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tx060系统数据帧同步设计及可靠性研究,机械毕业设计

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数字通信系统帧同步设计及可靠性研究 一 引言 在基于电力线路网络的通信系统开发中，提出了一些有效的数据帧同步的技术解决方案。 由于电力线载波在电力系统中使用坚固可靠的高压电力线作为信号的传输媒介，可节省大量的通道建设投资，再加上电力线载波信息传输稳定可靠，路由合理，安全保密以及能够同时复用远动信号等特点，使得 在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竞相发展的今天，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，仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍是电 力通信网的重要的基本通信手段。 二 课题意义 目前，较受关注的还是电力线载波 PLC（ power line communication） 抄表系统。 电力线载波 PLC 是电力系统特有的、基本的通信方式，由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠，路由合理、可同时复用远动信号等特点，是一 种 不需要线路投资的有线通信方式。由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制， 由于 电力线本身存在 多种 干扰 因素 。 造成 系统的发送和接收同步时钟抖动特别大。正是由于电 力线对载波信号频率的严厉选择性和发送、接收同步时钟的抖动，导致了电力线数据通信的种种困难和问题 1。这使得课题的研究成为必要。 三 国内外 电力线载波数字通 信 技术 发展现状 3.1 现有的两种实现电力线数据通讯手段 作为通讯技术的一个新兴应用领域，电力载波通讯技术以其诱人的前景及潜在的巨大市场而为全世界所关注，成为世界各大公司及研究单位争相研究的热点。 在 自动抄表系统 、 智能小区 、及 家居智能化 等方面都有着广泛的应用。 在电力线上实现数据通信，人们进行了很多的尝试。电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、脉冲 噪声以及等幅振荡干扰等不利于数据传输的特nts性。为了排除这些干扰，目前利用电力线进行通信的产品中，主要采用两种窄带载波 FM 通信方式和扩频通信方式。传统窄带载波 FM 通信方式是一项成熟的传统技术。其在电力线模拟通讯方面已达到实用标准，能够做到在电力线上跨相位甚至跨变压器进行通讯，价格低廉且较为容易实现，所以在应用中比较普遍。但该传统窄带载波 FM 通信方式最大的缺点是不能进行数字信号的传输。 而 扩频通信方式 则 是一种利用类似以太网的带有冲突检测机能的载体侦听多重访问CSMA/CD（ Carrier Sense Multiple Access/Collision Detected） 协议的扩频通信技术。它利用一系列短促的、可自同步的扫描频率作为载体，这种 扫描频率具有固定模式，可被网上的任意结点接收。具有较强的 抗 干扰能力和自相关特性，可以使所有连接在网络上的设备同时识别从网上任意设备发出的独特 信号 ，而不需要在发送和接收设备间进行同步。但扩频通信方式传输距离较近，只能使用单信道频段，系统成本高，很难实现双工数字通讯。 但是从 自动抄表 的功能特点来看， 扩频通信方式 已经成为目前在电力线路载波通信方面最适合的技术之一。 3.2 现有的 帧同步编码 方案 由于 扩频通信 的同步建立需要时间，目前国内已经实现的同步位编码方式为，在每帧数据之前要有至少 16bit 的同步引导位，为了可靠起见，同步位的设置一般都为 64bit，全部为 1 或 0。经过 64bit 的接收，接收机已经可以建立精确同步。同步位结束后发送两个规定内容字节，可以选取一个波形类似于噪声的数据，用于标志同步结束。然后开始数据帧的传送。为保证数据帧的最后一位正确接收，在数据帧发送全部结束后，再补发 8bit 的同步尾，这 8bit 同步尾的内容可以随意 2，并不作为有效的数据进行传输。 四 电力线数据通信帧同步 存在的技术问题 自 1990年以来，国内外对电力线数据通信问题开始关注，并做了许多研究和实验工作。就目前我国的研究和应用现状来看，还没有成熟可用的解决方案。主要存在的问题是：数据传输的距离短，只有 100m-200m；数据传输速率不稳定，短时间内可以从几 Mbit/s降低到几 kbit/s,波动非常大；系统实现比较复杂，成本较高。所有这些问题限制了电力线数据通信的实际应用。 上述问题的存在，表面上是由于受到了很多环境因素和诸多系统内部技术因素的影响，但通过分析和研究，最根本的问题在于：电力线对频率在 2MHz 30MHz的载波信号具有非常严厉的选择性，不同频段的信号在线路上传输产生的相角滞nts后有非常大的差异；另外，由于电力线路的多种干扰因素，系统的发送和接收同步时钟抖动也特别大 1。正是由于电力线对载波信号频率的严厉选择性和发送、接收同步时钟的抖动，导致了电力线数据通信同步建立的种种困难和问题。针对这些问题，必须找到合适的信道处理技术加以解决，才能确保电力线数据通信能够稳定高效地进行。 实际上，在现代数据通信技术领域中，数据传输 的发送和接收数据帧同步以及信道均衡技术是核心的信道处理技术。由于发送和接收时钟的抖动以及信道对频率的选择性，信号经过信道传输后，信号的幅度和相位都将发生变化，且变化的大小与信号的频率有关。一般说来，信号频率越高，信号经过信道传输后的幅度衰减越大、相位滞后也越厉害。信道的这种频率选择性给数据通信带来极大的困扰。 数据帧在信道发送和接收的帧同步以及信道均衡技术，就是用于消除信道的这种频率选择性的信道处理技术，不同频率的信号在经过均衡处理和数据帧同步后，可以具有大小基本一致的相位滞后与幅度衰减。因此，采用合适的信 道均衡和数据帧同步技术，将是确保电力线数据通信实现和提升性能指标的关键 1。 五 拟采用的研究方法 考虑到电力线载波 通信 的同步建立需要较长的时间，同步位编码应该尽量长些，初步采用 64bit 的码长，便于建立精确的同步，但有可能造成传输效率较低。同步头的编码方式应主要考虑区别于有效数据的特殊码型，预计采用比较常用的巴克码作为编码方式。同步识别端相应地采用巴克码识别器进行同步识别。调整识别器的判决电平来检验帧同步可靠性。实验过程中的同步仿真通过 MATLAB 软件实现。 nts参考文献： 1易灵芝，王根 平 .基于电力系统线路信道的数据帧同步技术 .电力系统自动化， 2005 年 4月 25 日，第 29 卷第 8 期： 79-82. 2易灵芝，王根平 .电力线系统的数据帧同步技术 .电工技术学报， 2005 年 10 月，第 20 卷第 10 期： 115-118. 3刑明海，胡静宇，邓海峰 .低压电力系统载波抄表系统中的通信技术应用 .华工自动化及仪表， 2002 年，第 29 卷第 1 期： 38-42. 4王兴亮 .数字通信原理与技术 .西安电子科技大学出版社 ,2004 年 .271-277. 5杨国宇，徐炜炜，钱乐伟 .扩频通信在电力线载波抄表系统中的应 用 .合肥工业大学学报 , 2003 年 2 月，第 26 卷第 1 期： 150-153. 6邓华 等 .MATLAB 通信仿真及应用实例详解 .人民邮电出版社 ,2003 年 9 月 .1-65. 7丹梅 .自动抄表系统帧中继技术及其实现 .仪表技术 .2002 年 ,第 1 期 :15-17. 8钱乐伟，温阳东，丁芝萍，汪东林 .一种基于直接序列扩频通讯的电力载波采集器 .合肥工业大学学报 .2002 年 10 月，第 25 卷增刊 :885-888. 9刘冰，乔佩利，赵妍 .一种载波自动抄表系统的通信解决方案 .哈尔滨理工大学学报 .2005年 4 月，第 10 卷 第 2 期： 48-50. 10吴玉成，许太火，王黎明 .帧同步电路设计 .现代电子技术 . 2003 年，第 4 期： 69-73. 11刘顺兰，吴杰 .数字信号处理 .西安电子科技大学出版社， 2004 年 3 月， 241-262. 12John G.Proakis , Masoud Salehi.现代通信系统 -应用 MATLAB.科学出版社译制 .412-435. 13Michael Arzberger, Kjaus Dostert. Frame Synchronization for Frequency Redundant Transmission of Data over Power Lines .Insitute for Industrial Information Systems:1092-1096. 14AL-DHAHIR N， CIOFFI J M. Optimum Finite-length Equalization for Multi Carrier Transceivers. IEEE Trans on Communications 1996,44(1):56 64. 15CHOW J S， CIOFFI J M. A Cost-effective Maximum Likelihood Receiver for Multi Carrier Systems. In: Proceedings of IEEE International Conference on Communications, 1992(2):948