（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电力线载波通信信号处理研究与实现.pdf

摘要 摘要 电力线载波通信在我国是一门既古老又年轻的学科，作为电力系统不可或缺 的通信手段，传统的模拟设备已不能完全满足现有市场对通信质量的要求。本文 论述了电力线载波通信的发展及现状，针对如何在高压电力线中提升通信速率和 可靠性的问题，提出了数字单边带与t c m 两种实现方案。选用w e a v e r 调制及i w a 解调来实现s s b 系统，避免了相位误差的影响；采样率转换采用多级技术和多相结 构，减轻了滤波器的设计难度和有限字长效应，且大大降低了运算量和存储要求。 考虑产品的实际应用环境，t c m 接收端采用改进的g a r d n e r 码元同步算法进行定时 同步；通过判决反馈载波恢复环和自适应均衡相结合来消除补偿载波频相差和信 道失真；用v i t e r b i 算法来完成译码纠错。 本文以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 为核心部件，设计了一种通用的电力线载波通信信 号处理硬件平台。围绕d s p 的体系结构，应用e d m a 、m c b s p 和e m i f 等构建系 统框架，详细介绍了p i i l g p o n g 技术、实时数据流传输时接口的具体配置和中断处 理。通过性能测试及系统仿真，验证了上述两种解决方案的有效性，并提出了进 一步的改进方法。 关键词：电力线载波通信w 色a v e r 调制网格编码调制d s p a b s t r 2 l c t a b s t r a c t a sa ni n d i s p e n s a b l em e a n so fc o m m u n i c a t i o nf o rp o 、e rs y s t e m ，p o 、e rl i n ec 2 u r r i e r c o m m u i l i c a t i o ni i lc h i n ai sa 1 1a l l c i e ma n dy o u i l gs u b j e c t h o w e v e r ，t r a d i t i o n a l 锄a l o g d e v i c e sc a nn o t 如l l ym e e tt h ec u r r e n tm a r k e tr e q u i r e m e n t sf o rc o m m u l l i c a t i o nq u a l i 吼 t h ep a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n o f p o w e r l i n ec a 仃i e r c o m m u l l i c a t i o nt e c h n o l o g y a i m i n ga te n h a n c i n gt h eh i 曲s p e e da n dr e l i a b i l i 够o ft h e c o m m u i l i c a t i o no nh i 曲v o l t a g ep o w e rl i n e ，押os c h e m e s ：d 诸t a ls i l l g l es i d e b a i l da i l d t c ma r ep r o p o s e d w e a v e rm o d u l a t i o n 锄di w ad e m o d u l a t i o na r es e l e c t e dt 0r e a l i z e s s b ，s ot h a tt h ep h a s ed e v i a t i o nc a l lb ea v o i d e d 1 ks a i i l p l er a t ec o n v e r s i o na d o p t s m u l t i 1 e v e lt e c h n 0 i o g ya i l dm u l t i - i t e mf i l t e r i n gs t n j c t u r e ，s oc a nl i 曲t e nt h ed i m c u l 够o f f i l t e rd e s i 盟a 1 1 dt h e1 i m i t e de 丘e c to fw o r dl e n g m ，a n d 铲e a t l yr e d u c et h e 锄o u n to f c o m p u t i n ga u l ds t o r a g er e q u i r e m e n t s c o n s i d e r i i l gt l l ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ne n v i r o 眦e n t ， m ei m p r o v e dg a r d n e rs y m b o ls y n c h r o n i z a t i o na l g o r i t hi sp u tf o m 佃r df o rt i m i n g s y n c l l r o n i z a t i o ni n “sp a p e r t h ec o m b i n a t i o no fd e c i s i o nf e e d b a c kc a r r i e rr e s t o r a t i o n 1 0 0 pa n da d a p t i v ee q u a l i z e ri sa d o p t e dt oe l i m i n a t et h ec a 玎i e r 丘e q u e n c ya i l dp h a s e r e s t o r a t i o na 1 1 dc h a n n e ld i s t o n i o n v i t e r b ia j g o r i t h i i li su s e df o rd e c o d i n ga i l de 玎o r c o n e c t i o n w i t ht m s 3 2 0 c 6 4l6 d s pa sm ec o r ec o m p o n e n t ，ac o m m o ns i 弘a lp r o c e s s i n g h a r d w a r ep l a t f b m lo fp o 、v e rl i n ec a r r i e rc o m m u l l i c a t i o ni sd e s i g n e di nt h ep a p e r 觚吼dm ed s ps y s t e ma r c h i t e c t u r e ，e d m a ，m c b s pa l l de m i fa r e 印p l i e dt ob u i l da m 吼e 、v o r kf o rm es y s t e m p i n g p o n gt e c h n i q u e ，m ec o n c r e t ep e r i p h e m li m e r f 如e c o 蚯g u r a t i o nf o r r e a lt i m ed i g i t a ls t r e a mt r a n s m i s s i o na n di m e m l p tp r o c e s s i n g a r ea l s 0 d e t a i l e d l yi n t r o d u c e d t h r o u 曲a i l a l y s i so fs i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds y s t e mt e s t i n g ， t l l e p e 面n n a l l c eo ft h e s e 铆os o l u t i o ns c h e m e sm e n t i o n e da b o v ei sv e r i f i e d ，a i l dw a y st 0 i m p i i o v e 矗】n h e ra r ep r o p o s e d k e y w o r d s ： p 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 w e a v e rm o d u l a t i o nt c m d s p 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导 师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注 和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果； 也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明 并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期型兰：! ! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留 送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。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署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀y 匕 电力线载波( p o 、e rl i n ec 枷e r ) 通信以电力线为信道，以变电站、发电厂为 终端，满足电力调度通信的需要，是电力系统运行、控制和管理的一种重要工具【1 1 。 电力线路机械强度高，可靠性好，不需要线路的基建投资和日常的维护费用，具 有一定的经济可靠性。在电力系统通信网的规划建设中，高压电力线载波通信是 利用高压输电线传送4 0 5 0 0 k 的电信号，主要传输话音、远动、保护等信息，是 电力系统自动化的一个重要环节。 近年来，随着科技的发展，以数字微波通信、卫星通信为主干线覆盖全国的 电力通信网络己逐步形成、多种通信手段竞相发展，电力线载波通信仍然是地区 网、省网乃至网局网的主要通信手段之一【2 j 。同时数字通信技术的发展给电力线 载波通信开辟了极为广阔的前景，融合计算机技术和数字信号处理技术，利用原 有的模拟载波机进行数字化改进，并进一步提高高压电力线的通信速率是国内外 研究的热点。 1 1 电力线载波通信技术概述 载波通信是有线长途通信中应用十分广泛的一种通信方式。它是根据频率搬 移、频率分割原理，将原始信号对载波进行一次或多次调制，搬移到不同的线路。 传输频带，然后送到线路上传输，从而实现多路通信的一种通信方式。电力线载 波通信是利用高压电力线( 指3 5k v 及以上电压等级) 、中压电力线( 指1 0 l 电压等级) 或低压配电线( 3 8 0 v 与2 2 0 v 用户线) 作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种 特殊通信方式【3 l 【4 】。 无论在城市、乡村，还是偏远落后的地区电力线到处都是，只要用电的地方 就会有电力线存在，不铺设额外的通信线路而直接利用已有的电力线资源，将会 大大降低通信成本，避免二次布线的施工困难。目前在长达6 7 0 0 0 0 k m 的3 5 k v 以上 电压等级的输电线路上多数已开通电力线载波通道【4 j ，形成了庞大的电力线载波通 信网。该网络主要用于地、市或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调 度通信、远动及综合自动化通道。 在电力系统中，电力线载波通道主要传输以下信息： ( 1 ) 传送电话信息，为电力调度服务； ( 2 ) 传送远动控制数据，对变电站、发电厂进行遥测、遥信、遥控； ( 3 ) 传送远方保护信息，保证电力系统的稳定运行。 因而电力线载波通信是确保电网安全、优质、经济运行，实现调度自动化和 2 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 管理现代化的重要通信手段之一。它具有下面的一些重要特点【4 】【5 】： ( 1 ) 可靠性高。电力线载波通信要求具有较高的可靠性，一方面是在电力系统 中传输重要调度信息的需要；另一方面是电压隔离的人身安全需要。而电力线路 结构非常牢固，不易被人和自然灾害破坏。另外，即使电力线发生接地或断相等 故障时，高频信号也可通过其他相的耦合进行传输，从而保证通信线路的畅通。 ( 2 ) 经济性好。高压电力线路的路由走向沿着终端站到枢纽站，再到调度所， 正是电力调度通信的合理路由，因此载波通信无需考虑线路投资，节省了通信线 路投资和线路维护费用。 ( 3 ) 线路噪声及衰减大。在高压电力线路上，游离放电电晕、地缘子污闪放电、 开关操作等产生的噪声比较大，尤其是突发强脉冲干扰；高压电力线阻抗在线路 上呈波动状态，尤其在波动幅度达到1 2 左右时，对通道衰减将产生严重的影响。 ( 4 ) 传输频带受限，传输容量相对较小。在高压电网中，电力线载波的通信频 带限制于4 0 5 0 0 l 沮z 之内，基本带宽4 l ( h z ，通信速率较低。 ( 5 ) 输电线路向超高压、长距离方向发展，也为电力线载波机提供应用环境。 因为电力线载波机是不加中继能传输5 0 0 l ( i i l 的通信方式。电力系统从电网安全性和 可靠性考虑会继续使用电力线载波机( 远方保护、安全控制等) 。 由上述可见，电力线载波通信具有它的优势和生命力，但也有局限性。就目 前而言，随着高速数字通信的发展，特别是光纤通信，卫星通信的发展，逐渐吞 并着其它的通信方式，电力线载波通信已从主导地位变为辅助通信方式，但由于 我国经济发展不平衡，同时电力通信规程要求主要变电站必须具有两条以上不同 通信方式的互为备用的通信信道，因此在主要干线上，也会作为光纤、微波等大 容量通信的备用方式存在。还有以前安装的电力线载波机的更新换代等，这些都 使电力线载波机尽管作为电力通信辅助通信方式，但仍然存在较大的市场需求。 如何克服它的局限性，发挥它的优势，是电力线载波通信面临的问题。 1 2 高压电力线载波通信的发展及现状 1 2 1 高压电力线载波通信国内外发展及现状 电力线载波通信出现于2 0 世纪2 0 年代初期【4 】，其技术实现经历了从模拟到数 字，从纯硬件到软硬件结合的过程。同其他电子产品一样，电力线载波通信设备 经历了电子管时代，晶体管分立器件时代，中小规模集成电路时代，中大规模集 成电路时代，现在进入数字时代。最新高速d s p 、f p g a 电路以及c p l d 、a ，d 、d 俄 高精度信号变换器，为电力线载波通信成功地采用各种先进的数字信号处理技术 和算法、完成各种功能、保证高技术指标的突破，进行紧凑设计缩小“数字信号流” 行程和提高抗干扰和可靠性等，奠定了良好产品技术创新基础。至今电力线载波 第一章绪论 机已经历了三代。 第一代为模拟载波机，主要运用单边带模拟调制技术。国外从2 0 世纪6 0 年代、 国内从2 0 世纪7 0 年代开始生产模拟式电力线载波机，国内主要有z d d 1 2 ，z j 5 ， z b d 3 等。在国内3 5 ，1 1 0 ，2 2 0 k v 及5 0 0 k v 输变电系统得到了广泛的应用，为这一 时期我国电网的安全稳定运行起到了重要作用。目前国内在线的多是第一代载波 机，这是因其技术成熟，成本相对较低。 2 0 世纪8 0 年代中期，单片机自动盘代替了三极管或布线逻辑的自动盘，集成 电路的调制器、压扩器、滤波器和a g c 放大器代替了笨重、多故障的模拟电路等。 这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。比较典型的产品，国外有西门子公司 的e s b 4 0 0 ，e s b 5 0 0 ( 2 0 世纪8 0 年代中期许继公司、扬州电讯引进许可证技术生产) ， a b b 公司的e t l 2 0 ，1 0 0 等。 到了9 0 年代中期，随着d s p 技术及器件逐渐成熟和进入实际应用，采用基于 d s p 的编码调制、滤波和自动增益控制等技术，出现了第三代数字化电力线载波机。 国内外电力线载波机生产厂家在几年时间内先后推出了采用d s p 的数字化电力线 载波机，主要代表产品有西门子公司的e s b 2 0 0 0 i ，a b b 公司的e t l 5 0 0 、思达通信 公司的d p l c 2 0 0 0 、许继公司的e s b 9 0 0 、江苏省宏图高科技股份有限公司的 z d d 2 0 0 0 ，z d d 5 0 以及四川灵通科技的z b d 6 8 。这一时期产品的主要设计原则， 是利用d s p 完成中频及音频部分中各种滤波器、信号调制解调、数字自动增益控制、 呼叫及导频信号的处理。采用d s p 技术设计完成的话音带通滤波器、远动信号滤波 器、导频收发滤波器以及中频滤波器，替代了制作工艺复杂、成本昂贵的l c 滤波i ； 器，不仅简化了生产程序，缩短了生产周期，降低了成本，同时，由于d s p 数字滤 波器选择性好、带内波动小、温度系数好，大大提高了数字载波机的整机技术性 能，且非常方便地进行现场调整维护【6 儿7 1 。 我国电力事业和电力系统在2 0 世纪8 0 年代至9 0 年代以前所未有的速度迅猛发 展【2 】【引，大电站、大机组、超高压输电线路不断增加，电网规模越来越大。尽管现 在出现了新的通信方式，如数字微波、卫星通信、光纤通信、移动通信等，但在 郊县、山区以及偏远的变电站，架设光缆、安装微波接收器或卫星接收器投资巨 大，工程复杂，预计在一定时期内，有些站点是无法实现的。对于这些地方，只 能通过电力线高频信道，远程接人电力数字通信网络，否则，这些地方将成为现 代数字通信网络的死角和盲区。但原来的载波设备又因为传输速率和信道容量的 限制，不能很好的完成数据、语音的传输，所以急需新型的更高性能的载波机。 电力线载波通信在我国是一门既古老又年轻的学科，近几年来载波通信数字 化所带来的震撼的确是十分鼓舞人心的。然而，国内电力线载波通信技术及设备 还不尽完善，同国外同类产品还存在很大差距。国内只有少数厂家设计生产了数 字电力线载波机，但很多都是利用国外专用电力线载波芯片设计的，并且由于国 4 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 外电力线载波芯片是针对本地区电网特性、结构而设计，在国内使用都难尽人意。 不过令人欣慰的是，巨大市场潜力已促使我国众多的企业毅然投入到这一领域的 研发之中，并取得了不少进展。相信不久的将来会有更多优秀的国产电力线载波 机问世，电力线通信的应用领域会越来越广泛，性能会越来越完善【7 1 。 1 2 2 新型数字电力线载波机关键技术 目前国内电力线载波通信主要存在的问题一方面是由于目前电力线载波通信 占用频段及频带太窄( 频率为4 0 5 0 0 m z ，标称频带4 l 沮z ) ，导致传输速率太低； 另一方面由于电力线载波机技术发展速度慢，其性能和可靠性难以满足电力系统 调度自动化迅速发展的要求。目前国内运行的好多载波机还是传统的模拟载波机， 它是最早出现的一种通信方式，它采用模拟调制方式( 如s s b ) 将频率搬移到线路频 带进行传输，虽然它能够在电力线上实现通信，但是它的抗干扰能力差，传输速 率低。它存在的问题如下【9 】： ( 1 ) 体积庞大，制造工艺复杂的各种话音、远动、导频、中频滤波器，一直是 制约载波机技术性能和生产制造成本的关健因素，也是国内电力载波机用来传输 远动、继电保护信号一直存在的问题。 ( 2 ) 由于l c 滤波器选择性能的限制，导致模拟载波机频率资源利用率低，话音、 远动、导频相互之间串扰严重。 ( 3 ) 模拟调制解调器、放大器温度漂移大、技术指标低、调整不方便。 ( 4 ) 生产周期长，现场不能变更频率。 ( 5 ) 不便进行电力系统通信设备监控及运行管理。 新型数字电力线载波机设计要从传输容量、传输速率、抗干扰性能、可靠性 等几个主要方面考虑，只要能够很好满足电力系统调度电话、远动数据的快速可 靠传送，其发展前景还是非常广阔的。 从国外推出的电力线载波机产品可以看出，新一代电力线载波机采用各类新 型大规模集成电路器件，用尽量多的数字器件( d s p 、f p g a 、c p l d 、a ，d 、d a 、 单片机等) ，把模拟电路的数量减少到最低程度，这样可以最大限度地提高设备运 行的可靠性和稳定性。并且在通用的硬件平台上，升级容易，有利于现场改变。 如可以采用数字器件构建硬件平台，只需改变软件算法，就能实现传统s s b 调制解 调，即可与目前市场上的模拟载波机兼容，同时可靠性也较模拟实现大大提高。 同时随着全数字通信技术的发展和应用，电力线载波机通信容量仅限于单路 的“瓶颈”问题得到了解决，目前采用数字调制方式，经前端压缩、复接、t c m 调 制，在频域4 k h z 频带中传输速率可达到3 3 6 k b i 讹，可实现多路话音、远动信号的 传输，不再限于点对点的独立运行。 第一章绪论 结合当代电力系统调度自动化对信息传输容量速度及可靠性几方面的要求， 借鉴国外采用的新技术，不难得出新型高压数字载波机在数字信号处理技术方面 已经取得以下突破： ( 1 ) 采用新型高频调制解调技术，充分提高频谱利用率，在给定标准频带内( 如 4 k ，8 l m z 或更宽) ，实现数字信号高速可靠传输。在高压电力线载波通信中，国内 外较多采用了t c m 调制解调技术，并取得许多成功的运行经验。同时把0 f d m 调 制方式引入载波通信中提高数据传输率成为最新热点。 ( 2 ) 采用先进的纠错编码技术，在电力系统载波通道各种干扰信号( 如脉冲噪 声、电晕放电噪声等) 严重存在的情况下，能可靠传送较低误码率的各种信号。 ( 3 ) 采用有效的语音编码压缩技术和数字复用技术，在一定信噪比和标准频带 内实现多路话音、数据信号的传输。目前，实现线路复用的方法主要有两种，即 频分制和时分制。传统的模拟载波机在4 k 子频带采用的是频分复用方式，最多可 实现一话一数的传输。而压缩技术结合时分复用可实现十几路信号的传输。 ( 4 ) 采用自适应均衡技术，以手动、定时、预置或自动方式，补偿由于电力线 载波高频通道受天气、电网结构、断路器、隔离开关位置、相邻通道载波设备等 变化而引起的传输信号失真和畸变，尽可能地减少码间串扰。 ( 5 ) 同步方式。模拟载波机通常利用部分抑制载波频率，呼叫频率等做同步信 号；而数字载波机有更为严格的载波同步，符号同步，帧同步机制，同步性能好。 ( 6 ) 自动增益控制。由于电力线信道具有高衰减的特性，所以载波机自动增益 控制功能的范围和精度直接影响整机的性能，对一些较差的信道环境要给予充分 考虑。数字电力线载波机可以较好的做到这一点。 新型数字电力线载波机和其他类型的电力线载波机相比，无论是原理构成、 硬件电路组成还是技术性能、功能等方面都有很大不同。并且采用了许多现代数 字通信新技术，如自适应均衡、纠错编码技术、语音编码压缩技术、数字复接技 术、系统锁相同步传输技术等，对今后的高压数字载波机的技术性能和发展趋势 起着决定性作用。由于电力载波通道存在干扰严重、频带窄且拥挤、信号传输可 靠要求高等特点，在采用这些新技术进行设计时，应严格、认真地计算和优化【6 】【7 】。 1 2 3 数字化方案 由上文可以看出，电力线载波通信的数字化应用是不可逆转的发展趋势，数 字器件的发展，尤其是针对一般数字信号处理算法实现而采用的通用可编程序硬 件处理器技术一数字信号处理器d s p ，为电力线成功地完成信号处理，保证了更高 的技术指标及可靠性。 高压电力线载波通信的数字化，易于实现小型化，而且功能更强，功耗更小， 6 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 性价比更高。本文设计了可编程控制的通用硬件平台，采用d s p 器件来完成核心的 任务，利用软件来定义实现信号处理的各部分功能。不必更改硬件设置，其软件 可以根据需要不断升级，这样即可改变相应的功能，因而具有很强的灵活性与开 放性。考虑到目前现存的大量模拟载波机以及语音压缩技术的不断成熟，为实现 兼容性和先进性，适应不同的任务，软件可以采取下面两个方案： 1 单边带调制解调方案的数字化实现。目前国内现存的大量4 k h z 模拟电力线载 波机的信号处理模块，采用模拟单边带调制解调方式实现频谱搬移。数字单边带 的实现方法与模拟单边带相对应，由于采用了a ，d 、d a 技术，在实现过程中需要 考虑采样率的转换以及滤波器的设计等。 2 t c m 调制解调方案。t c m 即网格编码调制技术，它是将编译码和调制解调 技术结合起来，多路语音经压缩后与远动信号复接，在不增加带宽条件下，经t c m 调制，可提供3 4d b 的编码增益。q a m 与t c m 相结合，可在不增加信噪比的条 件下，提高信道利用率。由于信道失真等原因，解调前需考虑前端处理，包括载 波恢复和定时同步以及均衡等。 电力线载波机的数字化应用是载波机发展的方向，它的推广使用必将在很大 程度上改变电力线载波通信的现状，使得在我国电网现代化进程中最大化有效资 源利用，推动我国电力线载波通信事业迈上一个新台阶。 1 3 本文的主要研究工作 本文论述了电力线载波通信的发展及现状，重点研究了电力线载波通信信号 处理模块基于d s p 的实现。提出了单边带和t c m 调制解调算法的系统实现方案。 主要工作有： 1 讨论了s s b 常规方法的优缺点，最终选用、v e a v e r 调制及i w a 解调，使接收性 能与相位偏差无关。采样率转换采用多级技术和多相结构，减轻了滤波器的设计 难度和有限字长效应，且大大降低了运算量和存储要求。 2 t c m 方案采用与q a m 相结合，在不增加带宽和信噪比条件下，提高了信道 利用率和编码增益。考虑产品实际应用环境，本文采用改进的g a r d n e r 码元同步算 法进行定时同步，通过判决反馈载波恢复环和自适应均衡器相结合来消除载波频 相差和信道失真。译码部分则采用t e r b i 算法进行译码纠错。 3 系统以t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 d s p 为核心部件，构建设计了一种通用的电力线载波通 信信号处理硬件平台。围绕d s p 的体系结构，应用e d m a 、m c b s p 和e m i f 等片内 外设构建系统实现框架，重点介绍了开发过程实时信号数据流传输的具体接口配 置和中断处理。最后通过系统性能测试及仿真结果分析，验证了上述两种解决方 案的有效性，并提出了进一步的改进方法。 第二章数字s s b 调制解调 7 第二章数字s s b 调制解调 在通信中，提高信道利用率和节省发射功率是十分重要的。与普通调幅波和 双边带调制相比，单边带调制的频谱宽度减小一半，使有效性得到提高，不发送 载频，且只发送一个边带，节省了发送功率，因此在通信中得到广泛的应用。 在电力线载波通信中，模拟载波机大多采用的是s s b 调制解调方式，其实现 通常是把语音、远动及导频信号频分复用，经过一次或多次调制后实现频谱搬移。 由于目前国内市场上仍有很多模拟载波机，因此为实现与其兼容，采用数字化方 案，用数字器件代替模拟器件，适合在d s p 上设计实现s s b 的调制解调算法，同 时提高系统可靠性。 2 1s s b 调制的常规方法 双边带信号包含有两个边带，即上下边带。由于这两个边带包含的信息相同， 因而，从信息传输的角度来考虑，传输一个边带就够了。这种只传输一个边带的 通信方式称为单边带通信。单边带信号的产生方法通常有滤波法和相移法。 用滤波法形成s s b 信号的技术难点是，由于一般调制信号都具有丰富的低频成 分，经调制后得到的d s b 信号的上、下边带之间的间隔很窄，这就要求单边带滤 波器在载频附近具有陡峭的截止特性，才能有效地抑制无用的边带。这就使滤波 器的设计与实现很困难，有时甚至难以实现。因此，在工程中模拟载波机往往采 用多级调制滤波的方法。 相移法的困难在于宽带相移网络的制作，该网络要对调制信号的所有频率分 量严格相移丌2 ，即使近似达到也是困难的。为解决这个问题，可以采用滤波法 和相移法相结合的方法，称为w e a v e r 法【1 0 1 。 2 2w e a v e r 法实现s s b 调制 2 2 1w e a v e r 法调制原理 单边带、e a v e r 调制法又称为混合法，它是滤波法和相移法的组合，在技术实 现上既具有相移法利用正交调制产生单边带信号的优点，又避免了采用宽带相移 一7 r 2 网络特点。其调制原理如图2 1 所示。 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 图2 1w e a v e r 调制原理框图 在w e a v e r 调制中，一对正交预载波( 其频率一般位于边带正中间) 使下边带产 生折叠，而不受影响的上边带将被低通滤波器抑制掉。然后用一对正交载波把折 叠频谱搬移到理想的位置，再使两路信号相加或相减，即为调制器输出。 设基带信号厂( f ) = 彳c o s ( 比，+ a ) ，屹心，9 为任意相角，4 为信号幅 度，在图2 1 中，第一次搬移的频率= ( 屹+ h ) 2 ，则 五= 厂( ，) c o s ( f ) = 么c o s ( 比f + 口) c o s ( 心f ) ：要 c 。s 【( 嵋+ w 口y + 9 】+ c 。s 【( 心一心弦+ 日 ) 式( 2 1 ) 恐= 厂( ，) s i n ( f ) = 么c o s ( 比，+ 口) s i n ( ，) ：要 s i n 【( 比+ ) f + 9 卜s i n ( 嵋一心y + p 】) 式( 2 2 ) 低通滤波器的截止频率为= ( 一屹) 2 ，而和娩分别经过低通滤波器后得 到两个互为正交的分量，即 m ：要c 。s ( 比一心弘+ 日】 式( 2 3 ) 。 儿：一要s i n 【( 嵋一心) f + 口】 式( 2 4 ) 经二次搬移后， 毛= m c o s ( f ) 第二章数字s s b 调制解调 9 = 詈c 。s 【( 比一w 口y + 9 】c 。s ( ，) = 鲁 c 。s ( k 一+ y + p 】+ c 。s ( 嵋一w 口一y + 9 】) 乞= 乃s i n ( r ) = 一罢s m 【( 比一y + p 】s i n ( ，) = 鲁 c 。s ( k 一+ w 6 y + p 】一c 。s ( 嵋一w 口一y + 臼】) 若取下边带，即心= + ，则 船= 乙一乞= 罢c 。s ( k 一心y 一9 】 式( 2 - 5 ) 式( 2 - 6 ) 式( 2 7 ) 若取上边带，即心= 一，则 = 毛+ z ：= 罢c 。s 【( 比+ 比y + 9 式( 2 - 8 ) 可见，通过图2 1 的w e a v e r 算法可以获得单边带信号输出，避免了对厂( f ) 进行 希尔伯特变换移相一万2 的麻烦【1 2 】。 2 2 2i w a 解调法 相干解调法可以获得理想的解调输出，其难点在于如果接收端恢复出的载波 与接收的s s b 载波不完全同相，就不能得到理想输出。为了克服发端相位偏差造 成的性能损失，有必要寻找一种方案，使接收性能与相位偏差9 无关。用与w e a v e r 调制法相反的解调结构可以达到这个目的，称为逆、e a v e r 解调法( i w a ) 。i w a 解 调结构如图2 2 。 图2 2 i w r a 解调原理框图 l o 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 筒筝调町，i 司仟是网教胖调，七用一羽止父或、圾便s s b l 舌亏严生频谐折叠，们置 的频谱落在低频内，高频部分通过低通滤波器抑制掉。对折叠的低频部分，用一 对低频正交载波搬移频谱，且有一个边带的相位差是1 8 0 度。然后相加或相减，抑 制掉一个边带( 属于带内抵消) 。 假定本地频率为，搬移信号与接收的s s b 信号的载频相位差为妒，经频率 为的第一次搬移后，输出为 ，i = ( 兰厂( ，) c 。s 心f 三夕( f ) s i n 心f ) c 。s ( ，+ 妒) 1 2 言 厂o ) c o s ( w c w 6 y 一9 】厂( 7 ) s i n ( w c w 6 弘一纠) + 三 厂( ) c 。s ( 叱+ y + 纠夕o ) s i n 【( 心+ 吃y + 纠 式( 2 9 ) 眨= ( 圭厂( f ) c 。s 心f 三夕( f ) s i n 心，) s i n ( f + 9 ) = 丢 一厂( ，) s i n ( k 一) f 一妒 夕( ，) c 。s ( 心一y 一妒】 + 丢 ( f ) s i n ( w c + y + 9 】千夕( r ) c 。s ( + 弘+ 妒】) 式( 2 - 1 0 ) 将，i 、吃分别经过带宽为委( 一毗) 的滤波器，则 h = 丢 厂( f ) c 。s 【( 心一w 6 ) f 一妒 夕( f ) s i n ( 心一弘一妒】) 式( 2 1 1 ) 1 吃2 言 一厂( f ) s i n ( 心一弘一垆 ( ，) c o s 【( 心一心y 一妒】) 式( 2 - 1 2 ) 再经过频率为心的第二次搬移，其初始相位与第一次搬移信号的相位一致， 也为9 得到 = 三 厂( f ) c 。s ( 心_ 弘一9 】夕p ) s i n ( 心一弦一纠 c 。s ( 吃f + 缈) = 言( 硝c 。s ( 心一+ w 口y + c 。s ( ( w c 一一心y 一2 9 ) 】 丢夕( ，) 【s i n ( k w 6 + w 口弘+ s i n ( ( 比一w 6 一心) 卜2 妒) 】 式( 2 - 1 3 ) 地= 三 一厂( f ) s i n ( 心一弘一妒】夕( ，) c 。s 【( 比一y 一9 】) s i n ( w 口，+ 缈) 第二章数字s s b 调制解调 = 丢厂( 研c 。s ( w c w 6 + 心v c 。s ( ( 心一一w 口弘一2 妒) 】 吉夕( m s i n ( w c 一+ 心y s i n ( ( 心一一w 口y 一2 妒) 】 式( 2 - 1 4 ) 将和甜：相加，得到 “。+ “：= 丢 厂( f ) c 。s ( 比一+ w 口弘夕( ，) s i n ( 心一+ 心) f ) 式( 2 1 5 ) 当频率关系满足心= 一w 口时，上式为 嘶+ 屹= 丢们) 式( 2 舶) 可以获得理想的无失真的解调输出。 逆w e a v e r ( i w a ) 解调s s b 信号的方法，从根本上解决了现有方法在解调s s b 信 号时需恢复相干载波或插入大幅度载波的问题，是一种高性能解调s s b 信号的实用 方法；尤其、e a v e r 调制与逆w e a v e r 解调结构有很好的一致性，特别适合用数字信号 处理方法的模块化实现【1 2 】。 2 3 采样率转换 2 3 1 信号的内插及抽取理论 在电力线载波通信中，信号需要从o 4 k 调制到4 0 5 0 0 k ，因此在数字实现时， 基带信号的处理可以在低的采样率下进行，而与载波相乘时则必须在高的采样率 下来完成，这就需要改变采样率，即要求一个数字系统能工作在“多采样率”状态。 用c = 1 正表示输入信号x ( 聆) 的采样频率，用e = 1 l 表示输出信号j ，( 所) 的采样 频率。整数因子采样率转换分为以下两种【1 3 】： ( 1 ) 整数因子d 抽取：f ，= 疋d ，d 为正整数，表示对x ( 玎) 每隔d 一1 个样值 抽取1 个，使采样率降低为原来采样率的l d ； ( 2 ) 整数因子，插值：f ，= 以，为正整数，表示对x ( ”) 的两个相邻样值插入 ，一1 个新的样值，使采样率提高为原来采样率的，倍。 下面讨论整数因子内插和抽取的基本原理及其高效实现方案【1 3 j 【1 4 】。整数因子 内插原理方框图如图2 3 所示。 图2 3 整数因子内插原理方框图 1 2 基于d s p 的电力线载波通信信号处理研究与实现 它包括一个内插器和一个镜像滤波器。在x ( 珂) 的每个样值之间，内插器在信 号中增加，一1 个值为零的抽样，这样输出信号的采样速率变为厦。然后把该信号 通过一个低通滤波器以去除采样率改变带来的镜像频率，得到新信号j ，( 聊) 。内插 过程的输入输出关系式为 少( 聊) = 啊( 尼) w ( m 一七) 式( 2 1 7 ) 其中 咖) = x 肛0 u 卫厶 船1 8 ) 啊( 朋) 的频率响应特性为 整数因子内插过程的时域和频域示意图如图2 4 所示 ( a ) 原始 ( b ) 插零后 ( c ) 滤波后 x ( p ) 形( p ) 2 万一万 0 万2 万 式( 2 一1 9 ) 图2 4 整数因子内插( i - 2 ) 的时域和频域示意图 抽取和内插过程是互相对偶的，即一个是另一个的逆过程。图2 5 显示了整数 因子d 抽取的原理方框图。 c = l t l - jl _ j e = 1 巧= c d 图2 5 整数因子d 抽取的原理方框图 ， 石 引小 k k + c o s ( 4 万知e 一2 万移霉) 】 式( 2 2 5