（电力系统及其自动化专业论文）基于相移键控方式的低速数字通信系统的设计.pdf

于是本文掇出一种解决方案。方案采用相移键控( p s k ) 技术，在占用频率带 宽角度，构成窄带p l c ( n b 。p l c ) 。从三种基本调制方式的比较蓊，p s k 在频 带利蠲率上积a s k 援弼，瑟跑f s k 高；抗于我方面，p s k 最好，镤褐率最低。 在进行低速数攒传输时，蔡误码率幢齄麓至可 三l 超过扩频投术。嘏力线抄表要 求抗干扰能力强、可靠性高，如果降低实时性，实行f 1 抄日收( 可满足电费计 费目收日清的裂求) ，则在带宽紧张、相对速率要求较涛、外界干扰严重的情况 下，震p s k 方式晓较适宣。嚣豆p s k 方式实瑶麓单，设谤藏本低，爵降 囊嚣 l 萋 抄袭系统高昂的设计费用。 系统的设计从经济性及电力线传输的可靠性和低实时性要求出发。文中首 先分辑了低压激力信道特性，然后对各零孛调解技术的误鹞率信能遴萼亍毙较，对 其作为电力线邋倍调解方案的可行住、优越性和实用饿傲了详细论证。随后详 细沦述了系统的硬件设计和软件设计思想。最后，对系统的调解模块进行了调 试和性能分析。 关键词：电力线通信相移键控合成法相位模糊 i i d e s i g no f p s k b a s e dl o ws p e e d d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n p o s t g r a d u a t e ：q i a oj u n w e i s u p e r v i s o r ：t i a ny u a n f u a l o n gw i t ht h ee n t r a n c eo fn l o r ek i n d s o fm e t e r si n t om o r ef a m i l i e s ，t h e l i m i t a t i o n so ft h ep a t t e r no f 、m a n u a lm e t e rr e a d i n g ( m m r ) w a sm o r ea n dm o r e o b v i o u s m m rn o to n l yn e e d sw o r k e r st og ot ot h es i t e st or e a dm e t e r s ，b u ta l s ot h i s p a t t e r nb e c o m e sm o r eb u r d e n s o m ea n dm i s t a k e sw h i c h c a n tb ea v o i d e d t h ef o r m e r m m rh a sb e e no u t d a t e d i tc a n tm e e tt h en e e d so ft h ee n e r g yd e p a m n e n t sr e a l t i m e s u p e r v i s i o nw h i l ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ( a m r ) c a np e r f e c t l ys o l v et h ep r o b l e m ， s oi nr e c e n ty e a r s h o wt ou s et h et e c h n o l o g yo fa m r t h r o u g hp o w e rl i n ei st h e p r o b l e mt h a tp o w e ra n dt h er e l a t i v ed e p a r t m e n t su r g e n t l yw a n tt os o l v e a m rn o t o n l yd e c r e a s e st h ec o s t so fl a b o ra n dm o n e y i nm m r ，b u ta l s oi sm o r er e l i a b l ea n d r e a l - t i m e t h er e s e a r c ho np o w e rl i n ec o m n m n i c a t i o n ( p l c ) h a sb e e ns t a g g e r i n g l y g o i n ga h e a df b rm a n yy e a r s a sm a n yp r o b l e m ss t i l lw a i tt ob es o l v e dt h o u g hm a n y e f f o r t sh a v eb e e nm a d ei nt h i sa s p e c t t h eu s eo fl o w v o l t a g ep o w e rl i n ei sq u i t en e c e s s a r yt ou n i t et h et e c h n o l o g yo f m e t e rr e a d i n ga n dp l c i ft h ep o w e rc h a n n e lt h a tc o n n e c t sn u m e r o u sh o u s e h o l d sc a n b eu s e df o rd a t at r a n s m i s s i o n ，l a r g eq u a n t i t i e so fr e s o u r c e sc a nb es p a r e d a m ri sa k i n do fn on e wl i n et e c h n o l o g y ，w h i c hn e e dn o te r e c tn e wc o m m u n i c a t i o nl i n ea n d c a ns a v et h ec o r r e s p o n d i n gf u n d sa n dm a n p o w e r a m r o n l yn e e d st oi n s t a l lad a t a c o l l e c t o ri nm e t e rb o x t h i sc o l l e c t o ri su s e dt ot r a n s m i td a t at h r o u g hl o w v o l t a g e p o w e rd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ag a t h e rm e t e ri sa l s on e c e s s a r yb e s i d et h el o w v o l t a g e o fm i d d l e v o l t a g et r a n s f o r m e rt og a t h e rt h ed a t at r a n s m i t t e df r o mc o l l e c t o r sa n dt h e n t r a n s f e rt h ed a t at od a t ap r o c e s sc e n t e rt h r o u g hm i d d l e v o l t a g ep o w e rl i n eo rs p e c i a l c o m m u n i c a t i o nl i n e i tw i l l i n c r e a s et h ec o s t so fm e t e ri n s t a l l a t i o ni 1 2s h o r tt e r m b u t i i i nl o n gt e r mi ti sw e l lw o r t hi n v e s t i n gf o rt h el a r g es p a c eo f i t sd e v e l o p m e n ti nu s a g e h o w e v e r , t h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o no fp l co nl o w v o l t a g e l i n ei sn o ts o s m o o t h 。t h eh i g hr e q u e s to fp o w e ra n dt h er e l a t i v ed e p a r t m e n t ss e e m st o oh a s t et o s e th i g hs t a n d a r d sa st h ec h a n n e lc h a r a c t e ro fl o w - v o l t a g ep l ci nc h i n ai sn o ts o s a t i s f a c t o r yw h e nc o m p a r e dw i t ht h a ti ne u r o p ea n da m e r i c a h i g hs p e e da n db e i n g h i g h l y r e a l t i m ei s c o n t r a d i c t o r yt oh i g hr e l i a b i l i t y t om e e ts u c hr e q u i r e m e n t s ， e n r o p e a na n da m e r i c a nr e l a t i v ec h i p sa r ea d o p t e di nm a n yr e s e a r c h e si n c h i n a ， t h o u g hm a n ye x p e r i m e n t sh a v eb e e nm a d ei nt h i sa s p e c t ，f e wm a k ea n ys u c c e s s ， h o w e v e r , p h a s ea c h i e v e m e n t sh a v eb e e nm a d ei nl o ws p e e dm e t e rr e a d i n gs c h e m e s u c ha su s i n gu l t r an a r r o wb a n d ( u n b ) w i t h o u tt h eb o n d a g eo f t h a tr u l e ， s oan e wr e m e d yi ss u g g e s t e di nt h i sp a p e r p h a s es h i f tk e y i n g ( p s k ) i su s e di n t h i sp a p e rw h i c hc o n s t i t u t e sn a r r o wb a n dp l c ( n b p l c ) f r o mt h ep e r s p e c t i v eo f u s i n gf r e q u e n c yb a n d c o m p a r i n gt h et h r e eb a s i cm o d u l a t i o np a t t e r n s ，p s ki s t h e s a m ea sa s ka n dh i g h e rt h a nf s ka tf r e q u e n c yb a n du t i l i z a t i o nr a t i o ，w h i l ep s k h a s t h el o w e s tb e ra ta n t i i n t e r f e r e n c ew h i c hi se v e nb e t t e rt h a ns p r e a ds p e c t r u m c a r r i e r ( s s c ) w h e ni tr u n sa tl o ws p e e d m e t e rr e a d i n gt h r o u g hp o w e r l i n er e q u i r e s s t r o n ga b i l i t i e so f a n t i i n t e r f e r e n c ea n dh i g hr e l i a b i l i 够t h ea d o p t i o no fp s ki si r t o r e s u i t a b l ef o rt h ec o n d i t i o no ff r e q u e n c yb a n ds h o r t a g e ，h i g hr e l a t i v es p e e da n dh e a v y i m e r l e r e n c eo u t s i d e a n dp s kc a nb ee a s i l yr e a l i z e da n dd e s i g n e dw i t h1 0 wc o s tt h u s d e c r e a s e st h eh i 胁c o s t so f p r e s e n ta m r d e s i g n ， t h i ss y s t e mi sd e s i g n e dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fb e i n ge c o n o m i c ，h i g h r e l i a b i l i t yo fp o w e rl i n et r a n s m i s s i o n ，a n dl o wr e a l t i m e t h i sp a p e rf i r s ta n a l y z e st h e l o w v o l t a g ep o w e rl i n ec h a m a e lc h a r a c t e r ，a n dt h e nm a k eac o m p a r i s o nb e t w e e n t h e b e r so fs e v e r a lk i n d so fm o d u l a t i o nt e c t m o l o g i e sa n de x p o u n d st h ef e a s i b i l i t y , a d v a n t a g e sa n dp r a c t i c a b i l i t yo fu s i n gp s kt e c h n i q u ef o rt h em o d u l a t i o np l a no fp l c i nd e t a i l s s u b s e q u e n t l y , t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ed e t a i l e d l yd i s c u s s e d f i n a l l y , t h es y s t e md e b u g a n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i sa r ea l s ol i s t e di nt h ep a p e r k e y w o r d s ：p o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o n ( p l c ) p h a s e s h i f t k e y i n g ( p s k ) s y n t h e s i sp h a s e a m b i g u i t y 嚣埘丈攀臻圭攀短诧文 重概述 1 1 课题的目的、意义和必要性 近年来，国家支持奄力部门投入匿凝黉金实行城市逢网帮农村魄蠲改造， 谴黎整毫瓣熬特滋有了极丈黥竣善。实藏“嚣嬲改造”后，一方强大大提褰了 供电可靠性和电能质量( 电胍和频率稳定性) ，另一方面也提出如何满足日趋复 杂豹嚣逛爨安全稳定控铡急嚣熬逶囊手段粒鳃露充分剥爱瑟电嘲瓷源两令毅趣 问题。利用魄力线尤其愚低压电力线进行数据传输是电力及其棚关郝门推行自 动抄表的研究羹点。 自动抄袭除代替人工抄袭节省人力外，可以实现自动、集中、定时地抄送 翊户电量，实现线损的浚速黢瓣；通过镶行电子转帐方式的电赞及时清算，驮 弼篱月清爨舞剿隧算目淀；及早逶预楚溪意欠费豹发璺兰，降低供毫公司窀费隧 收的风险，为供电部门的用电监察提供服务；当配网电力市场开放时提供便利 熬蠲户信惑霉拜帝场癌惑。鑫懿掺表楚撼褰魄力垒簸管爨蹇磊纯蕊爱手段，瓣低 压电力线通信是自动抄袭的羹要途径积酋逡，同样强动抄表在电力帮门的应用 对蠢来水、天然气等公司也嘏大的倍凝意义，它们都有分布的仪器仪表，用电 力线传送设备信息是一种经济、便利的方法。 用电力线避行通信在广哭上讲明魄力线通信( p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n ) ， 在狭义上毽琴錾泡力线载波邋僖( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 。蹲者熬区裂在予嚣者逶露 指输电网的电力线通信( 现在也延伸刮配电网) ，而前者不仅包括后者，也包括 零j 趱配电潮实凝的数撂传辕。对文中德蜀敬低压电力线事乡表遥信蠢言，嚣老著 无本质区别，联以文中邋称p l c 。 与双绞线、阉辅电缆相眈，作为电能传输通道的电力线用作数据传输本身 有缀多优点，也有许多急待解决的难题。制明现有的魄力网作为信道，实现数 据传递和倍感交挟具有l 一分广阔的前繁。泡力两络，戆已有的最广泛的有线网络， 电力霜络魄任德其谴静鸯线邋信阏终鼹热稳定秘联代他。它俸隽一葶率无耨线技 术，免去了架设新线的麻烦，利用电力线进行通信可大大地减少投资和对线路 豹镶护成本，焉显竭最大戳痿逑发箨电力系统酶稳势。然露，邀力线不强予光 纾、耀轴患缆、双绞线等专熙豹遁傧媒硬，它的主要功能是电力绩输，即转送 5 0h z 工频信号，所以电力线的设计不可能兼顾高频通信的技术要求。特别最低 压电力线，其介溪中是一蚕中恶劣蕊信道环境，线上存褒大量噪声，负载多，飘 四川大学硕士学位论文 鬣情况复杂，而且负载工作状态在随时变化，导致电力线传输特性怒时变的。 同时，我国电器上网的电磁糠容性没有欧荧控制得严格，因此我圈电力网的于 抗袋比欧美严夔载多，低嚣魄力线匏逶镶环境也恶劣麴多，所以我滗熬诋压电 力线通信的研究面临更船严浚的挑战。 系统设计依据电力线信道特点和电墩抄收的特征，着重从实用性，可靠性， 较低实时性- - = a 出发。系统没计有两个特点，一个是聚用p s k 调制解调方式， = 楚数据传输瓣逶当纛速率。 实用性、缀济性 抄表系统投资巨大，造价问题不可忽视。一般抄袭所用芯片动则几十上百 元，如采爝扩颓方式使蠲熬扩频芯片，裹速数字信号处毽爨d s p ，笈杂可绞程 逶辑器件c p l d 或f p g a 等均价格不菲。整个设计造价过于昂贵，髑户承受熊 力受到考验，实施难度很大。本系统采用常用的集成芯片，如果大批量生产， 翼造价按居民户均分担不超过5 0 元，再加上政府补贴因素，完全可以胜任在水 电气等叁动抄浚数实际应羯中。 可靠性 低压电力钱信道传输特性恶劣，噪声干扰严重，而且存在多径干扰，远比 专越逶萤萤遵特性差。所以嚣要采援特爨鳃传输方式以簿决信息传赣淤赢撬予 抗位能，低误粥率，盥目f 商可靠性的要求。 综合考虑遄价和可靠性能，p s k 方式不失为一种较好的选择。从三种基本 调制方式的比较看，p s k 在频带剥用率上和a s k 相同，而比f s k 浅：抗干扰 方疆，p s k 最好，误强率最低。在遂莲亍低速数据黄输毽雩，其误璃率憔髭甚至可 以超过扩频技术。p s k 方式实现的简易性成就了其硬件造价的低廉。 较低的实时性 较蘸实时；睦孝骞低速率豹馕用空闼。 载波通信的传输速率怒自动抄表系统的一项重要技术指标，也建载波通信 技术水平的一项重要标志。通信速率( 波特率) 和误码率是一对矛盾，波特率 越海，误码率就越高，通信成功率裁越低。因此波特率驰设计至关黧要。对于 抄凌系统丽言，考虑委成本瓣因素，不敷追求稷蔫斡传输速率，在性价比合适 的前提下，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，但如果再低( 比如3 0 0 b p s 以下) ，仅仅用于抄表尚可以使用，而 四川大学硕士学位论文 这正是本系统设计的初衷之一。 举例说明采用低速率抄表的原因：抄表用户电量的抄收本身数据量很小， 最基层的用电应急处理如短路接地故障由空气开关和保险丝等可及时处理，不 需要进行远程控制，也不会造成电量的漏计，电量抄收和由此得来的线损预测 等完全可由低速抄表系统完成。拿一个小区5 0 0 用户计算，每4 8 户一个电表 箱，一个电表箱一个采集器( 个别偏远用户一个电表安装一个采集器) ，每个用 户相关信息8 字节：用户地址4 字节，用户电量4 字节，共计6 4 b i t 。如果低速 传输系统的速率为5 0 b i t s ，则一个小区的数据采集时间为5 0 0 6 4 b i t ( 5 0 b i “s ) = 6 4 0 s ，约为1 1 分钟。在同等发信功率的条件下，降低发信速率可 以提高抗干扰能力，速率越低，码元能量越高，传信可靠性就也越高。如果降 低传输速率为1 0 b i t s ，一个小区的采集时间也不超过1 小时，而抗干扰性能又 提高7 d b 。这种低速率完全可以胜任抄表工作，而高速的抄表系统不仅造价高， 其高速率在应用于管理功较低能的场合也有大材小用之嫌。所以本系统采用较 低速率的抄表方式。 本系统并不采取更低的速率出于以下几个因素：一、抄表系统采用分时段 传输，时段一般选择在深夜至临晨的0 ：0 0 一6 ：0 0 之间，这个时候居民用电处 于平静阶段，用电最少，干扰最小。速率过低，则采集器的收集时间过长，影 响其上行数据的传输时段；二、为水量、气量等其他数据传输做容量预留。模 块稍加改动可接入水量、气量数据，自来水公司、天然气公司町租用低压电力 线进行用户用量抄表，电力线抄表的优点对它们唰样适用。这样可避免多头建 设、重复投资，以有限的资金建设一条可靠的通信信道，以获得最佳的综合社 会经济效益，也发挥了电力线的最大作用；三、从模块的功耗方面考虑，数据 的传输速率越低，则其处于发送状态的动态功耗时间也越长，从节能方面考虑， 还要降低模块的发射信号功率，所以从整体功耗方面考虑，也需要从慎选择。 1 2 国内外技术研究现状及发展趋势 国家电力部与国家电子振兴领导小组1 9 9 3 年从国外( 美国、加拿大、以 色列) 引进三套低压配电线载波抄表系统，在国内试装，现场运行的实践证明， 国外产品难于适应国内污染十分严重的电网，试验失败。其中运行最好的以色 列一套系统抄收成功率最高只达7 0 。从九十年代初期，国内已有不少企业、 四川i 大学硕士学位论文 研究所为了市场的需求，开始研究自己的低压配电线载波电能表及其抄表系统， 陆续有产品在现场安装运行，经过几年的实践，取得了许多十分宝贵的第一手 资料，积累了大量的的经验与教训，为产品的成熟与商业推广创造了必要条件。 在全国“一户一表”工程中，为了解决大量用户电能表的抄收问题，集中抄表 一直受到各方面的密切关注，从集中抄表的下段信道上分，有载波信道、有线 信道、无线信道、4 8 5 专线信道。目前各省市电力部门都在积极寻找适合自己 的集中抄表系统。 从调制方式上，大多采用频率键控技术，到九十年代国外出现了相位键控 通信芯片、超窄带通信与扩频通信芯片。目前出现采用频率键控技术的产品， 但未实现商业推广，其他技术还存在些相关难点，出于试验阶段。用于载波 抄表系统的载波电能表产品在意大利已经安装7 万台。国内起步较晚，但由于 “一户一表”工程的推动，近3 年已经安装约2 0 万台载波电能表在现场运行。 载波电能表及其抄表系统经过两、三年的产品现场试运行，线路衰减的不稳定 性问题已经严重影响了产品质量，造成大批厂家的倒闭与亏损，只要做不到 1 0 0 的抄收，销售款不可能回收。线路衰减的不稳定性问题是不可能在物理通 信的层面解决，因为信号发射峰峰值被电网规定的谐波系数所限；而接收灵敏 度又因为芯片自身的问题，可以通过中继方式解决；但是载波抄表系统的商业 推广的是不能靠中继方式解决。载波电能表及其抄表系统，考虑到影响线路不 稳定衰减因素较多，随机性极强；对于一个动态的衰减系统，采用表中继路径， 显然是不可靠的，一旦衰减加大，任何载波电能表作为中继表都失败的情况下， 抄收成功率将火大下降。为此必须从电力载波的原理上给予突破，只有这样才 能保证系统的1 0 0 抄收率。 在低压( 2 2 0 伏) 领域，p l c 技术首先用于负荷控制、远程抄表和家居自动 化。近几年国内外开展的利用低压电力线传输速率在l 兆以上的电力线通信技 术称之为高速p l c ，由于该技术目前主要应用于互联网领域，又称为电力线上 网。其技术对低压电力抄表在一定程度上的借鉴意义。 对本系统使用的相移键控技术，美国l o n w o r k 公司也有相关研究。他们在 研究了扩频技术在电力线上应用的局限性后，采用数字信号处理器优化解码的 智能切换二进制相移键控( d s p b a s e dr e c e i v e r sd u a lc a r r i e rf r e q u e u c yb p s k ) 技 术方案。使用这一模块设计低压电力线载波m o d e m 时，还必须配合含嵌入式 四川大学硪士学位论文 l o n w o r k 网络操作系统的的专用n e u r o n 芯片来完成控制操作。如此，整个系统 的成本太高，嫩民用市场领域无法承受的。 低速抄表方式的研究还青超窄带( u n b ) 载波抄表系统f 跨台区单表载波) ，由 东莱芜已有试点。通过这悠在国内电量遥抄领域取褥沟成功案德，我们褥到静 扁示是：低压电力线载波遴信领域，传统的窄带并未被先进的手，频通信淘汰， 原因是信道的扩频增益有限，无法充分发挥扩频的优点。 1 3 课题研究的主要内容与技术关键 课题研究的主要内容： i p s k 方式戆抗于就燃毙分专厅。 2 低速传输的增益论证和速率选择。 3 o 、n 相载波的合成设计。 4 。相位横糊问题的解决。 5 镄穗环豹稳定毪分凝。 6 数据一f = 线传输的阻抗匹配设计。 7 对整个电路进行调试，并进行性能分析。 技术关键： 1 在已有的工作基础上，进一步优化岁 函电路，并根据仿真试验，调整以 确定最佳的信号发送功率及占用频带。 2 。对器件造价进行估舞，并尽可熊聪缩成本。 3 系统绣褥优亿设诗及对鞠关软件戆惩懿絮稳。 四川大学硕士学位论文 2 低压电力线基本传输特性和几种通信技术的展望 2 1 低压电力线传输特性 要在低压电力线上进行数据传输，首先必须充分了解其传输特性。影响低 压电力线载波通信的传输质量主要有两个因素：一个是电力网络的阻抗特性及 其衰减，另一个是噪声的干扰。其中第一个制约着信号的传输距离，第二个决 定着数据传输的质量。两个因数的共同特性又是时变性。 一、阻抗特性及其衰减 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，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。低压电力线阻抗主要是由线上接入负载的阻抗特性决 定的，由于接入负载阻抗的不确定性和时变性，引起电力线阻抗的不稳定。所 以实现阻抗的匹配是很重要的。 电力线上并联着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电 网功率因数的大电容，对几百k h z 的载波通信信号来说，相当于短路。另外， 当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。 可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我们 可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定于线路的衰减。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 a - n 。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 办能达到2 5 d b ； 但在工业区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b 。这影响了低压抄表的传输距 离，同时在一定程度上也限定了抄表系统的构成方式。 二、噪声干扰 人们分别对不同的地域( 城市、工业区、乡村) 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1 0 k h z 1 0 0 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。 干扰噪声主要来源详列如下： i 硅控整流器及一些电源产生的工频噪声：它会造成整数倍工频上的频谱 突变； j i 平滑频谱噪声：其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的 霆川大学颟学位论文 小电机是产生这种噪声的根源： i i i 脉冲噪声：包括罄脉冲干扰：通常出开关切换、闪电、滠度调节器或电 容兖放电弓| 超。其强度一般毙骛景噪声褰1 0 d b - - 4 0 4 b ，可以产生突发往于挽弓| 起瞬间的离误码率。它与干扰源至接收器的距离帮关。主要的脉冲干扰频率为 2 倍工频。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。 主v 翊步周期噪声：如电视熬行李j 攒频率辩惫网敢于扰，瑟景噪声是焚整 离散高新型的。 干扰噪声和信号样都会衰减的，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪声 源影响最大。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，耷 豹都稽鸯嚣了。 三、时变性 我国一般的居民用户采用的是2 2 0v 交流两线供电，由于电网上负载的不 颤接太、镶爨，马达懿传止、癌动，毫器有开有关等各静睫枧枣传，往表联囊 采的信道特性具有很强的时变性。低压电力线在l s 内可对某频率信号的袭减 变化达到2 0 d b ，同时，在1 s 内信噪比的变化也可达到l o d b 左右。因此不能利 用简单的电压检测方法米确定线路信号。 要终，低压电力线酾其它传输穗遵一样存在多径效应。信号通过不嗣邋貉 的时间不同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生干扰，即藏加干扰。而低 压电力线的相移特性较好。测量表明，通过2 5 0 米的单对电力线，传送正弦信 号稷位与参考稷位差馕鳃鼹筐小予t 0 瘦，我螺可以认为低压惫力线瓣栩移黪蠖 是理想的。 2 。2 几种逶信技术的展望 窀力线如就恶劣豹环境，造成移震蒗术静实麓嚣难，使科究入员不断尝试 在低压抄袭中新的技术的应用。在目前的低压p l c 通讯产品中，主要使用两种 方式，即窄带通讯方式和扩频通讯方式。因为窄带通讯技术价格低廉并且鞍为 容易实褒，蹶戳在以往麓应震中毙较滤厅。然嚣这些技末也存在速率或霹露键 的阔题，新技术发展使人们不断趋向子它们在这项工作中的应用可能。 目前在探讨或付诸试点的新技术有：超窄带( u n b ) 、o f d m 、蓝牙和工频 抄表等。 四川大学硕士学位论文 1 超窄带( u n b ) 载波抄表系统( 跨台区单表载波) ： u n b 技术是缩频通信体制的一种。该系统适合于城乡分散的居民用户和工 业用户抄表，特别适用于对农村配变电能表的跨台区的抄收。 该系统的技术特点：超窄带技术的传输带宽只有0 0 0 1 1 t z ，传输功率只需 0 3 m w ，载波单元可直接安装在电能表内，每个载波单元通过编程分配一个不同 的频率，多个载波单元( 目前可接2 8 8 0 个) 与位于变电所的接收器同时进行通 信，通信传输距离长，可达2 0 0 k m 。由于使用极低的频率( 5 9 5 h z ) 进行信号 传输，因此信号穿透力强，可通过变压器、线路和电容器，不需附加任何增益 设备，不受其他设备的干扰，也不干扰其他设备的正常运行。但由于采用超窄 带调制技术，数据传输速率较低，传输一个数据位需要3 3 m i n ，传送一个完整 的电量数据需要1 6 h ，实时性差。对于抄表系统而言，如果我们能够忍受系统 的延迟性( 一个完整的数据包传送需要十几个小时以上) ，那么出于超窄带传输 系统的极高传输可靠性以及极强的穿透力，完全可以认为此系统是一可使用的 实用抄表系统，对此应当引起我们的重视。中国电力科学研究院和山东莱芜电 业局对本技术进行了合作试点，从运行报告可以看出其有很大的发展和应用可 能。 2 o f d m 正交频分复用技术( 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 ) 是一种多载波调制技术，主要是把高速传输的数据流分解成若干个子比特流， 每个子比特流具有较低的传输速率，并用低速数据流调制若干子载波。它把有 效的频谱分成许多小的信道，它们相互重叠，并且在空间上彼此正交。重叠越 大，分成的信道数也就越多。每个信道提供一个低的数据速率，众多信道加在 一起就可以获得较高的数据速率和更有效的频谱利用率。目前常采用d s p 实现 调制和解调。这种调制技术具有抗噪声、抗多经干扰、抗衰落等优点。目前看 来，只有芯片价格大幅降低，这种方式才有在抄表系统普遍应用的可能。 3 蓝牙抄表 1 9 9 8 年出现，是一种2 4 g h zi m s i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l 频谱的短程无线技术，主要用来打破一般以红外线或电缆线联系不同产品时受 到的限制，2 0 0 0 年做到使移动电话等设备与个人电脑或任何其他设备、仪器之 间，能够在约几十米的距离内无需连接电缆线或红外接口就可进行数据交换。 职川大学硕士学位论文 其迅速扩展给我们以新的扁发：能否将藤牙技术用于自动抄表? 有人说，蓝牙 技术离能真正实用还需一、两年的时间；还有人认为，蓝牙技术不会往自动抄 袭方向“姊腿”，因为摆对予现在匏麓牙芯片来讲，有些已有抄淡技术的成本 魄较低；瞧有入想至l ，对那些利用现有蠢动抄表技术缀难抄蓟静所谓“死角” 处的电度表，利用蓝牙技术可能再好不过了：有人预计，再过大约两年，凡有 移动电话的地方就将会有菔牙。蓝牙技术到底能否在自动抄表方颐获得应用无 鬻争论，毽俸鸯然事移表系绫疆发懿王撩投术太员，瘦该在每一王耍凝楚诗算橇、 嘲络、通讯和微电子技术诞生之后就立即着手考虑，它能否给自己所从事的科 研带来革新性的发展和变化。 4 。工频抄表 工频抄表系统类戗于怒窄带抄表系统，不过它使用的是通过工频过零点避 行调制的载波通信技术，相比超窄带抄淡系统而言，易受谐波于干扰的影响， 艟需要较大的注入功率，邋种方式对电跳的传输质爨媳有所影响，但传输速率 跣趣窄带抄表系统毫。双两工菝逶藩系统( t w a c s ：t w ow a ya u t o m a t i c c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 怒近年来在北美出现的一种基于配电网的通信系统。 它具有成本低廉、实现简单和抗干扰能力强等优点。但其传输速率较低( 双向 各臻输6 4 i b i t 共罴7 8 s ) ，塞兹主要月予通信速率瑟求不裹的涎建自动抄表 和工业远程计整等领域。 另外还有红外抄表方式，它省去了集中器和4 8 5 布线，工程造价大大降低， 缺点是需人到现场，自动化程度有所降低，只能是一种过渡的半爨动化抄表应 溺。 从上面的分析可毗看出，出现的抄袭技术很多，但是切实可行的方案并不 移见。所以我们现在要做的还是要立足实际，根据我国电网的特性，研制一个 可靠且羝豢戆抄表方襄。 9 四川大学硕士学位论文 3 基本原理 3 1 基本概念 3 1 1 相移键控概述 以双极性不归零码对载波幅度实施键控，就可构成相移键控p s k 信号。 相移键控包括绝对相移键控( 一般就称p s k ) 和相对相移键控( d p s k ， 又称差分相移键控) 。解调时由于p s k 信号是同频、相位不连续的恒定包络信 号，不能用包络检测，只能用相干解调。相干解调需要本地载波与接受到的已 调信号中的载波信号保持同步关系，由于p s k 信号没有载波频率线谱，通常时 从接收到的p s k 信号通过倍频分频得到相干载波。由于分频电路是双稳态触发 电路，其初始状态常常是不确定的，因而所恢复的相干载波初相也是随机的， 会出现“相位模糊”问题，而d p s k 可以解决p s k 的相位模糊问题。 三种基本数字调制方式还包括a s k 和f s k 。p s k 信号功率f s k 相当，但 其频带利用率较高。采用相同的接受方式，a s k 、f s k 、p s k 的误码率依次减 小。在带宽紧张、相对速率要求较高、外界噪声干扰较严重的情况下用这种方 式比较适宜，所以本设计试图采用p s k 调制解调方式。从电路的实现方式来看， 其实现的简易性也压缩了硬件的造价成本。，、。( f ) 下面就其原理予以简要介绍。羞q 卜兰! 卜 c 0 ) ! a c o s 口。f 3 1 2 二相差分调相原理 形成p s k 信号的原理框图和相应的波形如 图3 1 。 p s k 信号是相位不连续的恒包络波形，对 每一个码元而言，p s k 信号可表达为 f as i n & ，f 8 ，“妒仁爿s i l l ：o t = as i n ( 吖圳( 3 - 1 ) 这里，用相位差最大的两个载波相位0 和“j l ” 来表示“传号”和“空号”，而且假设其概率相等。 由于p s k 信号的相位是与“传号”、“空号” 唯一地对应着，故称绝对相移键控。 另一类则称相对相移键控，又称差分相移键控， 洲忙二h 一：鹬 ( c ) 一瀚 。弘 。f h 一气 图3 - 1p s k 信号形成框图及波形 嚣锺丈学舔士学键论文 可写为d p s k 信号，箕载波稠位不怒蠼一地由率位信号码元决定，稀是校攒髓 位信号码元相应的载波相位与本位信号码元来决定。“传号差分码”就是“传 号”漪改变学位箴波酶耦位，“空号”嚣寸确维持前霞载波稽位静裙移键控，其波 形如图3 , 1 ( c ) 示，煎孛骰浚先兹瓣参考翅位为盯。楣应熬，“空号差分羁” 则炬在“空号”时才改变 兹缆载波熬楼位。 实现栩对相穆键控的方法，只要把原码f a ； 缀鹳型变换( 麓分礴变换) 为 差分码 b 。 ，辫去键控载波相位，就可形成楣移键控( d p s k ) 信号。融原码 a 。l 变换为差分码( b 。) 以及差分妈 b 。) 恢复为原码 a 。 的码型变换与反变换原理 框圈示予圈3 2 。 玎呻i 面面厂二一9 蔼 l 一隆j 一l 崮j 圈3 2 藏分筠交捩及反燕换 羊。兔一个秘元豹露阗宽度。由霾可知，它们麓凌个模二= = 翔法嚣( 异或门) 觏一个一改姆( 一个竭元耀隰) 延时嚣掰缝戏，都实飘 b 一a 。b ( 模二加) ( 3 - 2 ) a 女一b e b 女l ( 篌二奔日) ( 3 3 ) 由差分鹤 b 。 实施对载波相位的键控，就可椅成对原码 a 。) 的相对褶移键 控。 相移键控信号的功率谱与幅移键控信号不同。髓者相当予以双极性码实施 霹载波疆魔键拣，螽尝刚楚以瑟辍瞧玛实麓黯鼗波粼庭键控。在“矮号”、“空 号”等概率时，前者没有直流分量，因而，相移键控信号的功率谱没有载波频 率懿线谱( 载波移鞠靛双边鬻) ，嗣时英功率谱骧凄楚a s k 蕊号豹4 倍。但穗移 键控信号的有效频带宽度是和a s k 信号楣间的，即 1 b 脒= = 2 r 8 ( 3 - 4 ) 艘川大学硕士学位论文 由此可见，其频带利用率也怒0 5 b i t s h z 。 3 。2 解调部分 3 + 2 + lp s k 穰号貔裙子簿调 由于p s k 信号是同频、相位不连续的恒定包络信号，因此不能j 平j 包络检测， 其相干解调的原理框图示于图3 3 。实际上它和a s k 信号的相干解调相同，相 予蜒塌螽输出对应于“黄号”箴“窒号”翁鼹穗分薰，霹 叫萨使嚣耋黛麓嚣， s ， 它稍分割是均镶为a 或一a ，方差为。：懿麓簸过程，焚疆率分布密缓送数遣与 a s k 信号相似，如图3 4 示。 p s k 信号相干解调时的误码率计算与a s k 信号相似，在“传号”、“空号” 等壤率条箨下，最佳阙毽v 如应设菱为0 。在最佳密镶祭件一f 彳寻最小误秘率为 p 。= 三e r f c ( 痧) ( 3 6 ) 厂。丢丁为已溪波p s k 信号懿功率信臻比。峦上式哥计算出对应误蚕臻率豹接浚 端倍噪比。 图3 3p s k 相干解调原理方框图图3 42 p s k 信号误码率 实际上，因为a s k 信号靛动态范围为a ，丽p s k 信号的动态范围为2 a ， 因此在相同条件下( 各交设鬣最佳阕德) ，p s k 信号静误码率公式可出a s k 信 号误码率中将功率信噪比扩大4 倍后得到。p s k 和a s k 信号的噪声平均功率值 都为仃：。从频率利用率和谈码率两方面比较，p s k 性能优于a s k 信号。 o 甲乱 呻 ，总粤。 强锺大学硬圭学位论文 3 ，2 2d p s k 信号的相干解调 2 d p s k 信号的解调主要有两种方法。第一种方法趋疆接 e 较相郜码元的相 位，从薅判决接收码元是“0 ”还是“l ”。为此，瓣要将翁一碣元延迟1 个码元 时间，然尉将当前码元的相位和前一码元的相位做比较。在图3 5 中给出这种 怨塌方法数滠理方框图。这秘方法称走趣位魄较法，是耱 # 稿于辫调。魏法 对于延迟单元的延时精度要求很高，较难做到，所以应用较少。第二种方法是 先掇接收信号当作绝对相移信号进行褶干解调，解调后的码序歹f j