兰州商学院毕业论文-双向工频通信技术中的差错控制的探讨.doc

兰 州 商 学 院本科生毕业论文（设计）论文（设计）题目：双向工频通信技术中的差错控制探讨 学 院 系： 信息工程学院 计算机科学与技术 专 业 (方 向)： 电子信息工程 年 级 班： 2007级电子信息工程 学 生 姓 名： 刘宝玲 指 导 教 师： 路永华 2011 年 5 月 26 日声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在导师的指导下取得的成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业论文（设计）成果归兰州商学院所有。 特此声明毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日 双向工频通信技术中的差错控制探讨摘 要双向工频自动通信，简称TWACS，是基于电力配电网络的一种新型通信技术。它具有独特的调制方法和通信方式，不受馈电配置，容量带宽和变压器配置的限制和约束，通信距离远，抗干扰性能好。基于该系统可以开发出电网配电控制自动化，家电自动化及自动监控等应用产品，拥有极为广阔的应用前景。本文对双向工频自动通信投入实用的最关键问题：差错控制问题进行探讨，对工频信道进行了干扰特征分析和调制信号特征分析，分别在输入和输出两个信道上确定了各自的差错控制方案，将整个系统的差错控制分为三个层次：物理层，调制解调层和系统层，分别在这三个层次上运用不同的差错控制技术以降低误码率。本文详细介绍了如何在该系统中对调制信号和干扰信号进行分析和控制，并讨论了信道编译码阶段所使用的Reed-Solomon纠错码，它们对提高工频通信的正确率起着至关重要的作用。 关键词 双向工频通信 差错控制 干扰特性 信道编码ABSTRACTTWACS is a new method of communication on power distribution networks.Its modulation and communication are unique and not limited by feeding configure, with and transformer configure.It can provide enough communication distance and anti-jamming capability.Many application can be explored with it,such as automatic emerge and control,automatic monitor and home electrical appliances automatization,thereby it has enough wide future.This paper researched the sixty-four-dollar question-error control in TWACS application.It took the analysis of channel disturbing character and modulated signal character to confirm the error control projects in outbound and inbound.It decomposed the whole system to thin parts：physical part,modulate part and system part to perform error control in the three parts to reduce error rate.The paper detailedly introduced how to analyze and control the modulated signal and disturbing signal in the system.Then it emphatically discussed Reed-Solomon encoding technology which are effective on controlling error rate. Key Words TWACS,Error control,Disturbing character,Channel encoding,Reed-Solomon Codes目 录一、 引 言1（一）问题的提出11、什么是工频通信12、电力配电网络的特点33、工频通信与差错控制4（二）差错控制技术5二、 双向工频自动通信系统6（一）工频通信的系统结构和实验系统61、子站端集中处理系统72、用户端系统8（二）双向工频自动通信技术的基本理论81、单相线路上输入和输出信号的调制原理92、输出通道调制原理93、输入通道调制原理10（三）信道干扰特征分析和调制信号特征分析111、调制信号特征分析122、干扰信号的特征13（四）输出通道的检波以及差错控制方案14（五）输入通道的检波以及差错控制方案16三、 工频通信中的差错控制编码17（一）数字通信系统的信道模型17（二）差错控制方式的选择20（三）差错控制方案21（四）RS编码的有关理论231、有限域的基本理论232、循环码的基本理论243、 Reed-Solomon码254、系统RS码的编码275、RS码的译码286、对调制器的编码29（五）差错控制编码的实际成果30四、 结论与展望30参 考 文 献32致 谢3334双向工频通信技术中的差错控制探讨一、 引 言（一）问题的提出1、什么是工频通信电力配电网络是我国线路分布最为广泛，并且也是与我们生活最为贴近的可通信网络之一。在电力配电网络上进行数据传输，对于实现远程测量和控制，是非常有效的。由于电力配电网络线路分布的广泛性，使得利用电力配电网络进行数据传输成为测量水、电、气和控制负载的最有效的途径之一。利用电力配电网络进行数据传输是一个非常有意义的研究方向，如何使传输效率更高、成本更低、可靠性更高，是目前各种传输方法一直在努力解决的共性问题。电力配电网络的复杂性为传输方法提出了各种难题，例如配电网络中存在的各种各样的电力设备、不同性质的用户、电容器组及变压器等为传输信息设置了非常复杂和恶劣的环境。一般来讲，目前国内在配电网上实现数据通信主要采用的是电力线载波法，电力线载波法是在电力线路上利用调频或调相的方法进行中高频率的信号传输，过变压器时要增设转接设备，以便使高频信号通过变压器。由于电力配电网络上的电力线路高频通道特性不具有一般性，即不同线路的特性差异很大。即使是同一条线路，其特性亦呈现时变性，而且，线路噪声功率亦较其他线路要大，为电力传输而设置的许多电容组等设备对载波干扰很大。在这样的通道上实现常规的窄带载波通信是困难的。扩频技术是目前电力配电网络信息传输中利用载波法可靠通信的主要手段。所谓扩频通信技术就是将信息频带展宽，而在接收端通过相关接收来恢复原始信息带宽的一种技术。系统牺牲带宽以降低对信噪比的要求，使信息传输更为可靠。同时，降低单位带宽上的功率谱密度，使信息更不易被截获。但是局限于其调制原理，利用载波法在配电线路上进行信息传输有个很大的缺点，就在于通信范围不够广泛。主要矛盾表现在由于高频信号无法直接通过变压器，若要求信号通过变压器，则必然要增设转接设备。以国内利用载波法进行用户自动抄表系统为例，主要是在配电变压器与用户之间传输，而且大部分是仅在用户之间传输采集到的数据，在子站与变压器之间常常是利用其他线路(如电话线等)进行传输。在一些先进的系统中，为使载波信号通过变压器传输至子站中央控制单元，必须在配电变压器上加入转接设备才能实现，这样就大大提高了成本。双向工频自动通信技术是针对这个矛盾而提出的技术，它的调制方式是将数字信号的“0”和“1”耦合到电力线上电压和电流的正弦波上去，将信号传输频率控制在与工频同数量级，以此来避开变压器对高频的阻挡，从而达到无需附加任何设备使信号通过变压器，大大提高直接通信的范围和距离；但这样也决定了它的信息传输速度不可能很高，属于低速率、低成本的通信方法。双向工频自动通信技术的特殊的调制原理和传输方式决定了这种技术的广泛应用前景，非常适合于需要高实时性而传输速率要求不高的场合。例如：楼栋实时报警系统、铁路信号灯实时控制系统、多用户流量分时采集系统等等。该方法同样在电力配电网络上调制信号，但其调制频率很低，调制信号的频率约为工频(50Hz)的37倍，因而被称为工频通信。双向工频自动通信技术的调制方法比较独特，具备特有的优势，它是利用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调的。与传统电力线载波法相比，该方法具有多种优点：它的调制频率低，信号在过零点附近调制，调制所需功率小，对波形干扰很小，使得电网信号的畸变处于很小的范围之内，对电网基本不造成损害。传统的载波法使用高频载波，对电网信号影响很大，容易造成电网信号畸变。不需要改造现有的电力配电网络，成本低廉，对远端设备或仪表的访问是直接的，无需增加中继环节，可以直接进行跨变压器台区通信，信号能够容易地通过变压器，不必增加多余设备。传统的载波法为使载波信号通过变压器传输。必须在配电变压器上加入转接设备才能实现，对端设备的访问也必须进行信号的转换，这样就很难控制成本。它对缓变干扰有极强的抗干扰能力，信号的上下行互不干扰，完全可以实现双向通信；利用电力线的多相性，容易实现多通道传输。传统的载波法对电网本身的频率和幅值变化敏感，信号在传输过程中易产生泄漏和旁路，造成信号衰减，针对电网的特殊干扰情况，抗干扰能力不强。由于该技术的调制技术决定的对通道的独占性和低频特性，对于每一个单独的信道，都可以认为该信道是实时信道，在多用户系统中，必须采用时分复用的原则来共享这个信道。传统的载波法则把信道划分为多个频带，使用频分复用的原则进行信道共享，这样高频信号的累积更加重了对电网正常信号的干扰。使用工频载波技术可以克服高频载波通信技术的多种不足：采用连续波形调制技术、自适应均衡技术、前向纠错技术等，可以有效的克服各种恶劣的通道特性，提高通信的可靠性。该技术也有其不足处，相比之下，该方法的传输速率要远低于载波方法，虽然经过一定的算法和组合调制可以进行多通道通信，使传输速率得到一定的提高，但是仍然属于低频传输，所以，其主要应用是在要求通信速率不高的情况下。对于较大范围的多用户网络，高频载波通信并不一定能得到比工频通信更快的传输速率。因为在这样的系统中，中心控制单元发出的命令，在载波通信中要经过多级中继和转换，而工频通信中的信息是直接送到远程用户上的。分析后可以发现，在传输范围很大的情况下，在远程抄表和负载控制方面，其传输效率完全可以与高频载波方法相媲美，而且，在更远和更多用户的情况下，还要超过高频载波通信方法。2、电力配电网络的特点工频通信的载体是电力配电网络，但电力配电网络是所有可通信网络中干扰最大，通信质量最差的网络之一。因为电力配电网络的主要功能不是通信，而是电力配电，网络设备的多样性和配电电缆的铺设方式都使得工频通信的信道环境非常恶劣，存在着多种干扰，其干扰源主要包括脉冲噪声干扰、窄带干扰和高斯噪声干扰等，此外在不同的地区，如重工业区和轻工业区，其所受干扰就有很大的不同,因此如何有效地实现信号检波是该技术能够投入实用的关键环节。3、工频通信与差错控制由于双向工频自动通信技术所具备的多种特性和优点，如果能够将该方法应用于我国的电力配电网络通信中，在自动抄表系统、远程负载控制、远程信号监控等多方面，能够大大提高效率和降低通信成本，其经济效益和社会效益十分巨大。工频通信技术在国外已经有一定的研究，将该方法直接应用到我国的电力配电网络通信中，最大的困难是我国电网的复杂性和高噪声环境。国外工频通信系统目前主要应用于北美地区的60Hz电网，并且环境相对较好，其电网阻抗基本在5欧姆以上，北美配电变压器标准与我国也有较大不同。我国的电网系统频率为50Hz，而且环境噪声极大，电网端阻抗基本都在1欧姆以下，配电方式不统一，城市与乡村的配电系统相差极大，存在多种变压器投入方式，因此无法直接套用国外的技术，而必须针对本地区的具体情况进行分析，采取适用于实际条件的方案，才能解决在当前强噪声环境下，如何进行可靠通信的问题。同时要尽可能的降低设备成本，使其能投入实用，是我们必须要面对的问题。通过对我国配电网络的各级变压器进行分析，可以得知：在我国标准的变压器组中，Y/Y0连接的变压器，可以让所有的相信号和线信号无损耗地通过；而Y/连接的变压器，由于在副边对零序分量的阻抗相当于无穷大，因而在到达副边的信号包含零序分量时，会有1/3的信号丢失，这部分信号，可以通过加入补偿电路进行补偿。其最终可以保证信号在通过变压器时无损耗。所以实际上，双向工频自动通信技术在我国电网系统上投入使用的主要障碍在如何将信号的错误率控制在可以接受的范围之内，因此需要对工频通信中的差错控制进行进一步探讨，这就是本文所要讨论的主要内容。（二）差错控制技术在信号传递过程中，会有多种因素使得信号可能产生改变，即出现差错。差错控制的目的就是尽可能地使出现错误的概率降到最小，并对接收到的信号是否为原信号进行判定。从另一个方面来说，控制差错率也就是提高通信的正确率。为了使双向工频自动通信技术能够得到实际应用，关键在于提高通信的正确率。但是由于工频通信信道环境恶劣，干扰很强，各种干扰使得工频信道误码率高达10-2 10-1，若仅使用单一的差错控制技术，无法使误码率降低到适合数据传输的要求。由此必须在通信的各个层面上，分别使用不同的差错控制技术，分阶段地对差错率进行控制，相互结合，进行互补，才可以做到在多个层次上对信号进行差错控制处理，从而提高传输信号的正确率到可以接受的水平。在选择要采用的差错控制技术时，必须考虑以下方面的因素：首先工频通信系统的实际应用通常要求数据的完整性和准确性，要保证数据准确，反馈重传是必不可少的一个环节，这显然增大了数据传输的开销。其次工频通信系统对实时性的要求较高，使用前向纠错编码是非常适合的。但是限于传输速率较低，整个系统必然受到通信时间的限制，若是采用冗余量较大的差错控制方案，固然满足了对数据准确性的要求，但是数据量过大，通信时间不够，很可能造成信道堵塞、通信崩溃，无法达到实时控制的目的。因此，针对这两方面的矛盾，必须找到一个合适的方案，对差错控制所造成的开销进行详细的分析和控制，以保证在增加的通信冗余量不大以满足实时性的基础上，将重传率控制在一个不会造成信道阻塞的程度，是我们所探讨的。最后必须考虑到工频通信的产品必须面对大批量各阶层的用户，要满足低成本、低价格的要求。经过对工频通信信道进行分析，我们将工频通信系统中的差错控制分为三个相关的层面：在进行数据传输的底层物理电路上，可以加入滤波电路和信号调整电路；为确定是否载有信息，在调制解调阶段，对采样所得的波形信号可以采用特殊方法进行分析检测；最后对于通信信道编译码层次，由于衰落和干扰所造成的误码会产生随机差错和突发差错，因此要采用合适的编译码方案对信号进行编码和解码。这三个方面就是本文下面几章所要讨论的主要内容。二、 双向工频自动通信系统双向工频自动通信系统TWACS(two way automatic communication fordistribution system)，是以双向工频自动通信技术为基础，结合了差错控制技术和多路编码方案所构成的系统。该系统能够在普通配电网络上实现跨变压器通信；可通信距离长约为15公里；在低噪声的居民区和轻工业区，误码率可以控制在10-6以下，在高噪声的重工业区，误码率也可以控制在10-5，完全能够满足对速度要求不高的通信要求。基于TWACS可以开发出自动抄表、即抄即控、自动监控、信号灯控制及家电自动化等应用产品，开拓出一个新的应用领域。（一）工频通信的系统结构和实验系统双向工频自动通信系统中，子站端为通信系统的主控方，它以时分复用的方式每天向每个用户发送请求信息。由于子站端要处理其所控制下的多用户数据，其配置通常为主控机，一个中等采样率的模数转换器，获取信号的方式为使用采样卡进行信号采样以及一个专用模拟信号处理模块。在这种低频线路上，采样卡的数据采集速率只要达到18KHz便可以满足在每个周期(T=0.02s)每隔一度进行采样的要求(f=360/0.02=18000Hz)。用户端为系统的受控方，通常有800 1000户端用户，为降低成本，用户端不可能使用采样的方式来获取数据，而必须通过使用分压比较电路来进行信号测量。这也是由工频通信的原理决定的，用户端所接收的是输出通道上的信号，其载波为电压信号，相对电流信号而言，电压信号稳定，变化范围不大，依照我国电力规范，电压信号的变化不允许超过5%，因而，使用比较电路完全可以满足输出端检波的要求。用户端的配置通常可采用单片机，并与相应的接收电路和发送信号电路相配合，即能够满足要求。在实际应用中emod的幅值约为E的15% 35%左右。双向工频自动通信系统由中央控制单元、子站端调制解调设备和用户端调制解调设备组成。通信信号示意图如图2-1所示。图2-1通信信号示意图子站配电变压器用户用户信息传输通道电力配电网络二次变压器配电线路配电线路整个系统的简略运行流程如下：(1)子站按照实际的要求以广播的方式发出查询信号，要求该子站控制下的某用户向子站发送当日信息，用户间以不同的地址编码相区别，该信号通过输出通道进行传输。(2)用户接收到查询信号取出其自身地址码与子站广播的地址码相符时，确认是对本用户的查询，该用户通过输入通道发送数据包。(3)子站端接收数据，并进行检错分析，若出错，请求重传；若无误，录入数据库，并广播下一用户查询信号。1、子站端集中处理系统子站端集中处理系统包括：集中数据处理主机、系统采集卡、输出通道数据发送电路和通信附件。其中集中数据处理主机采用高端PC机，其主要功能为处理采样数据、信道编译码和对多用户进行分时处理，通信附件包括输入键盘、显示器和打印机等。系统采集卡采集和处理破监测的数据，并将其传送到主机。它主要包括用于模/数转换的芯片、用于串行通信的芯片、作为电压过零检测的芯片和用于电变换的外围硬件线路等。其电流采样设计为：从每根电力线输入的电流，经电流传感器变为05V电压，经模数转换处理，变换为数值量(0255)后，存于主机，并进行处理。输出通道数据发送电路则依据主机要求对电压进行调制，发送用户控制信号。2、用户端系统用户端系统负责统计用户数据、接收主机指令、发送数据。它包括：数据处理芯片、电压状态量采集电路、输入通道调制电路和通信接口电路。数据处理芯片为采用89C51芯片的单片机。（二）双向工频自动通信技术的基本理论工频通信的载波通道为普通的工业和民用电力网络，其载波频率为50 Hz，双向工频通信的传输通道分成两个部分：由子站向用户传输数据，称为输出信号通道(outbound signal)；由用户向子站传输数据，称为输入信号通道(inbound signal)。该方法的设备由子站端调制解调设备和用户端调制解调设备组成，在传输通道上无需任何附加设备。简单的说，这种方法的原理就是利用工频电压基波过零调制的方法实现信号的调制和解调，调制信号的频率很低，与工频同数量级。双向通信中的输出通道，利用电压波形调制来传送信息，一般用于由子站端到用户之间的通信。输入通道是由用户向子站端传送信息的通道，利用调制电流基波波形的方法来实现。这种调制信号本身的频率很低，因此，可以直接通过变压器，实现跨台区通信。同时，叠加于工频基波上TWACS调制信号可以直接传输到远程用户处，不需要中继环节，没有驻波和盲区现象。相邻波形基本相同的特性决定了在检测时可以削弱缓变干扰的影响。只要能够测出相邻波形之间存在所加入调制信号的变化特征，就可以认为有信号调制，并根据相应的位置判断出所调制的信息。在这种情况下，调制信号无泄漏和旁路，只有非常低的衰减并且不损害正常波形，对电网本身干扰很小。1、单相线路上输入和输出信号的调制原理实际配电网络中，通常是以三相电路来传送电能，与此相应的调制信号也分别在三相线上传送。但由负载平衡条件下三相电路的对称性，我们可以先分析在单相线路上两种信号的调制过程。2、输出通道调制原理EECLiRiSZCViC图2-2输出信号调制的理想电路双向通信中的输出通道，利用电压波形的调制来传送信息，通常是用于从子站向用户发送信息。图2-2和2-3分别是输出信号调制的理想电路和波形图。图2-3输出信号调制的波形图yTEliemod如图2-2电路中，通过控制开关S的关断，在E上附加了一个调制电压emod (图2-3)。E为变压器单相绕组电压，波形为50Hz正弦波，Li、Ri为变压器的漏阻抗，串联了一个控制阻抗ZC和一个开关S以及控制电压Ec。图2-3中，在电压波的过零点附近，S关断一小段时间T。电流ic在漏抗上引起压降： 这个调制电压emod即为耦合到电压波形上的输出通道调制信号。在这个理想电路中，电流ic依靠于E，Li，Ri，Zc，Ec和T，可控参数为Zc，Ec和T。改变Ec和Zc可改变emod信号的强度和在相位上的偏移；改变，即改变T可以调整emod信号在一个周期中所占的宽度。实际应用中，大多数配电子站变压器上RiLi，可忽略Ri的影响。3、输入通道调制原理图2-4输入通道调制的理想电路VIPLS双向通信中的输入通道，是利用对电流基波波形的调制来传送信息，通常用于从用户向子站端传送信息。输入通道不需要使用隔离变压器。其电路和波形图如图2-4和2-5所示。图2-5输入信号调制的波形图VIP如图2-4中，仍然在电压过零点附近，S关断一小段时间T，此时在L上产生一个瞬时电流Ip，附加在总线电流上。令，以S的关断为起始点，此时刻Ip=0，则可得到： 在这里，IP代表着输入通道上的调制信号。从上式可知电流IP依靠于V，L，和T，其中可控参数为L，和T。改变L可改变IP信号的强度；改变即改变T可以调整IP信号在一个周期中所占的宽度。从以上分析可以看到，不论是输入还是输出通道，都是在电压波形的过零点处附近调制，因为该处系统能量最小,调制所需能量也最小，同时，50Hz波形的过零点为检测时间和信号查询提供了自然的位置,所有通信都容易同步到实际的频率上去。（三）信道干扰特征分析和调制信号特征分析工频信道通信环境很恶劣，因为在普通电力线上。存在多种干扰，其干扰源主要包括脉冲噪声干扰、高斯噪声及50HZ谐波噪声干扰等，此外在不同的地区，如重工业区和居民区，其所受的干扰的情况有非常大的不同。在重噪声区，脉冲干扰是最为频繁的，脉冲噪声主要由瞬间短路、功率器件的开启与阻断等现象和行为产生，应该说脉冲噪声是信道通信中存在的最大障碍。由于脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号的误码率高，使得接收装置无法对信号进行正确的纠错；另外，它还有可能使接收设备内部产生白干扰，严重影响整个系统的工作。所以，对这种干扰的抵御就显得尤为重要。高斯噪声可认为是低压电网的背景噪声，主要由配电变压器的高压边耦合而来。双向工频通信技术采用相线作信号传输线，信号传输回路与电力传输回路是重合的，其衰减特性主要由电器的分流作用及传输线的高频传输特性决定，其通信质量同时也受电器设备及各种干扰的严重影响。谐波噪声干扰源于网中的谐振现象，主要是由电网中的补偿电容排所带来的。以上各种干扰使得工频通信信道误码率高达10-2 10-1。图2-6低压电网的电力线抽象信道模型发送信号s(t)信道滤波器H(f,t）S(t)接受信号r(t)n(t)(背景噪声)A(t)B为了针对这些不利方面采用相应的措施，需首先认识信道的干扰特性、衰减特性和阻抗特性，需要建立抽象信道模型。低压电网的常见负荷可分为纯阻(R)、纯感(L)、纯容(C)3类。根据负载的随机接入和撤出，R，L，C的瞬时相对份额以及频率参数的变化，其阻抗特性难以准确描述。因此首先必须取得相应的实验数据，以建立所需的信道模型，在取得实验数据并进行综合分析后，可以得到一般情况下低压电网的电力线抽象信道模型。 图2-6中，H(f，t)为信道滤波器的时变频率特性，A(t)为时变衰减参数，B为信号与噪声衰减相对比例常数。信道模型表明，低压电网的数据传输易受短时脉冲干扰而发生突发差错，同时易受随机高斯噪声干扰而产生随机差错，即低压电网工频通信信道是一种典型的突发与随机错误并存的混合信道，在输出通道上以高斯噪声为主要干扰，在输入通道上以瞬时脉冲为主要干扰，同时其它各种类型干扰共存的复杂通信环境，使通信质量大大降低，信息丢失严重，使在一般无长突发误码干扰的通信环境下通常采用的纠错抗干扰方案面临新的挑战。如何解决移动数字信道的差错控制抗干扰问题包括两方面内容：一是如何利用信道模型合理地、准确地描述这种特殊信道的误码特征，称之为信道模化问题；二是在给定的信道模型基础上，讨论不同编码方案的纠错性能。1、调制信号特征分析从调制原理可以看出，由于电网中各种参数变化的影响，在这样的瞬态变化过程中，调制信号的频率、幅值和过渡过程时间都是变化量。根据一般情况下电力配电网络的电路参数，对于实际调制信号进行特征分析，可得到调制信号的调制参数。在大多数配电子站变压器上RiXj，故子站变压器阻抗Ri的影响可以忽略。为了保证电压的渐变和隔离，使用了一个给定容量，Xj和Ri的调制变压器。开关S是一个脉冲触发的晶闸管，因为控制电流的感应，电流ic在一个超过电压零点的位置到达零点(参见图2-7)。在这时刻如果没有门脉冲，SCR被逆转而且停止接通。从不同的相电压上能得到控制电压ec，它唯一的功能是允许将emod移动到电压波形上不同的点。从图中我们可以看出，这个调制变压器和配电子站变压器是输出发送单元的重要组成部分。LEicicN1N2RcLcecSV图2-7输出信号调制的实际电路2、干扰信号的特征结合信道干扰的特征分析，工频通道上的干扰主要来自以下几方面：(1)高斯噪声，属于随机噪声干扰，它们不仅对工频通信的调制信号有很大影响，对电网本身也有较大的损害，无规则的高频低幅信号，对于输出通道，它在规则的电压正弦波形上形成毛刺，对于输入通道，它在剧烈变化的电流波形上形成毛刺。(2)由于在电力线上的电流大小随机，幅值变化剧烈，输入通道调制信号极易被淹没于大背景电流和强脉冲噪声信号中，电力线上最常见的干扰是瞬时脉冲干扰电流，经实践测算和分析，它在产生后，必定在一个周期内消失，和调制信号有很大相似之处。实际上这种瞬时干扰电流的产生方式与调制信号的产生方式几乎相同，其来源是输电线路上各种类型的容性和感性负载，它们处于与调制电感L相同的地位，在接通与关断的操作下，很容易产生瞬时振荡，很明显，这种瞬时振荡信号的产生与调制信号有很大的相似性，其频谱空间与调制信号的频谱空间重叠，它们与调制信号的区别主要在于其振幅与相位完全一致的可能性极小。而瞬时脉冲干扰电流反映在输出通道的阻抗上，就形成了瞬时脉冲干扰电压，与输入通道上干扰相同，过滤它的办法是在时域分析中，通过对振幅和相位的检测进行区分。(3)、和的波动，分别使emod和imod产生相位、振幅和频率方面的变化，的变化来自于发电机组的转速发生变化，虽然其变化很微小，而且很缓慢，但一旦变化超出检波器可控制的范围，就会被当成噪声而被滤去，从而造成错检和漏检，和的变化，有多方面的原因，主要的是大负载的突然投入和撤出，以及供电端电网电压的波动造成，在输出通道上，相位、振幅的变化对检波的影响尤为重要；在输入通道上，则必须随时检测频率的变化。(4)谐波噪声干扰来自于网中的谐振现象，主要是由电网中的补偿电容排所带来的，它的主体是50Hz整数倍的高次谐波分量。（四）输出通道的检波以及差错控制方案由于我国的电网环境比较复杂，如何根据自身的电网情况可靠地实现双向工频自动通信是目前研究的主要问题。分别针对不同的干扰信号，输出通道和输入通道必须采用不同的检波方式，同时采取相应的差错控制技术。对于输出信号的检测，由于输出信号叠加在电压的正弦波上，相对电流波形而言，电压信号的振幅变化较小，调制信号的检测相对容易一些。目前，应用最多的输出信号特征提取方法是时域测差法。这种方法抗干扰能力差，在强干扰情况下效果很不理想。在这里提出一种改进时域比较测差法，可称为“斜面检测”方法。如图，在接收端，两个门槛检测器在V1和V2上设置了与常数高频计数器的工作关联来计算(t+10)，(t+20+)，二进位“0”和“1”每个包含50Hz波的两个完整的周期。当接收器与包含着位“0”或“l”的发送者合适地同步时，检测式执行以下的解码操作：(t+10)-(t+20+)=(10-20)-这定义了位“0”。(t+11+)-(t+21)= +(11-21)这定义了位“1”。 图2-8 “斜面检测”法V1V2t+10t+20+t+11+t+21m11“0”m11“1”(10-20)和(11-21)被定义为噪音。经过实地测试可获取|10-20|和|11-21 |的高斯分配：在居住区中值在3-5秒，重工业区中值为7-10秒。为了给可靠通信提供安全余量，信噪比的期望值为4。如图2-8中所示，若假定V1和V2为常量，代表了接收方的电压，那么：经分析可知，如果以50Hz下的作为参考，那么，这表明，电压上10的波动导致了T上10的波动。电压波动的影响占很大的优势，所以应该让V1和V2随着在负半周的变化而变化，以V/。而不是用V来进行检波。又由于过零点频率抖动的影响很小，而在一个实际输电系统中不常有频率改变，而且即使改变，其变动周期也较长，可以不予考虑。这种“斜面检测”方法针对因为、的波动造成的干扰，采用了取相对量的方法，使用于检波的信息随、的变化而变化，从而避免了电网电压和频率的变化造成的检波错误。同时，该方法采用了双门槛检测器，分别在正半波和负半波上，针对原始信号和调制后信号在时间轴上的差异最大处进行检测，可以最大限度地将与调制信号不同地瞬时脉冲干扰区分开来。当然，“斜面检测”方法还需要用其他的抗干扰设计来与之配合才能起到最好的效果，在使用电压互感器将信号从总线上耦合下来之后，必须通过电压限幅电路和高频滤波电路，去除大部分的高斯噪声和谐波干扰，才送入门槛检测器进行比较；另一方面，电压过零点作为检波最重要的参考点，为了防止发生过零点漂移，要在用户端系统中，加入自学习模块。该模块每隔一定的时间分别对过零点、电压振幅和电压频率进行学习和调整，以防止发生因零点、电压和频率漂移而造成的漏检和错检。（五）输入通道的检波以及差错控制方案在整个双向工频自动通信系统中，输入通道的检波是举足轻重的环节，因为在实际应用中，输入通道上的信息量占到了整个工频通信信息量的95%以上，因此，如何提高输入通道的检波正确率，尽可能地减少输入通道数据的重传，是提高双向工频自动通信系统的通信速度，保证通信质量的关键。输入通道信号为电压基波过零点附近的电流波形上的信号，它精密地产生和限制在过零点前后的一个小段内。输入通道信号通常是在子站的相线或中线上检测。它类似于一个电流脉冲，被添加在子站的总线或中线电流上，通过不同的技术从背景电流中抽取和检测出来。发送器包括了负载电感L和一对反并联的SCR。在220V的过零点之前大约40度，一个SCR导通。从200V电源拉出一个峰值被电感L限制在60-70A的电流脉冲。当IP=0时，SCR自动关断。两个SCR的反并联允许在正负过零点上产生双级信号。之所以选择峰值电流的大小为60-70A，是基于对用户的用电方面的干扰达到最小，而又易于检测信号的适当取值来选择的。既然输入通道信号定位在电压波的过零点周围，它就通过对照固定的子站向电压过零点设置扫描窗口，简化信号寻找。因此，在输入通道的检波中，重要的一点就是电压波过零点信号的同步，作为检波参考点，只有时刻保持对过零点时刻的监视，才能保证输入通道信号不会因过零点漂移而发生错检或漏检现象，类似于输出通道，也要在子站系统中加入自学习模块。该模块每隔一定的时间分别对过零点、电压频率进行学习和调整，以防止发生因零点、电压和频率漂移而造成的漏检和错检。由于电力线上的电流信号与电压信号不同，并不是规则的正弦波，而是变化极为剧烈的无规则波形，所以输入通道的检波只能通过数模转换器来取得采样值进行分析检波。显然输入通道的调制信号仅占整个周期的一部分，经过实际考察和验证，对整个调制波形每隔1度采样，取80个采样值即足以获得调制信号的主要特征，并能够进行有效的检测。但是，为了便于设计检测算法和选择A/D转换器，在实际应用中可以选择进行全周期采样，这样对计数、同步和控制都有很大的方便，而且也不用提高采样率。因此，A/D转换器的数据采集速率只要达到18KHz便可以满足在每个周期(T=0.02s)每隔一度进行采样的要求(f=360/0.02=18000Hz)。从上面对输入通道特征信号和干扰信号的分析中可以知道，在系统中加入自学习模块以及在电路中加入高频滤波电路这些差错控制方法后，对输入通道上的某些干扰起到了一定的遏制作用。瞬时脉冲噪声是对输入通道信号干扰最严重的，为了将瞬时脉冲噪声与调制信号分离，以前的方法一般是使用时域上的信号比较检波法和频域上傅立叶变换检波法。但是这些方法都不能完全描述其时频变化过程，仍需要找一种在时域和频域均有良好表现的分析方法是实现输入通道调制信号有效检测的关键。三、 工频通信中的差错控制编码（一）数字通信系统的信道模型工频通信系统实质上仍然属于数字通信系统，其通信的目的与其它通信系统并无二致，都是要把对方不知道的信息及时可靠地传送给对方。如何较合理地解决可靠与速度这一对矛盾，是正确设计通信系统的关键问题之一。图3-1 数字通信系统模型信源信源编码器信道编码器信道调制器噪声源解调器信道译码器信源译码器信源所有数字通信系统都可归结为如图3-1所示的模型。图中，信源编码器是把信源发出的消息如语言、图像、文字或数字等转换成二进制(也可转换成为多进制)形式的信息序列，并且为了使传输有效，还去掉了一些与传输信息无关的多余度。为了抗击传输过程中的各种干扰，往往还要人为地增加一些多余度，使其具有自动检错或纠错功能，这种功能由图中的信道编码器即纠错编码器完成。调制器的作用是把纠错码送出的信息序列通过调制器变换成适合于信道传输的信号。数字信号在信道传输过程中，总会遇到各种干扰而使信号失真，这种失真信号传输到接收端的解调器，进行解调，变成二进制(或多进制)信息序列。由于信道干扰的影响，该信息序列中可能己有错误，经过信道译码器即纠错码译码器，对其中的错误进行纠正，再通过信源译码器恢复成原来的消息送给用户。很显然，在前两章我们所讨论的内容与图3-1中从调制器到解调器这个阶段的信息传输相对应，而本章则主要关心的是信道编、译码器即纠错编、译码器这两个方框。为了研究方便，将上述模型再进一步简化成图3-2所示的模型。在此模型中，信源是指原来的信源和信源编码器，其输出是二进制或多进制序列。信道是包括调制器、实际信道(或称传输媒质，在本系统中为配电网络)和解调器在内的广义信道(又称编码信道)，它的输入和输出图3-2 简化模型信源检、纠错码编码器编码信道噪声源检、纠错码译码器信宿mCR=C+E都是二进制或多进制数字序列，而信源和信宿在本系统的输出通道中即为主控端服务器和用户端计算机，在输入通道中则正相反。在信号传输过程中，解码器端由于信号失真比较严重造成难于判决。此时，如果必须做出是0或l的判决，称为硬判决。另一种是对该码元暂时不作判决，而输出一个未知或待定的信号“x”，称为删除符号。第三种方法为输出一种有关该码元的信息，称为软判决。比较而言，软判决的性能较好，但实现起来较复杂；硬判决实现起来比较简单，性能较差。从前面的检波方案中可以看出，根据本系统检波方案的实际情况，我们使用的是二进制的硬判决方案。结合以上分析我们可以对编码信道做出如下的分析：1随机信道 经过调制器和解调器的滤波，信道上的随机噪声大幅降低，达到了通信和编码可以接受的程度，但是不可能完全去除，还是有相当部分的随机干扰存在。需要通过纠错码来解决；同时，在调制解调过程和信号传送到编、译码器的通道上，也会有随机干扰的加入，因此，在编码信道上，随机噪声仍然是一种主要的干扰源。对于随机噪声所引起的错误，错误码元之间没有相关性，这种信道称为二进制对称信道(BSC)，也称为随机信道或无记忆信道。2突发信道 在通信信道上产生的瞬时脉冲干扰，具有以下特点，它们通常是由于各种负载的接入和撤出所引起的，但是从实际的测试和分析中，我们可以了解到，在实际的接通和关断电路中，由于接触器的物理特性和电气特性(如接触面的不平滑和电火花的出现)，在它们接通和关断的瞬间，并不仅是只有一次的接通和关断，而是在那接触的0.5s到1s的时间内，有多达数十次的通、断过程的存在。反映到我们的通信信道上，就是在这数十个连续的正弦波周期中，存在连续的噪声干扰。因此，这种干扰引起的错误，不是随机错误，而是密集地出现，这种产生比较密集错误的信道称为突发信道或有记忆信道，产生的错误之间有相关性。3复合信道 由于本系统实际信道干扰比较复杂，所引起的错误不是单纯的一种，而是两种错误形式并存，像这种随机错误与突发错误并存的信道，称为组合信道或复合信道。作为检错与纠错用的抗干扰码，必须针对这类信道中的各种错误，设计即能纠正随机错误又能纠正突发错误的码。（二）差错控制方式的选择在数字通信系统中，利用纠错码或检错码进行差错控制的方式大致有以下几类：(1)重传反馈方式(ARQ)。对于应用ARQ方式纠错的通信系统，发送端发出能够发现(检测)错误的码，接收端收到通过信道传来的码后，在译码器根据该码的编码规则，判决收到的码序列中有无错误产生，并通过反馈信道把判决结果用判决信号告诉发送端。发送端根据这些判决信号，把接收端认为有错的信息再次传送，直到接收端认为正确接收为止。(2)前向纠错方式(FEC)。利用前向纠错方式进行差错控制的数字通信系统，其发送端发送能被纠错的码，接收端接收到这些码后，通过纠错译码器不仅能够自动地发现有错误，而且能够自动地纠正码字传输中的错误。这种方式的优点是不需要反馈信道，能进行一个用户对多个用户的同播通信，译码实时性比较好，控制电路比ARQ的简单。其缺点是译码设备比较复杂，所选用的纠错码必须与信道的干扰情况相匹配，因而对信道的适应性较差。(3)混合纠错方式(HEC)。这种方式是发送端发送的码不仅能够被检出错误，而且还具有一定的纠错能力。接收端接收到码序列后，首先检验错误情况，如果在纠错码的纠错能力以内，则自动进行纠错。如果错误过多，超过了码的纠错能力，但能检测出来，则接收端通过反馈信道，要求发送端重新传送有错的信息。这种方式在一定程度上避免了FEC方式要求用复杂的译码设备和ARQ方式信息连贯性差的缺点，并能达到较低的误码率，因此在实际中的应用越来越广。对于我们所关心的工频通信系统，电网信号比较特殊，作为双向信道，子站变压器副边为主控端，通常采用高级主控机对多路输入信号进行收集采样，同时发送控制信息；每个端用户为受控端和信息采集端，通常使用单片机来接收和返回信息，而且由于端用户数量庞大，只能使用单片机作为解决方案，才可能控制成本，使其得到广泛应用，所以我们的编码方案的分组长度、数值计算的复杂度和信号处理的速度必须适合于单片机使用。从信息负载量来看，输入信道上是端用户向主控端发送的数据信息包；而输出通道上则是主控端向各用户广播的控制信号，相比较而言，输入信道上的负载远远大于输出信道上的负载。考虑到工频通信系统为双向通信信道，其上下行互不干扰，完全可以互相构成反馈信道；请求重传反馈信息数据量小，对整个系统的信息负载量几乎不造成影响；工频通信的实时率要求较高，同时由于TWACS系统的信道误码率极高，在强干扰时，极易产生突发错误，且基本上不可纠正。因此必须采用混合纠错(HEC)的差错控制编码方式。在可控制范围内的差错可以由前向纠错编码(FEC)纠正，若是在接收端发现无法纠正的错误时，则重传反馈(ARQ)就要求发送端重发这部分有错的信息，直到接收端认可为止。（三）差错控制方案信道编码的实质是提高信息传输的可靠性，或者说增加整个系统的抗干扰能力。对信道编码的要求主要有两条：一是要求编码器输出码流的频谱特性适应信道的频率特性，从而使传输过程中能量损失最小，提高信号能量与噪声能量的比例，减小发生差错的可能性。二是增强纠错能力，使得即使出现差错，也能得以纠正。前者要用到频谱成形技术，后者则要用到差错控制技术。在工频通信系统中，传送的是50Hz200Hz的工频信号，它使用50Hz作为输入输出信号的载波频率通道，在电压波形的过零点附近加入调制信号，其调制信号的频率较低，与工频同数量级。在传输过程中的能量丢失很小，由电流和电压基本波所携带的信号能够很轻易地在配电线上传播，只有在通过某些变压器时会出现信号丢失1/3的情况，而这种情况可以通过附加增幅或增强检波分辨率来改善，因而该系统信号的频谱特性与传输信道的频率特性有较好的匹配性。在我们的