（电力电子与电力传动专业论文）电力线载波通信的研究与实现.pdf

s u b j e c t ：t h es t u d ya n di m p l e m e n t a t i o no fp 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 n s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & p o w e r d r i v e s n a m e：f uy o n g y a o i n s t r u c t o r ：s u nl o n 鲥i e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a l o n gw i t ht h ep a c eo fg l o b a ln e t w o r k i n gq u i c k e n i n g ，i n f o r m a t i o nn e t w o r k i n ga n d c o n t r o la u t o m a t i o nh a v eb es o m et h ep r e s s i n gr e q u i r e m e n t so fe v e r yi n d u s t r yf o ri m p r o v i n g e f f i c i e n c ya n dr e a l i z i n gm o d e r n i z a t i o n s oi th a sv e r yw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t 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 nt e c h n o l o g ya d o p t sp o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i u ma n d p o s s e s s e st h em e r i t s o fm a k i n gf u l lu s eo fr e s o u r c e so nh a n d 、e a s yc o n s t r u c t i o n 、l o w c o m p r e h e n s i v ec o s t 、b e i n g u n r e s t r i c t e d b ye n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n s b u tp o w e rl i n ei s c h a r a c t e r i s t i co fv i o l e n tc h a n g ei na m p l i t u d e f r e q u e n c yp e c u l i a r i t y , n a r r o we f f e c t i v eb a n d ， c o m p l e xc h a n n e lc h a r a c t e gw h i c hn e e d sh i g h e rc o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s a tt h es a m e t i m e ，i f w ec a n a p p l y t h e s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e o nt h e p 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 n ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h 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 n ，b r i n gd i r e c ta n d c o n s i d e r a b l es o c i a le c o n o m i cb e n e f i t t h i ss c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c tb a s e so nt h i ss t a r t i n g p o i n t ，d e v e l o p s t h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n p a r t f o rt h e p o w e rl i n e c a r r i e r c o m m u n i c a t i o nw h i c hc a na c c o m p l i s ht h ed i g i t a lt r a n s m i s s i o no np o w e rl i n e t h es p r e a ds p e c t r u m ( s s ) c o h i m u n i c a t i a ns y s t e mh a s s t r o n g e ra b i l i t yo fr e s i s t i n g j a m m i n g ， n a r r o w b a n d ， a n d m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c et h a nt h a to ft h ec o n s e r v a t i o n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n db e c a u s eo fi t sl o w e rt r a n s m i t t i n gp o w e rs p e c t r u m ，i ta l s oh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so f 1 0 wp r o b a b i l i t yi n t e r c e p ta n dm u l t i p l ea c c e s ss e c u r ec o m m u n i c a t i o n t h e s st e c h n o l o g yh a sb e e nd e v e l o p i n gr a p i d l ya n dh a sm o r ea n dm o r ec o m p r e h e n s i v e a p p l i c a t i o n sf r o mt h em i d d l eo f t h e5 0 st on o w a d a y s i th a ss h o w ns t r o n gv i t a l i t yo nt h es i d e o f c o m m u n i c a t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o na n ds e c u r ec o m m u n i c a t i o n t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e sd e e p l yt h el o w - v o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e lc h a r a c t e r , a n dt h e n i n t r o d u c e sp r i n c i p l e so fd sa n d2 d p s k t e c h n i q u e ，m e t h o d so fi m p l e m e n t a t i o na n dd i s c u s s e s t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo ft a k i n gd sa n d2 d p s kt e c h n i q u ef o rm o d u l a t i o np l a no f p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i ni nd e t a i lt or e s o l v et h ep r o b l e mo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni n s u n c ha d v e r s ec o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c e sa sp o w e rl i n e s e c o n d l y , t h i sp a p e rp r i m a r i l y d i s c u s s e da n ds i m u l a t e dt h et r a n s m i t t i n gt h em o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np a r to ft h ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nb yt h es o f t w a r eo fm a t l a b ，a n da c h i e v es i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l yo nt h e s o f t w a r e p l a t f o r m o fm o d e l s i ma n ds y n t h e s i so nt h es o f t w a r e p l a t f o r m o fi s e ，t h e h a r d w a r et e s ti sa l s os u c c e e d a tl a s t ，t h et e s t i n g s y s t e mi sd e s i g n e dt ot e s tt h ev a l i d i t yo ft h e m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o np a r to ft h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a n dt h ed e b u g g i n ga n d t h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r ec o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h i sd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m p e r f o r m ss u p e r i o r i t y , p a y sc h e a p l y i tc a nb eu s e do nt h eo c c a s i o no fd a t at r a n s m i s s i o nr a t e m o d e r a t e ，c o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t yd e m a n dh i g h ，s u c ha sp o w e rn e t w o r ka u t o m a t i o n ， d i s t r i b n t i o nn e t w o r ka u t o m a t i o na n dr e m o t ea u t o m a t i cm e t e r i n gs y s t e ma n ds oo n k e yw o r d s ：d s s s 2 d p s kh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ev h d l f p g am c u t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 姿科技女擎 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：博采爆日期：柳刍辛a 1 a 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者魏碡痞耀指导教师躲侈捌红 p6 年0 月多日 1 绪论 l 绪论 本章首先介绍了课题研究的背景和意义、国内外的研究现状及发展趋势，指出我国 在该领域研究的紧迫性。最后，简要介绍了本课题的主要研究内容。 1 1 课题研究的背景及意义 目前，我国城乡居民用户抄电表的方式基本上都是人工抄表，即由抄表人员每月逐 户查抄电表。这种落后的方式，消耗大量的人力、物力，而且采集数据的时间跨度大、 采集数据的准确度低。因此，国家有关部门规定以后将逐步以计算机为基础的电力线载 波自动抄表系统取代传统的人工抄表【1j 。 电力线载波通信又分为3 5 k v 以上的高压载波通信：1 0 k v 配电网的载波通信和民用 ( 4 0 0 v 以下) 电力线载波通信。在技术上高压载波通信主要为业内业务通信。由于网 络专一性，其简单的数据通信国内外己基本成熟。进入千家万户的民用低压电力网才是 最大的通信物理网络。但在该网络上实现通信一直是全世界科技工作者的研究课题。由 于在低压电力线上实现通信有许多技术难点：如网络不规范、节点多、隔离多、随机干 扰等。也可以说民用电力线路阻抗对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰，网络 特性呈拓扑特性的非标准通信网。在技术上带来很大难度，成为通信领域上的一大挑战 课题。近1 0 年来，美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从事这方面 的技术研究与开发。到目前为止，国内外已有一些企业开发出了用于电力线载波通信的 产品：如开发的电力线载波抄表系统在技术上取得了可喜的进步和成功，但尚未能符合 用户使用要求，由于专用芯片的原因，抄表系统的抄到率最高仅能达到9 0 左右。实践 证明用进口通用通信芯片不可能实现我国民用电力网的可靠载波通信。但是随着市场需 求和技术的发展，将来的民用电力线载波通信必将成为一个很大的通信网，是众商家瞄 准的市场，目前我国众多公司及科研机构都进行了深入的研究与开发，开发出了几款适 合我国电网的电力线载波通信调制解调器及抄表系统【2 l 。 现今国内外已经有不少的电力线产品，而且相应的标准已经比较成熟，因此用电力 线来进行水、煤、电等的自动抄表己成为现实。可是目前还无一款真正适合我国电力线 载波通信调制解调器。我国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况、电力线载波通 信的应用领域等方面与国外有一些不同之处【3 。电力线载波通信专用芯片的瓶颈作用越 来越突出，使国内电力线通信市场难以迅速增长，也延缓了用户对电力线载波通信技术 以及自动抄表系统的认同和接型”。而现代通讯技术发展到今天，完全能消除这个瓶颈， 这就需要国内电力线载波通讯领域的公司及相关人员根据我国电网特性、住宅结构、市 场要求等情况，加上对国外电力线载波通讯技术的深入研究，利用国外先进的现代通讯 西安科技大学硕士学位论文 技术，定制出我国电力线载波通信调制解调器的最佳模式。因此，对电力线载波通信的 研究具有较强的针对性、市场应用性。 1 2 国内外电力线载波通信研究的现状及发展趋势 国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波通 信调制解调器，并制定了电力线载波适用频率范围的标准，如i n t e l l o n 、t h o m s o n 、a t m e l 、 t i 等等。目前有针对北美洲地区电网( 4 8 0 v 2 7 7 v ，2 0 8 v 1 2 0 v a c ) 的标准频率范围 1 0 0 k h z 4 5 0 k h z 和针对欧洲地区电网( 4 0 0 v 2 3 0 v a c ) 的标准频率范围9 k h z 1 5 0 k h z 。 各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各 己的电力线载波通信芯片，如t h o m s o n 公司专为电力线载波通信而设计的芯片 s t 7 5 3 6 ，除有一般通信芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别 的信号处理手段；i n t e l l o n 公司的s s c p 3 0 0 芯片，采用现代最新通信技术设计的电力线 载波通信芯片。它采用了扩频调制解调技术、现代d s p 技术、c s m a 技术以及标准的 c e b u s 协议，可以称为智能通信芯片，体现了芯片的发展趋势。但是由于国外电力线载 波通信芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计， 在国内使用都难尽人意。如s s c p 3 0 0 芯片是i n t e l l o n 公司按北美地区频率标准、电网特 性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围是1 0 0 k h z 一4 0 0 k h z 、电网电压是 4 8 0 v 2 7 7 v a c 、2 0 8 v 1 2 0 v a c 、6 0 h z 。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅， 所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。而国内电力线载波抄表 领域主要要求通信距离。针对中国现状，s s c p 3 0 0 难以胜任电力线载波抄表领域的要求 5 1 1 6 1 。 在国内，对该领域的研究尚处于起步阶段，在技术性能、工艺结构和电路上，同国 外相比较存在有很大的差距。目前已有很多研究机构进行了这方面的研究和开发，其中 一些己开发出了电力线载波通信调制解调器及系统。已有几种利用电力线进行数据通信 的芯片或产品，但存在许多缺点，尤其是使用窄带通信对脉冲噪声的抵抗较差，抗干扰 能力较弱。所以有待我国科研人员的进一步努力 j 。 在未来，电力线载波通信方案可以用数字方式传播交互式图像和语言，将基于电力 线的语音、网络电影、网络电视、网络广播、视频会议、电子商务、互动视频、网上教 育、家居智能控制( 目前p l c 已可进行家庭安全和能源控制) 、交互式远程医疗等应用 变成现实，而且传统联网附加的通信线路将不再需要；借助基于p l c 的数据网络产品、 宽带接入产品以及v o i p 产品，人们可以自如地享受电力线载波通信带来的便捷，无论 是在现代化的摩天大厦，还是在山村海岛，都能得到推广和应用： 1 ：宽带接入 对于“最后一公里”的解决方式来说，无论是c a b l e 、x d s l 还是l a n ，在线路建设方 i 绪论 面的投入，都会远远大于电力线通信方式的投入；并且由于需要协同局端设各的支持， 使得电信运营商的基础投资较大。而电力线通信系统，网络不需要大的改造，设备简单、 易于维护，不但为客户带来迅捷的联网，而且为运营商带来巨大的利益。 2 ：证券、银行的交易系统 遍布各处的电力线资源，为证券、银行等金融机构提供了简单、便捷的联网和工作 方式。无论是海量的交易行情数据，还是实时性要求严格的客户交易数据，都可以通过 电力线传输，不再需要传统的网线和联网设备。遍布生活各个角落的a t m 自动取款机， 也不再需要昂贵的d d n 线路，只需要利用原有的电源线，就可以实现远程的交易和联 网通信。这一切，使得联网成本大大降低，从而降低了营运成本。 3 ：便捷低廉的语音应用 随着v o l p 技术的不断发展和成熟，人们可以通过i n t e m e t 实现语音通信。但是由于 宽带线路资源的稀缺，使得v o l p 的运营和应用成本居高不下。现在，可以利用电力线 通信产品，利用随处可以获得的电力线资源，提供简便高速的、有服务质量保证的宽带 接入，为v o l p 的广泛应用打开方便之门。 此外，电力线载波通信在远程实时监控、家庭信息化和智能化、楼宇智能化等领域 将发挥很大的作用【s 】。 专家预期，未来数年，随着高性能电力线载波通信调制解调器的研发成功以及应用 的愈来愈普及，新技术将把电线、无线和电话线这三种技术合而为一，让使用者通过电 力线网络连线，轻松将计算机、各种电子装置、安全系统和家电串连成家庭网络。可以 预计，电力线载波通信将是令人振奋的宽带接入和联网技术【9 j 。 1 3 课题研究的主要内容 课题研究的主要内容： 1 电力线信道特性分析。 2 讨论扩频通信系统的基本原理及应用于电力线载波通信的可行性。 3 电力线载波通信调制解调器的m a t l a b 建模、仿真。 4 编写v h d l 代码，并进行仿真、综合。 5 简易验证系统的软硬件设计。 6 在实际电力线上进行验证系统的调试及性能分析。 西安科技大学硕士学位论文 2 电力线信道特性分析 从六七十年代以来，利用1 0k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波 电话已经获得广泛使用，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 【” 。但是，在2 2 0v 3 8 0v 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 区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点。 因此，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。如何选择调制解调 人式及采用何种通信协议，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。同时，对 于所有的通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。因此，在使用电 力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。 这方面的研究及相关论文，目前国内还较少。本文参考了国外最新研究资料，结合 我们工作中的实际经验来作介绍。通过对各种实验数据的比较分析，认为电力线的输入 阻抗较小，对信号的衰减强，干扰大，且具有很强的时变性，难以提出一个准确的数学 模型。但是，只要采用合适的技术，仍然能使电力线载波通信达到实用化的要求1 1 。 2 1 电力线上输入阻抗及其变化 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大意义。 研究表明低压电力线上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。图2 1 用对数图绘出了文献 1 1 】实测出的输入 阻抗与频率的关系数据，图中两曲线是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。 从图2 ，1 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 n 变到大于l o o f 2 ，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，上面连接有各种复杂的负载。 这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附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， 就形成图2 1 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。 4 2 电力线信道特性分析 图2 1 输入阻抗一频率关系幽 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。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2 1 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。 2 2 电力线上高频信号的衰减及其变化 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，信号传输的距离越远，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 是文献【1 2 在一个工业建筑内测出的 信号衰减与频率之间的关系。 图2 2 ( 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 曲线由于布线图未知，所以无法得知 准确的距离，但估计在2 0 0m 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 0k 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 0k h z ，衰减大约为5 0d b 。a 1 和a 2 曲线的测量距离同样未知，估计在2 0m 3 0 0m 。 西安科技大学硕士学位论文 比较i ，a 1 和a 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1 0d 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。这些设备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。 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，所阱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 心 电容器，对1 0 0k h z 的信号的阻抗只有0 1 6q 。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2 ( b ) 为晚上在同一地点测得的衰减曲线。因为i s 曲线与图2 ( a ) 几乎完全一 样，所以未画出。从i 曲线可以看出，晚间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2 0d 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 0d b 。这可能是电抗性负载、反射、 多径传播或驻波等现象造成的影响。 o 1 0 笔2 0 运3 0 - 丛4 0 5 0 6 0 ( a ) 实验时间为白天 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 05 0 1 0 01 5 02 0 02 5 0 频率k h z ( b ) 实验时间为晚上 图2 2 衰减一频率变比曲线 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1 5 0k 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 h z 的载波频率。但是，图2 ( b ) 中， 8 0k h z 信号衰减的突然增加表明在5 0k h z 1 5 0k h 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 0 1 5 0 0 ，2 1 0 。3 3 0 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，如开 关电源等，在工频交流电的一定相位时打开开关器件，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 6 2 电力线信道特性分析 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施放大量高 频干扰，从而影响通信系统的工作。这一点将在后面详细阐述。 随着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2 ( a ) 和图2 ( 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。 另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减也不同。在某些负载，如彩色电视机、 计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。 在现场试验过程中，我们还发现在电缆线与架空线混合布线的地方，在电缆与架空 线连接处的信号衰减十分显著。产生这种现象的原因，可能是由于在这一点，线路阻抗 发生突变，高频信号会在此发生反射，因而使信号衰减增大。 从以上分析可以看出，在总体上，电力线上的衰减随着频率的增加而增加，但在某 些频率，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然的迅速增加。 同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响，随着距离的增加，衰减会迅 速地增加。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大1 0d b 以上，但有时也会有例外。 随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。在不同的时间段、 不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化会很大。这种变化对载波通信设备的设计有很 大的影响。 2 3 电力线传输干扰特性分析 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 各产生的，并对数据通信有更严重的影响i l “。 经过研究已经发现，电力线上的干扰不能被简单地认为是可加性高斯白噪声。为了 表示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4 类：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。通常情况下，前 两类干扰占主导地位【h j 。 2 3 1 电力线上干扰的周期性 在以前的科学研究发现，谐波噪声以交流电频率( f a c ) 的整数倍出现，因此我们有理 西安科技走学硕士学位论文 由相信干扰也会存在周期性的倾向。图2 3 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 f a c ，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，其峰一峰值可达i o v 以上。 3 5 f i l h 小峰脚删娜 1 5l 。j _ 。一 诖哇 瞪 l 趟 - 曲 晕s h | 拇一嗣l i i 柙卞单呻帅妒蚋即州9 删州i 频驽茎k h 2 图2 4 干扰信号得对数频谱特性 2 电力线信道特性分析 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 度有很高的要求。 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。如果信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大的影响。 在实际情况中，由于有大量的用电设备同时释放出于扰，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2 3 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。 2 3 2 电力线上干扰的随机性 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，持续时问较短，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 9 s ，下降时间相对较长， 但通常也不大于7 5 i _ t s 。雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、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，产生振荡波，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o 5 9 s 、振荡频率为1 0 0 k h z 的衰减振荡波【2 0 j 。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1 2 ”。 上述这些干扰的持续时间较短，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 西安科技大学硕士学位论文 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，可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据 预取机制等措施加以克服。 2 3 3 电力线上干扰的多变性 出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变 性表现在2 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。 其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，于扰情况各不相同；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i l 。 2 4 结论 通过以上讨论，我们可以看到，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂， 而且随机性、时变性大，难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述，这也是 为什么一直以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试 分析为主的原因。即使有些学者提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假 设和限制，因而也是不精确的或适用面很窄。这种精确数学模型的缺乏，对低压电力线 载波通信设备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于 实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系 统的设计而言是一个很大的挑战。 但是，尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难，我们仍然认为用电力线 作为通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。目前，电力线载波通信已 经朝着使用扩频通信技术的方向发展。采用扩频通信技术，能在很大程度上克服电力线 的强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通信系统的生存能力。所以在我们设计的电力线载 波通信调制解调器中，就采用了扩频通信技术， 同时，从以上曲线的分析、特别是电力线上高频信号的衰减分析可知，在电力线载 波通信中，确定一个合理的通信带宽并不容易。在4 0 5 0 0 k h z 国家规定的电力线载波 频率中【i “，从衰减变化的趋势来看，l o o k h z 以下衰减较小，但受5 0 h z 的工频谐波影响 大；大于1 5 0k h z 的信号会有比较大的衰减，但受5 0 h z 的工频谐波影响小。而1 0 0 k h z 1 5 0 k h z 频段的情况处于两者之间，所以，许多现有的电力线载波通信系统大多使用 1 0 0 k h z 1 5 0 k h z 的载波频率。鉴于此，在本设计中，使用1 2 0 k h z 的载波频率1 9 1 1 2 2 1 。 3 电力线载波通信的核心技术一一扩频通信 3 电力线载波通信的核心技术一一扩频通信 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 ) ，它与光纤通信、卫星通信，一同被 誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 所谓扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频 带信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系统。 也就是说再传输同样的信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的各种调制方式要求的 带宽要宽的多。扩频带宽至少是信息带宽的几十倍甚至几万倍。 典型的扩展频谱系统如图3 1 所示： 3 1 扩频系统 3 1 1 理论基础 图3 1 典型的扩展频谱系统 长期以来，人们总是想法使信号所占领谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵的频谱资 源。为什么要用这样宽频带的信号来传送信息呢? 简单的回答就是主要为了通信的安全 可靠。 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，如话音为1 7 3 ，1 k h z ， 电视图像则宽到数兆赫。为了充分利用有限的频率资源，增加通路数目，人们广泛选择 不同调制方式，采用宽频信道( 同轴电缆、微波和光纤等) ，和压缩频带等措施，同时力 求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现今使用的电话、广播系统中，无 论是采用调幅、调频或脉冲编码调制制式，g p 值一般都在十多倍范围内，统称为“窄带 通信”。而扩频通信的g p 值，高达数百、上千，称为“宽带通信”。 扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。 信息论中关于信息容量的香农( c e s h a n n o n ) 公式是扩频技术的理论基础，公式如 下： c = b l 0 9 2 ( 1 + s ) ( 3 i ) c 一一信道容量( 用传输速率量度) b 一一信号频道宽度 s 一一信号功率 西安科技大学硕士学位论文 n 一一白噪声功率 该公式表明，在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比s n 下降时，可用增加系 统传输带宽b 的办法来保持信道容量c 不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以 用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩 频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。故在相同信噪比条件下，扩频系统具有 较强的抗噪声干扰的能力。 扩频通信可行性的另一理论基础，为柯捷尔尼可夫关于信息传输差错概率的公式 【2 4 ： p o w jz f ( e i n o 、 ( 3 2 ) p o w 一差错概率 e 一一信号能量 n 。一一噪声功率谱密度 又因为 信号功率：p = e r ( t 为信息持续时间) 噪声功率：n = 聊u ，( w 为信号频带宽度) 信息带宽：f = 1 ， 则式( 3 3 ) 可化为： p o w ，f ( t w p n ) = f ( p i n w f ) ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 说明，对于一定带宽f 的信息而言，用g p 值较大的宽带信号来传输，可 以提高通信抗干扰能力，保证强二f 扰条件下通信的安全可靠。亦即式( 3 - 3 ) 与式( 3 1 ) 一样， 说明信噪比和带宽是可以互换的。 总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息，就是 为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩频通信 技术的基本思想和理论依据。 3 1 2 抗干扰性能分析 前面已经多次提到扩频系统比常规通信系统具有强的抗干扰能力。本节我们就描述 扩频系统的抗干扰能力。在此我们以伪随机码序列作扩频函数的直接序列扩频通信为 例，我们分析接收端的信号特性。 在接收端，用一个和发射端同步的伪随机码所调制的本地信号，与接收到的信号进 行相关处理。相关处理是将两个信号相乘，求其数学期望( 均值) ，或求两个信号瞬时 值相乘的积分。当两个信号完全相同时，得到最大的相关峰值，经数据检测器恢复发射 端的信号。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、 多径干扰或者码分多址信