（电力电子与电力传动专业论文）基于电力线载波扩频技术的小区智能化系统的研究与设计.pdf

辽宁t 程技术大学硕l ：学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o na n dt h en e t w o r ki n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n tc o m m u n i t yi sb e c o m i n ga l le s s e n t i a lp a r to ft h ed a i l yl i f eo ft h ep e o p l e w i t l lt h e a d v a n t a g e so fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n de t h e r n c tc o m m u n i c a t i o n , an e wi n t e l l i g e n t c o m m u n i t ys y s t e mi sd e s i g n e d ：t b ep o w e rl i n eb a s e do nt h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yi su s e da saw o r k a b l ec o r r e s p o n d e n c em e d i u mw i t h i nt h eh o u s e ，a n dt h eh o u s e n e t w o r kc a l lc o m m u n i c a t ew i t ht h ed i s t r i c te t h e r n e ta c c o r d i n gt ot h ee m b e d d e dr e l a ym o d u l e n l i s s y s t e m i se c o n o m i c a la n dp r a c t i c a lb e c a u s ei tc a no v e r c o m et h ep o w e rl i n e s s h o r t c o m i n go fd i s t a n tc o r r e s p o n d e n c ea n dm a k ef u l lu s eo fb e t hp o w e rn e ta n dd i s t r i c t e t h e m e t f i r s t , t h eb a s i cp r i n c i p l e so fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n ds p r e a ds p e c t r u ma r e i n t r o d u c e d s e c o n d ，ah o u s en e t w o r kw h i c hb a s e do nc e b u si nt h el o wp o w e rl i n e c o r r e s p o n d e n c ei sb u i l tw i t l lt h ed r i v em o d u l em a d eb yi n t e r f a c ec h i po fs s cp 3 0 0b a s e do n t h es p r e a ds p e c t n n nt e c h n i q u e h o u s en e t w o r ki sc o n n e c t e dt ot h ed i s t r i c te t h e m e tt o c o m m u n i c a t e 、i t ht h ed i s t r i c tm a n a g ec e n t e rb yt h ee m b e d d e dr e l a ym o d u l e a tl a s t p r a c t i c a l c o m m u n i t y - i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts o f t w a r eb a s eo nv i s u a lb a s i c6 0 i sd e s i g n e d i tc a n c o l l e c ta n ds a v et h ei n f o r m a t i o n ，a n df i n i s ht h er e m o t em a n a g e m e n ta n dc o n t r o lo f s m a r t h o u s ei n f o r m a t i o na n de q u i p m e n t s k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y ；p o w e r l i n e c 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 o m m u n i c a t i o n ；c e b u s ；s s cp 3 0 0 ；d r i v em o d u l e ；e m b e d d e dr e l a ym o d u l e ；v i s u a lb a s i c 6 0 辽宁下程技术大学硕卜学位论文 1 绪论 1 1论文的研究背景及意义 1 t 1 智能小区的概述 智能小区是将建筑技术与现代计算机技术、信息与网络技术、自动控 制技术相结合所构建的一种新的社区形式，其目的是为小区居民提供更加 安全、方便、舒适的居住环境。在智能小区中将安全防卫、物业管理、多 元信息服务与智能系统相集成，为小区管理者提供高科技的智能辅助管理 手段，使快捷、高效的服务得以实现。 智能小区是在智能家庭的基础上演化而来的，由于社区是人们生活、 休闲、娱乐的场所，因此除了具有与智能家庭同样的要求之外，更加强调 的是通过智能系统实现对其住户便利且而及时的服务，以及对整个社区更 加人性化的管理【。 智能小区由系统设备、综合布线等硬件系统和软件系统所组成。应该 具有一定的先进性、成熟性、可靠性，开放性、兼容性、拓展性以及适宜 的性能价格比。 a 先进性：住宅是一个使用寿命较长的大件商品，因此在选择智能系 统技术与设备时，要充分考虑一定的超前性，避免因技术落后造成整个智 能系统性能不高，过早淘汰。 b 成熟和可靠性：在考虑先进性的同时，要注意技术的成熟性和可靠 性，最大限度的发挥投资效益，保证运行的稳定和可靠。 c 开放和兼容性；无论是系统设备、网络拓扑结构，还是操作软件都 应具有良好的开放性和兼容性。 d 升级性：随着社会与经济的不断发展和进步，住宅小区智能系统的 规模、功能与技术水平将会不断地提高，用户的需求也会不断地发生变化。 因此，住宅小区智能系统应充分考虑未来拓展的可能性，适应系统功能、 服务水平升级的需要 2 1 。 l 。1 。2 智能小区在国内外的发展 1 9 8 4 年世界上第一座智能大厦在美国诞生，很快便掀起了一股“智能 建筑”热潮。在短短的十几年中美国、日本、欧洲的几万座智能大厦纷纷 辽宁t 程技术人学硕l 学位论文 建起。随着信息技术的发展，智能建筑正由智能大厦走向智能化居民小区。 智能住宅、小区已经历经了8 0 年代初期的住宅电子化、8 0 年代中期的住 宅自动化到9 0 年代美国的“智慧屋”( w i s eh o m e ) 、欧洲的“聪明屋” ( s m a r th o m e ) = 个阶段。小区智能化使家庭中的家电、安保防灾和各种 通信( 语音、数据、图像) 设备通过总线技术进行监视、控制和管理。家庭 总线技术己逐渐成为住宅智能化技术的核心，其概念始于2 0 世纪7 0 年代。 目前，美国、欧洲和日本等国家和地区都有了各自的家庭总线标准，以美 国标准x 一1 0 、日本标准家庭总线( h o m e b u s ) 、欧洲标准安装总线( e i b ) 、美 国消费电子总线( c e b u s ) 为代表的几大总线呈现分足鼎力的态势。美国、日 本、新加坡等国家也都有根据这些标准建立的智能住宅和小区的示范工程 【3 1 。 在国内。1 9 9 7 年初，由上海华东建筑设计院、大连建筑设计院等全国 多家著名建筑设计院共同提出并开始起草“小康住宅电气设计( 标准) 导 则”。在导则中明确提出了小康住宅小区在电气设计标准上的五项目标，即： 安全性；舒适性；便利的通讯设旌；综合信息服务：家庭智能化。建设部 住宅产业化办公室也于1 9 9 9 年1 2 月主编了全国住宅智能化系统示范工 程建设要点与技术导则并对智能住宅小区的设计和开发建设目标做了总 体要求1 4 1 。 针对人们的居住要求从“住得下”提高到“住得好”这一新形势，许 多大中城市，都建成了一批具有一定智能化水平的智能住宅小区，如1 9 9 8 年深圳建成了8 0 万平方米的梅林一村智能住宅小区等。2 0 0 4 年9 月，国 内首幢真正意义上的生态建筑示范楼在上海市阂行区的莘庄工业园区拔地 而起。伴随着新一轮住宅建设高潮的到来，小区智能化成为各地房地产开 发的热点内容之一 s l 。 而我国在家庭总线方面的应用还只是刚刚起步的阶段，一些厂家纷纷 推出其概念性产品。如；方正电脑的“家用电器智能网络”，海信推出的海 景二代，海尔的e 家庭，实达的信息家庭和联想的h o m e 战略等。就目前 的状况而言，这类系统在更多的意义上还是一种概念性的产品，而且作为 控制中枢的电脑和家电的接口也尚无通用的标准。无形中就形成了对普通 辽宁t 程技术人学烦l 学位论文 家庭的技术门槛，不适合国内的实际应用。目前国内各厂家生产的产品尚 没有统一的开放性的标准为基础，实际上是国外厂商的早期错误开发思想 的重复。 1 1 3 智能小区所实现的功能 智能小区的管理与智能家庭有所不同。除家庭内部应具备的功能外， 每个楼宇的管理、小区相关设施的管理都应纳入到智能小区的管理之内。 所以小区智能化系统包括两大组成部分：智能家庭子系统及家庭外部与每 个家庭都密切相关的小区安全防范子系统、监管子系统和信息子系统。其 中在家庭内部又包含了家庭安防子系统、远程抄表子系统、智能家电管理 子系统。小区安全防范子系统又包括：访客对讲系统、周界防越系统、视 频监控系统、电子巡更系统；小区监管子系统包括：车辆出入与停车管理、 紧急广播与背景音乐、设备监控系统；小区信息子系统包括：物业管理子 系统等。 a 智能家庭子系统 家庭内部的管理包含三个部分：家庭安防子系统、远程抄表子系统、 智能家电管理子系统1 6 。 家庭安防子系统内可实现自动和手动两种报警方式：在小区每住户 内安装防盗、防火、煤气泄漏探测和手动报警装置。当住户家中无人时， 可把家庭内的报警系统设置为布防状态，当窃贼闯入或发生其他险情时， 报警系统自动发出警报同时向小区管理中心报警并启动相关设施。当家庭 被盗家人受到劫持时或家人出现突发病情需要紧急求助时住户可按布置在 家中各房间内最容易接触地方的紧急救助按钮，紧急救助模块就可根据救 助类型及时向小区管理中心发出警报。 根据实际情况，在小区内实现智能抄三表( 水、煤气、电表) 。该系统由 传输控制器、采集终端和计量表等构成网络。通过家庭内部网络和小区以 太网把采集到的数据传输到管理中心，从而实现自动化抄表管理。 家电通过信号采集及传输设备连接在小区管理主机上，居民可以通过 智能小区管理系统软件提供的界面对家用设备( 如照明、空调、电视、窗帘、 供暖等) 进行远程的监测与控制，同时各家电及设备间也可以互相通信。 辽宁t 程技术大学硕“l ：学位论文 4 b 小区安全防范系统 智能化小区的安全防范系统由四个部分组成：访客对讲系统、周界防 越系统、视频监控系统、电子巡更系统。小区公共安防实行综合集成管理， 将以上四个系统和家庭防盗安全报警管理集成在同一个监视和报警处理界 面上：对小区内发生的任何突发事件( 如：盗警、火灾、医疗急救) 都能快 速响应和及时处理。同时也为各子系统分别设立了监控界面，为日后分类 查询及管理提供方便。 由于小区采用全封闭结合开放出入通道的管理方式，所以需建立闭路 电视监控系统( c c t v ，c l o s e dc i r c u i tt e l e v i s i o n ) ，对小区的出入口、小区管 理中心、停车场及小区周界进行监控。在这些区域设置前端摄像机，将监 视图像传送到小区管理中心。小区管理中心对整个小区进行实时监控和记 录，使小区保安管理人员充分了解小区的动态。 c 监管子系统 监管子系统的总体内容包括：车辆出入与停车管理、紧急广播与背景 音乐、设备监控系统。 智能小区内可能拥有很多私家车，建立高度自动化的停车场管理系统 有助于对停车场进行安全、有效的管理。停车场入口处设有感应式读卡机、 临时卡出卡机、自动档车道闸、车辆感应器、停车场满车位指示牌。住户 车辆在入口处将感应卡贴近感应式读卡机，读卡机在读取信息并拍照后控 制入口闸门的升起，允许车辆驶入停车场。车辆感应器控制卡机的运行及 闸门的回复。倘若停车场车位己满，管理中心将发出命令使入口处指示牌 显示满车位指示。 出口处设有与入口处类似系统及收费管理系统。对住户车辆在出口处 与入口信息进行比对，确定一致允许车辆驶出停车场。 d 信息子系统 信息系统采用系统集成方法，建立一个沟通小区内部与住户、住户与 小区综合服务中心、住户与外部社会的信息交互系统，为住户提供一个安 全、舒适、便捷、高效的生活环境7 1 。 1 2智能小区中数据传输方式的比较 辽宁t 程拙术人学硕1 ：学位论文 智能小区中通信网络的构建是小区智能化建设中较为关键的技术。网 络中所采用的通信技术不但应具有一定的先进性、可靠性以及良好的性价 比而且还要符合小区内家庭生活的实际需求，尽量简洁、方便。目前，智 能化小区内信息的传输可以有以下几种方式： a 电话网 由于电话网的迅速普及，利用现有的电话网进行智能建筑底层设备控 制也是一个经济有效的方案。利用电话通信，只需在智能建筑各现场设备 和管理中心主机各加装调制解调器即可，其通信速率可达2 4 k b p s ，9 6 k b p s 甚至5 6 k b p s 。主机对现场设备的呼叫可通过拨号由交换机自动完成，也可 以租用专线，但费用较高。尤其当设备数目较多时，租用电话线路多，其 租用费用也很可观，因此不适合大容量系统。 b 有线电视网 有线电视在目前住宅建设中是必备的。有线电视数据通讯技术构造的 是一个基于同轴电缆的共享式数据通讯系统，要实现真正意义上的数据传 输，需采用c a b l em o d e m 技术。c a b l em o d e m 和前端通讯控制器( 按 照支持3 0 m 通讯速率计算) ，市场售价都比较贵，每个通讯控制器可支持 2 0 0 户左右。仅就每户必须的昂贵的c a b l em o d e m 来说，费用方面就是 较难接受的。 c 以太网 以太网是目前应用比较广泛的局域网传输方式，它采用基带传输，通 过双绞线、光纤和传输设备能够实现1 0 1 0 0 1 0 0 0 m 的网络传输。以太网技 术已完全成熟，采用这种技术己不存在技术风险和不稳定因素。从工程实 施的角度来说，目前已有一整套规范的操作规程。按规范操作，系统的性 能将得到保证，而系统的工程造价也是较为低廉的。符合一个智能小区通 讯系统稳定性、实时性和性价比高的要求，并且在新建及现有的大多数社 区中，可以直接做到以太网到户。但在家庭内部应用以太网构建家庭网络 却存在着很多问题：网络建设费用投入较多，开发商难以承受；数据线缆 施工不允许断线，住户家庭房间设施布置个性化强，二次装修的调整变动 比较普遍，制约和影响了网络信息点的位置确定和线缆的敷设，设计也需 辽宁t 程技术大学顾i ：学位论文 6 要一定的冗余点，必然带会来投资的增加。 d 低压电力线 低压电力线是住宅小区内遍布各个建筑物并且住户普遍使用的网络系 统，其目的是满足千家万户的照明、家用电器等用电需要，无论是新建的 小区还是建好的小区，低压电力线都是我们赖以生存的生活必需品。利用 低压电力线网络作为信息传输媒介具有以下优点：网络线路是现成的，无 需另行布线，从而可以节约大量的网络线路资金：网络建构速度快，覆盖 范围广，任何有低压电力线的房间和部位都可接入网络；网络线路简捷， 利用遍稚住宅内的电源插座，就可对智能家用电器连网，即插即用。但是 低压电力线具有高消减、高噪声、高变形等缺点，从而使电力线作为传输 介质的信息传输距离受到限制。 分析上述各种信息传输方式，可以看出每一种信息传输方式都有它的 局限性，人们也在不断研究新的传输方式来弥补这些不足。随着住宅小区 智能化的发展，探索更加完善、简捷、经济实用的新的传输方式，优化智 能小区信息传输技术，无疑将是一种技术创新。本文结合以太网技术和电 力线载波技术的优点，在家庭内部以电力线作为传输介质，并利用扩频技 术提高其抗干扰能力，在住宅小区通过以太网通讯，家庭网络和小区以太 网利用嵌入式模块连接通信。这样既克服了低压电力线通信距离短的缺点， 又利用了电力线和小区以太网等现有的资源，且容易实施。利用这两种网 络作为信息传输的载体，使得整个系统结构简单，信息传输率高，成本较 低，具有重要的现实意义和经济价值取向。 1 3 智能小区系统方案的设计 小区的智能化是未来小区的发展趋势，一个现代化的智能小区必须在 其先进性的前提下具有简单易行、价格低廉的特点。根据上节的分析，本 系统采用家庭电力线网和以太网相结合的方法来完成小区的智能化管理。 在家庭内部或者小区公共设施的内部以电力线作为介质构建符合 c e b u s ( 家庭电子消费总线) 协议标准的家庭内部网络。家庭内部网络主要是 由驱动模块、应用模块、嵌入式中继模块三部分组成： a 驱动模块主要由s s cp 3 0 0 及其外围电路、单片机组成，驱动模块 辽宁t 程技术人学硕七学位论文 7 可以对各个应用模块进行信息查询、收集，并经嵌入式中继模块通过以太 网传送到小区管理中心，同时，驱动模块把小区管理中心的控制信息通过 家庭内部网络传送到相应的应用模块。 b 应用模块包括防盗报警模块、电灯控制模块、家电控制模块等，应 用模块主要是由s s cp 3 0 0 及其外围电路、单片机、模块外围设备组成，这 些应用模块可以根据在电力线上接收到的信号完成相应的操作，各类应用 模块的功能不同，其信息和数据的采集方法和具体要求是不同的。这些应 用模块是驱动模块加外围设备( 如：数据采集器、传感器、探测器等等) 实 现的，由于时间和其他条件的限制，本系统只设计驱动模块。 c 嵌入式中继模块由嵌入式芯片和外围电路构成，它的功能是实现家 庭内部网络与以太网连接。此方案既避免了电力线在远程传输中的易受干 扰、传输距离短的问题又满足了用户需要方便快捷地传输信息的要求。 小区管理中心由小区管理主机和小区嵌入式控制器组成，本论文将两 部分合称为控制模块，小区管理主机通过小区嵌入式控制器与小区以太网 相连，可以完成对小区各家庭和小区公共设施的监控。嵌入式控制器由与 中继模块相同的嵌入式系统构成，一方面通过以太网接收中继模块传来的 信息，经过处理后传给小区管理主机；另一方面将小区管理主机传来的控 制信息传给中继模块，完成对小区各家庭和小区公共设施的监控。在小区 管理中心的管理主机上应用v is u a lb a s ic 6 0 开发了一套切实可行的远程 监控系统软件，用于管理小区各个方面的工作。图卜1 所示即是系统的总 体结构图，论文的设计就是依照图的结构展开。 辽宁t 程技术大学硕t 学位论文 图1 1小区系统总体结构图 本论文的内容： 第二章对本设计所涉及到的电力线载波、扩频通信原理进行了介绍， 同时详细论述了c e b u s 总线的协议标准。 第三章主要设计了智能小区驱动模块，驱动模块由单片机、s s cp 3 0 0 及其外围电路构成，本章对其硬件及软件进行了设计，并在最后对驱动模 块的传输能力进行了测试，验证了模块通信的可靠性。 第四章设计了连接家庭内部网络与以太网的嵌入式中继模块，它的功 能是由一个嵌入式系统来实现。本章对嵌入式中继模块的硬件和通信软件 进行了设计。 第五章主要是在智能小区的监控中心的管理主机上使用v i s u a l b a s i c 6 0 开发了一套智能小区系统管理软件。同时设计了完善的数据库， 为r 后的查询、总结提供了方便。 辽宁t 程技术人学颀l 学位论文 9 2电力线扩频通信与c e b u s 家庭总线 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 线网络进行数字通信，己经成为近年来各国电力系统研究的一个重要方向。 电力线既是动力线又是通信线，以电力线作为传输介质主要具有无需 另外架设通信网络、覆盖面广、使用方便、永久在线、投资少、安装周期 短、运行维护成本较低、线路机械强度高、抗破坏力强的优点。所以本设 计中，在家庭内部及小区公共设施内部选用电力线网作为通信介质，选用 基于电力线扩频载波技术的s s cp 3 0 0 作为通信接口芯片组成家庭内部网 络，信息的传输以针对家庭的c e b u s 协议为标准。本章将详细介绍电力线 扩频载波技术的原理以及c e b u s 总线协议的具体内容。 2 1电力线载波通信 电力线载波通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n 简称p l c ) 是利用电力线路 作为传输通道的载波通信，是实现数据传递和信息交换的一种通信手段。 应用电力线通信方式发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上， 再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带峰峰值电压一 般不超过i o v ，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传 输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后 放大，再经解调电路还原成二进制数字信号完成通信过程 s l 。 利用1 0 k v 及以上中、高压电力线作为传输信道的电力线载波通信己经 获得广泛应用，但在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，还未能达到 令人满意的水平，这在一定程度上制约了其在我国的智能家庭控制网络的 实际应用。主要原因在于： a 对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，而且各 种不同性质的负载在任意位鬓随机的连接和断开，因此，高频信号随着通 信距离、信号频率、甚至工频电源的相位的变化，其衰减都会产生很大变 化。这些变化，对载波通信设备的设计有很大的影响。 b 电力线上的干扰不能简单的认为是可加性高斯自噪声，可以近似地 分为周期性的连续干扰、周期性脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生 辽宁t 程技术大学硕j ：学位论文 的突发干扰。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：因时而变：因地而变。因此抗干扰是低压电力线通信的一个难点。 c 输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，低压电力线上的 输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。由于电力线上负载的数量、类型 不同，使不同频率的阻抗变化也不同，电力线负载网络是由许多电阻、电 容和电感组成的网络，从不同的节点看，输入阻抗显然是不同的。所以实 际情况非常复杂，甚至使输入的阻抗变化不可预测。 由于以上这些缺点，使得信号在低压电力线上传输具有相当大的困难。 为此必须寻找抗干扰能力强的低压电力线通信方式，以增强其传输能力。 随着扩频技术的成熟，其在抗干扰、保密等方面的突出优点，使得扩 频技术在低压电力线载波通信中得到越来越广泛的应用。 2 2 扩频通信技术 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 ) ，是指系统所传输的信 号被扩展到一个很宽的频带，扩频通信所传递的信息的信号带宽，远远大 于原始信息本身的带宽。频带的扩展是通过一个与所传信息独立的码序列 来完成的，用编码和调制的方法来实现的，与所传数据无关；在接收端则 采用同样的码序列进行相关同步接收、解扩、解调恢复所传信息数据。显 然，与一般常见的窄带通信相反，扩频通信是在扩展频谱后，进行宽带通 信，在相关性处理恢复成窄带信号后解调数据。因此，扩频通信具有伪随 机编码( p n 码：p s e u d o r a n d o mn o i s ec o d e ) 调制和信号相关性处理两大特点。 j 下由于这两大特点，扩展频谱通信方式有许多优点，如抗干扰性强、抗噪 音、有很强的隐蔽性和保密性、可靠性高、抗多径衰落、低功率谱密度下 工作、不干扰同频的其它系统、不需要申请频率以及可多址复用和任意选 址等。因此扩展频谱通信作为新兴的通信方式，特别引人注目【9 1 。 2 2 1 扩频通信的原理 扩频通信技术的理论基础是香农建立的关于通信系统效率的理论。信 道容量定义如下： c c = b l 0 9 2 r 1 + 告，( 2 - 1 ) 辽宁t 程技术人学硕i ：学位论文 c 为信道容量( b s ) ，b 为带宽( h z ) ，n 为噪声功率( w ) ，s 为信号功率 ( w ) 。对香农公式改换对数的底之后可褥： c = 1 4 4 i n ( 1 + 争( 2 - 2 )n 1 当s n 很小时( 如小于0 1 ) 时，应用对数展开公式： i n ( 1 + x ) = 工一手+ 手一i x 4 + ( - l x 1 ) ( 2 - 3 ) 可以将上式变成： 詈乩4 4 s ( 2 - 4 )bn 上式说明了在功率谱平坦的商斯噪声信道内，信道无误传输信息的能 力( 即信道容量) 与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。可以看出， 在保持一定的c 值时，可通过增加带宽来相应地降低对信噪比的要求。柯 捷尔尼科夫在其潜在抗干扰理论中得到如下关于信息传输差错概率公式： 川熹争( 2 5 )，( 景。考) ( 2 5 ) 从上式可知：差错概率p 。是输入信号与噪声功率比s i n 和信道带宽与 信息带宽比w a f 二者乘积的函数，也就是说，对于传输一定带宽f 的信 息来讲，信噪比与带宽是可以互换的，它同样指出了用增加带宽的方法可 以换取信噪比上的好处。因此，用信息带宽的百倍甚至上千倍的带宽信号 来传输信息，即可保障在强干扰条件下安全地进行通信，这就是扩展频谱 通信的基本思想和理论依据。香农定理、柯捷尔尼柯夫公式都在理论上证 明了扩频通信的可行性i i o ! 。 反映扩频通信特征的重要参数是处理增益g 。假设p 为接收到的一个 通信用户发来的信号的平均功率，信号带宽为b l ，则平均功率谱密度为 p b l 。设n o 是带宽b 1 内的噪声和其他外部干扰功率密度谱，接收某一个 通信用户信号的输入信噪比是： ( s 砜= 哿( 2 - 1 1 ) 辽宁t 程投术人学硕l ：学位论文1 2 经接收机线性调频解扩后，能在基带带宽b 2 内获得全部该通信用户发 来的信号功率，平均功率谱密度为p b 2 ，噪声及其他外部干扰功率密度谱 仍为n o ，因此接收机输出信噪比是： ( s n ) 。：孥( 2 1 2 ) v 0 显然，线性调频解调前后的信噪比之比是： 磐：p b 2 且：旦：g ( 2 - 1 3 ) 嫡、m n 4p | 玟b 2 线性调频解调前后的信噪比之比等于接收信号带宽与发射信息的带宽 之比等于扩频增益g 。它给出了扩频通信中扩频解调处理对信噪比的改善 程度i l 。 2 2 2 扩频通信方式的选择 扩频通信的基本工作方式有1 1 2 1 ： 1 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 ) q - 作方式。直接序 列扩频就是用伪码直接扩展频谱的扩频方式，这种方式在发送端用一组伪 随机码序列直接去调制载波，进行频谱扩展，即其载波被一个数码率远高 于信息带宽的数字序列调制，此技术是将信号的能量平均分布于整个频带 内。在接收端用相同的本地伪码序列去进行解扩。 2 跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) i 作方式。所谓跳频，就是发射机和 接收机的工作频率在一组预先制定的频率上跳变，而所用频率的次序取决 于一个编码序列。 3 跳变时间( t i m eh o p p i n g ) i 作方式。跳时扩频系统，是用码序列控 制发送时刻及时间长短的。在时间跳交中，将一个信码的持续时间分成若 干时隙，由伪码控制在哪个时隙中发送信码。 4 线性调频( c h i r p m o d u l a t i o n ) i 作方式，简称c h i r p 方式。线性调频 就是发射的信号在一个周期内其载频的频率作线性变化。因为其频率在较 宽的频带内交化，信号的带宽也被展宽了。线性调频不需要用伪码序列来 调制。由于这种线性调频信号占用的频带宽度远大于信息带宽，从而也得 到处理增益，所以是一种特殊的扩频调制技术。每个c h i r p 一般持续1 0 0 p s ， 辽宁丁程技术人学硕七学位论文 它代表最基本的通信符号时间( u s t ) 。这些c h i r p 覆盖了1 0 0 4 0 0 k h z 的频 带，并总是以2 0 0 4 0 0 k h z 的频率开始，继而以1 0 0 2 0 0 k h z 的频率结束。 由于c h i r p 信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较 高的，而等幅振荡波干扰的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器 设计成只能通过具有特定角加速度的信号，就可以将干扰排除在外。另外， 此种c h i r p 波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了 所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特 波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。 可以看出利用线性调频信号进行通信，是扩展频谱通信的一种特殊形 式，在本系统中i n t e l l o n 公司生产的s s cp 3 0 0 芯片就是通过线性调频方式 进行通信的。线性调频方式不需要随机码，而是用固定频率的斜升( 或斜降) 信号来控制发射频率，发射脉冲信号载波频率在信息脉冲持续周期t 内作 线性变化，其瞬间频率随时问线性变化。由于占用很宽的带宽，线性调频 通信技术也能在很大程度上提高信噪比。因此利用线性调频方式可以使电 力线成为可靠的通信介质。 a 线性调频通信的原理 1 3 1 设载波频率在脉冲起始和终止时刻的频差为： a f = 一正i = b ( 2 - 6 ) 式中“为脉冲起始时刻的频率；f 2 为脉冲终止时刻的频率；a f 为瞬时频率 变化范围：b 为线性调制后的带宽。 h + a f 。 夕 峨一f f t ；c 三气 22 图2 1线性调频瞬时频率变化 如图2 1 线性调频信号的时间表示式为： 辽宁t 程技术人学硕士学位论文 1 4 f ( o = a c o s l c o o r + 等“) ( 一三2 鲻翻2 ) ( 2 - ，) 式中f 为线性调频斜率，f = + b t 。 假定振幅a = 1 ，初相位= o ，则线性调频信号为“t ) 为 ( ，) = c 。s ( 嘞，+ - 丌y f - ，2 ) ( 一三2s ，三2 ) 1 ( 2 - s ) 把信号时间表示式“t ) 变为复数表达式： f ( ，) = e “雕等。( 一三2 ，s 三2 1 ) ( 2 - 9 ) f ( t ) 的频谱即傅立叶变换： p ( 珊) ：e f o ) d “d t = 丘e 。q ”+ 等一面( 2 - 1 0 ) 可以对上式进行变量代换和特殊函数富瑞斯纳积分( f r e s r l e i 积分) 求解 p ( ) 。线性调频信号的频谱如图2 - 2 所示。可见，信号能量9 0 以上集中 在a f 带宽内，而且是均匀分布的。 p ( ) 厂、厂 八 、 ，l a 。 弩 图2 2 线性调频频谱 b 线性调频在s s cp 3 0 0 中的应用 i n t e l l o n 公司的p l 系列产品就是利用c h i r p 扫描频率进行载波来对信 号进行扩频的。其中p 3 0 0 采用两种波形调制方式：振幅移位键控( a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ，a s k ) 和反相键控( p h a s er e v e r s a lk e y i n g ，p r k ) 。前导 ( p r e a m b l e ) 用振幅移位键控，信息体用反相键控，见图2 3 。 假设一个正弦波： 辽宁t 程技术人学顾l ：学位论文 s ( f ) = a f t ) s i n c o ( t ) + 中( t ) 】( 2 - 1 4 ) ( 1 ) 振幅移位键控，用于分组头的调试。把频率、相位定为常量，而 振幅为变量，其数学表达式为： 振幅移位键控用s u p e r i o r ( 高层) 和i n f e r i o r ( 低层) 两个状态来对符 号编码，s u p e r i o r 状态有波形输出，而i n f e r i o r 状态则没有波形输出( 也 就是振幅为零) 。因为在低层状态时，发送机实际上处于无信号发送状态， 因此出其他设备发送的正在竞争使用电力线信道的高层状态可以在发送分 组头期间检测到，从而避免了产生冲突，实现了载波监听( c s m a ) 。一旦获 取了传输通道，就可以发送有用的数据包了。 如图2 - 3 所示c h i r p 总是为1 0 0 微秒长度，只是在分组头里，跟随1 4 微秒的“静止”时间。其原理是若要发送的符号与前一发送符号样，则 应相对前一发送信号采取不同的状态编码，即若前一次采用高层状态，则 当前需用低层状态对同一符号编码。而且，若要发送的符号与前发送符 号不一样，当前符号也相对前一发送信号采取不同的状态编码。可见，在 该a s k 制方式中，总是按高层状态和低层状态相间来编码，接收方可按符 号持续时间解调译码。 ( 2 ) 反相键控，是用载波的相位变化来传递数字信息。把振幅、频率 定为常量，而相位为变量，其数学表达式为： 1 4 ( ，) = 4 0 c o ( t ) = 0 - 1 0( 2 1 6 ) 【o ( ，) = m 。，o i 反相键控也有s u p e r i o r ( s 1 ) 和i n f e r i o r ( s 2 ) 两个状态，s u p e r i o r ( s 1 ) 状态和i n f e r i o r ( s 2 ) 状态相差1 8 0 度 1 a l 。 嘲哦 = l i = 删蚴撕 ，：l 辽宁t 程技术大学硕f 。学位论文 1 6 图2 3 振幅移位键控和反相键控的模型 2 3c e b u s 家庭总线 2 3 1c e b u s 总线的概述 在本智能小区的家庭网络的设计中采用的是支持电力线扩频载波技术 的可以以电力线作为传输介质的c e b u s 家庭网络总线。 c e b u s 的全称是消费电子总线( c o n s u m e re l e c t r o n i c sb u s ) 。c e b u s 主要 是为消费电子产品而制定的一种家用消费产品的网络通讯标准，它描述了 一种家庭电子产品之间的通讯方法，通过c e b u s 协议可以实现家庭网络， 它的主要目标是让兼容的消费电子产品更多的进入家庭，可以即插即用， 并能共同工作。也就是说该总线定义了产品是如何通信的以及所能使用的 介质的类型，虽然该标准是定位于家庭的，但它并不局限于家庭。消费电 子总线网络拓扑结构可以是总线型、星型、树型或混合型。总线中的每个 节点的地位是平等的。c e b u s 是一个完全面向报文分组( p a c k e t ) 的对等网 络，使用载波侦听多重访问和冲突检测与冲突分辨协议( c s m a c d c r ) 。 网络中各节点的控制关系通过绑定来实现，从而使整个家庭中的电器系统 能成为一个智能的整体。标准中还定义了在家用电器之间通信所能使用的 五种介质的类型：电力线p l ( p o w e rl i n e ) 、无线频率r f ( r a d i of r e q u e n c e ) 、 红外线i r ( i n f r ar e d ) 、双绞线t p ( t w i s t e dp a i r ) 、和同轴电缆c x ( c o a x ) ， 特别是电力线，利用了家庭中已有的走线，而不需要另外布线，因而对于 现有住宅的改造非常方便。要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传 送速度( 1 0 k b p s ) 传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问 题，任何符合c e b u s 标准的电器产品都可以直接互连及通信，其寻址能力 超过4 0 亿【1 5 1 1 6 1 。 辽宁t 程技术人学硕 学位论文 2 3 2c e b u s 的模型 c e b u s 是参考i s o ( i n t e r n a t i o n a lo r g a n i z a t i o nf o rs t a n d a r d i z a t i o n ) 的o s i ( o p e ns y s t e m si n t e r c o n n e c t i o n ) - ：二层模型设计的，采用了其中四层： 3 层 2 层 1 层 应用层 网络屡 数据链路层 物理层 l l c m a c s e m d p 图2 - 4c e b u s 模型 物理层( p h y s i c a ll a y e r ) 可以分为s e ( t h es y m b o le n c o d i n g ) 子层和 m d p ( t h e m e d i u m d e p e n d e n tp h y s i c a l ) 子层。s e 子层的作用是在发送和接收 的过程中进行编码和解码，在某些通信媒介( 如电力线) 的情况之下，也提 供查错的功能。m d p 子层作为与物理媒介之间的硬件接口，完成电子信号 的发送和接收。 数据链路层( d a t al i n kl a y e r ) 可以分为m a c ( t h em e d i u ma c c e s s c o n t r 0 1 ) 子层和l l c ( t h el o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 子层。在发送数据的时候， m a c 子层将来自l l c 子层的l p d u ( l o g i c a ll i n kc o n t r o ls u b l a y e rp r o t o c o l d a t au n i t ) 包打包成m p d u ( m e d i u ma c c e s sc o n t r o ls u b l a y e rp r o t o c o ld a t a u n i t ) 包，再发送给物理层的s e 子层，m p d u 包就是下面所说的c e b u s 的 帧结构，而l p d u 包则是c e b u s 的帧结构中的i n f o r m a t i o n 部分。在接收 数据的时候，m a c 子层将来自s e 子层的m p d u 包进行解包，得到l p d u 包，发送给l l c 子层。l l c 子层是个空壳，只转发命令，无实质性工作。 因而l p d u 包和n p d u ( t h en e t w o r kl a y e rp r o t o c o ld a t au n i t ) 包是一样的。 数据链路层保证正确收发数据帧，发送的数据帧有几类：要求响应和无响 应；带地址和不带地址；广播和非广播。此外，数据帧有高、正常、低三 个优先级，可以满足不同信息对时间的要求。 网络层( t h e n e t w o r kl a y e r ) 负责路由( r o u t e r ) 、路桥( b r o u t e r ) 、确定网址、 辽宁t 程技术人学硕i 学位论文 1 8 流量控制、给数据分段、丢弃无线媒体收到的重复包等。由于网络层己超 然于媒体之上，所以要考虑信息的跨媒体传输问题。 应用层( a p p l i c a t i o n ) 通过c a l ( c o m m o na p p l i c a t i o nl a n g u a g e ) 和应 用程序连接。c a l 是c e b u s 专为设备之间相互通信而设计的面向对象语言， 一个设备就是一个对象。网络资源的分配和控制也通过c a l 完成。 2 3 3c e b u s 的载波波形 以电力线为传输媒介的c e b u s 的载波波形如图2 5 所示。 ! 撇i l i a a h i警i v1 ivi 卜2 卧周期| l o o x q l o o n s 图2 5c e b u s 的载波波形 波形为一个u s t ( u n i t s y m b o lt i m e ) 又称作“c h i r p ”，共有2 5 个周期， 时间为1 0 0 i _ t s 1 0 0 n s ，发送“l ”占用一个u s t ，发送“0 ”占用两个u s t ， 发送“e o f ”占用三个u s t ，发送“e o p ”占用四个u s t 。可通过不同的 u s t 组合来实现数据传输，其最大速率为i o k b p s 。该扫描频率是一系列短 促的、可自同步的连续脉冲，正弦的载波以0 0 ，2 0 3k h z 开始，在6 6 1 a s ( 1 9 个周期) 的时间里线性地变化到4 0 0 k h z ，然后，在4 h s ( 1 个周期)