（电力系统及其自动化专业论文）基于ofdm技术的电力线载波通信研究.pdf

硕士论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dt h ep r o s p e c to ft h ep 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 ns y s t e m b a s e do nt h ec u r r e n ts t u d i e s ，t h es i g n a lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c o ft h el o w v o l t a g ep o w e r l i n e ，u s e da sh i g hf r e q u e n c yc a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，i sa n a l y z e d i nt h i s t h e s i s ， i n c l u d i n gi n p u ti m p e d a n c e ， a t t e n u a t i o na n dn o i s ed i s t u r b a n c e n l e f u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo ft h eo f d mi se x p o u n d e d f a r t h e rm o r et h et h e s i sa r g u e sd e e p l y o nt h e p r o b l e m s i nt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n 。s u c h a s h i g h p a p ra n ds t r i c t s y n c h r o n i z a t i o n a n da l s og i v e st h ec u r r e n ta l g o r i t h m s t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r i n c i p l eo f s i m u l i n ks i m u l a t i o ns y s t e m ，a n dc o m b i n e so p e r a t i o ns y s t e md e v i c ed r i v e r s ot h es c h e m e o ft h eh a r d w a r ee m b e d d e ds i m u l a t i o nb a s e do ns i m u l i n ki s p u tf o r w a r d b a s e do nt h e s c h e m e ，t h ep a p e rd e s i g n st h eo f d m s i m u l i n km o d u l e ，a n ds i m u l a t e si t sm o d u l ea n d d e m o d u l ep r i n c i p l ea n dq a mt or e d u c ei t sp a p ra n dr e a l i z e sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n t w oc o m p u t e r s t h er e s u l tp r o v i d e st h a tp r o p e rc o d ec a nr e d u c ep a p ro fo f d m s y s t e m a n do f d m t e c h n i q u eh a sac a p a c i o u sp r o s p e c tu s e di nl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o np o w e r l i n e n e t w o r k k e y w o r d s ：o f d m p o w e r - l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n h a r d w a r ee m b e d d e d s i m u l a t i o np a p r i i 硕士论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 1 概论 电力线载波通信是利用电力线路作为信道的载波通信。电力线载波通信和其他通 信方式相比，具有自己独特的优势因而在电力系统中得到了广泛的应用。然而随着电 网的飞速发展，各种保护和远动信号增多，配电自动化对电力线通信性能要求提高， 传统的电力载波通信j 下渐渐失去市场。如何用新技术改造传统的电力载波通信，满足 配电网自动化的要求，以及充分利用遍布城乡的电网来提供信息服务，满足人们日益 增长的信息需求，已经越来越为人们所重视，在这其中，正交频分复用因其优越的性 能为人们所关注。 1 1 论文背景 自从2 0 世纪2 0 年代电力线载波通信( p o w e r l i n e c a r r i e r ，简称p l c ) 推出以来 p l c 已经成熟而有效地应用于电力系统，主要服务于用电力传输线传输继电保护、远 动信息、s c a d a 、语音通信和组织电力调度指挥所需的信息，主要使用在高压电力 线上进行载波通信。它具有通道可靠性高，抗破坏能力强，投资少，不需要架设专用 线路等特点，因此在很长的时间里，电力线载波在电力系统通信中占有主导地位【i j 。 在进入9 0 年代后，随着现代通信技术的快速发展，各种新的通信技术不断涌现， 使通信技术发生了质的飞跃，为各类高速、宽带信息的传递和交换开辟了更为广阔的 前景。而传统电力线载波通信由于其固有的一些缺点，受到巨大冲击，正在被新型通 信手段所取代伫1 。据国际大电网会议的3 5 研究委员会c i g r e s c 3 51 9 9 6 年统计报告， 在1 9 9 2 至1 9 9 6 年间，全球电力通信网中电力线载波所占比重下降了近5 而仅占7 ， 在国内，各网、省局也在加快电力通信网的建设，迅速完善微波，重点发展光纤，载 波通信正纷纷退位，只充当调度备用通道。同时，随着电力系统规模日渐扩大，在电 网中需要传送的运行控制信息，保护信息越来越多，传统的电力线载波通信己无能为 力。为满足现代电力系统发展的需求，发展更为先进的通信技术势在必行【l j 。 自9 0 年代中后期以来，中低压配电网电力线通信问题的研究成为各国电气工程、 网络工程等关注的热点研究方向。其研究主要有两个方面：其一为面向电力工业的研 究与应用，如配网自动化系鲥3 】；其二为面向信息与智能楼宇的研究与应用，如电力 线接入i n t e m e t 、自动抄表系统、楼宇小区保安系统等。 世界各国对低压配电网的载波通信的研究也进入了实验和实用阶段。1 9 9 3 年英 国s w e b 公司成功架设了一条远方测量载波通信电力线，采用中低压配电网双向数 字载波通信，将电度表、水表、天然气表连接起来，实现了地区范围内远方抄表、自 颤士论文基于o f d m 技术韵电力线载波通信研究 动收费、系统能源管理，在中低压电力线网络通信上迈出了可喜的一步。 随信息技术的飞速发展，以i n t e r n e t 为代表的互联网综合数据业务在全世界范围 内以惊人的速度在增加，随着业务量的急剧增长，互联网的发展面临三大问题：线路 如何更方便地接入到用户的家中，即“最后一公里”问题，如何进一步提高数据的传 输速率和如何降低投资费用。为此，电力公司和通信公司都希望将遍及千家万户的低 压配电网开发成为信息接入网，从而解决最后公里问题。因为这种方式具有经济， 方便，可靠等其它方式无可比拟的优点，用来传输语音、数据、图像，可以节省大量 人力物力，给用户提供经济、方便的通信媒体。 1 9 9 3 年3 月1 1 日，德国r w e 能源股份有限公司和瑞士阿斯克姆( a s c o m ) 公 司在德国莱锡林根公布该公司利用公用电网传输电话和数据的技术。这项技术，使用 户可以通过低压电网，以高于目前i s d n 技术2 0 倍的速度连接到互联网上，在有电 源捅座的地方都可以用有线电话或计算机上网。 到目前为止在最后一公里的解决方案中，已经有了很大的突破，进入实用阶段， 包括加拿大的p o w e r t r u n k ，美国的i n t e l l o n 和a m b i e n tt e c h n o l o g i e s 。而且有i n t e l 、 c o m p a 、a d a p t i v e 、n e t w o r k s 、i n t e l l o n 等1 3 家全球知名企业组成的“家庭插座联盟” ( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) 提出了“家庭网络计划”，他们的目标是有电力线插 座的地方就可以接入i n t e m e t ，并制定了基于以太网分组技术的电力线载波通信规范 - - h o m e p u g1 0 ，并发布了基于o f d m 原理的核心芯片，例如：i n t 5 1 3 0 c s 、i n t 5 1 x 1 和r d 5 1 x 1 系列产品。 在国内，推行城市配电网改造和农村电网改造，提高供电能力和供电可靠性。其 中供电可靠性的提高除加装改造一次设备使供电设备有多端供电能力外，提高供电设 备的运行可靠性及故障处理的及时性有重要地位，配电自动化设备和自动化系统是保 证供电可靠性、减少停电时间、对电网科学有效管理的基础。在配网自动化系统中信 息量大，要求传输速率高，但是配电网有其自身的特点，它的首要功能是配电，所以 传统的载波通信难以满足其要求。同时随着人们生活水平的提高，人们对生活质量要 求更高，智能化小区、智能化家庭开始出现并成为今后的发展趋势，智能化小区、智 能化家庭同样存在信息通道的组织问题。在这种情况下，低压电力线载波通信技术受 到人们的重视，对于低压电力线载波的研究也越来越多，但是由于低压电力线固有的 通信缺点，要实现高质量的电力网络通信还有相当大的困难。如何有效的利用低压电 力线传输通道，开展基于低压电力传输线的信息服务功能，已成为电力行业和通信行 业研究的重点。 竺竺苎一 一 一 一量三竺! 堡翌茎苎塑皇垄垡壁垫望堕! 窒 1 2 电力线载波通信的特点及存在的问题 1 21 电力线载波通信的特点 电力线载波通信以电力线为载体，和其他通信方式相比它有许多优点，比如：具 有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继通信距离长等一系列 优点。遍布城乡的电线架到哪里，通信线路就可以延伸到哪里。由于输电线路机械强 度高，不易受外力破坏，这些优点是其他通信方式所不及的。目前，1 1 0 k v 及以上的 电力载波线路，已超过6 7 万话路，此外，还有大量的电力载波机在1 1 0 k v 以下农电 网上运行。电力载波通信网担负着电网内调度电话、继电保护和远动信息的主要传输 任务，其它通信方式在定时期内不可能代替电力线载波通信【i 【”。 在高压电网中，世界仍公认电力线载波通信的价值。据国外介绍，在载波机发送 功率达2 5 0 w 时可传输约1 0 0 k m ，而其他通信方式都需要接力或中继，输电线路的机 械强度也不是其他通信方式可以比拟的。而在配电网中应用也很广泛比如：配电网自 动化、互联网接入、远程自动抄表、智能化小区智能化家庭方面。在配电网中电力线 载波通信因其可以完全为电力公司所控制便于管理，可以连接电力公司所关心的任何 测控点，同时可靠性好、易扩展性、连通千家万户而被看好。在各种低压电力线载波 技术中，正交频分复用技术抗干扰性强、均衡简单等特点倍受重视。本文主要讨论正 交频分复用技术原理及其在低压电力线载波通信中的应用。 1 22 低压电力线载波通信面临的问题 相对于高压输电网而言，以低压配电网作为通信媒介则存在很多困难，这也是阻 碍低压电力线载波通信发展的障碍。低压电力线对传输信号的不利影响主要有以下几 点： 首先它与低压电力网的结构和接入的负载有关，它的结构复杂且节点繁多，特性 阻抗随着结构的变化和负载的投切动态的改变。其次，与载波频率有关，一般为2 1 0q ，且随频率和位置变化，有时可以从0 1 0q 变到1 0 0q ，变化范围超过1 0 0 0 倍。 实际上产生信号衰减的主要原因并不是电力线本身的阻抗，而是电力线上接入的各种 负载或电器对信号产生衰减和干扰。一般信号衰减随着频率的上升而增大，但并不是 单调的，衰减都不低于4 0 - - - 6 0 d b ，有时会到达8 0 d b ，甚至更高。最后，与电力线上 的各种噪声干扰有关，电力线上的噪声源来自各种电器、机电产品和电力线自身。电 力线的噪声并不是加性白高斯噪声，它的特性在极短的时间周期内都可能发生变化。 产生的噪声包括：与5 0 h z 相关的谐波噪声；使用电力电子器件产生的周期性冲击噪 硕七论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 声：开合电器设备或电源产生的噪声，使用电剧的电动机在火花间隙内产生的宽带噪 声，部分没有接入电网的设备产生的噪声也通过射频耦合进入电力线。 综上所述，低压电力线路上阻抗特性、信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且 随机性、时变性大。如何克服这些问题是低压电力线载波通信技术的关键所在。 1 2 3 不同调制方式的比较 低压配电网干扰严重，通信环境恶劣，为排除这些干扰，可靠地传输数据，人们 采用了多种调制方式，包括振幅键控( a s k ) 、移频键控( f s k ) 、移相键控( p s k ) 、 q a m 调制、无载波调幅调相( c a p ) 、d m t 调制及扩展频谱技术等，前面几种技术 属于窄带通信技术。 窄带通信方式易于实现，但抗干扰能力弱，配电网各频带的衰减随着负荷的动态 投切而随机变化，会出现衰减很大的频带，这使得想要选出一段完美的电力线通信频 带很难，通常依靠选择载波频率在衰减小的频带里或者均衡技术来克服信道的变化。 但这使得均衡技术非常复杂以至于成本难以接受。同时尽管其接收机具有较窄的通 带，使仅有一部分噪声进入接收机，但由于接收装置中的滤波器具有高品质因数，瞬 间的脉冲噪声会使其发生白干扰，而低品质的滤波器又会使通带带宽加大，令更多噪 声进入接收器。所以窄带通信的抗脉冲噪声性较差【4 j 。 扩频技术速率较高、抗干扰性能优异。因为扩频载波信号的带宽通常较大( 几十 至几百k h z ) ，所以其受干扰的频率范围所占比例相对减小，换句话讲，就是各种噪 声仅能影响到一小部分所要传输的信号，而大多数的信号都能够完整、正确的到达目 的地，所以对于各种类型的干扰都具有较强的抵抗性。但占用频带宽、均衡实现复杂 频带利用率很低，且其最高速率为1 m b p s 。这在频带资源日趋珍贵的今天，更显得提 高频谱利用率的重要性【5 】【“。 正交频分复用技术在这些方面有很大的优势，主要是以下几点：克服码间串扰、 均衡简单和频带利用率高等。当信道延时与传输的数字码元周期处于同一数量级时， 码间干扰( i s i ) 就变得严重起来，延长数字码元周期可以有效地防止码间干扰。o f d m 正是利用该原理来消除i s i 的。o f d m 信号将码元周期延长了n 倍( n 是子载波数目) ， 远大于一般典型的多径反射的时延，因而对于多径效应有优良的性能。在电力线信道 中，由于多径效应的存在，将会有多个信号经过不同路径并有不同的时延到达接收机， 因而造成i s i ，o f d m 解决了电力线高速通信时产生的多径时延扩展引起的i s i 。o f d m 将有效的频谱划分为一些窄带子载波，这些子载波之间相互正交，并且在每个子载波 内可以认为是“平坦衰减”的，所以子载波信道均衡可以采用窄带均衡技术，从而使 硪圭论文基于o f d m 技术酌电a 拽载被通信研艽 信道均衡变得简单。各个载波上的信号功率谱形式都是相同的，都为s i nr ，f 型的抽 样凿数，宅对应对域上的方波，频域土相互交叠，当o f d m 所有子载波信号叠船到 一起时，其信号频谱达到s h a n n o n 定理的极限信。与其他单载波系统相比，在实际应 用中，由于难以制作适当的n y q u i s t 滤波器，单载波系统的带宽利用率很少超过8 0 ， 而o f d m 可以实现接近1 0 0 的频谱效率。o f d m 的这一特性也可以从时域米证明。 由于o f d m 子载波之问独立不相关，按指数规律相加，其时域的台成信号非常接近 于白噪声【“。由此看出o f d m 技术可以解决电力线载波通信中，干扰大和多径衰落 严薰的问趣，具有广阔的应用前景。 1 3 载波通信在配电网中的应用 1 31 配网自动化对通信系统的要求 配网自动化系统要和很多的远方终端通信，而且网络接点多，结构复杂，负荷多 样，需要传输的信息量大，这些都对通信系统提出很高的要求】1 7 o 通信的可靠性要求。配电自动化的通信系统通常安装在户外。这要求通信能长期 经受不利的气候条件，长时间暴露在强烈的阳光下会导致“+ 些材料的老化。因此，配 电自动化通信系统必须能够通过常规维护，就可以在恶劣状况下工作的系统。配电自 动化的通信系统将在较强的电磁干扰下工作，这会对通信的可靠性产生很大的影晌。 电磁干扰有可能以射频的形式出现，如产生于间隙放电、电晕等的电磁干扰，也会班 工数的形式出现，如产生于变压器、谐波干扰等的电磁干扰。霄电和故障以及涌流还 会造成瞬时的极强烈的电磁干扰。对电磁干扰的容忍程度取决于要实现的自动化功 能。例如：对于远方抄袭系统，在电磁干扰强烈的时候无法建立通信不会对该功能产 生影响，可以选择干扰过后的某个时刻完成远方抄表任务。但是，要完成隔离故障区 段以及恢复正常区域供电的功能，就必须使通信系统在电力系统故障期间也能可靠工 作，也能抵抗强烈的瞬间干扰。困此，能够跨过故障区和停电区域保持通信，是对通 信系统可靠性的又一要求。 通信速率的要求。任何通信系统的带宽都是有限制的，带宽越窄速率越低。般 3 0 0 b i t s l s 或更低的透信速率就能满足配窀自动化的大帮分功能要求，对于诸如负赞控 制这样的功能，甚至低于1 0 b i t s s 的通信速率都能满足要袋。从功能要求的角度，在 配电自动化系统中进线监视、1 0 k v 开闭所、配电变电站监控和馈线自动化( f a ) 对 于通信速率的要求是高，其次是公用配变的巡检和负荷监控系统，远方抄袭和讲费自 动化对于通信速率的要求较低。从配电自动化系统结构的分析，集结了大量数据的主 千线对通信速率的要求，要远高于分支线对通信速率的要求。如果能作为宽带信息接 琐士诧空 基于o f d m 技求的电力线载波通信研究 入媒介，为广大电力用户提供信息服务，如i n t e r n e t ，则能够更充分的利用电力线资 源，这时要求的速率甚至达到儿t v l b i t s s 。 配电自动化的大多数功能要求双向通信负荷控制却仅需单向通信就可以满足要 求，控制中心是需向被控制的负荷发送投切命令即可。较先进的负荷设备工作情况捡 测就必须取向通信。对于故障区段隔离和恢复正常区域供电的功能，则必颁要求有双 向通信能力的信道。在这种情况下，远方终端单元( r t u ) 必须能向控制中心上报故 障信怠阻便确定故障区段，控制中心必须能够向远方设备发布控制命令，以隔离故障 区段和恢复正常区域供电。 132 配电网载波通信 自从2 0 世纪2 0 年代电力线载波通信( p o w e rl i n gc a r r i e r ，简称为p l c ) 推出以 来p i ，c 已经成熟而有效地应用到电力系统，主要用在输电线，传输继电保护、 s c a n d a 、和语音通信所需妁信息。载波通信方式可以沿着电力线传输到电力系统的 各个环节，而不必考虑架设专用线路，并且p l c 不必经过无线电管理委员会( f e e ) 的许可。 依电力线载波通信所采用的通信线的_ i 同，p l c 分为输电线载波通信、配电线载 波通信和低压配电线载波通信三类。按传输方式的不同，电力线载波通信可分为一线 对地传输方式、两线对地传输方式、相问结合传输方式和回线间结台传输方式。载波 频率一般为5 - - 4 0 k h z ：对于低压配电线载波通信，载波频率一般为5 0 1 5 0 k h z 。对 待传输信息的调制可采用幅度调制( a m ) 、荜边带调制( s s b ) 、频率调制( f m ) 或 移颁键控l f s k ) 、扩展频谱方式，这些都是目前己经使用的漏制方式，都存帽应的 产品。 配电线载波通信的设备主要是主变电站安装的多路载波机( 称主站设备) ，在线 路各测控对象处安放的配电线载波机( 称从站设备) 和高频通道。 配电线载波通信系统由配电自动化调度中心，区域工作站，配电线多路载波机， 配电线载波机，抄表交换机和多路低压配电线载波机组成。对于低压用户的抄表信息， 可来用低压配电线载波方式将各用户的信息传至公共配电变压器处的抄表交换机，弭 通过配电线载波方式传至区域： 作站。l o k v 馈线的分段开关处安放馈线r t u ( f t u ) ， 采用配电线载波枫，经耦舍滤波器耦合至馈线，通过馈线与相应的区域工作站桐联系， 这样就可把分散的f r u 上撮的信息转发给配电自动化中心。在主变电站安装多路配 电线载波机，与区域工作站相连，区域工作站祷收集的该主变的信息，通过高速数据 通道将收集到的信息转发给配电自动化日1 心。为了避免线路开关分断时切断载波通 硕士论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 道，可采取两线对地耦合方式，通过四台耦合电容器将载波信号分别耦合至开关两侧 的两相线路上【”。 1 4 电力线o f d m 载波技术的发展现状 由于传统的窄带通信不太适宜在低压电力网上应用，利用扩频技术占用频带宽利 用率低，所以我们将o f d m 技术引入低压电力线载波通信，为低压电力线载波提供 了一条可行的途径 6 1e 7 】1 8 1 1 9 1 。 由i n t e l 、c o m p a q 、a d a p t i v e 、n e t w o r k s 、i n t e l l o n 等1 3 家全球知名企业组成的“家 庭插座联盟”( h o m e p l u g p o w e r l i n e a l l i a n c e ) 提出了“家庭网络”计划，并制定了基 于以太网分组技术的电力线载波通信规范，旨在推动以电力线为传输媒介的网络互 联。目前，欧、美的许多公司及科研机构正致力于这方面的研究，包括加拿大的 p o w e r t r u n k ，美国的i n t e l l o n 和a m b i e n tt e c h n o l o g i e s 。其中，i n t e l l o n 公司提出的改 进的o f d m 技术( i e o f d m ) 已被家庭插座联盟采纳，成为制定电力线载波通信规范的 依据。目前，i n t e l l o n 公司作为电力线家庭网络的改革者，在f c c 的倡导下，制定了 h o m e p l u g1 0 标准。并发布了基于o f d m 原理的核心芯片，i n t 5 1 3 0 c s 、i n t 5 1 x l 和r d 5 i x i 系列产品，前两者传输速率达到1 4 m b p s ，后者已经在低压电力线上实现了 1 1 m b p s 的高速率数据传输，其误码率小于1 0 。现在己经有了基于以上芯片的电力 调制解调器，这使得构建基于电力线载波的网络以及智能化小区，智能化家电成为可 能。而且国外已经解决了载波通信过变压器技术，因此在低压配电网中应用成为可能。 国际上将电力线通信分为室内( i n p r i m e r ) ，低压配电线( 户外接入) ，中压和高压四个 部分，现在前两部分的研究已经比较成熟。 但是目前国内情况来看差距还很大，大部分工作只是在利用利用i n t e l l o n 的芯片 生产产品。北京一个居民小区已经实现了利用基于o f d m 原理的调制解调器建立 i n t e r a c t 接入，实现电力线上网。无论是从基于理论的仿真，还是从实际应用模型的 建立国内都处于刚刚起步阶段。o f d m 原理早在上世纪6 0 年代就提出了，经过数字 信号处理技术和大规模集成电路的发展，o f d m 原理本身更加成熟，在移动通信， 地面广播系统中相对成熟，但是用在电力线载波通信上也是最近几年才提出的。对 o f d m 与电力线载波通信的结合研究都处在完全借鉴的状态，对低压电力线的高频 传输特性的分析也还没有一个自己的完整全面的结果，对o f d m 技术上的关键问题 的解决还没有确切的方案。总之，就国内情况来说还有很多工作要做。 随着软、硬件技术的不断发展，正交频分复用技术的应用范围必将越来越广泛， 从配电网调度自动化、远程自动抄表、电力线局域网、楼宇自动化系统到家庭智能化 及互联网的接入。人们只要找个电源插座一插，就可以在网上冲浪，在外面可以随时 7 硕士论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 随地遥控家中的电器设备，三表自动抄收也变得可行，电力线载波通信将会有广阔的 市场，本文将对o f d m 原理及其关键技术作些研究和仿真，希望能早日应用的电力 系统中来，为配电网自动化、i n t e r n e t 接入、智能化小区和智能化家电在我国的推广 和应用作些工作。这里主要研究o f d m 技术在低压配电网中的应用。 1 5 论文工作的展开 本文将从调制原理( o f d m ) 技术及其在工程应用中存在的关键问题，信道定性 分析，实验平台设计，及o f d m 通信样机研究几个方面展开。具体如下。 在定性分析低压信道高频特性的基础上给出一个定性的简化信道模型。 讨论o f d m 技术原理，利用数字信号处理技术的实现方法。研究该技术在工程 应用中存在的高p a p r 值，需严格同步问题。t c m 编码调制方法作为一种纠错编码 可以有效地降低误码率，同时论文首次提出了用改进的t c m 编码调制方法同时可以 降低p a p r 值，证明并仿真了这一观点。 研究s i m u l i n k 仿真原理，s 函数运行原理，结合操作系统硬件驱动程序原理，设 计基于s i m u l i n k 的硬件嵌入式实验平台。 建立基于o f d m 技术的配电网通信系统模型，模型用m 文件表达，仿真比较了 改进的t c m 编码技术对降低误码率和p a p r 值的效果。 在s i m u l i n k 平台上建立o f d m 仿真模型，进行o f d m 基带仿真。在硬件嵌入式 实验平台基础上建立一个o f d m 模型样机，实现双机通信。 改进的t c m 编码调制方法可以有效地改善o f d m 系统的性能，模型样机的成功 通信为该技术在配电网通信中的应用迈出了从理论到实践的关键一步。 硕| 一论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 2 低压电力线传输特性分析 在研究任何通信技术之前，必须对所用的通信信道在给定频带上的特性进行分析 研究，根据所用信道的特性选择通信采用的技术参数，对于所用通信信道的阻抗、信 号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。由于从六七十年代以来，利用1 0 k 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应用，对高压电力线高 频传输通道的研究已经非常深入和成熟。但在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线上进行高频信号 传输，与高压输电线载波通信有很大区别，突出表现在网络结构和负荷复杂、工作环 境恶劣、信号衰减大，干扰大等方面。因此高压输电线的通道模型和结果不能直接用 在低压配电网中，下面我们来对低压电力线的传输特性进行简单分析。低压电力线一 般指从用户配电变压器低压侧到用户端的一段2 2 0 v 3 8 0 v 的电力线路上，在这段低压 线路上，由于大量的用户负载接入其中，这些负载不仅类型不同( 感性，容性负载) ， 而且具有很大的时变性和投切随机性，这不但增加了低压电力线上的干扰，而且使网 络结构复杂化，并且低压配网中不加设阻波器，构成开放式网络，所以信号在传输过 程中，由于各节点阻抗不匹配产生反射，形成多径信道，产生多径衰减1 1 “。下面 我们在分析低压电力线载波信道高频特性的基础上，综合各个分析结果定性给出低压 电力线高频通道传输模型。 讨论低压电力线输入阻抗变化、多径衰减和低压电力线干扰，由这些因素的影响， 实际上很难找到一个较为准确的解析式或者数学模型对低压电力线进行描述，更多的 情况下我们多以定性分析和实验数据分析为主。 2 1 低压电力线输入阻抗及其变化 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 机的耦合效率，增加网络的输入功率有重大意义。理论和实验表明低压电力线上的输 入阻抗和传输信号的频率密切相关，而且和低压电力线上所连接的负载有关系。j l “j 。 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，输入阻抗还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，所以实际情况很复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。 图2 ，1 为通信信道输入阻抗测量电路。信号源产生适当幅值和频率的正弦测试信 号，该信号通过单位变比的隔离变压器耦合进配电网，通过测量恒定电阻上的电压 v l ( 与流过的电流相对应1 和插座上的电压v 2 ，即可求得输入阻抗z u “。 硕j 论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 信号源 z 划豺 市 电 网 络 图2 1 输入阻抗测量电路 ( 2 1 ) 利用该测量电路对市电网络插座进行大量测量，以一定的频率间隔测量频率范围 1 m h z 一3 0 m h z 内的输入阻抗，利用最小二乘法对所测数据拟合得到输入阻抗与频率 的关系，通过定性分析还可以得出与传输距离的关系。 z = ( 厂) ( 2 2 ) 馕频率参数，正( ，) 代表一个以频率为变量的函数 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 q 变到大于1 0 0 q ， 变化范围超过了i 0 0 0 倍。而且，在实验所测的频率范围内，输入阻抗随频率变化并 不符合一般想象下的随频率增大而成小的变化规律，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看到许多阻抗低谷。这些低阻抗区组合起来，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嶂】 1 2 o 由于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同，负载分布不同其等效 电路有很大差异。在由许多电阻、电容和电感的网络中，从不同的点上看上去，输入 阻抗显然是不同的。 由于低压配电网负荷投切极其情况复杂，输入阻抗变化剧烈，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，因而在设计载波通信信号发送 装置的功率放大和耦合电路时，应充分考虑具体的网络情况，最好具有自适应增益调 整功能，以消除输入阻抗变化所带来的影响。 碗j 一论文 基于o f d m 技术的屯力线载波通信研究 2 2 低压电力网的信号衰减特性 低压配电网信道进行通信必须考虑的另一个问题就是信号的多径衰减问题，首先 分析一径信道下信号的复衰减( 包括幅值衰减和相位偏移) 问题，然后给出多径情况 下信道的衰减特性。通信过程中的信号复衰减由两部分组成：信号发送装置与信道间 的耦合特性以及信号在信道中的复衰减特性。其中耦合特性与信道的输入阻抗特性有 关，在设计信号发送装置时必须考虑。这种衰减与通信距离、信号频率有关1 2 】1 1 5 1 8 1 。 考察一径信道下对发送信号的影响，发送信号一般可以表示为： s ( t ) = r e s ( t ) e f 矾( 2 3 ) s ( ，) 为原始发送数据，可以代表连续信号或者离散信号。该信道存在传播延时和衰减 因子。传播延时和衰减因子两者都随网络结构、负荷的动态投切而随时间变化。于是 接收信号 尺( r ) = a ( t ，正) s o r ( t ，正) ) ( 2 4 ) a ( t ，工) 是传播路径接收信号的衰减因子，r ( f ，工) 为传播路径的传播延时，两者都是 随机过程，且和信号的载波频率有关，至于a ( t ，正) 和r ( r ，正) 的具体解析式，由于低 压配电网情况复杂，在不同的运行条件下会有不同的结果，可以通过实验测量在拟合 的方法得出。 由于配电网中对负荷的输入阻抗没有要求，负载的阻抗不匹配，产生信号反射， 同一发送信号经过不同的传输路径到达接收端，接收到的信号相位差别很大，造成多 径衰落，后面会分析多径衰落。由式( 2 4 ) 得出多径传播条件下接收信号 月( f ) = a 。( f ，l ) s ( t f 。( r ，正) ) ( 2 5 ) a 。( f ，正) 是第 条传播路径接收信号的衰减因子，t n ( r ，正) 是第n 条传播路径的传播延时。 将上式代入( 2 3 ) 得 r ( f ) = r e 【a 。( f ，正) p 一2 叽“幌s ( t r 。( f ，正) ) p 。2 矾) ( 2 6 ) 由上式可以看出，等效低通信号为 r j = 口。( r ，正p - j 2 办枞s ( 卜f 。( f ，正) ) ( 2 - 7 ) 是等效低通信道对信号s ( t ) 的响应，因此该信道的冲激响应为 r ) = ( f ，正) e 叩帆m 6 ( t o ( f ，正) ) ( 2 8 ) 硕卜埝文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 式( 2 8 ) 是含有离散多径分量的信道，经分析认为虽然低压配电网结构和运行 条件复杂，但是考虑在信号经过多次反射后在低压电力线上的衰减会很大，所以暂且 假设为离散多径信道，其合理性还需验证。 下面研究多径信道的衰减问题，假设原始发送信号s ( t ) = 1 。由式( 2 ? ) 给出的 离散多径情况下的接收信号简化为 震，= 口。( f ) e 川矾枷= 8 ，( f ) p 碱7 ( 2 ，9 ) 式中，b ( f ) = 2 矾f 。( f ) 。因此接收信号由若干具有幅度口。( r ) 和相位六( r ) 的时变向量 之和组成。在低压配电网中运行环境恶劣，将使口。( r ) 变化很大，从而引起接收信号 大的变化。另一方面f 。( f ) 也将随着运行情况的改变而改变，即与不同信号路径相关 联的延时r 。( r ) 以不同的速率和不可预测的方式变化，所以当存在大量路径时，式 ( 2 9 ) 将体现出多径传播信道对发送信号的衰减。衰落现象主要是相位以( r ) 时变的 结果，也就是说，和向量a 。( f ) e 。8 关联的随机时变相位或( f ) 时常引起该向量的破坏 性相加，甚至使接收信号很小。 2 3 低压电力线传输干扰特性分析 低压电力线上的噪声来自各种负载( 机电产品、电器) 、电力线自身和外界干扰 如无线电通信、雷电等。电力线的噪声并不是加性白高斯噪声，它的特性在极短的时 间内都可能发生变化。此外i n t e l l o n 公司的研究发现建筑物内电源线的节点具有半 导体效应，在工频半周期内产生非线性感应噪声。部分没有接入电网的设备产生的噪 声也通过射频耦合进入电力线。p l t 信道的加性噪声可分为5 类：有色背景噪声、窄 带噪声、与主频率同步的周期性脉冲噪声、与主频率异步的周期性脉冲噪声、异步脉 冲噪声i ”。 类型1 ：有色背景噪声( c o l o r e db a c k g r o u n dn o i s e ) 。它是电力线上各种噪声源 产生的组合干扰、是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱幅度随频率增加而减 小。 类型2 ：窄带噪声( n a r r o wb a n dn i o s e ) 它是一种频带很窄的噪声，主要是短波 广播在频域上的窜扰其干扰强度在一天里变化不定，一般情况下，由于大气层的反 射，夜间干扰比较严重、而白天的干扰却较小。 类型3 ：与5 0 h z 频率异步的周期脉冲噪声( p e r i o d i c i m p u l s i v e n o i s e a s y n c h r o n o u st ot h em e a n sf r e q u e n c y ) 这类噪声通常由大功率电器设备开 关的开闭产生，功率谱是离散的谱线，重复频率在5 0 - - 2 0 0 k h z 范围内。 硕士论文基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 类型4 ：与5 0 h z 频率同步的周期脉冲噪声( p e r i o d i ci m p u l s i v en o i s e ， s y n c h r o n o u st ot h em e a n sf r e q u e n c y ) ，这类噪声主要是电力设备按5 0 h z 频率工作 产生的脉冲，重复频率为5 0 h z 或者l o o h z ，持续时间很短、功率谱幅度随频率增加 而减小。 类型5 ：异步脉冲噪声( a s y n c h r o n o u si m p u l s i v en o i s e ) 这类噪声主要是保护开 关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也可归为这类噪声，由于这类噪声的持续时间小到 us 级，大到m s 级，而且幅度达到d b 数量级，因此，被认为是电力线通信的最大障 碍1 1 0 l 。 背景噪声是从配电变压器一次侧进入配电网的噪声、配电用户各种电气设备产生 的噪声以及无线电干扰等的综合效果，它几乎覆盖整个通信频带。背景噪声在 1 m h z 一3 0 m h z 频带上呈下降趋势，并且在1 7 m h z 以后背景噪声电平很低，基本保持水 平状态，其特性为白噪声。它对通信的影响是可以预知的8 1 ，在仿真时将该类型噪 声作为加性带限白噪声( 一兀，兀) ，其自相关函数 r ( f ) ：厶兰! 业 ( 2 1 0 ) o j o t 式中，= 2 7 吮，f o 为1 m h z 一3 0 m h z 频带上一个确定的频率点。 与工频同步的周期性噪声，且其频率为工频5 0 h z 的整数倍。目前主要是电力电 子设备产生这种噪声，如开关电源、变频设备等。这些设备会在工频交流电压基波的 某个固定相位上释放出于扰。另外，许多大功率设备会在电网上产生很多的高次谐波， 而且能量较大，若信号频率正好与它们重叠，则产生很大干扰。干扰信号的频谱非常 不规则，存在许多突变，有些频率信号的强度很高，有些则很低。这种周期干扰主要 是由大量的高频干扰组合而成的。如果不采取措施，这种干扰可能引起几个到几十个 数据位的传输错误。该类型噪声以5 0 h z 的整数倍出现，其在i m h z 一3 0 m h z 频带上的 幅值可以通过大量测量后获得，在仿真时以5 0 h z 整数倍的独立正弦函数表示 ”q = a 。( t ) s i n ( 1 0 0 m t + ，) ( 2 - 1 1 ) l 取值应当在能够使得频率在1 m h z 一3 0 1 删z 之间的一些值。 非工频同步周期性连续干扰是和低压电网的频率无关的。这种干扰普遍存在于 低压电网上，而且会长时间出现。在家庭负载中，电视机是产生这种干扰的主要噪声 源，它能够产生在电视机水平扫描频率1 5 7 3 4 h z 上的谐波干扰。这种干扰还存在于其 它的频率点上，如2 5 ，3 0 ，4 9 ，5 5 ，7 5 和8 2 k t z ，功率范围在6 0 d b 到一9 0 d b 之间， 这可能主要是由于开关电源设备引起的，。 硕士论文 基于o f d m 技术的电力线载波通信研究 电力线上还存在许多随机发生的脉冲干扰。这种干扰通常是由于高压开关的操 作、雷电、大的负荷变化、电力线上的短路故障引起，往往是能量很大的脉冲干扰或 脉冲干扰群，持续时间较短，能量集中，频谱很宽。高压开关的断开和闭台在电力线 路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲。雷电会在电力线路上产生能量很大的 电流和电压脉冲，通过一、二次系统间的各种耦合设备或接地网进入二次回路。低压 线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启、停过程都会引起电压，电流 的突变和谐波分量的增加。由于开关电源的操作会引起传输线上的突发性干扰。这种 干扰一般出现时间很短，所以它只在脉冲产生时刻影响某个相应的频率点，该种类型 的干扰的在频谱图上往往表现为尖形曲线【l 3 1 。 上述这些干扰的持续时间很短，从几十微妙到几秒不等，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。在个完善的低压电力线载波通信系统中，可以通过前向纠错编码、自动重 发机制、数据预取机制等措施予以克服。 事实表明，9 8 以上的突发性干扰仅仅会影响单个的频率点，而且持续时间不会 超过1 2 5 m s i 博】。大量的脉冲干扰和人类的活动有很大的关系。在工厂区，白天和夜 晚脉冲干扰发生的次数是平均分布的。而在住宅区，白天发生的脉冲干扰较多，特别 是在7 ：0 0 - 9 ：0 0 和1 9 ：0 0 一o ：0 0 ，脉冲干扰几乎2 s 发生一次，最多的时候达到i s 发 生5 次【1 默。 噪声特性是研究低压配电网特性的大障碍，在各种不同的负荷状况下，如冶炼 工厂、大型动力车间、居民楼和办公楼区别很大，目前还没有一个确定的表达式，即 使是大量测量数据统计拟合或者各种评估方法得出的结论，也会随着运行环境的改变 而改变，再者本文主要研究o f d m 在1