t h i ss y s t e m i n c l u d e ss e v e r a lf p g ab o a r d sa n dad e v e l o p m e n tb o a r do fam c u d s pc h i p n a m e dh y p e r s t o n e i no r d e rt ot e s tt h er e a lp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rl i n es y s t e m ， t h i st h e s i sd o e sal o to fe x p e r i m e n t si n5p l a c e sa r o u n d3c i t i e sa f t e rg e ta c c e p t a b l e p e r f o r m a n c ei no u rl a b se n v i r o n m e n t a f t e rt h ee x p e r i m e n t so ft h ep o w e ri i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mo ft h i st h e s i sa n d s o m em a r k e t e x i t i n gp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i st h e s i s ss y s t e mh a s b e t t e rp e d o r m a n c et h a ns o m em a r k e t e x i t i n gs y s t e m si nt h em a i na r e a si n c l u d e s a n t i a t t e n u a t i o n ，c o r r e c t i n ge r r o r s ，e t c s o m ep a r t so ft h eb a s eb a n dr e c e p t i o nd e s i g na r er e a l i z e di ns o f t w a r ei n s i d et h e h y p e r s t o n ed e v e l o p m e n tb o a r d ，t h i st h e s i sa l s og i v e so u tt h ev l s ii m p l e m e n to f t h e s e0 a r t s 。 k e y w o r d ：p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u m ，c r cc o d e ，r e e d s o l o m o n c o d e 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的 研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均己在论文中作了明确的声明 并表示了谢意。 作者签名： 论文使用授权声明 醐。叫q 本人完全了解复旦大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 名：乒一名：纽眺尘珥镪 乒 第一章引言一电力线通信概述 第一章：引言一电力线通信概述 1 1 电力线通信的历史和分类 今天随时随地通信的重要性已经为大家所认同，电力线作为一种可以通信的 介质，如果能在电力线上传送数据，就能极大地方便人们的生活。因为每一家虽 然由于建造年代和装修的不同不可能都有快捷的方便数据传送的各种介质( 同轴 线，光纤等) 但都会有电线。电力线网络作为任何建筑必不可少的附属设施，存 在于每一个建筑的大多数地方。从这个意义上说使用电力线传送数据是最有效和 最便捷的数据通信方式。 在历史上使用电力线通信，这个思想并不是现在才提出的，它和电报的发明 一样的久远。早在2 0 世纪的2 0 年代，就有人为电力线上传送数据的思想提出了 专利。1 9 2 4 年在美国提出的“c a r r i e rt r a n s m i s s i o no v e rp o w e rc i r c u i t s ”( u s p a t e n t sn u m b e r sl ，6 0 7 ，6 6 8a n dl ，6 7 2 ，9 4 0 ) 就提出通过三相电力线传送数据系 统的构想。然而电力线通信的研究直到2 0 世纪8 0 年代才有所发展，当时人们把 眼光聚焦到扩频通信这种以前属于军事应用的技术上来。但是经过2 0 年的发展， 电力线通信的发展远没有其他通信方式那样的迅速。 1 电力线通信主要分成三个方向： 1 高压电力线通信，在变电站于变电站之间的数据通信，一般通信的介质是 几千甚至上万伏的高压电力线。 2 低压电力线通信，在变电站和家庭用户之间进行通信，一般通信的介质是 2 2 0 伏( 或u o 伏) 的低压电力线。 3 内部网络的电力线通信，在家庭内部，通过家庭内部的电力线，在不同的 家用电器之间进行通信。适用于家庭的内部网络 本文设计的系统主要针对低压电力线通信，下面的介绍和分析都会集中在低 压电力线通信方面。 第一章引言一电力线通信概述 1 2 电力线的信道特性 1 时变性 、， 对于我国的居民用户，我国采用的是2 2 0v 交流两线供电。电网上负载不停 的发生着变化，用户不断的启动停止电器的使用，有些电器拥有马达的停止、启 动，还有电器的解入、切出等各种随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的 时变性。这些随机时间的发生决定了电力线上的负载是不稳定的，它具有时变的 静陛。 f 铂。l 童吐。 2 衰减特性 低压电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小。 对不同频率的信号，电力线本身其阻抗略有变化且相对稳定。因此，电力线本身 的阻抗并不是产生衰减的主要原因。 电力线上衰减的主要来源是家用电器的负载，每一相的电力线上连接着 几十甚至上百户的家庭，每一家一般都有电器，几十家甚至上百的电器在电力线 上并联，这许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于电器内部的输入滤波 电容，这些大电容对上百k h z 甚至几百k h z 的载波通信信号来说，相当于短路。 另外，当负载较小时，电力线通信系统发送耦合电路的内阻也不可忽视，当设计 不当它会分去相当一部分的功率。 信号衰减由两部分组成：一是线路衰减：一是耦合衰减。我们可以通过改进 将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定干线路的衰减。有些实验表明， 信号的衰减是距离的函数，一般为4 0 1 0 0d b k m 。在农村的衰减最大，5 0 0 m 就 达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ；在郊区，2 5 0 m 亦能达到2 5 d b ；咀在工业区 衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b 。 3 3 干扰噪声 对于低压电力网的干扰特性，不同国家和地区的人分别作了大量试验，结论 是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型。 室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在l o k h z i o o m h z 的频 率内，噪声功率谱密度以2 9 d b d e c a d e 幅度衰减。各种干扰噪声主要来源于4 个方面： ( 1 ) 1 控硅( s c r ) 器件和一些电源电路产生的5 0h z 的倍频谐波： ( 2 ) 负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电 动机产生的干扰： 第一章引言- 电力线通信概述 ( 3 ) 关电子设备产生的单脉冲噪声； 。， ( 4 ) 同步周期的噪声，如电视机的1 5 7 3 主地的行扫描频率。 电力线噪声中的背景噪声一般是典型离散高斯型的，它对通信系统的影响就 如同自噪声队一般通信系统的影响。电力线噪声中其余就是脉冲噪声，它对通信 系统有着重要的影响，可以产生突发性干扰引起瞬间的高误码率。研究表明：( 1 ) 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1 0 d b ，有时可达4 0 d b ，这种干扰与干扰源 至接收器的距离有关。( 2 ) 主要的脉冲干扰频率为l o o h z ，且和5 0 h z 电源电压 的正或负半周期同步。( 3 ) 脉冲宽度约有百分之几的变化l o o h z 脉冲噪声) 。( 4 ) 脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时脉宽减少。( 5 ) 干扰噪 声和信号一样都会衰减的，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪声源影响最大。 ( 6 ) 有的噪声源增加了背景噪声的功率，有的增加了脉冲噪声的功率有的都增 加了。 对于室外电力线的传输特性，仍以带干扰的时变线性滤波模型来描述电力线 的特性。可将干扰分为4 种类型 2 ： a 型是具有平滑功率谱的背景噪声，这种类型噪声的功率谱密度是频率的减 函数。这种类型噪声和时间及发送接收的位置有关，在白天，背景噪声一般数秒 到数分钟保持不变，夜晚甚至可达数4 、时不变。 b 型为单脉冲噪声，角1 并关操作引起，一般持续时间远小于1 2 5 m s ；9 8 以上 的这种干扰脉冲和人们的活动关系很大，白天脉冲干扰相对多得多，尤其在7 ： 0 0 9 ：0 0 和1 9 ：0 0 0 ：0 0 时。 c 型为与电网频率同步的噪声，主要由可控硅( s c r ) 器件产生；在5 0 9 5k h z 的频率段内，其功率谱密度大约为7 0 d b w l ( i z 。 d 型为和电网频率无关的窄带干扰，主要由其它电器辐射引起，测量表明， 其功率密度一般为6 0 9 0 d b w k h z 。 4 电磁兼容性：由于我国电器上网的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此 我国电力网的干扰要比欧美严重得多，电力线的通信环境也更加恶劣。从而也对 我国的电力线通信系统的性能提出了更高的要求。 总的说来，电力线上存在的噪声既多又复杂，在电力线上进行通信有相当的 难度。现在已有的各种电力线通信方案和电话线及电缆相比都没有达到很高的数 据传送数率。 第一章引言一电力线通信概述 ) = o 晌 vy v j o 。2m s d l v 图i 普通灯管的启动脉冲干扰 1 hfh4k 蟛吣b培 lvj 、 i t l 1 、 7 9 旅c 帆l p a i 霜y 1i 嘶厂 l i t h e l 8 m 删 年1 只瑚斜氧呐 n 出n 斟_ 啦_ 、l p 口m r s u p p l y h a n n o n l c s 训彳|l o f 1i a y r ly lu l r 。f坩i i v k一| 。 r l i1 l l 刚f w札i ，、 00 10 2t 3 略雌n 7 瞄0 9 开筐e n 叫( f 哟 图2 普通开关电源的干扰 1 1 3 电力线通信的标准和特性 、 在2 0 世纪9 0 年代初期，欧洲就提出了b se n5 0 0 6 5 标准，此标准对在低压 电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。我国也对低压电 力线通信的载波信号的频段、频带和电平制定了标准。我国制定的标准参照了b s e n5 0 0 6 5 标准。在标准的第一部分即b se n5 0 0 6 5 - i 对频段的规定是： 3 k h z 9 k h z 一一电力公司专用频段。 9 k h z 9 5 k h z 一电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段。 9 5 k h z 1 4 8 5 k h z 一其它用户使用的频段。 ip)|搴)m o啪圆瑚狮神曲神曲曲 第一章引言一电力线通信概述 在9 5 k h z 1 4 8 5 k h z 这个频段又细分为三个小频段： 9 5k h z1 2 5k h z ( b - 波段) 其用户使用的频段。 1 2 5k h z1 4 0 k h z ( c - 波段) 其它用户使用的频段，在这个频段上定义了c s m a 协议。 1 4 0k h z 1 4 8 5 k h z ( d - 波段) 其它用户使用的频段。 从上述的频段分配上可以看出，对于一般抄表用的电力线通信系统可以使用 9 k h z 9 5 k h z 的频段，对于其他的应用则可以使用9 5 k h z 1 4 8 5 k h z 频段。同时 这个标准并没有规定1 4 8 5 k h z 以上频段如何使用，这将是未来的电力线通信可以 应用的资源。 通信系统的一项重要技术指标是载波通信的传输速率，这也是载波通信技术 水平的一项重要标志。对于电力线通信系统，通信速率( 波特率) 和误码率是一 对主要的矛盾，波特率越高，误码率就越高，通信成功率就越低。这种情况由于 电力线的特性，在电力线通信系统中特别的明显。因此波特率咏致抄至关重要。对 于本文所涉及的主要针对多功能抄表应用而言，考虑到成本的因素，也考虑到扩 展陛，不宜追求很高的传输速率，通常速率应在2 4 0 0 b p s 以下。对实际使用来讲， 从3 0 0 b p s 2 4 0 0 b p s 都是可行的。但如果太低( 比如3 0 0 b p s 以下) ，仅仅用于抄 表尚可以使用，但如果系统希望此系统具备较强的扩展管理功能，太低的传输速 率就无法满足了。 在实际的电力线通信系统中，低压电力信载波通信必须实现双向通信的。这 是由于电力线通信的信道特性决定的。由于电力线信道复杂的时变特性，低压电 网上不同种类的噪声是客观存在的，各种得负载对载波信号所呈现出阻抗也是动 态时变的，而且在用电负荷很大时，阻抗会变得很小的( 有时lzi f o f i n 。这样得到了带宽为2 f c 的载波抑制的宽带信号。这一扩展了频谱的 信号再送到发射机中去对射频f t 进行调制后由天线辐射出去。 信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在收端， 进入接收机的除有用信号外还存在于扰信号。假定干扰为功率较强的窄带信号， 宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频f i 输出。不言而喻，对这 一中频宽带信号必须进行解扩处理才能进行信息解调。解扩实际上就是扩频的反 变换，通常也是用与发端相同的调制器，并用与发端完全相同的伪随机码序列对 收到的宽带信号再一次进行二相移相键控。 ! 厂一髓码 ! 阳! ! 同! ! 田! 阿! 田! m ! 冈! 髑 l0ll00lo0l0l00 o 01ol0 o1z # * 韧l 0 o0 00 0 0n 0 0 0 2 t 日l 镕撒 0 00 00 0 0 0o 0 00 女q g a b 桃 00000 00o00 00n“中频f 亩息 !l l蜊瞧总 图4 ：扩频系统的扩频调制 从图中收端波形可以看出，再一次的相移键控正好把扩频信号恢复成相移键 控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这 一窄带信号经中频窄带滤波器后至信息解调器再恢复成原始信息。但是对于进入 接收机的变窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相移相键控 调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中 第二章扩频通信原理 频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。由此可见， 接收机输入端的信号与噪声经过解扩处理，使信号功率集中起来通过滤波器，同 时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功 率比。 这一过程说明了直接序列扩频系统的基本原理和它是怎样通过对信号进行扩 频与解扩处理从而获得提高输出信噪比的好处的。它体现了直接序列扩频系统的 抗干扰能力。 综上所述，直接序列扩频系统的特点是： 频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。 扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声( p n ) 码序列。 扩频调制方式多采用b p s k 或q p s k 等幅调制。扩频和解扩的调制解调器多采 用平衡调制器，制作简单又能抑制载被。 模拟信息调制多采用频率调制( f m ) ，而数字信息调制多采用脉冲编码调制 ( p c m ) 或增量调制( d m ) 。 接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配 滤波器来解扩信号。 扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤 波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。 一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。 2 4 直接序列扩频信号的波形与频谱 任何周期性的时间波形都可以看成是许多不同幅度、频率和相位的正弦波之 r 和。这些不同的频率成分，在频谱上占有一定的频带宽度。单一频率的正弦波， 在频谱上只有一条谱线，而周期性的矩形脉冲序列，则有许多谱线。任何周期性 的时间波形，可以用富氏级数展开的数学方法求出它的频谱分布图。 现在以矩形脉冲序列为例来说明其间的关系。图5 一( a ) 中为一周期性矩形脉 冲序列f ( t ) 的波形及其频谱函数a n ( f ) 。 图中e 为脉冲的幅度，t o 为脉冲的宽度，t o 为脉冲的重复周期。设t o = 第二章扩频通信原理 5 t o ，从图中可以看出f ( t ) 的a n ( f ) 分布为一系列离散谱线，由基频f o 及其高次 谐波组成。随着谐波频率的升高、幅度逐渐衰减。对于棱角分明的波形，在理论 上包含有无限多的频谱成分。不难证明，时间有限的波形，在频谱无限的；相反， 频谱有限的信号，在时间上也是无限的。 但一般来说，信号的能量主要集中在频谱的主瓣内，即频率从0 开始到频谱 经过第一个0 点的频率为止的宽度内，称为信号的频带宽度，以b f 表示。从数学 分析可知，信号谱线间隔决定于脉冲序列的重复周期，即f o = i t o 。而信号频带 宽度取决于脉冲的宽度，即b o = i t o 。 t t a n ( f ) 胁m a n ( f ) 一 图5 ：直接序列扩频信号的谱分布图 第二章扩频通信原理 在图5 ( b ) 中，如果脉冲重复周期增加一倍，基频降低一半，谱线间隔也减少 一半，谱线密度增加一倍，此时b f o 不变。如果脉冲重复周期不变，而脉冲宽度 减少一半t 1 = t o 2 ，则从图5 ( c ) 可以看出，谱线间隔不变，但信号的频带宽度 b f l 增加一倍。此外，从图中还可以看出，无论是脉冲重复周期的增加，还是脉 冲宽度的减少，频谱函数的幅度都降低了。 从上面的讨论，可以得出两个结论： 一是为了扩展信号的频谱，可以采用窄的脉冲序列去进行调制某一载波，得 到一个很宽的双边带的直扩信号。采用的脉冲越窄，扩展的频谱越宽。如果脉冲 的重复周期为脉冲宽度的2 倍，即t ：2 t ，则脉冲宽度变窄对应于码重复频率的 提高，即采用高码率的脉冲序列。直接序列扩频系统正是应有了这一原理，直接 用重复频率很高的窄脉冲序列来展宽信号的频谱。 二是轻墨售量数璺自量丕变。旦9 频谱的展宽z 焦圣叛进盛盆的蝠廛工堕：换 句话说，信号的功率谱密度降低。这就是为什么可以用扩频信号进行隐蔽通信， 及扩频信号具有低的被截获概率的原故。 2 5 直接序列扩频系统的处理增益 直接序列扩频系统的处理增益是发射信号的伪码速率与信息比特速率的函 数，所谓增益指的是信息带宽到射频带宽之间的变换而带来的信噪比的改善。如 果对直接序列扩频系统中的信息带宽到射频带宽之比不加限制，则可以拥有无限 的处理增益。但实际上不可能。处理增益取决于两方面的因数：信息的比特速率 它取决于信号的奈奎斯特速率( 即带宽) ；还有就是取决于所用的伪随机码的速 率。降低信息的比特速率可以增加处理增益。但信源的压缩技术决定了信息的比 特速率不可能降低很多。一般要增加处理增益，可以增加伪随机码的速率。但是 伪随机码的速率不宜过高，当伪随机码的速率较高时，对于伪随机码发生器的要 求也提高了，系统并不容易实现。所以直接序列扩频系统的处理增益要定在一个 合适的值上。 第二章扩频通信原理 2 6 伪随机码编码基本原理和构成【1 0 1 由香农编码定理：只要信息的速率小于信道的容量，则总可以找到某种编码 方式，使得在编码周期相当长的情况下，能够近似于无差错地从受到噪声干扰的 信号中恢复出原始的信息。这里的编码有两个特性。 一：信息的速率小于信道的容量： 二：编码的周期相当长，并且香农指出这种编码方式具有白噪声的统计特性 ( 在瞬时服从正态分布，功率谱在相当宽的范围内均匀分布，且具有良好的相关 特性) 。在工程中人们用具有白噪声统计特性的随机信号来近似，这就是伪随机 信号。工程上常用f 1 ，0 的两元序列来产生伪随机信号。 伪随机信号的序列称为p n 序列，伪随机码称为p n 码。 伪随机码序列的随机性由以下三点来表征： l - 一个周期内“1 ”和“0 ”的位数相等或相差1 位。 2 一个周期内长度为1 的游程( 连续为“0 ”或连续为“1 ”称为游程) 占 l 2 ，长度为2 的游程占l 4 ，长度3 的游程占l 8 。只有一个包含n 个“l ” 的游程，也只有一个包含( n 1 ) 个0 的游程。“l ”和07 的游程数相等。 一个周期长的序列与其循环移位序列远位比较，相同码的位数与不相同码的 位数相差1 位。 如果一个码长为p 的周期序列，自相关函数满足： 聊，= g 1 茗ur 我们把具有这种性质的序列称为双峰自相关序列，它属于广义伪随机信号， 如果在a = 一1 p ：则把这种序列称为狭义伪随机码。 在实际应用中有很多种的狭义伪随机码，下面介绍几种常用的。 m 序列： 二元的m 序列是一种伪随机序列，它有良好的自相关函数，是狭义伪随机序 列的一种，且易于产生和复制，在扩频技术中有着广泛的应用。 m 序列的定义： 对于一个存在于g f ( 2 ) 上的非退化的n 多项式： n z c+十 3 r 勺 p 2 工 2 c+工ch 1 1 | c 对1 | ( o 厂c 中其 第二章扩频通信原理 可以对应于一个n 界的线性移位寄存器如图6 如图6 ：n 阶线性移位寄存器 这个非退化的t 3 多项式称为对应于f i 阶线性移位寄存器的联结多项式。 如果这个n 阶线性移位寄存器所产生的序列其周期是p = 2 “- 1 ，则称这个序列 是n 阶最大周期线性移位寄存器序列。由这样的序列产生的序列( a 则称为n 阶最 大线性移位寄存器序列，简称m 序列。 一个n 阶线性移位寄存器所产生的序列是不是【i l 序列与联结多项式密切相关， 可以证明 3 产生m 序列的联结多项式必定为不可约多项式。但是不可约多项式不 一定产生m 序列。例如，联结多项式为 - 厂( z ) = l + 石+ z 2 十z 3 + 石4 的多项式是一个不可约多项式，当它产生的序列周期为5 ，因而也不是m 序列。 n 序列的性质 前面讲述了一般伪随机序列的特性，m 序列作为一种伪随机序列具有伪随机 序列应有的一些特性。 l 在每一个周期p = = 2 。1 内，0 出现的= 2 ”l 1 次，l 出现= 2 ”1 次，l 比d 多 出现一次 ， 2 在每一个周期p = = 2 。一l 内，共有2 1 1 个元素的游程，其中0 的游程和l 的游程数目各占一半。并且对于n 2 ，当o k n - 1 时，长为k 的游程占总数的1 2 ， 其中0 的游程和l 的游程数目各占一半，长为n l 的游程只有一个为0 游程，长 为n 的游程只有一个为1 游程， 3 i l l 序列( a k 与其移位序列 酢： 的模2 和仍是i l l 序列的另一移位序列 a 。 i l l 序列的自相关函数：由于一种狭义伪随机序列，因而m 序列的自相关函数 第二章扩频通信原理 如下式 lf = 0 r ( f ) = 一三r o p 其中p 是m 序列的周期。 m 序列的构造： 从面对m 序列的介绍中可以看到，m 序列可以由f 1 个对应于不可约多项式的 移位寄存器所构成。一般常用的m 序列不可约多项式的系数可以查表得到。下面 列出部分的m 序列本原多项式。 m 序列不可约多项式的系数表 n = 27 h n = 31 3 f n = 42 3 f3 7 d0 7 n = 54 5 e7 5 g6 7 h n = 61 0 3 f 1 2 7 b 1 4 7 h1 1 l a 0 1 51 5 5 e0 0 7 n = 72 1 1 e2 1 7 e2 3 5 e3 6 7 h 2 7 7 e3 2 5 g2 0 3 f3 1 3 h3 4 5 g 表中多项式的系数写成了8 进制数的形式。其中x 的系数从左到右，按从高 到低的次序排列。数字后的字母a 、b 、c 、d 表示非本原多项式，e 、f 、g 、h 表 示本原多项式。 g o l d 序列： m 序列虽然性能优良，但同样长度的m 序列个数不多，且序列之间的互相 关疽并不都好。r g o l d 提出了一种基于m 序列的码序列，称为g o l d 码序列。这 种序列有较优良的自相关和互相关特性，构选简单，产生的序列数多，因而获得 了广泛的应用。 我们用一对m 序歹优选对。如果把两个m 序列发生器产生的优选对序列 模二相加，则产生一个新的码序列，即g o l d 序列。 第二章扩频通信原理 g o l d 序列的主要性质有以下三点： g o l d 序列具有三值自相关特性，其旁辩的极大值满足上式表示的优选对的 条件。 两个m 序列优选对不同移位相加产生的新序列都是g o l d 序列。因为总共有 2 “一1 个不同的相对位移，加上原来的两个m 序列本身，所以，两个m 级移位寄存 器可以产生2 “+ 1 个g o l d 序列。 因此，g o l d 序列的序列数比m 序列数多得多。这一特性在实现码分多址时 非常有用。 2 7 扩频系统的解扩和解调 直接序列扩频。直接序列扩频( 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 ) 工作方式， 简称直扩( d s s s ) 方式。所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列 在发端去扩展信号的频谱。而在接收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展 宽的扩频信号还原成原始的信息 p n 码序列捕获指接收机在开始接收扩频信号时，选择和调整接收机的本地扩 频p n 序列相位，使它与发送的扩频p n 序列相位基本一致，即接收机捕捉发送的 扩频p n 序列相位，也称为扩频p n 序列的初始同步。在系统接收端，一般解扩过 程都在载波同步前进行，实现捕获大多采用非相干检测。接收到扩频信号后，经 射频宽带滤波放大及载波解调后，分别送往2 n 扩频p n 序列相关处理解扩器( n 是扩频p n 序列长) 。2 n 个输出中哪个输出最大，该输出对应的相关处理解扩器 所用的扩频p n 序列相位状态，就是发送的扩频信号的扩频p n 序列相位，从而完 成扩频p n 序列捕获。 捕获的方法有多种，如滑动相干法、序贯估值法及匹配滤波器法等，滑动相 关法是最常用的方法。 滑动相关法： 接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器以与发射机码序列发生器不同的 速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下 来，因此称之为滑动相关法。 接收信号与本地p n 码相乘后积分，求出它们的互相关值，然后与门限检测器 的某一门限值比较，判断是否己捕获到有用信号。它利用了p n 码序列的相关特性， 第二章扩频通信原理 当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获 指示信号的同步脉冲控制搜索控制钟，调整p n 码发生器产生的p n 码重复频率和 相位，使之与收到的信号保持同步。 由于滑动相关器对两个p n 码序列按顺序比较相关，所以该方法又称顺序搜索 法。滑动相关器简单，应用面广，缺点是当两个p n 码的时间差或相位差过大时， 相对滑动速度较慢，导致搜索时间过长，特别是对长p n 码的捕获时间过长，必须 采取措施限定捕获范围，加快捕获时间，改善其性能。 使滑动相关器实用的有效方法之一是采用特殊码序列，特殊码序列要足够短， 以便在合理时间内对所有码位进行搜索。至于短到什么程度，由满足相关性要求 限定。这种加前置码的方法称同步引导法。引导码同步要求低、简单易实现，是 适合各种应用的同步方法。 可捕码由若干较短码序列组合而成，其码序列应与各组成码序列保持一定的 相关关系。这类码中最著名的是j p l 码。 序贯估值法 序贯估值法是另一种减少长码捕获时间的一陕速捕获方法，它把收到的p n 码序 列直接输入本地码发生器的移位寄存器，强制改变各级寄存器的起始状态，使其 产生的p n 码与外来码相位一致，系统即可立即进行同步跟踪状态，缩短了本地 p n 码与外来p n 码相位一致所需的时间。 该方法先检测收到码信号中的p n 码，通过开关，送入n 级刚码发生器的移 位寄存器。待整个码序列全部进入填满后，在相关器中，将产生的p n 码与收到的 码信号进行相关运算，在比较器中将所得结果与门限进行比较。若未超过门限， 则继续上述过程。若超过门限，则停止搜索，系统转入跟踪状态。理想情况下， 捕获时间t s = n t c ，( t c 为p n 码片时间宽度) 。该方法捕获时间虽短，但存在一 些问题，它先要对外来的刚码进行检测，才能送入移位寄存器，要做到这一点有 时很困难。另外，此法抗干扰能力很差，因为逐一时片进行估值和判决，并未利 用p n 码的抗干扰特性。但在无干扰条件下，它仍有良好的快速初始同步性能。 匹配滤波器法 用于p n 同步捕获的匹配滤波器一般采用延时线匹配滤波器，其目的是识别码 l g 第二章扩频通信原理 序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。假设一个输入信号 是7 b i t 码序列i i i 0 0 1 0 双相调制的信号，每当码有卜0 过渡时，反相信号进入延 时线，直到第1 b i t 在t 7 ，第2 b i t 在t 6 。当全部时延元件都填满，而且信号调制 码与滤波器时延元件相位一致时，t 2 的信号相位与t 5 、t 6 、t 7 的相位相同，时 延元件t 1 、t 3 、t 4 也具有相同的信号相位。把 5 0 0 m 在接受端的接收灵敏度：1 5 m v 。 算法的框图如下： 图8 ：发送端框图 3 0 第四章电力线通信系统的算法和系统掏架 图9 ：接收端框图 4 3m a t l a b 仿真 在系统设计时采用了m a t l a b 作为系统的仿真工具，用来确定系统各个部分的 工作参数和系统整体算法的可行性。 在m a t l a b 中的仿真电力线通信模块和设计电力线通信算法的模块相一致。在 m a t l a b 中采用m 函数和s i m u l i n k 构成算法级的仿真系统。 由于在m a t l a b 中没有电力线的信道模型，在仿真的初始阶段，整个系统采用 了一般的信道噪声( 如自噪声等) 模型进行仿真。在算法模块基本构件完成之后， 使用数据采集卡采集了电力线上的实时噪声，作为仿真中的信道噪声，以次检验 算法的可行性。但是由于无法模拟电力线信道的衰减模型，所以这样的算法验证 也不能保证算法的可行性。 由此可见，在m a t l a b 中的模拟只能仿真电力线通信系统算法在一般( 不太严 格的电力线通信环境) 环境下可行性，但不能很好地验证算法真正的可行性。由 于信道模型的不完备，电力线通信系统的真实性能只能在真实的电力线环境下测 试得到。各种软件的模拟和仿真结果不能作为衡量电力线通信系统的可靠依据。 第四章电力线通信系统的算法和系统构架 图1 0 ：发射端的m a t l a b 仿真系统 4 4 电力线通信系统的系统构架 针对本文使用的电力线通信算法可以应用不同的方式实现，比较常见的有以 下两豺实现方式： 采用已有的m c u 加上部分预处理电路构成整个系统。 完全采用a s i c 的方式实现。 第一种方式比较常见。并且通信系统容易构成，主要的工作在于编制m c u 的 程序和定制部分的外围电路协同m c u 处理数据，工作量较小。并且当需要修改算 法时，不需要更改硬件的结构，只需更改少量的软件代码，系统调整容易实现。 这种方式较适合在验证系统算法和调试系统性能的时候采用。 第二种方式工作量较大，但是针对具体的算法能够节省电路的规模。适合于 当系统的算法已经调试完成，算法相对固定的情况。并且通常采用a s i c 方式，可 以找到针对此算法较好的电路实现形式。文献 6 就是一种使用a s i c 方式构成的 电力线通信系统的调制解调器，但是他也使用8 0 5 1 的微处理器作控制和接口处 坪。 4 5 小结 在本章中，为了特定的应用需要( 在中国的电力线信道上) ，本文分析并设 计了电力线通信系统所要有的各种性能指标，这些性能特性能很好的应用到中国 的电力线系统上。并且对本文提出的应用于电力线通信系统的扩频通信算法，在 m a t l a b 上进行了软件仿真。为了实现本文提出的算法，本章中分析了系统构架设 计实现的两种常用的方式。 第五章电力线通信系统的设计实现 第五章：电力线通信系统的设计实现 在本文的设计中采用了m c u 外加外围电路来构成的电力线通信的系统。这样 擞的好处在于可以较快的完成系统的构架，验证算法。并且由于本文的设计考虑 到电力线的实际情况，需要在现场调试多种情况或者修改算法。如果调试多种情 况或需要修改算法，采用这种构架可以很快地完成修改工作。 本文的设计中采用了h y p e r s t o n e 公司的e l 一3 2 x s1 6 位定点m c u d s p 系统 4 ， 它在接收端能工作在1 2 0 m h z 的时钟下。 5 1 电力线通信系统发射端的设计 考虑到本文设计所采用的h y p e r s t o n em g u d s p 性能的限制，在发射端将完全 采用a s i c 的方式实现。 发射端数字部分的系统框图 图l l ：发射端系统框图 其中共包括：信息流输入和c r c 编码、组帧和组包、r s 编码、帧头产生、时 钟产生、伪随机码产生、扩频、差分编码、余旋波形发生、调制等几个部分、在 验证时信息流的数据是随机产生的数据。 第五章电力线通信系统的设计实现 5 1 1 信息流输入和c r c 编码 读入需要发送的信息并进行c r c 编码，c r c 编码的生成多项式为 g ( x ) = 石4 + 工3 + 上2 + l 。( 5 1 ) 所对应的结构如下图： 图1 2 ：c r c 校验生成多项式的对应结构 a 初始时所有的触发器都置为o ；当数据输入，进入循环移位。当数据输入结 束，得到余数，把余数加在信息数据的后面，就完成了c r c 编码。 ( 在实验中信息流的数据是由电路随机产生，无需外部信息源的输入) 5 1 2 组帧和组包 把需要发送的数据组成数据帧，每4 个数据帧组成一个数据包。每一帧的数 据都有一个特殊的帧头用来进行数据同步。 5 1 3r s 编码器 本文的设计采用了( 1 5 ，5 ) r s 系统码作为编码。所谓系统码就是在原始信 号m = ( i l o ，m l ，m 、一。) 的后面添加2 t 个校验位p = ( p 。，p b p 。，) 得到r s 码的系统形 式。 c = ( c o c ，一c l ) = ( p n ，p i ，p k 一，b ，m 【，m k l ) 可以写成多项式形式 c ( x ) = p ( x ) + m ( x ) x “( 5 2 )： 其中2 t 个校验位p = ( p 。，p 一p 。) 可以用m ( x ) x 2 被生成多项式g ( x ) 除的余 式。 所以一般的r s 编码的算法如下： 1 ) 将信息多项式乘以x “ 2 ) 计算校验多项式p ( x ) 3 ) 在原有的信息多项式之后加上p ( x ) 组成码子。 编码器的核心就是在有限域上的多项式除法，经