（控制理论与控制工程专业论文）采用直接序列扩频通信技术的电力线载波集中抄表系统.pdf

d e s i g n o f a p o w e r r e a d i n g s y s t e m b a s e d o n d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y a b s t r a c t : b a s e d o n t h e r e q u i r e m e n t s o f p o w e r r e a d i n g s y s t e m s m o d e r n i z a t i o n , a p o w e r c o n s u m p t i o n r e a d i n g s y s t e m i s d e s i g n e d b y u s i n g t h e p o w e r l i n e s a s t h e b o t t o m l e v e l c o m m u n i c a t i o n m e d i u m , w h i c h i s u s i n g d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t h e w a y o f c o m m u n i c a t i o n . f i r s t l y , o n e i m p o r t a n t p a r t o f t h i s s y s t e m - 一t h e p o w e r l i n e c a r r i e r m e t e r i s c o m p l e t e d a n d t h e d e s i g n o f t h e s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n u n i t i s i n t r o d u c e d . t h e n t h e m u l t i - c o m m u n i c a t i o n c o n c e n t r a t o r i s a l s o d e s i g n e d t o h a v e t h e f u n c t i o n s o f m o d e m c o m m u n i c a t i o n p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n a n d e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n . a f t e r t h a t , t h e m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m i s i n t r o d u c e d w h i c h u s e s t h e p o w e r b u i l d e r 8 . 0 d e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t . t h i s t h e s i s a l s o i n t r o d u c e s t h e m e t h o d s o f c o m m u n i c a t i o n o v e r p o w e r l i n e s t o o v e r c o m e t h e c o m m u n i c a t i o n d i f f i c u l t i e s b y a n a l y z i n g t h e p r i n c i p l e s o f t h e d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y . a t l a s t , a b e t t e r p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n m o d e m i s i n t r o d u c e d a n d t h e f u t u r e o f t h e p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n i s d i s c u s s e d . k e y w o r d s : s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d s p e c t r u m , m s e q u e n c e , p o w e r l i n e c a r r i e r , m e t e r , c o n c e n t r a t o r , e t h e n e t . 独创性声明 本人声明所呈交的学 位论文是本 人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其 他人已 经发 表或 撰写 过的 研究 成 果， 也不 包 含为获得 o a l 以y .或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料.与我一同工作过的同志所做的任何贡 献均已 在论文中作了明 确的说明并表示致谢。 学 位 论 文 w 6 tc 27 !a n 1签 字 日 期 :q -93 年 ” 刁 日 学 位论文版权使用授权书 本学位论文作者 完全了 解 遗肥工 业达崖 址 有关保留、使用学位论文的规 定， 有权保留 并向国 家有关部门 或机构递交论文的复印件和磁盘， 允许论文被 查阅 和借阅. 本 人 授权工次廷业左乞可以 将学位论文的全部 或部分内 容编 入有关数据库进行检索， 可以 采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学 位论文。 ( 保密的学位论 文在 解密后适用本 授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 :a 二是采用无线通信的方式、 三是采用己有的电力线进 行载波传送数据。 考虑到在发现、使用和推广电能的过程中建立了庞大的、遍布全 球的电 力线物理连接网 络。那么 将电力网和通信网合二为一， 则可以 节省大量的通 信信道建设投资，同时可以经济方便地实现家庭自 动化， 智能大厦、 智能小区等具有 多种用途的通信网。 南加州e d i s o n 公司早在1 9 9 2 年就对于可靠的低压电力线载波通信进行了有益的 尝试，日 本的东京电力公司也成功运行了电力线载波抄表系统，合肥本地由解放军 电子工程学院和合肥市供电局联合开发的居民小区自 动抄表系统也己成功运行。 并且 现在采用电力线传输数据在国内的采用也多起来了。 1 . 1电 力线载波通信系 统 1 . 1 . 1 电力线载波通信概述 . 从6 0 , 7 0 年代以来， 利用l o k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载 波电话己经得到广泛应用， 对于中高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入 和成熟。 而且单边带调幅电力线载波通信技术起着主导地位， 并取得成功的经验。电 力线载波系统的基本结构如图1 . 1 所示: g b 4 7 05 结 合设 备 gb7329 、吠扩袱尸 1、止 图1 . 1 表明了 与电力线载波系统有关的国家标准示意图 1 . 1 . 2电力线载波通信的特点 电力线载波是利用电力线作为传输媒介的载波通信，它不需要另外架设通信线 路。电 力线结构坚固， 作为通信媒介使用可靠性很高。 电力线和电力设备在运行和操作中存在电晕、 电弧和火花放电等现象， 使电力线 一一二鲤塑to w m m m la 塑 ,h , 丝 + #y 第一章电力线载波远程抄表网络系统的现状 随着国内供电管理现代化水平的要求，为了克服传统人工抄表存在的种种弊端， 研制和开发远程抄表网 络系统有着十分重要的意义。 对于该系统的网络的架设有三种 方法: 一是重新铺设专用线路; 二是采用无线通信的方式、 三是采用己有的电力线进 行载波传送数据。 考虑到在发现、使用和推广电能的过程中建立了庞大的、遍布全 球的电 力线物理连接网 络。那么 将电力网和通信网合二为一， 则可以 节省大量的通 信信道建设投资，同时可以经济方便地实现家庭自 动化， 智能大厦、 智能小区等具有 多种用途的通信网。 南加州e d i s o n 公司早在1 9 9 2 年就对于可靠的低压电力线载波通信进行了有益的 尝试，日 本的东京电力公司也成功运行了电力线载波抄表系统，合肥本地由解放军 电子工程学院和合肥市供电局联合开发的居民小区自 动抄表系统也己成功运行。 并且 现在采用电力线传输数据在国内的采用也多起来了。 1 . 1电 力线载波通信系 统 1 . 1 . 1 电力线载波通信概述 . 从6 0 , 7 0 年代以来， 利用l o k v 以上中高压电力线作为信号传输通道的电力线载 波电话己经得到广泛应用， 对于中高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入 和成熟。 而且单边带调幅电力线载波通信技术起着主导地位， 并取得成功的经验。电 力线载波系统的基本结构如图1 . 1 所示: g b 4 7 05 结 合设 备 gb7329 、吠扩袱尸 1、止 图1 . 1 表明了 与电力线载波系统有关的国家标准示意图 1 . 1 . 2电力线载波通信的特点 电力线载波是利用电力线作为传输媒介的载波通信，它不需要另外架设通信线 路。电 力线结构坚固， 作为通信媒介使用可靠性很高。 电力线和电力设备在运行和操作中存在电晕、 电弧和火花放电等现象， 使电力线 采 用直接序列 扩频通信技术的电力 线载波集中抄表系 统 载波通信的噪声很高。 通常为了保证传输信号的信噪比， 电力载波机的发射功率较大。 电力线路故障时， 载波通道的衰减可能会发生比较大的变化， 为了保证电力系统 通信不中断，电力线载波机应该具有较好的自 动电平调节特性。 由于电力线载波信号的传输通过电力线， 所以电力线载波通道的组织与电网的结 构密切相关。 以前电力线载波通信是电力部门特有的一种通信方式，适用于电力系统各发电 厂、 变电所和开关站为对象的电力系统调度电话、 远动，以及在被保护的电力线路两 端间传送保护信号的 远方保护系统。 随着通信技术的发展， 电力线载波正 在并且越来 越多的用于了民用市场。 在电 力线上开设的电力线载波通信信道间有较大的相互干扰。 可以合理得安排电 力线载波通道的频率和安装阻塞效果较好的阻波器或频率分隔装置解决。 电力线载波传输频率范围， 最低频率由结合设备的传输性能及其费用确定， 最高 频率由 传输衰减确定， 并要求考虑无线电信号干扰等因素。 我国规定为4 0 -5 0 0 k h z o 1 . 1 . 3 低压电 力线的分析 对于配电线路以 及 2 2 0 v / 3 8 0 v低压电力线上进行信号传输与上述的中高压载波 通信有较大的区别。 突出表现在工作环境恶劣、 线路阻抗大、 信号衰减强、 干扰大且 时变大等特点。 在这样的通信信道上实现常规的窄带通信是困难的， 但是可以采用扩 频通信技术克服很多不足。 那么我们首先对低压电力线的通信信道、 信号衰减和干扰 做一下分析。 1 . 1 . 2 . 1 低压电 力线上的信号衰减 电力线上的信号衰减是低压电力线载波通信遇到的又一个实际困难。 信号衰减主 要由如下原因引起:长通信距离;连接损耗;信号通过变压器等。 在长距离上的信号主要由负载所影响。 在大建筑和工厂里， 连接损耗占主要地位， 最高可以 衰减1 5 d b ，如果穿过变压器，那么衰减将更大。 由于低压电力线电力线是非均匀不平衡的传输线， 接在上面的负载阻抗也不匹 配， 所以 信号 还会遇到反射、 驻波等复杂现象。 这些复杂现象的组合， 使信号的衰减 随距离的变化关系变得复杂。 1 . 1 . 2 . 2 低压电 力线上的 干扰 电 力线网 络的宽带噪声根据图1 . 2 可分为5 类: 有色噪声: 主要由 无数低功率的噪声源的综合产生。 这种噪声有相当 低的随频率 变化的功率谱密度。 窄带噪声: 大多数是正弦信号。 这种噪声主要由 媒体中广播和短波广播的进入而 产生。 周期性的 异步脉冲噪声: 主 要由开关电源设备产生。 通常在5 0 k h z 到2 0 0 k h z 间。 周期性的同步脉冲噪声:这种噪声的频率通常是5 0 h z 的倍数。 异步脉冲噪声: 由电路中的开关瞬变产生，如日光灯、电机、开关等。特点是 采用直接序列扩频 通信技术的电力线载波集中 抄表系统 随机并且具有非常宽的频带。 发送端 s (1 信道 图1 . 2电力线网络的宽带噪声分类 从以 上的分析可以 看出: 电 力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂， 而且随 机性、 时变性大， 难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述， 这也是为什 么一直以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分 析为主的原因。 精确数学模型的缺乏， 那么对低压电力线载波通信设备的设计提出了 很高的要求， 即要求其有很好的自 适应能力。 同时， 出于实用的角度， 为了获得合理 的性价比， 又要求其成本要限制在一定的范围内。 这些对系统的设计而言是一个很大 的挑战。 但是， 尽管低压电 力线载波通信存在上述所说的这些困难， 我们仍然认为用低压 电力线作为 通信信道是可行并且是有前景的， 只是需要采用一些特殊的技术手段。 例 如对于r f 噪声， 可以 采用主动r f 滤波器。 为了克服信号衰减， 可以提高发射功率或 采用中 继等。 使用扩频通信技术， 能在很大程度上克服电 力线的强衰减、 强干扰的 缺 陷，大大提高通信系统的生存能力.我们在后文中会重点介绍这一技术。 1 . 1 . 4 低压电力线载波抄表应考虑的问题 低压电 力线载波抄表系统应该考虑如下的基本问题: 1 . 1 . 4 . 1 工作频段 本文遵循欧洲的b s e n 5 0 0 6 5 标准以 及我国自 己的行业标准 低压电 力用户集中 抄表系统技术条件 一 d l / t 6 9 8 - 1 9 9 9 . b s e n 5 0 0 6 5 - 1 对频段的 规定是: 3 k h z -9 k h z一 一 一 9 k h z -9 5 k h z 一 一 一 电力公司专用频段。 电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段。 9 5 k h z -1 4 8 . 5 k h z- 一 其它 用户使用的 频段. 低压电 力线作为一 种通信载体， 将在未来家庭网 络技术和自 动化方面发挥出 非常 重要的作用。 可以相信， 在不久的将来， 低压载波电力线将同无线电波一样变得十分 宝贵， 将受到严格的 管 理和控制。 抄表系统所使的载波频段应选择在1 5 0 k h z 以 下。 采用直接序列扩频通信 技术的电力 线载波集中抄表系统 1 . 1 . 4 . 2传输速率 对于抄表系统而言， 考虑到成本的因素， 不宜追求很高的传输速率， 在性价比 合 适的 前提下， 通常速率应在2 4 0 0 6 i t / s 以 下。 对实际使用来讲， 采用1 2 0 0 - 2 4 0 0 b i t / s 就可以很好完成抄表以及其它比较强的管理控制功能. 1 . 1 . 4 . 3 双向通信 抄表系统中， 低压载波通信是双向的。 首先是中继的需要， 低压电网数据通信会 受到电网噪声、 用电 负荷以 及其它很多因素的影响， 偶尔会出现集中器到采集器通信 的持续失败，这种情况就需要中继;其次是多费率和管理的需要，如校时、断电等。 此外系统的扩展也都需要通信是双向的。 1 . 1 . 4 . 4通信方式 目 前电力线载波通信中主要使用窄带通信方式和扩频通信方式。 窄带通信方式价 格低廉且较为容易实现，比如利用电力线m o d e m l m 1 8 9 3 和s t 7 5 3 6 可在电力线上实 现数字通信。 但这种方式具有许多缺点 ， 比 如它的抗干扰能力比较弱 ， 同时由于采用 f s k方式产生载频信号 ， 电 路各部分参数的确定几乎都和中心频率有关 ， 而代表正负 电 平的 载频相差很小， 因 此要保持中心频率的稳定必然带 来相应的 硬件开销。 一般说 来 ， 窄带通信适用于传输速率相对较低、 传输距离比 较短的点对点通信。 为了能够更 好地满足通信速率及可靠性方面的要求以 及适应多用户环境下的电 力线通信 我们使 用扩频通信技术。采用直序扩频技术以及相应的频率调制/ 解调技术实现电力线载波 通信。 并且采用先进的 模/ 数转换、数字滤波、 数据压缩、 相关判决、 检错编码等数 字处理技术。 1 . 1 . 4 . 5祸合装置 为了使电 力线兼用作载波通信的目的， 需要设置祸合装置， 包括祸合电 容器 ( 或 电 容分压器) 、线路阻波 器、 结合设备以 及高频电 缆等。 祸合装置使载波信号进入电 力线以 及从电 力线引出时损耗较小，使通信设备和电力线的工作电压、操作过电压、 雷电过电压隔开， 并使通道的线路阻抗不受电力线操作的影响。 在设计电力线载波抄 表系统时应该考虑到这些问题。 1 . 1 . 4 . 6祸合方式 载波设备与电 力线之间的祸合方式主要有相地祸合和相地祸合和相相祸合两种。 相地祸合是将载波设备接在一根相导线和地之间， 在每个祸合点只需要装一个祸合电 容器和一个阻波器， 使用设备较少. 由于相地祸合比 较经济， 在线路故障时不要求载 波通道具有很高的 可靠性的 一般情况下， 可以 采用这种方式。 相相祸合方式是将载波 设备接在两根相导线之间， 它的费用较高， 但它的 优点突出: 衰减低: 线路发生故障 时， 衰减变化小，可靠性高;发送的干扰和接收的干扰较小等。 由 于8 0 %的线路故 障是单相故障， 所以 这种祸合方式在实际中具有重要的 意义。 1 . 1 . 5 电 力线载波通信的难点 虽然电力线可以用来通信， 但是由于低压电力线是给用电设备传送电能的， 而不 采用直接序列扩频通信 技术的电力 线载波集中抄表系统 1 . 1 . 4 . 2传输速率 对于抄表系统而言， 考虑到成本的因素， 不宜追求很高的传输速率， 在性价比 合 适的 前提下， 通常速率应在2 4 0 0 6 i t / s 以 下。 对实际使用来讲， 采用1 2 0 0 - 2 4 0 0 b i t / s 就可以很好完成抄表以及其它比较强的管理控制功能. 1 . 1 . 4 . 3 双向通信 抄表系统中， 低压载波通信是双向的。 首先是中继的需要， 低压电网数据通信会 受到电网噪声、 用电 负荷以 及其它很多因素的影响， 偶尔会出现集中器到采集器通信 的持续失败，这种情况就需要中继;其次是多费率和管理的需要，如校时、断电等。 此外系统的扩展也都需要通信是双向的。 1 . 1 . 4 . 4通信方式 目 前电力线载波通信中主要使用窄带通信方式和扩频通信方式。 窄带通信方式价 格低廉且较为容易实现，比如利用电力线m o d e m l m 1 8 9 3 和s t 7 5 3 6 可在电力线上实 现数字通信。 但这种方式具有许多缺点 ， 比 如它的抗干扰能力比较弱 ， 同时由于采用 f s k方式产生载频信号 ， 电 路各部分参数的确定几乎都和中心频率有关 ， 而代表正负 电 平的 载频相差很小， 因 此要保持中心频率的稳定必然带 来相应的 硬件开销。 一般说 来 ， 窄带通信适用于传输速率相对较低、 传输距离比 较短的点对点通信。 为了能够更 好地满足通信速率及可靠性方面的要求以 及适应多用户环境下的电 力线通信 我们使 用扩频通信技术。采用直序扩频技术以及相应的频率调制/ 解调技术实现电力线载波 通信。 并且采用先进的 模/ 数转换、数字滤波、 数据压缩、 相关判决、 检错编码等数 字处理技术。 1 . 1 . 4 . 5祸合装置 为了使电 力线兼用作载波通信的目的， 需要设置祸合装置， 包括祸合电 容器 ( 或 电 容分压器) 、线路阻波 器、 结合设备以 及高频电 缆等。 祸合装置使载波信号进入电 力线以 及从电 力线引出时损耗较小，使通信设备和电力线的工作电压、操作过电压、 雷电过电压隔开， 并使通道的线路阻抗不受电力线操作的影响。 在设计电力线载波抄 表系统时应该考虑到这些问题。 1 . 1 . 4 . 6祸合方式 载波设备与电 力线之间的祸合方式主要有相地祸合和相地祸合和相相祸合两种。 相地祸合是将载波设备接在一根相导线和地之间， 在每个祸合点只需要装一个祸合电 容器和一个阻波器， 使用设备较少. 由于相地祸合比 较经济， 在线路故障时不要求载 波通道具有很高的 可靠性的 一般情况下， 可以 采用这种方式。 相相祸合方式是将载波 设备接在两根相导线之间， 它的费用较高， 但它的 优点突出: 衰减低: 线路发生故障 时， 衰减变化小，可靠性高;发送的干扰和接收的干扰较小等。 由 于8 0 %的线路故 障是单相故障， 所以 这种祸合方式在实际中具有重要的 意义。 1 . 1 . 5 电 力线载波通信的难点 虽然电力线可以用来通信， 但是由于低压电力线是给用电设备传送电能的， 而不 - 宜 遇 型 哩 塑 巡 些 巡 鱼 些 些 坐 壑 燮 竺 壑 迩 是用来传送数据的，所以 低压电力线通信具有以下的难点: 1 、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用造成电力线载波信号只能有效地在一 个配电变压器区域范围内传送; 2 、 三相电力线间有很大信号损失 ( 1 0 d b - 3 0 d b ) 。通信距离很近时，不同相间 可能会收到信号。一般电力线载波信号只能在单相电力线上传输; 3 、 电力线存在本身固有的脉冲干扰。目 前使用的交流电有5 0 h z 和6 0 h z ，则在 周期为2 0 m s 和1 6 . 7 m s 在每一交流周期中， 出现两次峰值， 两次峰值会带来两次脉冲 干扰，即电 力线上有固定的1 0 0 h z 脉冲干扰， 千扰时间约2 m s ，因此千扰必须加以处 理。 有一种利用波形过0 点的短时间内进行数据同步和传输的方法， 但是通信速率太 低并月 . 实际应用时与交流波形同步并不好控制， 而且数据帧又比较长， 所以难以应用; 4 、 电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 欧姆以 下， 造成对载波信号的高削减。 实际应用中， 当电力线空载时， 点对点载波信 号可传输到几公里。 但当电力线上负荷很重时， 只能传输几十米。 因此， 只有进一步 提高载波信号功率来满足数据传输的要求，提高载波信号功率会增加产品成本。 5 、 因此电力线上的高削减、 高噪声、 高变形， 使电力线成为一个不理想的通信 媒介， 但由于 现代通信技术例如扩频通信技术的发展， 使低压电力线载波的可靠通信 成为可能，同样也使得电力线载波抄表网络系统的高可靠工作成为可能。 1 . 2 国外电力线载波通信现状 用于传输和控制信息的电力线载波系统在美国和欧洲应用非常广泛， 并且在欧洲 己 经建立了 用于电 力线载波通信的e n 5 0 0 6 5 -1 标准，在美国， f c c 规定介于l 0 0 k h z 到4 5 0 k h z 带宽为3 5 0 k h z 的电力线通信频带， 而规定的频带宽度为3 0 k l l z , 1 5 k h z , 8 . 5 k h z 和8 6 k h z 。 电力线数字通通信技术成为智能小区、 智能家电、 集中抄表和照明 控制的核心技术， 国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究， 并开发出相对应 的器件和产品。如:i n t e l l o n , e c h e l o n , t h o m s o n , a t m e l , e n i k a , e i b 等等， 而国 内的 许多的企业也紧随国际 潮流利用电 力线传输信息。 并且在远程抄表系统方而己 逐 步形成一个热点。 那么国外在电力线载波通信技术方面发展较早， 多家国外公司陆续推出了自己的 电力线载波m o d e m 芯片， 并制定了电力线载波适用频率范围的标准。 很多公司都开发 了自己的电力线载波通信设备。国外开发的电力线载波m o d e m 芯片有: 1 , x r 2 2 1 0 / x r 2 2 0 6 套片或l m 1 8 9 3。 这是一组f s k 方式的调制解调芯 片，并不 是专们针对电力线载波通信而设计的，还可用于有线和无线通信。 2 , s t 7 5 3 6。 这是是s g s - t h o m s o n 公司专为电力线载波通信而设计的m o d e m 芯 片。 针对电 力线应用加入了 许多 特别的信号处理手段。目 前， 在国内电力线载波抄表 领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。 3 , s s c p 3 0 0 。这是i n t e l l o n 公司采用了 扩频 ( c h i r p 方式) 调制解调技术、 现 代d s p 技术、c s m a 技术以及标准的c e b u s 协议， 可以 称为智能m o d e m芯片，体现了 - 宜 遇 型 哩 塑 巡 些 巡 鱼 些 些 坐 壑 燮 竺 壑 迩 是用来传送数据的，所以 低压电力线通信具有以下的难点: 1 、配电变压器对电力载波信号有阻隔作用造成电力线载波信号只能有效地在一 个配电变压器区域范围内传送; 2 、 三相电力线间有很大信号损失 ( 1 0 d b - 3 0 d b ) 。通信距离很近时，不同相间 可能会收到信号。一般电力线载波信号只能在单相电力线上传输; 3 、 电力线存在本身固有的脉冲干扰。目 前使用的交流电有5 0 h z 和6 0 h z ，则在 周期为2 0 m s 和1 6 . 7 m s 在每一交流周期中， 出现两次峰值， 两次峰值会带来两次脉冲 干扰，即电 力线上有固定的1 0 0 h z 脉冲干扰， 千扰时间约2 m s ，因此千扰必须加以处 理。 有一种利用波形过0 点的短时间内进行数据同步和传输的方法， 但是通信速率太 低并月 . 实际应用时与交流波形同步并不好控制， 而且数据帧又比较长， 所以难以应用; 4 、 电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 欧姆以 下， 造成对载波信号的高削减。 实际应用中， 当电力线空载时， 点对点载波信 号可传输到几公里。 但当电力线上负荷很重时， 只能传输几十米。 因此， 只有进一步 提高载波信号功率来满足数据传输的要求，提高载波信号功率会增加产品成本。 5 、 因此电力线上的高削减、 高噪声、 高变形， 使电力线成为一个不理想的通信 媒介， 但由于 现代通信技术例如扩频通信技术的发展， 使低压电力线载波的可靠通信 成为可能，同样也使得电力线载波抄表网络系统的高可靠工作成为可能。 1 . 2 国外电力线载波通信现状 用于传输和控制信息的电力线载波系统在美国和欧洲应用非常广泛， 并且在欧洲 己 经建立了 用于电 力线载波通信的e n 5 0 0 6 5 -1 标准，在美国， f c c 规定介于l 0 0 k h z 到4 5 0 k h z 带宽为3 5 0 k h z 的电力线通信频带， 而规定的频带宽度为3 0 k l l z , 1 5 k h z , 8 . 5 k h z 和8 6 k h z 。 电力线数字通通信技术成为智能小区、 智能家电、 集中抄表和照明 控制的核心技术， 国外许多著名公司和研究单位都在对此进行研究， 并开发出相对应 的器件和产品。如:i n t e l l o n , e c h e l o n , t h o m s o n , a t m e l , e n i k a , e i b 等等， 而国 内的 许多的企业也紧随国际 潮流利用电 力线传输信息。 并且在远程抄表系统方而己 逐 步形成一个热点。 那么国外在电力线载波通信技术方面发展较早， 多家国外公司陆续推出了自己的 电力线载波m o d e m 芯片， 并制定了电力线载波适用频率范围的标准。 很多公司都开发 了自己的电力线载波通信设备。国外开发的电力线载波m o d e m 芯片有: 1 , x r 2 2 1 0 / x r 2 2 0 6 套片或l m 1 8 9 3。 这是一组f s k 方式的调制解调芯 片，并不 是专们针对电力线载波通信而设计的，还可用于有线和无线通信。 2 , s t 7 5 3 6。 这是是s g s - t h o m s o n 公司专为电力线载波通信而设计的m o d e m 芯 片。 针对电 力线应用加入了 许多 特别的信号处理手段。目 前， 在国内电力线载波抄表 领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。 3 , s s c p 3 0 0 。这是i n t e l l o n 公司采用了 扩频 ( c h i r p 方式) 调制解调技术、 现 代d s p 技术、c s m a 技术以及标准的c e b u s 协议， 可以 称为智能m o d e m芯片，体现了 采 用直接序列 扩频通信技术的电力 线载波集中抄表系统 m o d e m 芯片的发展趋势。 4 , p l t - 2 2 。 这是e c h e l o n 公司的电力载波收发器， 它是针对工业控制网而设计， 采用b p s k 调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在我国应用效果最理想。但 它是l o n w o r k s 网络专用，而且价格太高，难以 在民用市场领域大规模推广。 5 , s s c p 3 0 0 。 该 芯片为i n t e l l o n 公司的线性调频扩频芯片， 可以 完成扩频调制解 调的 功能， 而s s c p 1 1 1 则为 功率 放大芯片。 m i c r o - p r o c e s s o r / 微处理器， 如m s c - 5 1 系 列芯片， 通过串行或并行接口与s s c p 3 0 0 和计算机联接。 控制整个通信终端， 发送和接 收命令及数据， 并对数据进行校检解包。 我国的电网 特性、 电网结构、 居民住宅分布状况、 电力线载波通信的应用领域等 方面与国外有一些不同 之处。 电力线载波通信m o d e m 芯片的瓶颈作用越来越突出， 使 国内电力线载波通信市场难以迅速增长， 也延缓了用户对电力线载波通信技术的认同 和接受。 本文中使用的是针对中国电力网的环境所特别开发的通信芯片p l 2 0 0 0 a 1 . 3国内电力线载波抄表系统现状 作为通信技术的一个应用领域， 电力载波通信技术近几年才在我国真正出现。 由 于它的实用性和巨大的市场前景，迅速被各家公司争相采用。 它的优势在于: ( 1 ) 一户一表， 取消用电中间层， 降低居民 用电 价格， 消除用电 过程腐败现象。 计算机为基础的自 动抄表系统成为电力部门响应国家用电制度改革政策的解决方法。 ( 2 )自 动抄表系统目 前主要有有线通信技术和电 力载波通信技术。有线通信技 术作为传统方法， 以其稳定性占有优势。 但有线通信铺线工程浩大， 而且容易被人为 损坏; 同时居民楼己 建成， 再在墙壁表面拉线， 居民 难以 接受。电力载波通信技术能 有效解决上述问题， 它利用现有交流电 源线作为通信线路， 省去了大量、 繁重的铺线 工程，优势明显。 ( 3 )智能大厦、智能小区己成为市场热点，各公司纷纷加入这一新兴领域。智 能大厦、 智能小区是一个综合性的系统工程， 包含许多小系统。 各家各户、 每一房间 也存在铺设通信线路问 题， 例如消防报警系统、 防盗报警系统等， 把各报警点集中 起 来统一处理，采用电 力载波通信有其无法比拟的优越性。 ( 4 ) 在有些干扰大、 布线困难的工业自 动化控制系统， 采用电力载波通信方式 能达到事半功倍的效果。 电 力载波通信技术适用范围相当 广泛， 电力线在现代生活中 己 无处不在， 只要能满足通信要求， 而又不便布线的环境都可采用电力载波通信技术。 本论文通过分析扩频通信特别是直接序列扩频通信的原理及应用， 提出利用直接 序列扩频通信技术的方法，以克服电力线作为传输媒介的缺陷。 并且采用针对中国 电 力线环境开发的电 力线载波通信芯片开发出 抄表器， 集中器以 适应电 力线载波通信 的要求。 首先给出了 基本的电力线扩频通信单元的设计; 详细介绍了具有多种通信方 式集中 器的的软硬件设计: m o d e m 通信、电 力线通信以 及以 太网 通信; 并且给出了高 层的 信息管理软件的设计。 最后给出了 扩频通信实现的另一种可能的方案。 采 用直接序列 扩频通信技术的电力 线载波集中抄表系统 m o d e m 芯片的发展趋势。 4 , p l t - 2 2 。 这是e c h e l o n 公司的电力载波收发器， 它是针对工业控制网而设计， 采用b p s k 调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在我国应用效果最理想。但 它是l o n w o r k s 网络专用，而且价格太高，难以 在民用市场领域大规模推广。 5 , s s c p 3 0 0 。 该 芯片为i n t e l l o n 公司的线性调频扩频芯片， 可以 完成扩频调制解 调的 功能， 而s s c p 1 1 1 则为 功率 放大芯片。 m i c r o - p r o c e s s o r / 微处理器， 如m s c - 5 1 系 列芯片， 通过串行或并行接口与s s c p 3 0 0 和计算机联接。 控制整个通信终端， 发送和接 收命令及数据， 并对数据进行校检解包。 我国的电网 特性、 电网结构、 居民住宅分布状况、 电力线载波通信的应用领域等 方面与国外有一些不同 之处。 电力线载波通信m o d e m 芯片的瓶颈作用越来越突出， 使 国内电力线载波通信市场难以迅速增长， 也延缓了用户对电力线载波通信技术的认同 和接受。 本文中使用的是针对中国电力网的环境所特别开发的通信芯片p l 2 0 0 0 a 1 . 3国内电力线载波抄表系统现状 作为通信技术的一个应用领域， 电力载波通信技术近几年才在我国真正出现。 由 于它的实用性和巨大的市场前景，迅速被各家公司争相采用。 它的优势在于: ( 1 ) 一户一表， 取消用电中间层， 降低居民 用电 价格， 消除用电 过程腐败现象。 计算机为基础的自 动抄表系统成为电力部门响应国家用电制度改革政策的解决方法。 ( 2 )自 动抄表系统目 前主要有有线通信技术和电 力载波通信技术。有线通信技 术作为传统方法， 以其稳定性占有优势。 但有线通信铺线工程浩大， 而且容易被人为 损坏; 同时居民楼己 建成， 再在墙壁表面拉线， 居民 难以 接受。电力载波通信技术能 有效解决上述问题， 它利用现有交流电 源线作为通信线路， 省去了大量、 繁重的铺线 工程，优势明显。 ( 3 )智能大厦、智能小区己成为市场热点，各公司纷纷加入这一新兴领域。智 能大厦、 智能小区是一个综合性的系统工程， 包含许多小系统。 各家各户、 每一房间 也存在铺设通信线路问 题， 例如消防报警系统、 防盗报警系统等， 把各报警点集中 起 来统一处理，采用电 力载波通信有其无法比拟的优越性。 ( 4 ) 在有些干扰大、 布线困难的工业自 动化控制系统， 采用电力载波通信方式 能达到事半功倍的效果。 电 力载波通信技术适用范围相当 广泛， 电力线在现代生活中 己 无处不在， 只要能满足通信要求， 而又不便布线的环境都可采用电力载波通信技术。 本论文通过分析扩频通信特别是直接序列扩频通信的原理及应用， 提出利用直接 序列扩频通信技术的方法，以克服电力线作为传输媒介的缺陷。 并且采用针对中国 电 力线环境开发的电 力线载波通信芯片开发出 抄表器， 集中器以 适应电 力线载波通信 的要求。 首先给出了 基本的电力线扩频通信单元的设计; 详细介绍了具有多种通信方 式集中 器的的软硬件设计: m o d e m 通信、电 力线通信以 及以 太网 通信; 并且给出了高 层的 信息管理软件的设计。 最后给出了 扩频通信实现的另一种可能的方案。 采用直 接序列扩频通信技术的电力线载波集中 抄表系统 第二章 扩展频谱通信和直接序列扩频 2 . 1扩展频谱及直接序列扩频的原理 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ) 。己 经广泛应用 于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到8 0 年代初才被应用于民用 通信领域。 2 . 1 . 1 扩频通信的定义 扩频技术是一种信息处理传输技术， 它利用同 欲传输数据 ( 信息) 无关的码对被 传输信号扩展频谱， 使之占有远远超过被传送信息所必须的最小带宽。 在接收机中利 用同一码对接受信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。 扩频信号应该具有如下特 征: 1 、扩频信号是不可预测的伪随机宽带信号; 2 、扩频信号带宽远大于欲传输数据 ( 信息)带宽; 3 、 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。 由于扩频信号的特性， 扩频系统具有如下特点: 具有很高的抗千扰性; 具有低截 获概率性;抗多径干扰;良 好的码分多址通信能力:具有高的保密性。 2 . 1 . 2 扩频通信的理论基础 2 . 1 . 2 . 1 扩频基本原理 根据仙农( c . e . s h a n n o n ) 在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式: c= w x l 0 9 z ( 1 + s i n ) 式中:c:信道容量 ( b i t / s ) s:信号功率 w:信道带宽n:噪声功率 那么为了提高信息的传输速率c，可以从两种途径实现，加大带宽w或提高信 噪比s i n。就是说当信号的传输速率c一定时，增加信号带宽可以降低对信噪比的 要求， 当带宽增加到一定程度， 允许信噪比 进一步降低， 有用信号功率接近噪声功率 甚至淹没在噪声之下也是可能的。 扩频通信就是用宽带传输技术来降低对信噪比的要 求这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 2 . 1 . 2 . 2 扩频增益 和抗干扰容限 扩频通信系统由 于 在发送端扩展了 信号频谱， 在接收 端解扩还原了 信息， 这样的 系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。 理论分析表明， 各种扩频系统的抗干扰性 能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽w与信息带宽 4 f 之 比 称 为 处 理 增 益 g , ， 即 : 。w g=二 二 川 它表明了 扩频系统信噪比 改善的程度。 除此之外， 扩频系统的其他一些性能也大 都与g , 有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。 扩 频 系 统 的 抗 干 扰 容 限 m, 表 示系 统 在 干 扰 环 境中 的 工 作 能 力， 定 义 为: 采用直 接序列扩频通信技术的电力线载波集中 抄表系统 第二章 扩展频谱通信和直接序列扩频 2 . 1扩展频谱及直接序列扩频的原理 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a d s p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ) 。己 经广泛应用 于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到8 0 年代初才被应用于民用 通信领域。 2 . 1 . 1 扩频通信的定义 扩频技术是一种信息处理传输技术， 它利用同 欲传输数据 ( 信息) 无关的码对被 传输信号扩展频谱， 使之占有远远超过被传送信息所必须的最小带宽。 在接收机中利 用同一码对接受信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据。 扩频信号应该具有如下特 征: 1 、扩频信号是不可预测的伪随机宽带信号; 2 、扩频信号带宽远大于欲传输数据 ( 信息)带宽; 3 、 接收机中必须有与宽带载波同步的副本。 由于扩频信号的特性， 扩频系统具有如下特点: 具有很高的抗千扰性; 具有低截 获概率性;抗多径干扰;良 好的码分多址通信能力:具有高的保密性。 2 . 1 . 2 扩频通信的理论基础 2 . 1 . 2 . 1 扩频基本原理 根据仙农( c . e . s h a n n o n ) 在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式: c= w x l 0 9 z ( 1 + s i n ) 式中:c:信道容量 ( b i t / s ) s:信号功率 w:信道带宽n:噪声功率 那么为了提高信息的传输速率c，可以从两种途径实现，加大带宽w或提高信 噪比s i n。就是说当信号的传输速率c一定时，增加信号带宽可以降低对信噪比的 要求， 当带宽增加到一定程度， 允许信噪比 进一步降低， 有用信号功率接近噪声功率 甚至淹没在噪声之下也是可能的。 扩频通信就是用宽带传输技术来降低对信噪比的要 求这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 2 . 1 . 2 . 2 扩频增益 和抗干扰容限 扩频通信系统由 于 在发送端扩展了 信号频谱， 在接收 端解扩还原了 信息， 这样的 系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。 理论分析表明， 各种扩频系统的抗干扰性 能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽w与信息带宽 4 f 之 比 称 为 处 理 增 益 g , ， 即 : 。w g=二 二 川 它表明了 扩频系统信噪比 改善的程度。 除此之外， 扩频系统的其他一些性能也大 都与g , 有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。 扩 频 系 统 的 抗 干 扰 容 限 m, 表 示系 统 在 干 扰 环 境中 的 工 作 能 力， 定 义 为: 采 用直接序列 扩频通信技术的电力 线载波集中抄表系统 r ( s ) ，