（通信与信息系统专业论文）多路电力线载波通信系统设计及其fpga实现.pdf

摘要 摘要 电力线载波通信作为电力系统特有而不可或缺的通信手段 是电力系统经济 调度和稳定可靠运行的保证 随着电力系统对通信质量的要求不断提高和其他通 信技术的竞争 传统的模拟设备已无法满足实际需要 高性能d s p f p g a 以及高 速a d c d a c 器件的应用 使数字化电力线载波机已基本替代了传统的模拟设备 而语音压缩 时分复用 多维编码及多电平调制等数字技术的应用 更使通信系 统在不增加带宽的限制下 可实现多路语音和远动数据传输 大大提高了频带利 用率 本文结合已实现的基于d s p 的数字电力线载波机 提出一种基于f p g a 的多 路复接器的实现方案 进而提出一种多路电力线载波通信系统解决方案 在多路 复接器中 除了利用f p g a 进行数字复接 还采用高性能声码器a m b e 一2 0 0 0 t m 进行语音压缩 和利用基于s i 2 4 3 4 的v 3 4m o d e m 进行基带调制解调 最终可实 现六路语音或远动传输 传输速率达3 3 6 k b i t s 同时 还具有模拟远动调制解调 器 保证了与传统型载波机的兼容性 本文围绕多路电力线载波通信系统模型及其通信原理 重点讨论了多路复接 器的设计方案和实现原理 模拟远动调制解调器及数字s s b 载波机中的f p g a 设 计与实现 关键词 电力线载波通信多路复接器v 3 4 建议远动调制解调器f p g a a b s t r a c t a sac h a r a c t e r i s t i ca n di n d i s p e n s a b l ec o m m u n i c a t i o nm e a r l so ft h ep o w e rs y s t e m 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 ni st h eg u a r a n t e eo fe c o n o m i cd i s p a t c ha n dr e l i a b l e o p e r a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m w j 也t h ei n c r e a s i n gd e m a n d so fc o m m u n i c a t i o nq u a l i t y a n d c o m p e t i t i o no fo t h e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s t r a d i t i o n a la n a l o gd e v i c e sw e r e u n a b l et om e e tt h ec u r r e n tr e q u i r e m e n t s t h ea p p l i c a t i o n so ft h eh i g h p e r f o r m a n c e d s p s f p g a sa n dh i 曲一s p e e da d c sa n dd a c s m a k et h ed i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e r h a sb a s i c a l l yr e p l a c e dt h et r a d i t i o n a la n a l o ge q u i p m e n t s m o r e o v e r t h eu t i l i z a t i o no f v o i c ec o m p r e s s i o n t d m m u l t i d i m e n s i o n a le n c o d i n ga n dm u l t i l e v e lm o d u l a t i o na n d o t h e rd i g i t a lt e c h n o l o g i e sm a k et h es y s t e mc a na c h i e v em u l t i p l ev o i c ea n dr e m o t ed a t a t r a n s m i s s i o nw i t h o u ti n c r e a s i n gt h eb a n d w i d t h w h i c hg r e a t l yi n c r e a s e db a n d w i d t h e f f i c i e n c y i nt h ep a p e r ai m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo faf p g a b a s e dm u l t i p l e x e rw a s p r o p o s e d 航也w h i c ha n dt h er e a l i z e dd i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e rb a s e do nd s p a s o l u t i o no ft h em u l t i c h a n n e lp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a sp r o p o s e d i na d d i t i o nt ou t i l i z e st h ef p g af o rd i g i t a lm u l t i p l e x i n g t h em u l t i p l e x e ra l s ou s e sa h i g h p e r f o r m a n c ev o c o d e ra m b e 2 0 0 0 t m f o rv o i c ec o m p r e s s i o n a n dm a k e su s eo fa v 3 4m o d e mb a s e do ns i 2 4 3 4f o rb a s e b a n dm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n w h i c h m a k e st h es y s t e ma b l et ot r a n s m i ts i x c h a n n e lv o i c eo rr e m o t es i g n a l sw i t ht h ed a t a r a t eu pt o3 3 6 k b i t s m e a n w h i l e t h e r ei saa n a l o gr e m o t em o d e mt h a te n s u r e si t s c o m p a t i b i l i t yw i t ht h et r a d i t i o n a lp o w e rl i n ec a r r i e n a r o u n dt h es y s t e mm o d e la n dc o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eo ft h em u l t i c h a n n e l p o w e rl i n ec a r t i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf o c u so nt h ed i s c u s s i o no ft h e d e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o n p r i n c i p l e o ft h e m u l t i p l e x e r f p g ad e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o no f t h ea n a l o gr e m o t em o d e ma n dd i g i t a ls s b c a r r i e r k e y w o r d 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 m u l t i c h a n n e lm u l t i p l e x e r v 3 4r e c o m m e n d a t i o n r e m o t em o d e mf p g a 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已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 日期墨唑 生 丝 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攥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 曼马刍 日期 地co l 民 l 第一章绪论 第一章绪论 电力线载波通信 p o w e rl i n ec a l t i g rc o m m u n i c a t i o n s p l c c 1 1 是指利用 高压电力线 通常指3 5 k v 及以上电压等级 中压电力线 指1 0 k v 电压等级 或 低压配电线 3 8 0 v 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1 2 电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式 目前可用来传 输语音 远动数据和远方保护等信号 是确保电网安全 优质 经济运行 实现 调度自动化和管理现代化的重要通信方式之一 随着现代电网的发展 电力系统的通信要求在不断提高 另外 随着现代通 信技术的发展 数字微波通信 卫星通信 光纤通信 扩频通信等更为先进的通 信手段在电力系统通信中已经崭露头角并占有越来越重要的地位 电力线载波通 信正在面临着严峻的挑战 但是 由于我国地域广阔 电网结构存在差异 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 仍然是电力系 统应用区域最广泛的通信方式 仍然是电力通信网的重要的基本通信手段1 3 j 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 输4 0 5 0 0 k h z 的载波信号 主要传输语音 远动数据及保护信号等信息 本文下面 将围绕高压电力线载波通信及多路电力线载波通信系统展开论述 1 1 电力线载波通信技术概述 电力线载波通信是以电力线为信道 根据频谱搬移 频带分割原理 将原始 信号进行一次或多次调制 搬移到特定的频带内 以利于其在信道内进行传输 电力线载波通信系统是以发电厂 变电站为终端 以电力线为信道 进行信息传 输 以满足电力调度通信的需要 是电力系统可靠运行 控制和管理的重要工具 之一 电力线载波通信作为电力系统的一种特殊的通信方式 可以直接利用现有的 电力线资源 无需额外铺设通信线路 大大降低了前期成本 还可避免二次布线 的施工困难 因此 它具有投资少 见效快 与电网建设同步等得天独厚的优点 无论是在城镇 乡村 还是在偏远落后地区 电力线随处可见 目前 我国已在 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了电力线载波通道 形成了庞大的电力线载波通信网1 2 j 该网络主要用于地 市级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使用 在电力系统中 高压电力线载波通信传输的信息主要有以下几种 1 语音信息 为电力系统调度服务 2 远动数据信息 对发电厂 变电站实现遥测 遥信 遥控 2多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 3 远方保护信息 保证电力系统稳定运行 由此可知 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 动化和管理现代化的重要通信手段之一 它具有以下一些重要特点 4 l 1 高压载波路由合理 通道建设投资相对较低 高压电力线的路由走向沿 着终端站到枢纽站 再到调度所 正是电力调度通信所要求的合理路由 并且载 波通道建设无需考虑线路投资 因此电力线载波通信成为电力通信的基本通信方 式 2 传输频带受限 传输容量相对较小 在高压电网中 考虑到工频干扰及 无线电发射干扰 电力线载波的通信频带限制于4 0 5 0 0 k h z 之内 按照单向占用 4 k i i z 带宽计算 理想情况下一条线路可安排1 1 5 条高压载波通道 但由于电力线路 各相之间及变电站之间的跨越衰减有限 1 3 4 3 d b 不可能理想地按照频谱紧邻的 方式安排载波通道 因此 真正组成电力线载波通信网所实现的载波通道是有限 的 3 可靠性要求高 电力线载波通信要求具有较高的可靠性 一是在电力系 统中传输重要调度信息的需要 另一是高压隔离的人身安全需要 为此 电力线 载波机在出厂前必须进行高温老化处理 最终检验必须包含安全性检测项目 4 线路噪声大 在高压电力线路上 游离放电电晕 绝缘子污闪放电 开 关操作等产生的噪声比较大 尤其是突发噪声具有较高的电平 5 线路阻抗变化大 高压电力线阻抗一般为3 0 0 4 0 0 f 2 在线路上呈波动状 态 现场实测表明 在波动幅度达到1 2 左右时 对载波通道衰减将产生严重的影 响 6 线路衰减大具有时变性 高压电力线载波通道衰减与频率的平方根成正 比 且具有时变性 工频运行方式的改变 分支线的长短以及绝缘子污秽 刮强 风 下小雨 线路冰凌及阻波器调谐线圈性能等多种因素会对载波通道的衰减产 生影响 为此 电力线载波机必须设置大于3 0 d b 范围的自动增益调整电路 7 对外界的干扰 由于高压电力线载波频段限制在4 0 5 0 0 k h z 只要控制 载波机的谐波和交调乱真发射功率足够小 即可避免对外界的干扰 由上述特点可见 电力线载波通信具有它自身的优势和生命力 同时也有其 局限性 目前 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的备用通信 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 电力线载波通信尽管作为电力通信的辅助通 信方式 但随着现代数字通信技术以及大规模集成电路的广泛应用 电力线载波 通信在不断注入新鲜的血液 以克服它的局限性 发挥它的优势 因此 电力线 第一章绪论 载波通信依然有着巨大的市场需求 如何利用新技术促进电力线载波通信系统的 更新换代 近年来已经成为热门的研究课题 国家电网公司颁布的 国家电网公 司 十一五 通信规划 中 也已将电力线载波通信技术的研究列入了重大研究 课题中 5 1 1 2 电力线载波通信的发展与现状 电力线载波通信在发展历程上与其他通信技术类似 也经历了从模拟到数字 的发展过程 电力线载波通信出现于2 0 世纪2 0 年代初期 与一般的电子产品一 样 其通信设备从最初的电子管 晶体管等分立元器件 到中小规模集成电路 再到中大规模集成电路 随着高性能数字信号处理器 d s p 大规模逻辑器件 如 f p g a 高速高精度数模 a r d 及模数 d a 转换器的出现及其广泛应用 电 力线载波通信已经基本进入数字化时代 目前 在技术实现上 普遍基于软件无 线电的思想 利用各种先进的数字信号处理技术 来实现新的功能和技术指标的 突破 同时 由于高集成度的元器件的采用 通信设备的体积大大缩小 抗干扰 性和可靠性也得到大幅提升 按照从模拟到数字 以及通信体制的发展过程 可 以将电力线载波机划分为三代 2 6 7 l 第一代为模拟电力线载波机 其特点是采用频分复用 f d m 的方式实现语 音和低速数据的传输 信道部分采用单边带调幅模拟调制 s s b 方式 国外从 2 0 世纪6 0 年代开始生产模拟电力线载波机 我国于2 0 世纪5 0 7 0 年代 研制出 较成熟的模拟电力线载波机 并得到了广泛应用 后来又出现不断改进的机型 技术指标上有了较大提高 并成为我国应用时间最长的主流机型 到8 0 年代中期 模拟电力线载波机出现单片机 集成化的革命 其技术改进主要表现在以单片机 自动盘代替了布线逻辑的自动盘 集成电路的调制器 压扩器 滤波器和a g c 自动增益控制 放大器代替了笨重 多故障的模拟电路 第二代为数字化电力线载波机 其特点是仍然采用模拟体制 但关键技术采 用数字化方式实现 2 0 世纪9 0 年代 随着数字信号处理器 d s p 高性能模数 及数模转换器件 大规模可编程逻辑器件 如f p g a 的广泛应用 电力线载波 机也出现新的发展 调制解调 滤波 a g c 等均采用数字化方式实现 由于数字 信号处理技术及其他高性能数字器件的应用 数字化电力载波机的技术指标和稳 定性得到大幅提升 同时还增加了多项控制功能 如 技术人员可以使用计算机 通过串口对d s p 及控制器进行编程 对系统参数进行设置和更改 第三代为全数字电力线载波机 其特点是完全采用数字体制 全数字电力线 载波机采用语音压缩 数字复接 信源编码 多电平基带调制 回波抵消等数字 技术 不仅可以实现多路信号的传输 从而提高频带利用率 还可以获得更好的 4多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 系统指标和性能 全数字电力线载波机通信容量大 接口灵活 组网方便 网管 监控齐全 提高了电力线载波通信系统的有效性和可靠性 是模拟电力线载波机 更新换代的理想产品 也是电力线载波机的发展趋势 近年来 数字化和全数字技术发展迅速 数字化载波机有的仍采用传统的模 拟体制 有的则应用高速话带调制解调器实现多路传输 而全数字载波机则普遍 采用网格编码调制 t c m 另外 o f d m 技术也逐渐成为电力线载波通信中的 研究热点 但由于实现难度较大 目前还处于理论研究阶段 在国外 市场上已 经有成熟的全数字电力线载波机产品 如加拿大5 c 通信公司的d p l c 7 2 7 等 其采用的是t c m q a m 技术 国内只有少数厂家在研制数字载波机 且产品多 为借鉴国外产品或利用国外生产的专用芯片 与国内电网的兼容性未能尽如人意 我国的电力线载波通信技术基本上与国外是同时起步的 但后来在数字化和 全数字发展进程上却落后于国外水平 2 0 世纪8 0 9 0 年代以来 我国的电力事业 迅猛发展 大型发电站 大机组 超高压输电线路不断增加 电网规模越来越大 电网的调度通信和管理也有了更高的要求 这则需要更为先进和完善的电力通信 系统来完成 如何开发研制出传输容量大 频带利用率高 抗干扰能力强 可靠 性高 网管监控齐全的全数字电力线载波机 已成为国内外的热门研究课题及载 波机生产方共同关注的发展战略目标 因此 可以说 电力线载波通信在我国是 f q 既古老又年轻的科学 新型数字载波机有着广阔的发展前景和市场需求 不 论从理论研究还是实际需要出发 都具有重大意义 1 3 电力线载波通信系统通信原理 电力线载波通信系统与其他典型的通信系统在基本模型上是一致的 因为它 们都是一个传递信息的系统 基本结构及各部分的功能是相似的 典型的模拟通 系统模型和数字通信模型f 8 分别如图1 1 和图1 2 所示 图1 1 模拟通信系统模型 图1 2 数字通信系统模型 第一章绪论 1 3 1 传统型电力线载波通信系统 采用模拟载波机与数字化载波机的电力线载波通信系统具有相同的通信体 制 可称之为传统型电力线载波通信系统 其系统模型如图1 3 所示 信息源调制器 信道 解调器j受信者 图1 3 传统电力线载波通信系统模型 传统的电力线载波通信系统基本通信原理是 将基本带宽划分为几个不同的 子频带 分别分配给几种不同的信号 发送端首先将不同子频带内的信号进行叠 加 然后经载波机调制到载波频带内 再送到电力线上传输 反之 接收端先将 载波信号解调为基带信号 再经滤波恢复出原基带信号 要实现点对点甚至是组网多点间的全双工通信 即同时在同一线路上进行多 路传输 还需要采用频带划分的方式 在我国电力系统通信网的规划建设中 基 本带宽为4 1 h z 高压电力线载波通信可用频带为4 0 5 0 0 k h z 按照每一路占有 4 k h z 的带宽来划分 则理论上同一线路上可同时传输l1 5 路载波信号 按照上述原理 每一路载波机可同时传输三路信号 语音信号 3 0 0 2 0 0 0 h z 远动数字信号 2 1 5 0 一3 6 0 0 h z 及呼叫导频信号 3 7 8 0 3 0 h z 在发 送端 首先将这三路信号进行叠加 然后调制到某一载波频带 如4 0 4 4 k h z 内 再耦合到高压电力线上进行传输 由于技术水平的限制 第一代模拟载波机 在载波频带的切换上很不灵活 通常将载波频带分为高低两个范围来实现 具体 选用哪个范围根据用户需要来调整 而基于软件无线电思想的第二代数字化载波 机 通过面板的拨码开关 即可实现全载波频带的切换 数字化载波机发送端调 制原理如图1 4 所示 语音 3 0 0 2 0 0 0 h z 远动 2 1 5 0 3 6 0 0 h z f s k 3 7 8 0 3 0 h z 信号 图1 4 数字化载波机发送端调制原理 在接收端 首先经过解调器 恢复出叠加的基带信号 再分别通过与语音 远动及导频相对应的带通滤波器 便可得到原语音 远动及导频信号 模拟载波 6多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 机在实现这一过程时 不论是灵活性 还是技术指标上 都不如数字化载波机 数字化载波机接收端解调原理如图1 5 所示 调 外部控制 图1 5 数字化载波机接收端解调原理 1 3 2 多路电力线载波通信系统 音信号 动信号 频信号 在传统型电力线载波通信系统中 通信容量很低 在4 k h z 基本带宽内只能 传输一路语音和一路远动信号 这是它采用的频分复用体制以及单一的s s b 技术 所限定的 要想实现多路信号的传输 必须改变原有的系统体制 并采用先进的 数字技术 如语音压缩 数字复接 多电平调制等 多路电力线载波通信系统的基本通信流程是 本端多路语音信号经过语音压 缩 与多路远动信号进行数字时分复接 然后经过调制器 变为载波频带模拟信 号 送到线路上进行传输 对端首先将接收信号解调为合路数字信号 然后进行 分接 恢复出各支路信号 再经过解压缩等处理 最终恢复出原语音及远动信号 多路电力线载波通信系统可以有两种实现方式 其系统模型分别如图1 6 a b 所示 语音或远动l 语音或远动2 语音或远动n 语音 语音 语音 多 路 复 接 器 基 带 调 制 器 线 路 调 制 器 信道 电力线 噪声源 线 路 解 调 器 基 带 解 调 器 a 多路电力线载波通信系统实现方式一 多 路 分 接 器 多 信道 多 路调 电力线 解 路 复 制调 分 接 器 千 器接 器 眄蛔 器 语音或远动l 语音或远动2 语音或远动n 语音或远动l 语音或远动2 语音或远珈 b 多路电力线载波通信系统实现方式二 图1 6 多路电力线载波通信系统模型 由图1 6 容易发现 两种实现方式的最大区别在于调制和解调次数不同 第 第一章绪论 7 一种方式中 调制和解调均采用两级实现 首先 复接后的数字信号通过基带调 制器变为基带模拟信号 然后 通过线路调制器将基带信号搬移到载波频带 解 调端为其逆过程 其中线路调制器和线路解调器即为传统型载波机 第二种方式 中 调制和解调均为一级 即复接后的数字信号经调制器一次调制到载波频带 解调端则将高频信号一次解调为合路数字信号 在上面的两种实现方式中 第二种方式在理论上具有更多的优势 这是因为 它采用一次调制的方式 在信号送至线路传输之前 所有的信号处理均为数字方 式 减少了模数及数模转换的次数 大大减小了对信号的损伤 从而可以获得更 高的系统指标 第一种方式的特点是 在多路复接器后引入基带调制解调器 在 线路调制解调部分仍采用传统型载波机 可以说是一种过渡型结构 但正是这种 过渡型结构 使得它也具有其自身的优势 首先 它克服了传统型载波机通信容 量小 信道利用率低的缺点 其次 它与传统型载波机具有良好的兼容性 这就 决定了它虽然具有一定的缺陷 但仍然具有很强的实用性 尤其是在目前我国的 电力通信系统中 由于我国地域广阔 各地发展不平衡 不同地区的电网结构差 异很大 而且目前电力系统中在线使用的大部分载波机仍为传统型 近年来 我 国电网改造建设事业仍在迅速发展中 但可以预知 在将来很长一段时间里 传 统型和过渡型多路电力线载波机仍将在电力线载波通信设备中占据主导地位 本文设计的就是一种过渡型数字化多路电力线载波通信系统 1 4 本文的主要研究工作 本文通过对多路电力线载波通信系统原理的研究 在已实现的数字化s s b 电力 线载波机的基础上 提出一种基于f p g a 实现的多路复接器 进而提出多路电力线 载波通信系统的解决方案 文中主要讨论了多路复接器的系统设计与硬件实现原 理 基于f p g a 的模拟远动调制解调器的设计与实现以及s s b 系统中的f p g a 设计与 实现 具体安排如下 第一章为绪论 论述了电力线载波通信技术的发展与现状 讨论了传统型和 多路电力线载波通信系统的系统模型及其通信原理 第二章首先讨论了多路电力线载波通信系统的总体设计 以及多路复接器和 线路调制解调器的硬件平台 并对多路电力线载波通信系统的关键技术进行了研 究 第三章讨论了多路复接器各单元的实现原理 重点讨论了话音模块 v 3 4 m o d e m 及多路复接器中的f p f a 设计 第四章在对2 f s k 调制解调及d d s 的原理进行研究的基础上 讨论了模拟远动 调制解调器的系统设计及其硬件实现 并重点讨论了其f p g a 设计与实现 8多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 第五章对数字s s b 载波机中的f p g a 设计进行了讨论 主要讨论了其中的系统 复位控制模块及高频侧数据缓冲器 第六章为结束语 对本文所做工作进行了总结 并对后续工作进行了展望 第二章多路电力线载波通信系统设计及其关键技术研究 第二章多路电力线载波通信系统设计及其关键技术研究 传统型电力线载波通信系统采用频分复用的方式及单一的单边带调制技术 在4 k h z 基本带宽内 只能够传输一路话音信号和一路远动数据信号 信道利用 率很低 随着电嘲的规模越来越庞大 调度通信 管理等需求量明显增大 传统 的通信方式已经很难满足实际需要 在这种背景下 随着语音压缩 数字复接等 技术的发展及其j 泛应用 多路电力线载波通信系统便应运而生 多路电力线载 波通信系统采用语音压缩 数字复接及网格编码调制等多种数字技术 可以实现 多路语音及远动信号的传输 本章将对多路电力线载波通信系统结构及其关键技 术进行讨论 21 多路电力线载波通信系统结构 多路电力线载波通信系统 顾名思义 就是在4 k h z 频带内 可以实现多路 语音或远动信号的传输 多路电力线载波通信系统的基本通信过程为 发送端将 多路语音信号经过压缩编码 井与多路远动信号进行数字时分复接 复接后的数 字码流经过基带调制解调器变为基带模拟信号 然后由线路调制解调器将其一次 调制到线路频带内 并进行必要的滤波 放大等处理 最后由耦合设备发送到电 力线上进行传输 接收端首先将接收信号进行滤波 自动增益调整 经线路解调 器解调为基带信号 再经过基带解调 数字分接 解压缩等处理 恢复出原来的 语音和远动信号 本文所设计的多路电力线载波通信系统结构如图21 所示 图2i 多路电力线载波通信系统结构 l o多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 由图2 1 可知 系统由终端设备 多路复接器 线路调制解调器以及耦合设 备四部分组成 各部分组成及其功能如下 1 终端设备 系统的信源和信宿 包括模拟终端和数字终端两种 其中模 拟终端通常是电话机或传真机 用于语音信号的发送和接收 数字终端可以是计 算机或其他数字设备 用于远动数据或其他数据的发送和接收 2 多路复接器 完成语音信号的模数及数模转换 远动数据的处理 多路 语音或远动信号的交换控制 语音压缩编解码 多路信号的数字复接及分接 基 带调制解调等功能 多路复接器主要由语音和数据接口 微控制器 数字复接器 以及基带调制解调器组成 本文中多路复接器的硬件平台基于f p g a 实现 3 线路调制解调器 完成基带模拟信号的数模及模数转换 频带调制及解 调 本系统中 线路调制解调器为一个数字s s b 通信系统 其采用数字化s s b 方式 完成基带信号的频带调制与解调 线路调制解调器的硬件平台基于 d s p f p g a 实现 其中d s p 为主处理器 完成数字s s b 调制解调及a d c 调整 f p g a 则用于实现系统的控制及数据接口功能 4 耦合设备 主要由功放 发送滤波器 接收滤波器以及耦合电容等组成 它一方面将调制信号放大 滤波并耦合至电力线上进行传输 另一方面接收线路 上的信号 进行滤波 送至解调器中 另外 本系统还具有模拟远动信号调制解调器 见图2 1 左下方的m o d e m 部 分 它的设计是为了保持与传统模拟载波机或数字化s s b 载波机的兼容性 以使 多路复接器能够接收2 f s k 形式的模拟远动信号 本课题的主要工作是系统中的多路复接器与线路调制解调器的设计与实现 下面就其硬件平台设计进行讨论 2 2 多路电力线载波通信系统硬件平台设计 2 2 1 多路复接器硬件平台设计 本文基于f p g a 设计了多路复接器的硬件平台 如图2 2 所示 s l l c d a ah t a l c l v 3 2 0 il 躲 n i o s i i 嵌入式处理器 数字复接 分接阡制s i 2 4 3 4 按键i l c di i f l a s h i js d r a m 图2 2 多路复接器硬件结构 呻建 音号 字动 拟动 语信 数远 模远 第二章多路电力线载波通信系统设计及其关键技术研究 1 1 图2 2 中 n i o si i 嵌入式处理器及数字复接 分接器均在位于底板上的f p g a 内部实现 多路话音通道 v 3 4m o d e m 等均为分立模块 而数据通道除了一个简 单的电平转换电路 不需要其他复杂的电路设计 故无需设计独立模块 还具有 按键输入设备 液晶显示设备以及用于存储程序或参数的f l a s h 和s d r a m 它 们都属于主处理器的外设 另外 模拟远动调制解调器也为一个独立的模块 从 其功能讲 可将其看作一个小型的通信系统 其系统设计及其实现见本文第四章 由于多路复接器在硬件上采用模块化结构 使其具有很强的通用性和灵活性 用户可以根据需要 随意调整六个通道的分配情况 如三话三数 四话两数等 也可以少于六路 而且 系统会根据通道的不同分配情况 自动检测 并做出相 应的调整 另外 由于采用模块化结构 当某一模块出现故障时 不会造成整个 系统的瘫痪 而且 只需更换新的模块 而无需更换整个系统 从而节约成本 多路复接器中的各部分硬件原理设计见本文第三章 2 2 2 线路调制解调器硬件平台设计 本系统中设计的线路调制解调器硬件平台是基于d s p 与f p g a 实现的 如图 2 3 所示 e p l c l 2 q 2 4 0 t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 i 图2 3 线路调制解调器 其发送端工作流程为 v 3 4m o d e m 调制端发出的模拟基带信号经过放大器 后 经过语言编解码器t l v 3 2 0 a i c l o 进行a d 转换 然后由f p g a 将其通过d s p 的串行接1 3 送入d s p 内部的调制单元 经s s b 调制后的数字信号由d s p 通过并 行接口发送到f p g a 内部 f p g a 将其缓存后 发送到外部的d a c 进行d a 转换 转换出的频带模拟信号经低通滤波 放大 进入耦合设备 最后送至高压电力线 进行传输 接收端为发送端的逆过程 即 耦合设备将接收的频带模拟信号 先 1 2 多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 经过带通滤波 然后经过a g c 电路 放大后 进入a d c 进行a d 转换 转换后 的数字信号先进入f p g a 内部进行缓存 再通过d s p 的并行接口进入d s p 内的 解调单元 解调后的数字信号由d s p f p g a 输出到t l v 3 2 0 a i c l 0 进行d a 转换 转换后的基带模拟信号再进入v 3 4m o d e m 的解调端 2 3 多路电力线载波通信系统关键技术研究 多路电力线载波通信系统之所以能够在基本带宽保持不变的情况下 实现多 路语音或数据的传输 是由于其在基带信号处理单元应用了多种先进的现代数字 技术 其采用的主要关键技术有 语音压缩编解码 数字时分复接以及v 3 4 建议 的m o d e m 技术 下面依次进行讨论 2 3 1 语音压缩编解码技术 语音信号是电力线载波通信系统中传输的主要信息之一 在目前的载波机中 语音处理单元采用的都是采用数字化处理方式 因而 语音编解码器是必不可少 的器件 语音编解码器通常可分为两大类 即波形编码器和声码器 波形编码器 如脉冲编码调制 p c m 等 虽然合成语音质量较好 然而编码速率高 声码器 虽然可达到极低的编码速率而语音依然可懂 但重建语音自然度低 合成语音质 量差 抗环境噪声能力较弱 通常 波形编码器用于a d c 及d a c 转换 而声码 器则可配合波形编码器 用于语音的压缩编解码 新一代声码器克服了原有波形编码器和声码器的弱点 而结合了其各自的优 点 在4 1 6 k b p s 速率时能够合成高质量的语音 其中比较典型的就是多带激励 m u l t i b a n de x c i t a t i o n m b e 声码器 利用声码器将高速率的语音码流进行压 缩 即能够保证语音的质量 又能够降低数据速率 进而 实现多路数字语音的 时分复用 m b e 9 1 是由美国m i t 大学林肯实验室于1 9 8 8 年提出的一种语音编码方案 它是一种具有高语音质量和强鲁棒性的低速率语音编解码技术 在m b e 算法中 激励谱是由谐波谱和噪声谱的合成 具体过程为 l o l 首先 将语音谱在频域中按 基音各谐波频率 将一帧语音的频谱划分为多个频带 对各频带信号判断是浊音 v 还是清音 u 然后 对浊音带和清音带 分别以基音为周期的脉冲序列 和白噪声作为激励信号 最后 将各带激励信号相加构成全带合成语音 m b e 声 码器与传统声码器的最大区别就是采用的激励谱不同 其模型也比较符合实际语 音的特性 从而是合成语音谱同原语音谱在频率精细结构上能够很好地拟合 m b e 声码器与其他声码器相比 具有合成语音质量高 抗噪声能力强等优点 在其基础上发展起来的i m b e i m p r o v e dm u l t i b a n de x c i t a t i o n 改进型声码器已 第二章多路电力线载波通信系统设计及其关键技术研究1 3 广泛应用于商业领域 蝴b e a d v a n c e dm u l t i b a n de x c i t a t i o n 在i m b e 基础上 做了进一步改进 语音质量更高 抗干扰能力更强 还具有前向纠错 f e c 音 频检测 回波抵消 双音多频 d t m f 信号检测与产生等功能 本文选用的 a m b e 2 0 0 0 t m 就是d v s i 公司推出的一款a m b e 声码器 其特点及设计原理见 本文第三章3 1 节 2 3 2 数字时分复接技术 在数字通信系统中 为了扩大传输容量 通常将若干个低速的支路数字信号 复合成一路高速码流 再送到信道中传输 这种技术就称为数字复接 在多路电 力线载波通信系统中 采用数字复接技术 可将多路语音信号和远动数据必须复 合为一路高速信号 从而实现多路传输 数字复接实质上是对数字信号的时分多路复用 其系统组成原理 i l 如图2 4 所示 由图2 4 可知 数字复接设备由数字复接器和数字分接器组成 分别用于 将支路信号复合为合路信号和将合路信号分解为原支路信号 支路l 婉 图2 4 数字复接系统组成原理 在数字复接系统中 如果复接器输入端的各个支路信号与复接器定时信号是 同步的 则称为同步复接器 否则 称为异步复接器 如果各支路数字信号与复 接器定时信号标称速率相同 但实际上存在一个很小的容差 这种复接器称为准 同步复接器 码速调整单元就是用于完成对各支路信号的速率和相位进行必要的 调整 使其与复接器定时信号同步 数字复接有按位复接 按字复接和按帧复接三种复接方式 按位复接又称比 特复接 即复接时每支路依次复接一比特 按字复接是指在合路信号中 各个支 路的信息按8 位码字交替出现 按帧复接是指每次复接一个支路的一帧 三种方 式各有其优缺点 按位复接实现简单 可靠 但不利于信号的交换 按字复接有 利于信号交换 但需要较大的存储容量 按帧复接不破坏原信号的帧结构 利于 交换 但要求更大的存储容量 多路电力线载波通信系统设计及其f p g a 实现 2 3 4v 3 4 建议的m o d e m 技术 v 3 4 通信协议是由国际电信联盟电信标准部 i t u t 建议的一种适合在公 用交换电话网 p s t n 上进行全双工或半双工数据传输的一项通信标准 其数据 传输速率可达3 3 6 k b p s 1 2 而电力线载波通信系统与电话网的基本带宽相同 信 道特性等也十分相似 因此 可将v 3 4 建议应用于多路电力线载波通信系统中 从而提高传输速率 v 3 4m o d e m 将编码与调制技术进行了有机结合 还采用了多种新技术 以提 高数据传输速率 主要包括下列关键技术l l 3 1 自适应带宽特性 v 3 4 提高数据速率的最主要因素是利用线路允许的最大可能带宽 v 3 4 采用 正交幅度调制 q a m 通常柰奎斯特带宽与符号率对应 带宽的中心为载波频 率 并且 不同于以往的m o d e m 标准 v 3 4 的带宽和载波频率是自适应的 在v 3 4 中 规定了六种符号率 每一种符号率有两个载波频率可供选择 选 用哪一种符号率和载波频率是在m o d e m 启动时根据检测出的信道特性确定的 2 自适应数据传输速率 为和早期的m o d e m 通信标准一致 v 3 4 支持同步传输速率为2 4 k b p s 的整数 倍 范围从2 4 k b p s 到3 3 6 k b p s 当符号率一定时 存在一个可以使用的最高数 据传输速率 数据传输速率是根据启动或数据发送期间检测到的误比特率估计确定的 最 低误比特率一般取1 0 5 1 0 r 6 当两个m o d e m 都支持异步传输时 两个方向的数 据速率可以不同 数据速率可通过选用不通的映射帧周期和切换模式来控制 3 四维网格编码 在v 3 2m o d e m 中 采用2 维8 状态的网格编码器 扩大了星座图上的最小距 离 可以获得3 6 d b 的有效编码增益 为了进一步提高网格编码器的性能可以采 用更多的状态 但在2 维的情况下收效不大 如果采用n 维网格编码 卷积编码 器比率只有1 n 个冗余位添加到每一个2 维码元 星座图的扩展减少了 因此 v 3 4 建议的网格编码器都是4 维的 可以采用1 6 状态 3 2 状态或6 4 状态的编码 中任一种 其对应的卷积编码器的比率分别取为2 3 3 4 4 5 有效编码增益分 别提高到4 2 d b 4 5 d b 和4 7 d b 4 星座整形 s h a p i n g 和壳装映射器 整形技术是上世纪8 0 年代末 9 0 年代初的研究成果 星座整形是为了减小 同样传输速率时的平均功率 而对星座图的形状加以整形 减小的平均功率称作 整形增益 人们在研究多维星座时发现 采用超球形边界的星座 比采用超立方 体边界的星座 可获得极限为1 5 3 d b 的整形增益 整形技术 依靠在多维星座的 第二章多路电力线载波通信系统设计及其关键技术研究1 5 子星座图中 选择能量最小的信号点进行传输来实现 这样做的结果 是使信号 空间中的信号点成高斯分布 而不是原来的均匀分布 从信息论的角度来说 这 样更易于趋近信道容量 整形技术使信号传输时的平均能量降低 信号空间中的 信号点更靠近坐标原点 高传输速率时 编码增益和整形增益几乎完全独立可加 对于n 维的信号星座图 球状的整形增益最大 当n 一 时 整形增益的极限为 1 5 3 d b 它与典型的编码增益相比 似乎较小 不用刻意追求 而事实上 编码 增益在经过最初的3 4 d b 后 每增加0 4 d b 译码复杂度就要增加1 倍 而采用 不太复杂的整形技术 即可获得l d b 左右的整形增益 这正是v 3 4 建议采用整 形技术的原因 理论上的最佳整形是多维球体 但球状星座很难实现 还要产生过大的星座 扩展和峰值 平均功率比 在研究和比较了几种整形方法之后 v 3 4 最后采用的 是壳状映射技术 壳状映射 s h e l lm a p p i n g 技术是一种在多维有限q a m 星座 扩展中 可实现近球体星座形状的算法 v 3 4 的壳状映射 规定在十六维空间 q a m 星座扩展限制约为2 5 的条件下进行 所产生的整形增益约为0 8 d b 它还 包括一个非星座扩展选项 其整形增益约为o 2 d b 映射算法还支持每十六维 8 q a m 符号 任意整比特数的变换 直到某个确 定的最大值 这种算法与恰当的成帧和交换技术结合 将支持v 3 4 中规定的所有 符号速率与数据传输速率的组合 5 超星座技术 v 3 4 利用了一套超星座图的方法 把壳状映射器和网格编码器信号星座的映 射融为一体 v 3 4 中所用到信号星座图最大为1 6 6 4 点 可以由一个四分之一子 图分别旋转0 度 9 0 度 2 7 0 度和3 6 0 度合成得到 壳状映射器把星座图划分为