（信号与信息处理专业论文）电力载波视频监控系统通信模块研究.pdf

中文摘要 摘要 作为公共安全防范体系的重要组成部分，视频监控系统一直是人们广泛关注 的焦点。电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u l l i c a t i o n ) 是利用配电网线路作为媒介的 一种通信方式，可用于高速数据、话音、图像等多媒体业务信号传输，成为目前 发展前景十分看好的宽带接入技术。而基于电力载波通信原理的电力载波视频监 控系统以其覆盖范围广、方便快捷、无需布线等优势逐渐成为一种不可替代的监 控方式。 本文研究的内容是电力载波视频监控系统通信模块设计和实现。课题在理解 适合于电力线通信的调制解调技术基础上，利用i i l t e l l o n 公司最新推出的p l c 通 信芯片组i n t 5 5 0 0 设计电力线通信模块，实现电力线上高速数据传输，并基于该 模块将电力线通信技术应用于视频监控中，给出了基于p l c 技术的视频监控系统 的技术方案和模拟实现。 本文首先介绍了电力载波视频监控系统的发展和现状，以及电力载波视频监 控的特有优势，并且对系统中的关键技术进行了比较。接着，分析了电力线网络 通信协议( h o m e p l u 9 1 o ) 中关于物理层和媒体访问控制层的协议规定。然后，根 据电力线信道作为通信媒介的特点，建立了实用的信道模型，在此基础上介绍了 适合此信道的调制方式。最后，本文给出了基于电力载波芯片i n t 5 5 0 0 的通信模 块总体设计各个硬件模块的具体实现，并给出了硬件的基本测试。 关键词：电力线通信，视频监控，硬件设计，i n t 5 5 0 0 英文摘要 a b s t r a c t a so n eo ft l l em o s ti m p o n a n tc o m p o n e n t so fp u b l i c s e c u r i t ys y s t e m ， v i d e o m o n i t o r i n gi si n c r e a s i n g l yg a i l l i n gp e o p l e sa t t e n t i o n p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) i sam o d eo fc o 姗m u m c a t i o nm a tm a k e su s eo fm ep o w e rd i s t r i b u t i o nn e 觚o r k 嬲 t r a n s m i s s i o nm e d i u m i tc a i lb e 印p l i e di nh i 曲s p e e dd a t at r a l l s m i s s i o n ，i n c l u d i n gb o t h a u d i oa n dv i d e os i 印a l s ，m u l t i m e d i as e r v i c e t 1 1 e r e b yi th a sb e c o m eak i n do f b r o a d b a n d a c c e s st e c h n o l o g y v i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do np o w e rl i n eh a sf e a t u r e s ，s u c ha s n on e e dt oi n s t a l ln e ww i r e s ，t h eu b i q u i t yo fp o w e r l i n e s ，a n de a s yc o i m e c t i v i t y t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st l l e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fap o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nm o d u l ef o rv i d e o m o n i t o r i n gs y s t 锄 b a s e do nt h em o d u l a t i o n t e c h n o l o g yu s e di np l c ，t l l i sp r o j e c ta i m st ot h ed e s i 印a n di m p l 锄e n t a t i o no fp l c m o d u l eu s i n gi n t e l l o np l cc o n l m u n i c a t i o nc h i p s e t ( i n t 5 5 0 0 ) t l l ep l cm o d u l ew i t h o m e rp u r c h a s e dp a n s ，i su s e dt om a l ( ea i ls y s t e mt h a ti s 印p l i e dt oar 锄o t ev i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s ti n t r o d u c e s t h ed e v e l o p m e n ta n dr e c e n ts t a t u so ft h ev i d e o s u r v e i l l a l l c es y s t 锄b a s e do np o w e rl i n e ，a sw e l l 嬲i t sa d v a n t a g e s t h e n ，m em e s i s a 1 1 a l y s e sm ep h ya 1 1 dm a c1 a y e r so fm eh o m e p l u g1 op o w e r1 i n ec o n l i l l u n i c a t i o n s p e c i f i c a t i o ni nd e t a i l a tt h es 锄et i m e ，t h et h e s i ss t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o w e rl i n ec h a n n e l ，s e tu pac h a n n e lm o d e lf o ru s e t bh a v ea i la d d i t i o n a lu n d e r s t a n d i n g o fo f d mm o d u l a t i o ns c h e r l l e ，m et h e s i sb r i e n yi n t r o d u c e sm ep r i n c i p l eo fo f d m ， a i l a l y z e sm ea d v a i l t a g e st oa p p l yo f d mi np o w e r1 i n ec o m m u l l i c a t i o n a tl a s t ，t h e t h e s i sa n a l y z e st h ep r o p o s e dp l ch a r d w a r em o d u l ea l o n gw i t hm ei m p l e m e n t a t i o no f e a c hm o d u l e t h em o d u l eh a sb e e nt e s t e di nav i d e om o i l i t o d n gs y s t 锄。 k e y w o r d s ：p o w e r l i n ec o m m u i l i c a t i o n ，v i d e om o n i t o 订n g ，h a r d w a r ed e s i g n ，i n t 5 5 0 0 学位论文独创性声明 本人声 明 所呈交的盈 士 学位论文 虫查她蝮j 啦避隹蠖遮域杰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的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砾物 导师签名： 签字日期：趔仁占f 签字日期：2 叫l5 f 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程 ) ，愿意将本人士学位论文蚴澎亟叛! 臣控纽幽鹾蚴 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c 胍i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 导师签名： 2 口p9 ，年莎月1日 备注：审核通过的涉密论文不得签署搿授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月日。 说明：本声明及授权书：缝装订在提交的学位论文最后一页。 l 绪论 1 绪论 1 1 引言 视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综 合系统。视频监控以其直观、方便、信息内容丰富的优点被广泛应用于多种场合。 由于社会对公共安全的日益关注、技术的进步以及价格的降低等因素，视频监控 系统的市场在未来将有大规模的增长。根据i s u p p l i 的预测，摄像机、视频服务器、 外围设备和软件等构成视频监控系统的各种设备的市场总额将在2 0 1 1 年达到9 0 亿美元，远高于2 0 0 6 年的7 3 5 亿美元。2 0 0 6 年中国视频监控市场规模达到1 8 2 4 亿元人民币，预计2 0 1 1 年市场规模将达到8 6 6 1 亿元人民币。因此，视频监控系 统有很好的市场前景和经济、社会效益。目前全球的视频监控主要以闭路电视 ( c c t v ) 摄像机为主，但据i s u p p l i 预测，到2 0 1 1 年网络摄像机将超过c c t v 摄 像机，成为占优势地位的视频监控设备。然而，就目前网络摄像机的使用来看， 国内很大部分网络摄像机是通过有线局域网或无线局域网进行传输的，基于电力 线通信的视频监控系统的实际应用并不多【1 1 。 电力载波视频监控系统借助电力线实现视频图像传输，利用已有的低压电力 线网络作为传输媒介，不用额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本， 而且安装方便快捷，具有十分广阔的前景。 1 2 视频监控概况 1 2 1 发展状况 视频监控系统具有悠久的历史，广泛应用于安防领域，是协助公共安全部门 打击犯罪、维持社会安定的重要手段。近年来，随着宽带的普及，计算机技术的 发展，图像处理技术的提高，视频监控正在越来越广泛地渗透到教育、政府、医 疗、酒店等其他各种领域【2 】。视频监控系统的基本功能是提供实时监视的手段，并 对被监视的画面进行录像存储，以便事后回放。在此基础上，高级的视频监控系 统可以对监控装置进行远程控制，并能接收报警信号，进行报警触发与联动。 最早的视频监控系统是全模拟的视频监控系统，也称闭路电视监控系统。图 像信息采用视频以模拟方式传输，一般传输距离不能太远，主要应用于小范围内 的监控，监控图像一般只能在控制中心查看。全模拟视频监控系统以模拟视频矩 阵和磁带式录像设备v c r 为核心。其弊端在于：视频信号在同轴电缆上传输的 距离有限从而限制了监控范围；系统的布线工程成本较高；该监控方式下模拟视 频数据的存储会耗费大量的存储介质；不易查询取证。 重庆人学硕士学位论文 随着数字技术的发展，数字视频监控系统从2 0 世纪9 0 年代中期丌始出现， 以数字控制的视频矩阵替代原来的模拟视频矩阵，以数字硬盘录像机d v r 替代原 来的模拟录像机，将原来的磁带存储模式转变成数字存储录像，实现了将模拟视 频转为数字录像，录像机画面分割等功能，跨出数字监控的第一步。在此基础上 产生了全数字的视频监控系统，全数字监控系统基于p c 机或嵌入式设备构成系 统，并可进行多媒体管理。这类系统是目前视频监控市场的主流。 随着宽带网络的普及，视频监控逐渐从本地监控向远程监控发展，出现了以 网络视频服务器为代表的远程网络视频监控系统。网络视频服务器解决了视频流 在网络上的传输问题，从图像采集丌始进行数字化处理、传输，这样使得传输线 路的选择更加多样性，只要有网络的地方，就提供了图像传输的可能【9 】【1 0 】。 1 2 2 技术进展 c m o s 传感器技术的成熟 摄像机的图像传感器j 下逐渐从传统的c c d 向c m o s 转变。这两种传感器各有 长短，不过一直以来，c m o s 传感器的缺点正在不断地减少。c m o s 图像传感器 以其低成本、高集成度为主要特点，图像质量已不输于c c d 。而且与基于c c d 的 探头相比，c m o s 探头的集成度更高，因为c m o s 传感器集成了许多外围处理功 能，所需器件比c c d 探头少，且c m o s 探头的功耗要低得多。从整个监控系统来 看，c m o s 传感器可将成本大大降低。 智能分析技术的发展 近年来i e e e 在图像的智能分析等方面有比较大的成果，比如运动检测、人脸 识别、目标跟踪等。这些成果都为监控系统的智能化提供了技术准备。 芯片技术的发展为视频监视产品提供新方案 i p 摄像机通常集成了视频捕获、视频编码处理和网络接口功能。在视频监控 市场，能够支持这些功能的各种视频信号处理器芯片性能差异很大。但近年来高 性能的d s p 芯片使视频处理器性能得到极大提升。这些d s p 是催生智能摄像机的 关键要素。 视频压缩格式的发展 随着图像压缩技术的提高，出现了越来越先进的视频压缩格式，如m p e g 4 ， h 2 6 4 ，而我国也j 下在大力发展具有自主产权的a v s 编码格式。视频压缩技术的发 展为视频监控在图像传输、录像存储等方面带来了极大的好处。 1 3 电力载波通信的发展概况 电力载波通信( p o w e rl i n ec o m m u i l i c a t i o n ) ，是一种把载有信息的高频信号 加载于电流，利用已有的配电网作为传输媒介进行数据传输和信息交换的一种技 2 绪论 术。它利用已有的配电i 删作为信息传输的载体，避免了新的通信网络的建设和投资 其覆盖面足任何网络无法比拟的。电力线作为数据传输通道具有成本低、迷度快、 连接方便等优点，已经得到越来越广泛的应用。特别是低压配电删它是个用户 多、分布r _ 、用户必不町少的动力能源传输网络，同时也是一个h 盏被看好的、将 来可以随时使剧的高速数字通信叫络。 v 0 ps 暗啪c 0 u d b 目1 1 电力线通信的应h j h 9 11 1 k8 p p l i c a t i o no f d ”p o w 盯l l n e c o n l c a 6 0 n 13 1 国内外现状 电力线通信的发展经过了萌芽、发展和成熟三个阶段。萌芽阶段为2 0 世纪2 0 年代到5 0 年代，其代表产品为电力载波机采用频分复用荦边带调制技术载 波频率为4 0 - 1 0 0 k h = 传输媒介为高压电力线，实现远程控制，语音传输和设备保 护等功能。萌芽阶段的电力线载波机解决了利用电力线进行通信的问题，但仍然 存在通信质量差、容量小、传输速率低等缺点。电力载波通信的发展阶段为2 0 世 纪5 0 年代至9 0 年代，这个阶段电力载波通信的载波频率为01 5 1 m ，并且以低 压电力线作为传输媒介，主要应用于电力线自动抄衰、供电管理。电力载波通信 的成熟阶段指2 0 世纪9 0 年代以后，载波频率超过1 m ，主要应用与高速数据信 号抟输，比如宽带接入，家庭楼宇智能化网络。 国外对电力线载波通信技术的研究起步较早，已有多家公司推出了自己的电 力线载波芯片，并制定了电力线载波通信适用范围的标准，尤其是在德国、韩国、 美国、瑞士等国，该项技术都己近于实用。其q j 英国的s w e b 公司早在1 9 9 3 年就 重庆人学硕十学位论文 成功地在某地区性有限遥测系统( r m s ) 中采用中、低压配电网进行两路数字载 波通信，将己有的水、气表与电能表连接起来，能提供包括水、天然气、电能的 自动抄表等功能。而美国将主要的精力放在了p l c 在智能小区建设以及智能家电 领域的应用。基于该领域的应用美国的思科，惠普，因特尔等公司组成设立的家 庭插电联盟( h p a h o m 印l u gp o w 甜i n ea l l i a i l c e ) 致力于创建电力线网络的通用标 准，并于2 0 0 1 年2 月开始在对世界范围内的5 0 0 多个家庭进行实验，并制订 h o m p l u g 标准系列。在亚洲r 本、韩国和新加坡等国都相继报道已经实现了利用 低压电力线的高速互联网传输技术，并正在各自国家进行推广应用。近年来国际 上对高速p l c 专用芯片的研制也取得了突飞猛进的发展，美国的i m e l l o n 、l n 撕 公司，以色列的i t l 认n 、m a i n n e t 公司，韩国的x e l i n e 公司，西班牙的d s 2 ，法 国的s p i d c o m 等公司开始了高速p l c 专用芯片及应用产品的研究开发，产品包 括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1m 伽到2m 伽、1 4m 枷、 4 5m 6 筇、8 5m 伽直至2 0 0m 伽。美国i n t e l l o n 公司的1 4m 伽、4m 伽芯片应 用最为普遍，大部分p l c 系统都是基于该芯片开发的。目前，主流芯片主要为1 4 m 伽和8 5m 伽。 我国宽带p l c 技术的研究起步较晚，2 0 0 1 年5 月1 8 日，中国信息产业部正 式批准了国电通信中心的i s p 业务申请，国电通信中心从此具备了开展上网业务 的通行证。在2 0 0 2 年中国电力科学研究院开发出了2 m 伽和1 4 m 舾的电力线高 速通信系统，并在沈阳建立了第一个宽带接入实验小区。2 0 0 5 年福建省电力试验 研究院也研制成功了1 0 m 细的电力调制解调器，实现了电力线的高速数据传输 技术，终端用户可以利用u s b 电力通信适配器实现电力线上网。近年来常州三龙 科技陆续成功开发出8 5m 枷宽带电力线通信( b p l c ) 网络系统设备，可以为用 户提供电力线宽带接入系统。这说明国内的部分公司已看到该项技术的前景并已 开始进行了研究，研制出部分产品，但仍处于起步阶段，还存在着传输距离不够 长、受负载影响大和可靠性不够高的问题。 1 3 2 电力线通信的特点 电力线通信技术可以进行模拟( 如：语音信号) 或数字信息( 如：家居控制 信号) 双工传输，也可广泛应用于家居自动化、小型办公室、家庭办公室通讯( 如 互联网、内部信件、游戏、音频、视频) 等领域。近年来，随着i i l t e m e t 网络技术 的发展成熟以及用户对电信新业务需求的不断增长，高速接入技术已经成为通信、 信息高科技领域研究的前沿和热点。与此同时，网络和信息家电也越来越多地出 现在人们的生活之中，而这一切发展的最终目标都是给人类提供一个舒适、便捷、 高效的生活环境。然而，采用何种通信方式将用户终端连接到最近的宽带网络连 接设备，成为长期困扰人们的难点之一，被业内人士称为宽带网络接入的“最后一 4 1 绪论 公里”问题。“最后一公里”原是通信行业的术语，泛指终端用户接入到主干网络的 这一段距离。这段接入的协议和拓扑决定了用户访问网络的整体性能。有专家统 计，接入网建设投资约占信息网络基础设施投资的一半以上，可以说，“最后一公 罩”是宽带网络建设的瓶颈、热点和关键环节。利用四通八达、遍布城乡、直达用 户的2 2 0 v 低压电力线传输高速数据的p l c 技术，较传统的网络建设和接入技术 具有更多的优势，被业内人士认为是提供“最后一公里”( 户外宽带接入) 和“最后一 百米”( 户内组网) 宽带接入解决方案最具竞争力的技术之一。表1 1 列出了多种宽带 接入技术的比较方案。 表1 1 宽带接入技术方案的比较 陀b l e 1 1c o n l p a r i s o no nb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g i e s 5 重庆人学硕十学位论文 从表1 1 可以看出利用电力线进行数据通信，具有不受地形、地貌的影响，投 资少，施工期短、设备简单等优点。因此对这种廉价的、电力系统独有的信道资 源不应轻易放弃，应加以合理的发展，使之与高速、宽带技术长期并存，互为补 充。 我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路【4 】，若利用现成的电力线网络进 行通信，为用户提供数据和语音、视频等信息服务，则可节省大量资金，将会对 中国电信市场改革和互联网的发展带来极大的空间。 1 4 电力载波视频监控概况 电力线载波视频监控系统借助电力线实现视频图像传输，可以直接利用现有 的低压电力线网络作为传输媒介，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投 资，降低了成本，而且安装方便快捷。而其它三种常用网络方式都要对布线进行 改造或存在其它不足。 数据通信以电力线通信( p l c ) 作为视频监控系统的接入和传输方式，具有其 独特优势，包括以下方面： 分布范围广。目前能够用于传输视频图像的网络( 光纤、闭路电视线、 电话线) 中，电力线的覆盖范围比其它任何网络都广。 不用专门布线或改造，投资成本低。借助电力线实现视频图像传输可以 直接利用已有的电力网络作为传输线路，不用进行额外布线，从而大大减少了网 络的投资，降低了成本，而且安装方便快捷。而其它三种网络方式都要对布线进 行改造或存在其它不足。 其它方式不可替代。与其它方式相比，借助电力线实现视频监控除了其 它优点外，还有一个突出优点是其它传输方式的不可替代性，主要体现在：对于 一些被金属屏蔽的场合，例如轮船上每个房间之间都是钢板相隔，无法应用无线宽 带联网( 因屏蔽作用) ，用综合布线联网( 如光纤、双绞线等) ，工程浩大，也不 行。此时利用原有的电力线则是最佳选择。隐蔽性好，例如可将监控摄像头与电 灯安装在一个统一的灯罩内，在照明的同时也实现了摄像监控；而且由于电力线 是用于电能的传输，无论摄像头是否与照明灯在一起，一旦线路出现故障后，都 可以最先被直观地发现。 应用范围广。电力载波视频监控系统可以广泛应用于以下场合：国防、军 事重地，例如军用装备库房、办公地点、机要室等；需要进行监控的场合，如银 行、商店、企事业单位的重要地点、校园安全、无人值守、智能交通、智能小区 和大厦、信息家电等；轮船、井下等被屏蔽或其它布线困难而只能提供动力电源 线的地方；已装修好的宾馆、住宅等重新布线困难的地方。 6 l 绪论 从以上的分析可以看出，虽然基于电力载波的视频监控系统在监控领域还不 是主流方式但其在一些特殊场合有其独特的优势，而这些优势是其他监控系统无 法比拟的。 1 5 论文的研究内容和结构安排 本文的主要任务是研究并实现基于电力载波视频监控系统的通信模块硬件电 路。主要研究内容如下： 电力载波视频监控系统的方案设计： 研究系统的总体方案设计。 低压电力线信道模型的研究： 电力线是一个多径频率选择性快变信道，而且有很强的噪声。要在电力线上 实现数字信号的高速传输就必须对电力线信道的特点进行分析和研究，为系统的 设计打下理论基础。 调制技术的研究： 电力线本不是为通信而设计的，要利用电力线进行较为理想的通信，必须从 多方面考虑，选择一种最好的通信调制方式，这主要涉及到了频带利用率、功率 利用率、载波频率选择以及噪声抑制能力等问题。 电力载波视频监控系统通信模块硬件设计与具体实现： 通信模块在电力载波视频监控系统中是最重要的一个模块，由于监控产生的 数据流量较大而且电力信道的复杂多变，电路工作频率涉及到基带和射频，电路 中涉及模拟信号和数字信号。所以该模块硬件电路的设计是要解决的一个重要技 术难点，在设计中需采取相应的措施减少噪声干扰和增强系统的电磁兼容性。 整篇论文共分六章，全文的结构安排如下： 第1 章综合论述了课题的研究背景，视频监控系统和电力线通信的发展情况， 阐述本课题研究的意义。并介绍了论文的主要研究内容和结构安排。 第2 章电力线载波通信技术，介绍电力载波通信基本原理以及其协议。 第3 章低压电力线信道研究，研究了电力线信道的基本特征，分析了电力线 信道作为高速数据流传输媒体的特点。 第4 章研究了电力载波视频监控系统的总体方案设计，包括系统硬件和软件 的关键技术选型。 第5 章基于电力载波视频监控系统的通信模块硬件设计实现：分析各部分工 作原理，介绍核心芯片，对各部分电路进行详细的分析和说明。对该系统的整体 功能进行测试并分析结果。 第6 章对本文的工作进行总结，并提出对今后工作的展望。 7 2 电力线通信技术 2 电力线通信技术 电力线通信( p o w e r “n ec o m m u n i c a t i o n ) 又称电力载波通信，是电力系统特 有的通信方式，是指利用电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行传输的技 术。该技术是把载有信息的、频率在9 k h z 3 0 m h z 的射频信号，以电流形式加载 于电线或电缆上进行传输。 2 1 电力线通信技术简介 电力载波通信是指利用电力线传输数据和话音信号的一种通信方式。可以分 为窄带电力线通信( n a 啪w b a n do v e rp o w e rl i n e ，n p l ) 和宽带电力线通信 ( b m a d b a j l do v e rp o w e rl i n e ，b p l ) 两种方式。 窄带电力线通信技术指通信速率小于l m 6 f 以的电力线载波通信技术；多 采用普通的p s k 技术、d s s s 技术和线性调频c h 卸等技术【3 】【6 1 ，主要可应用于电 力线自动抄表、电网负载控制，供电管理和工业控制等领域，如图2 1 所示。 | 雏 图2 1 窄带电力线通信的应用 f i g 2 1t h ea p p l i c a t i o no fn l en a n 0 、 ，b a n dc o m m u n i c a t i o no v e rp o w e rl i n e 宽带电力线通信技术指带宽限定在2 3 0 m h z 之间。通信速率通常在 1 m 6 f 加以上的电力线载波通信技术。主要采用以o f d m 为核心的多种扩频通信技 9 重庆人学顷+ 学位论文 术。可以_ 日j 于高速数字信号传输，例如高速宽带多媒体数据通信，家庭楼宇智能 m 络，宽带m 接入等其典型的网络结构如图22 所示。 t 二。 蹦22 典刑宽带电力线通信网络结壮j f l g22s 仉l c m o f8 t c a 】b r o a d b 口dp o w 日1 m m u n m e l o n n e t w o m 22 电力线通信技术指标 衡餐电力载波通信性能的指标很多，其通信速率、通信距离、安伞性能最直 观地反映电力载波通信的性能。 通信速度：o f d m 信号调制技术将信道可用的带宽划分为若干相对较窄的 子信道，根据信道条件，目前可以实现堆高2 2 4 m 坼，的数据传输。 通信距离：当电力线为卒载时，点对点的载波信号可以传输几公里。当电 力线上的负荷较大时采用p l c 技术h 能传输儿百水甚币只有几十米，要想增加 传输距离则可以采用增加中继等方式。 安全性：由于p l c 技术足利用现有的2 2 0 v 低压电力线进行数据传输，与 号用通信线路的弱电信号小同，所以必须保证使崩者的安全，p l c 设备一般采用 以f 保护措施【5 】： 1 ) 利用线圈的感应耦合原理，将高频信号通过线圈耦台到电力线叶 。使得 p l c 设备内部线路与2 2 0 v 电力线在物理上隔离开来。 恕略一 2 电力线通信技术 2 ) 在p l c 电路设计中，强点和弱电分开设计，严格保证信号线路中不会出 现高电压。 3 ) 在p l c 设备电路中，设置过压保护装置，避免由于感应或短路而造成伤 害。 2 3 电力线通信协议 由于窄带电力线通信与宽带电力线通信应用于各自不同的领域，因此电力线 通信协议可以分为窄带电力线通信协议以及宽带电力线通信控制协议。窄带电力 线通信协议见表2 1 。 表2 1 窄带电力线通信协议 1 h b l e 2 1n a r r o 、b a n dc m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1o v e rp o w e rl i n e 2 3 1 宽带电力线通信协议 宽带电力线通信协议主要分为两大类一种是家庭插电联盟( h p a ) 的h o m 印1 u g 协议系列，另一种是电气电子工程师协会( i e e e ) 的i e e ep 1 9 0 1 ，i e e ep 1 7 7 5 ( 以 及i e e ep 1 6 7 5 协议。i e e ep 1 9 0 1 为电力线宽带接入的m a c p h y 部分标准，而家 庭插电联盟( h p a ) 的h o m e p l u ga v 被i e e ep 1 9 0 l 选为基线技术；i e e ep 1 7 7 5 为电磁兼容性方面标准；i e e ep 1 6 7 5 为硬件和安装部分的标准。 2 3 2h o m e p l u g 协议 2 0 0 0 年4 月，思科、因特尔、惠普、松下等1 3 家公司成立了家庭插电联盟 ( h o m e p l u gp o w e r l i n e a l l i a i l c e ，h p a ) ，其宗旨就是不断推动该技术的快速实用化， 并推出价格合理、互相兼容、标准化的家庭电力线网络和设备。目前该联盟的成 重庆人学硕士学位论文 员企业已达9 0 家之多。h p a 选用i n t e l l o n 公司的技术作为协议的基础，于2 0 0 1 年 6 月2 6 同发布了该协议的第一个版本h o m e p l u g1 o 。此协议规范将数据传输速率 定为1 4 m 弘，采用o f d m 调制方式，m a c 层协议为c s m c a 。随后h p a 又相 继推出了h o m e p l u 9 1 ot u r b o( 8 5 m ) 、h o m e p l u g a 、厂( 2 0 0 m ) 的协议标准。 本次设计选用i i l t e l l o n 的i n t 5 5 0 0 芯片，它执行带t u r b o 的h o m e p l u g1 o 协 议。h o m 印l u 9 1 ot u r b o 协议是在h o m 印l u 9 1 o 的基础上添加了增强的t u r b o 芯 片组，以满足诸如i p t v 、整合性音频( w h o l eh o u s ea u d i o ) 和v o i p 等新兴内容发 布应用的额外性能需求，协议数据传输速率为8 5m 6 s ，采用o f d m 调制解调 技术，m a c 层协议与1 o 版本协议同样为c s m a c a 。图2 3 为h o m e p l u g 收发器 结构框图。 图2 3h o m e p l u g 收发器结构框图 f i g 2 3a r c h i t e c t l l r eo f h o m e p l u g 仃a n s c e i w ：r 物理层协议，h o m 印1 u 9 1 0t u r b o 物理层使用4 4 9 2 0 7 m h z 频带，频带被分 为2 5 6 个平坦空间的载波。协议中o f d m 的子载波屏蔽是可改变的以适应不同国家 的需求。t u r b o 码、r e e d s o l o m o n 编码、连续卷积码( c o n v o l u t i o n a lc o d e s ) 被多次 使用以进行前向纠错，通过自适应避开性能较差的子载波，并为剩下的载波选择 适当的调制方式和编码率。通过采用独特的2 5 6 值q a m 等调制方式，最大可实现 8 5 m 6 f 胁的传输速率。 1 2 2 电力线通信技术 s t a 屹耐竹a m ed i 硼h 掣b r i u 3 髓 7 2 o 爿s e c l2 5 阮i i l r e s 蝴s e d e “m 亡t e r f u e sa ：o 悟砷 髓静( 1 5 s k ) 躲s ( 2 6 9 键c ) h l2 s h l2 。i i 善i建! 嬲黼淼l i5 麓i建! 繁搠篙激 l a ) p h yf f a m ef o f m a t 卜仲疆卜3 嗽s 卜m 媳卜8b 鹪一 ( b f 憎m ec o n t f o i 图2 4 物理层帧结构 f i g 2 4p h y 肋m e f b r m a t 该协议规定一个长的物理层协议数据单元( p d u ) 从帧头定界符( s o f ) 开始 紧跟就是负载，然后一个1 5 淞的帧结束间隙( e f g ) 和帧尾定界符( e o f ) ，e f g 是用于处理的插入延时。帧尾定界符作为一个附加的部分，用于m a c 层功能中的 冲突检测和恢复。负载大小不仅决定于长度，还取决于调制方式和编码率。短的 p p d u s 包含单独的响应界定符。 p h y 层帧控制符编码，首先将2 5 6 船的帧控制比特利用( 1 0 5 4 ) 的生成子矩 阵组成的生成矩阵形成( 1 0 0 2 5 1 6 ) 的码组。( 1 0 5 4 ) 的生成矩阵如下所示。 ( 2 1 ) 2 5 b i t 帧控制符分成5 组行向量以后，通过生成矩阵( 2 1 ) 生成一个1 0 1 0 的矩阵，其中该矩阵左上方的5 5 子矩阵为信息位，其余部分分别为其行校验和 1 0 0 1 l 1 1 0 0 1 l 1 l 0 o o 1 l 1 o 0 0 1 l 1 0 0 o o l o o 0 1 0 o 0 1 o o 0 1 0 o 0 1 0 0 o 0 重庆火学硕士学位论文 列校验数据。完成编码后再根据h o m 印l u g 协议给出的规则将前面编码所得到的 1 0 1 0 矩阵中的元素排列排列为l 1 0 0 的行向量。至此完成帧控制符的编码过程。 p y h 层数据编码，首先利用扰码器生成伪随机码，使得码组中出现连o 或连 1 的概率降低。其生成多项式为： s ( x ) = x 7 + x 4 + 1 ( 2 2 ) 而收端利用解扰码器解扰。在p l c 通信中的数据格式中s e r v i c e 部分前7 b i t 全设为o ， 这样收端就可以以7 个“0 ”被扰后的结果作为收端扰码器的初始状态，从而进行正确 的解扰。 s c r a m b i e dd a 穗 o u t 图2 5 扰码器 f i g 2 5s c r a m b l e r 经扰码后的数据再进行r e e d s 0 1 0 m o n 编码，将其编码为( 2 5 5 ，2 3 9 ，仁8 ) 的 r e e d s o l o m o n 码，可以纠8 位错误以下为具体的编码过程： 码多项式： m ( x ) = m o x + m l x 啪+ + m k _ 2 x + m k 1 ( 2 3 ) 生成多项式： g ( x ) = ( x 口1 ) ( x 口2 ) ( x 口3 ) ( x 一口1 6 ) ( 2 4 ) 校验位的生成：r ( x ) = m ( x ) x 以m o d u l og ( x ) ( 2 5 ) 码字： c ( x ) = x + 。m ( x ) + 尺( x ) ( 2 6 ) 需要纠8 位错误因此我们需要列出本原多项式的2 t = 1 6 个连续幂次的根。即口 为本原多项式坟x ) = x 8 + x 4 + x 3 + x 2 + 1 ( 4 3 5o c t a l ) 的根，可以查厂( x ) 的本原多项 式表得到。 经r s 编码输出的数据流经过编码效率为1 2 ，约束长度为l = 7 的卷积编码， 卷积码将连续输入的k 个比特映射成m 个比特输出。该映射是通过对输人比特和 二进制冲激响应进行卷积完成的，故称之为卷积编码。卷积编码通过移位寄存器 和模2 加法器来实现，下图给出了我们采用的码率为l 2 的卷积编码器。该编码器 有一位数据输入和两个数据输出端口。卷积编码采用生成多项式为 9 0 = 1 3 3 ，蜀= 1 7 l ( 8 进制) 。经卷积编码后的数据在经过协议规定的穿刺回旋编码 和数据交织后完成数据编码。在信道编码的过程中根据事先对电力线信道的估计 和测试协议选用了：扰码、r s 、卷积、穿刺回旋编码和数据交织等方法进行信道 编码保证了高速信号在恶劣的低压电力线上传输，保证了通信质量。 1 4 2 电力线通信技术 完成编码以后的数据和控制信息的输出都经过相同的o f d m 调制。o f d m 调 制所经过的处理模块有：映射模块用于接收比特流，并将其映射到星座点( 如 b p s k ，d b p s k 和d q p s k ) ；快速傅早叶逆变换i f f t 模块，将星座点调制成载波信 号( 用离散时间) ；前同步模块作用为自动增益控制和同步规定同步帧头信号，为帧 控制信号编码规定相位参考；循环前缀模块为调制器的输出预定循环前缀；升余 弦整形模块进行脉冲整形；最后完成o f d m 调制。 h o m e p l u g 媒介访问控制( m a c ) 层协议数据传输格式如图2 6 所示，其中媒介 访问控制层使用虚拟载波侦听的机制与竞争调节方式，将冲突产生的数目减到最 低。所以在接收端收到同步帧头的时候，就会尝试取得控制字段的信息。 引导符| 帧控制字|帧头帧体f p a df c s l 引导符| 帧控制字 图2 6h o m e p l u g 的数据传输格式 f i g 2 6d a t ac o n u n u n i c a t i o nf o n n a to fh o m e p l u g 帧控制字信息会指明某定界符号是信息帧起始定界符号、信息帧终止定界符 号或是答复定界符号。信息帧起始定界符号指明了其后负载数据的长度；而终止 定界符号则是大致定义了信息帧终止之处。因此，若一个数据接收端能够解读定 界符号内的帧控制数据，那么该接收端就能根据被解读的起始定界符中有关负载 数据长度的信息判定出此次通信所需使用信道的时间，并启动其虚拟载波侦听， 且在其所判定的时问内维持该状态。若无法解读帧控制信息，则接收端必须假设 本次接收是最长的数据包长度即认为本次通信占用信道时问最长，并启动其虚拟 载波侦听。不过在这种情况下，当接收端收到信息帧终止定界符号的时候，就能 提前修正其虚拟载波侦听的设定。数据传输的目标端都会在媒介访问控制层，通 过传送答复定界符号的方式，来确认单点传输时信息帧的接收，若发送端没有收 到一个确认的信号，将会假设数据发生冲突导致传送失败。另外，接收端若没有 足够的资源来处理该信息帧，可能会选择发送f a i l 信号，或是在所收到信息帧内 含有无法以f e c 技术修复的错误时，选择发送n a c k 信号，而不会发送确认信号。 媒介访问控制层中的竞争调节协议包括了一个随机的后退算法，目的是在传 输信道忙碌时，信道中累积了许多正在传输或因数据冲突后重复传输的信息帧时， 使用这个后退算法来疏散这些信息帧，并确保每个客户端依其优先级使用信道。 在一个节点完成数据传输后，其它含有候传信息的节点，在一个称为优先权调节 的间隔时间内，一一显示它们的优先级，如图2 7 所示。这种用来显示优先级的信 重庆人学硕士学位论文 号是使用一开一关的按键方式，其设计是让最高优先权的节点，即使在众多节点 纷纷显示不同的优先权时，也能够被轻易地选取。在有信息帧等候传送的节点， 若其所显示的优先权最高，便在一个所谓竞争窗口( c o n t e n t i o nr e s o l u t i o nw i n d o w ) 内选择一个时段，若在该时段之前没有更早的时段被其它节点所占据，就可以开 始传输。每个节点都在某段时间内以随机的方式选择时段，而该段时问也会随着 尝试使用信道的失败次数增加而变长。若某节点未在前一个竞争窗口开始传输， 则它的时段会延续到下一个竞争窗口，并不需再一次随机选择，这样的方式增加 了存取机制的公平性【2 3 】【3 l 】。 p r s op r s lc r s oc r s lc r s 2 p r s 0p r s 0 优先级 图2 7 竞争窗和优先级定义 f i g 2 7d e f i n i t i o no fc o m p e t i t i o nw i i l d o wa n dt h ep r i o r i t ) r 在一个欲传输数据的节点无法辨别另一节点所发送的同步帧头时，或是竞争 窗口中有多个节点同时选择最早时段的时候，就会发生数据的冲突。同步帧头的 设计已较健全，无法辨识同步帧头的情形极少发生，所以后面一种情况才是数据 发生冲突的主要原因。 我们可以用分割和重组的发式来增进公平性和可靠性，同时减少信号的延迟。 媒介访问控制层在没有最优先节点的情形下，也可以让多个信息分割同时传输， 并让延迟减到最低，如此一来就不会产生竞争的情形，对信道的存取权也可以在 每个节点之问不断地传递。 一般对竞争导向的存取机制有一个误解，就是在这个