扩频通信技术在哈二局电力线远程抄表系统的应用研究硕士毕业论文

1、扩频通信技术在哈二局电力线远程抄表系统的应用研究 汝石 东北电力大学工程硕士学位论文工学硕士学位论文扩频通信技术在哈二局电力线远程抄表系统的应用研究 二一年十二月图书分类号：U.D.C.:工学硕士学位论文扩频通信技术在哈二局电力线远程抄表系统的应用研究硕士研究生： 导 师： 企 业 导 师： 申请学位级别：工程硕士学 科、专 业：电气工程所 在 单 位：哈尔滨第二电业局答 辩 日 期：2010年12月授予学位单位：东北电力大学Classified Index:U.D.C.Dissertation for the Masters Degree in EngineeringThe spread s

2、pectrum technique is living the application in the power systemCandidate： Supervisor：Prof. Nie HongzhanAssociate Supervisor：S.E. Leng JieAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Electrical EngineeringAffiliation：Harbin second electric power bureauDate of Oral Examination：Dec. 2010

3、University：Northeast Dianli University论文原创性声明本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果：1. 交回学校授予的学位证书；2. 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报；3. 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害，进行公开道歉；4. 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。论文作者签名： 日期： 年 月 日论文知识产

4、权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为东北电力大学。论文作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要随着我国国民经济和电力事业的迅速发展，绝大部分地区的用电已没有限制，一户一表制已基本普及。企业级力负荷监测、控制系统已在一些地区投入使用，取得了较好的效果。但低压电力用户由于数量多，地域分布广，电力公司的抄表工作量相当大，因此采用新的技术手段，利用本地和远程自动抄表技术，完成自动抄表并达到

5、实时监控电能表计的目的；同时减少人工抄表、数据输入等繁杂以容易出错的劳动，提高工作效率，真正做用电管理自动化，自动抄表系统就成为电力公司解决抄表问题的一种选择。目前，远程自抄表技术（Automatic Meter Reading System SMRS）主要有专线通信技术和电力线载波通信技术。专线通信技术作为常规方法，其特点是通信稳定性好；但是需铺设专用通信线路，存在施工量大、综合成本高、维护费用高旧城区施工难度大等问题，难以大规模应用。电力线载波通信技术采用电力线作为通信介质，具有充分利用现用资源、易施工、综合成本低、不受环境条件限制等优点。但是，电力线通信信道存在间歇性噪声大、阻抗、随负载

6、变化大信号减小等缺点，严重制约了它的有效利用。本文根据电力线上信号传输的特点，分析了扩展频谱通信的数学基础、系统模型、通信原理和伪随机编码原理，并对常用的直接序列扩频系统（本设计也正是使用这种系统）的调制解调以及同步技术进行了讨论。阐述了电力线自动抄表数据传输系统通信部分的电路设计和调试过程。设计了利用扩展频谱技术实现以电力线为传输载体的自动抄表数据传输系统的通信方式及通信过程，后对整个设计做出了结论并提出了建议。关键词：扩展频谱；自动抄表；直接序列扩频系统；电力线载波AbstractNowadays the power industry is reformed deeply all over

7、 the world. Power line is most widely network, so using the existing power line to communicate can save most invest of line. But there is much disturb and cacophony on power line, using commonly communications mode is difficult to attain reliabilitys demand. But using spread spectrum communication o

8、n power line can attain reliabilitys demand.Spread spectrum communication is paid more attention to the advantage of good message privacy, antijamming and multiple access in the word, it shows strong vitality on the side of measuring distance, antenna measure, mine communication tactics communicatio

9、n mutiaccess application, mobile communication and so on.In this paper, introduce firstly the characteristic of signal transferring on power line, and design communications process and mode using spread spectrum communication achieve automatic meter readings data transferring system using power ling

10、 as communications media. Explain the base of mathematic, the modeo communications f system, the principle of communication and the principle of PN code, and go along analysis off mathematic. Discuss the modem technology and synchronization of direct sequence spread spectrum system (the design in th

11、is paper also use this system). Set forth the communications circuit and debugging of power line automatic meter readings data transferring system. Draw a conclusion of the circuit, then table a proposal.Key words：Spread spectrum；PN code automatic meter reading；Direct sequence spread spectrum system

12、；Power line carrier目 录目录摘要IAbstractII目录III第1章绪 论11.1研究目的和意义11.2国内外技术研究现状及发展趋势21.3课题研究的主要内容和关键技术3第2章扩展频谱技术在电力系统中的应用42.1电力线上的信号传输特性42.2研究的主要内容及方案设计52.2.1 自动抄表系统62.2.2 电度表脉冲转换器8第3章扩展频谱通信原理及伪随机编码93.1 扩展频谱技术的数学基础93.2 扩频通信的基本原理及数学模型93.2.1 扩频通信的基本原理103.2.2 扩频通信的数学模型103.3 扩频增益123.4 扩频系统的分类133.5 扩频通信的抗干扰性能分析

13、143.5.1 抗广义平稳干扰和单频正弦干扰能力的分析143.5.2 抗多径干扰能力的分析153.6 扩频系统的主要特点163.7 伪随机编码基础原理173.8 m序列的构造原理183.8.1 m序列的定义183.8.2 m序列的性质18第4章直接序列扩频通信系统224.1 直接序列信号的产生224.2 伪随机信号的调制与混频234.3 直接序列扩频信号的频谱特性254.4 直接序列系统中射频带的考虑264.5 直接序列的扩频增益274.6 直接序列抗频通信系统的解扩274.6.1 单用户检测284.6.2 多用户检测技术304.7 基带解调(基带恢复)与载波同步324.8 扩频通信系统的同步

14、跟踪与捕获354.8.1 同步不确定性的来源354.8.2 实现同步的几种方法354.8.3 初始同步(捕获)的方法364.8.4 同步的方法37第5章 实用电路设计395.1 芯片选择395.2 电路工作原理415.2.1 电路框图415.2.2 芯片介绍425.3 电力线扩频载波电路505.4 程序流程图515.4.1 同步接收及发送数据过程515.5 电力线扩频载波在实际中的应用及发展515.5.1 电力线扩频载波应用举例515.5.2 应用前景52结论54参考文献55攻读学位期间发表的学术论文57致谢58III第1章 绪 论第1章绪 论1.1研究目的和意义从贝尔发明电话到今天信息高速公

15、路的建设，一百多年来，通信技术已经发生了翻天覆地的变化，特别是近年来，随着微电子机术和计算机技术的高速发展，通信技术更是日新月异 1 。迅速发展的通信技术已经成人们生活中不可缺少的一部分。当今世界，作为能源输送的电力线铺设遍布全球，比任何通信线路的范围都广。因此，人们希望利用现有的电力线进行传输信息。这样，便省下建设一个通信网的线路投资 1 。通常情况下，建设一个民用通信网的线路投资占总投资的50%以上。因此，利用电力线传输信息可以节省大量的人力、物力、财务。随着城乡电网改造的深入和电力市场改革的深化，扩展频谱通信（Spread Spectrum Communication）技术在无线通信领域

16、已经广为应用。例如：无线局域网、点对点数传系统、个人通信系统等。同时在导航和测量系统中也受到日益广泛的重视和应用 2 。扩展频谱通信相对于窄带通信系统来说有一定的优越性，主要表现在扩展通信具有优越的抗干扰性能上。扩展信号具有较宽的频谱，因而分散了噪声功率，使干扰程度减小，提高了通信的可靠性。由于扩展技术有优越的抗干扰性能及抗多径衰落能力，而且有极强的隐蔽性，因此，使用扩频通信具有诱人的前景 3 。所以，将扩频通信技术应用到电力线远程抄表系统中，可以有效的解决电力线通信信道中干扰严重的问题，进一步把远程抄表系统推向实用化。远程自动抄表系统不仅可以用于对电能表的远程抄表，也可以用于水表，煤气表等的

17、远程抄表。远程自动抄表系统使管理更加科学化、规范化，提高了工作效率和管理水平 4 。管理部门在自己的计算机上可以进行读表、控制、显示、打印等操作，真正实现了抄表的自动化，因此，远程自动抄表系统必将得到广泛的应用。1.2国内外技术研究现状及发展趋势随着全球范围内电力经营市场化的发展，自动抄表技术（AMR）的应用愈加广泛。自动抄表成为新的产业部门，国外已有不少著名厂商生产出AMR系列产品，而且对AMR的研究越来越深入 5 。美国于1986年建立了自动抄表技术协会（AMRA），近年来以成立了欧洲自动抄表技术协会（EUROAMRA）。自动抄表可以从用多种途径来实现。比如，电能表的数据可以措助电话线，电

18、力线载波、微波或无线电传送。目前，国内已有一些公司在致力于研究适合于国内电网的电力线载波调制解调芯片，并已有一些产品。但目前还未制定统一的标准频率范围。也有一些公司已推出自动抄表系统，但使用情况不尽如人意。用电数据的抄收方式在国内一直没有什么改变，这在计算机技术已经广泛应用的今天几乎是不可思议的，快到月底的时候，供电局总要派出许多人到各个居民小区里抄表，每人一天最多也只能抄上三五百户。伴随着城市住宅建设日益发展，居民数和独立电能表数迅速膨胀，多种电价制度开始推行，抄表计量日趋复杂，传统的人工抄表方式已难以适应新的变化 6 。国外很早对电力线载波通信技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波

19、modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美州地区电网（480V/277V、208V/120AC）的标准频率范围9KHZ-150KHZ和针对欧州地区电网（400V/230AC）的标准频率范围9KHZ-150KHZ。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片(Mainelli，2001)。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。国外由于一直认为AC220V网是载波通信禁区，研究载波抄表系统的人不多，推广面也很窄；而国外抄收人工费用又

20、比国内高得多；近期据市场反馈信息，东南亚、澳大利亚、日本、台湾等国家与地区都有推广使用载波抄表系统的意向。因此，市场意味着很广阔！1.3课题研究的主要内容和关键技术课题研究的主要内容1.详细分析电力线上信号传输的特点，然后设计了利用扩展频谱技术实现以电力线为传输载体的自动抄表数据传输系统的通信方式及通信过程。2.通过分析扩展频谱通信的数学基础、系统模型、通信原理和伪随机编码原理，设计电力线网络接口控制器的外围电路、包括微控制器，输入、输出滤波器，输出放大器，电力线耦合电路等。3.对常用的直接序列扩频系统（本设计也正是使用这种系统）的调制解调以及同步技术进行了分析。4.进行电力线自动抄表数据传输

21、系统通信部分的电路设计，并对整个系统进行进调试，同时进行性能分析。关键技术：1.在已有的工作基础上，进一步优化外围电路，并根据现场试验，调整并确定最佳的信号发送功率及占用频率。2.制定系统各部分之间的通信协议，设计电力线网络接口控制器的外围电路。- 57 -第2章 扩展频谱技术在电力系统中的应用第2章扩展频谱技术在电力系统中的应用2.1电力线上的信号传输特性在当今的世界范围内，人们都期望着利用现有的电力线（PL）进行信息的传送，并最终能够达到四遥（即遥测、遥迅、遥控和遥调）的水平，这样就可以节约大量的人力、物力和财务。国内外许多公司和研究单位都在对此进行研究和发展，可以说PL载波通讯方兴未艾，

22、但是应目前的技术发展水平而言，其性能还有待进一步加以改进。但是，电力线并不是理想的信息传输通道。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 7 。（1）配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能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（10Db-30dB）。通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。（3）不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同，藕合方式有线地藕合和线中线藕合。线地藕合方式与线中线藕合方式相比，电力载波信号少损失十几Db，但结-地藕合方式不是所有地区电力系统都适用。

23、（4）电力线存在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和16.7ms。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100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms，固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。（5）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1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

24、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和体积。而且，单一提高载波信号功率往往并不是有效的方法。（6）电力线上存在高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，就会给电力线上带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线上藕合下来的噪声一般就在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。（7）电力线引起数据信号变形。电力线是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响不一样，民用电力线是时刻动态变化的，不同时间对数

25、据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号，所以必须加以特殊处理。电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成一个不理想的通讯媒介，但由于现代通讯技术的发展，使电力线载波通讯成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通讯的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用modem芯片。扩展频谱通信具有优越的干扰性能，在电力线上进行扩频通信可以改善信噪比从而提高数据传输的可靠性。因此，我们利用扩频技术设计出一个配电线路上的信息传输系统。主要用于低压电力载波集中抄表，另外在智能大厦以及楼宇自控、信息家电、家用电器集中监控等方面都有应

26、用空间。2.2研究的主要内容及方案设计传统家庭的电费计算，通常都是由抄表人员定期到每座大厦的电表房抄读每个电表的读数，这项工作不但效率低，而且有人为误差，不能满足现代化用电管理的要求。使用了自动抄表系统后不仅能圆满地解决上述问题，而且还能提供例如对每一用户用电量的实时监测，未来用电量的预测，接收实时短讯息等用电的监测及管理等功能 8 。自动抄表系统是未来家庭自动化发展的必然趋势。现在自动抄表系统所存在的问题是如何能快速而低廉地建立一个可行的通讯网络及如何对现有大量的仿真式电表进行改造。使用现有的低压电力线作为载波通讯媒体的扩频通讯技术及电度表脉冲转换器能很好地解决上述问题。2.2.1 自动抄表

27、系统低压电力线载波通讯技术的自动抄表系统结构见图2-1。在图2-1中由电力公司管理中心的服务器（Server）发布各种命令，如查看某一电表的数据，修改电表终端参数或要求系统重置等。电表的读数定期地通过收集器中的电表脉冲转换器储存在收集器的E2PROM中，而集中器的PC就将来自管理中心的命令经电力线调制解调器送至收集器 9 。一旦集中器的电力线调制解调器从220V电力线中收到相关命令，就在收集器的E2PROM中找出相应的数据并将其传送回管理中心。另外，管理中心还可以利用此系统发送一些短信息给用户或是广播一些通告。图2-1 扩频低压电力线自动抄表系统结构图（1）电表至收集器收集器是由电度表脉冲转换

28、器再加上数据缓存器组成。首先，我们研制的电度表脉冲转换器将传统的仿真式电表转换成数字式脉冲输出。然后将所得电表数据通过导线临时存放在数据缓存器中，缓存器由EPROM组成，负责储存电表累积读数。上层结构即集中器可在此读取电表的相应读数。（2）收集器至集中器在此阶段的通讯为扩频低压电力线载波通讯，利用现有的电力线，不需要额外的布线，但在收集器及集中器两者间各需一个电力线调制解调器。在一般的设计中，在普通的情况下，收集器和集中的通讯关系为仆、主关系，即收集器只可以响应集中器的要求，而不能主动和集中器通讯。但在某一特殊情况下，出于安全性的考虑，例如有人擅自改动电表、收集器断电等，收集器可以主动地向系统

29、发出紧急讯号。在有些设计中，通常是由收集器定时向集中器发送数据的，采用的是载波侦听多路访问（CSMA）协议。扩频低压电力线载波通讯技术必须采取特殊的技术来克服各种开关电源的大量窄频干扰。而扩频通讯就是通过编码及调制的方法将信号所占有的频带扩展，大于所传信息必需的最小带宽，因此扩展了信号的频谱，令扩频通讯的抗干扰能力增强。此外，由于信号的功率谱很低，使窃听者很难截获，隐蔽性好。根据仙农定理，高斯信噪比与带宽是可以互换的。利用数字编码，增强量化级数，改善量化噪声。低压电力线载波通讯的基本原理见图2-2。发送数据时，发送机先将数据调制在一个高频载波上再藕合至电力线上。因为耦合信号只有几伏，其载波为几

30、百千赫的高频信号，所以不会对电力线路造成不良的影响。接收方则在电力线路中通过解调电路分离出原数据。电力线调制解调器分别位于收集器及集中器近电力线一侧，采用扩频低压电力线载波通讯技术的调制解调器的结构见图1-3（以直接序列扩频方式为例）。其中，耦合电路把已调制信号送到电力线并接收电力线上的数据，并隔离控制电路和220V电源，这需要较高的灵敏度和选频能力。需要一个合适的扩频芯片，可以完成扩频调制解调的功能，然后进行功率放大。微处理器如MSC-51系列芯片，通过串行或并行接口与扩频芯片和计算机联接，控制整个通讯终端，发送和接收命令及数据，并对数据进行校检解包。（3）集中器至电力公司管理中心由集中器至

31、电力公司管理中心的通讯通常都会超出1km-10km，出于对通讯可靠性的考虑，一般在此不会使用电力线载波通讯，而是使用技术成熟的PSTN（电话网络）的调解调器拨号网络。使用一部微处理机或PC来控制普通拨号调制解调器和电力公司管理中心的服务器连接，在电话网络中通过AT指令将数据送至管理中心。图2-2 电力线载波通信系统示意图图2-3 电力线扩频载波通信系统2.2.2 电度表脉冲转换器电度表脉冲转换器是自动抄表系统的关键部件，该部件可直接在现有的电磁式电度表上，无需对原有电度表进行任何改动，再配合适当的后续处理装置，即可准确、简便地获得有功功率、无功功率和功率因素等参数的遥距传送。经上述分析可知，在

32、电力线上使用扩展频谱通信技术在理论上是可行的。因此我们首先介绍一下扩频通信的基本理论（主要以我们所设计的电路中所用的直接序列扩频通信方式为主）。第3章 扩展频谱通信原理及伪随机编码第3章扩展频谱通信原理及伪随机编码3.1 扩展频谱技术的数学基础假设连续信道的带宽为B（HZ），信道输出的信号功率为S（W）及输出加性高斯白噪声功率为N（W），则可以证明该信道的信道容量为C=Blog21+S/N (3-1)上式就是信息论中具有重要意义的香农（Shannon）公式，它表明了在给定的信噪比S/N和没有误码情况下，一个发送信息的信道的容量随着信道带宽，发送功率的增加而增加。这个公式同样适用于一个射频（RF

33、）信道，对于给定的S/N，可以通过增加发送信息的带宽得到较低的误码率。因此，扩频技术被广泛地应用于各种领域。扩频通信（spread spectrum communicaton）是将转输的信息数据被伪随机码编码调制，实现频谱扩展后再转输；接收端采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复原始的信息数据。一般所讨论的扩展频谱系统必须满足以下两条准则：（1）转输带宽远远大于被传送的原始信息的带宽。（2）转输带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数常用的是伪随机编码信号。显然，这种通讯方式与一般的窄带方式不同，它是在传输扩展的宽带信号后，再相关处理恢复窄带信号，因而具有伪随机编码和信号相关处理两大特点。正是这些特

34、点使扩频通信具有抗干扰、抗噪声、抗多径衰落、保密及多址复用等能力。3.2 扩频通信的基本原理及数学模型使用伪随机编码把基带信号（信息数据窄带信号）的频谱进行扩展扩频通信，从利用电磁波来看，是与一般现有的常规通信方式完全不同的。扩频通，形成相当宽带的低功率谱密度信号发射。使用不同的伪随机编码，不同的通信用户可在同一频段、同一时间互不影响或影响极小的进行数据传输。常规通信是在频段上细分（频分）或时间上细分（时分）给通信用户，彼此互不干扰地分别使用。因此，扩频通信在调制、解调上是与众不同。3.2.1 扩频通信的基本原理扩频通信的基本原理，以直接序列扩频为例。信息数据D1经常的数据调制，变成带宽为B1

35、的信号，用扩频码发生器产生的伪随机序列去对基带信号做扩频调制，形成带宽为B2（B2B1）、功率谱密度极低的扩频信号 10 。在发身端，众多的通信用户使用不同的PN码，可以，同时使用带为B2的同一频带。接收时使用同样的伪随机序进行相关解调，再使常的通信处理手段，解调出发来的信息数据D1。这样，接收端对不同扩频信号，就可得到不同发送来一信息数据，从而实现多址通讯。3.2.2 扩频通信的数学模型我们以二元直接序列扩频为例，来讨论扩展频谱通信系统的数学模型。在OOK、FSK、PSK三种数字载波调制中，PSK的性能最佳，现代直序列扩频统中载波调制一般都采用BPSK或DPSK。PSK调制信号表示为：f（t

36、）=Acosot+m(t)+o(t) (3-2)式中： o载波； A振幅； o(t)初相； m(t)二进制序列的数字信息所控制的相位。为运算方便设A=1，o(t)=0。若规定二进制序列中的“1”对应于m(t)=0，而二进制序列中的“-1”对应于m(t)=。这种调制信号可等效为一个只取1的值波形，对载波实行抑制载波幅度调制后的信号为：f（t）=m(t)cosot (3-3)我们用d(u,t)表示an经编码后的数字信号，c(u,t)表示扩频码波形。d(u,t)和c(u,t)都是二进制波形，且满足式3-4。从中可以直接写出发射系统的输出信号s(u，t)的表达式为：s(u,t)=d(u,t)c(u,t

37、)cosot+(u) (3-4)为了下面分析方便，设d(u,t)和c(u,t)是相互独立的，且d(u,t)的码元宽度Tb是c(u,t)码元宽度Tc的整数倍。S(u,t)经由天线辐射到空间，在传播过程中受空间各种信号和干扰噪声的污染。有用信号在传输过程中一般要产生随机时延l(u)和多普勒频率d(u)以及随机相移(u)，因而进入接受天线的信号加噪声为：R(u,t)=s1u,t-l(u)+n(u,t)+s1u,t-l(u) (3-5)式中：siu,t-l(u)表示同一扩频系统的多址干扰及其他无线电发出的信号，也包括有用信号本身的多径延迟及人为干扰信号（敌方的干扰）；n(u,t)是信道中的所有加性噪声

38、，工业火花干扰等；s1u,t-l(u)为有用信号。射频滤波器后的接收信号取实部，用r(u,t)表示：r(u,t)=du,t-l(u)cu,t-l(u)cos(o+d(u)+(u)+n(u,t)+siu,t-l(u) (3-6)式中：n(u,t)表示通过射频滤波器的带限加性噪声；siu,t-l(u)表示落入射频滤波器通带内的干扰信号。信号进入接收机后进行与发射端相反的变换，即可恢复发射端传送的信息。在广频接收机中，这个反变换就是解扩和解调。一般都采用相关解扩。在解扩时我们利用式3-9和式3-10的基本关系，即： c(u,t)c(u,t)=1 (3-7)c(u,t)c*(u,t)=0 (3-8)符

39、号“*”表示共轭，实际上c(u,t)是函数，因此c*(u,t)=c(u,t)。若载波解调用相干解调，两个乘法器是相关解扩和解调，c*ru,t-l(u)是与发射端同步的本地扩频码，l(u)为延迟锁定环路提供的控制追踪量，作为对信道随机延时l(u)的同步追踪。本地射频压控振荡器输出的信号为2cos(o+d+(u)t+(u)，其振幅为2od(u)及(u)也是由锁相环路提供的同步跟踪量。在数学模型中两种环路均未画出。设基带滤波器的冲击响应为h(t)，其带宽与发射端数字信息带宽相同，且射频滤波器能无失真地处理R(u,t)，则基带滤波器的输出为： (3-9)如果图3-1(b)中相关器是理想的（并能滤除二次

40、谐波），且射频滤波器和基带滤波器都是线性的，则我们建立的模型也是线性的，于是，式3-9中的各项就可以利用线性叠加原理分别求出它们在基带滤波器输出端响应，再求总的响应。在本文讨论数学模型时，我们先对有用信号做分析。在对有用信号分析时，我们先假设其他干扰信号和加性噪声都为零，于是式3-6可简化为：r(u,t)=du,t-l(u)cu,t-l(u)coso+d(u)t+(u)把r(u,t)代入式3-9，并作积分变量代换后，则有：v(u,t)=2du,a-l(u)cu,a-l(u)coso+d(u)a+(u)c*ru,a-l(u)cos(o+d(u)a+(u)h(t-a)da (3-10)对于式3-1

41、0，前面曾假设相关器式理想的并能滤除二次谐波，又由于c*r(u,t-l(u)与c(u,t-l(u)共轭，这样可利用式3-8的关系，且当 (3-11)扩频码元同步、频率锁定、相位锁定成立时，则基带滤波器输出的有用信号为： v(u,t)= (3-12)从式3-12可知，只要基带滤波器能无失真地转送数字信息du,t-l(u)，经基带数字检测器处理后，便能恢复出发射端信源传来的信息an。3.3 扩频增益一般地说，衡量一个扩频通信系统优劣的重要条件是其抑制干扰的程度。参数扩频增益G描述了这一程度。典型的G值在20-60dB之间。对于一个给定用户，输入信噪比（S/N），输出信噪比（S/N）。的关系为： （

42、S/N）。=G(S/N)i G=（S/N）。/(S/N)i=B2/B1 (3-13)扩频解调前后的信噪比之比等于扩频增益G1它给出了扩频通信中扩频解调处理对信噪比的改善程度，因此，扩频增益G又叫扩频处理增益（spread process gain）。同时，G又等于频谱扩展后的信号带席B2（射频带宽）与频谱扩展前的信号带宽B1（信息带宽）之比。在扩频通信中，接收机做扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为B1的信号成分，而排除掉扩展到宽频带B2中的外部干扰、噪声和其他用户通信的影响。扩频增益G准确地反映了扩频通信的这种能力。扩频序列的选择也直接影响手频系统的性能，我们将在后面讨论伪随机序列

43、。3.4 扩频系统的分类一般来说，扩频通信系统分为四种基本的工作方式：（1）直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式：直扩方式（DS方式）。直接序列调制就是用高速率的伪随机码序列(PN)与信息码序列模二加后（波形相乘）的复合码序列法控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。接收机接收到发射信号后，首先通过同步电路捕捉发送来的PN码的准确相位，由此产生与发送的伪随机编码相位完全一致的接收用PN码，作为护频解调用的本地信号，以便准确恢复成窄带信号，从而完成接收 11 。直接序列扩展频谱系统，又称“平均”系统或伪噪声系统。这种工作方式同以下其他工作方式相比，

44、实现频谱扩展方便，无论对通信、测距应用，还是对其他应用都很适合。它是目前应用较为广泛、也是最典型的一种。我所做的电力线上的扩频设计也正是利用这种技术。（2）跳变频率（Frequency Hopping）工作方式：跳频方式（FH方式）。在发送端信息码序列与伪随机码序列调制后，按不同的跳频图案或 指令去控制频率合成器，使输出频率在信道里随机跳跃地变化。在接收端，为了对输入信号解跳，需要由与发送端相同的本地伪码序列发生器构成的跳频指令去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中与接收到的跳频信号差频出一个固定中频信号来。经中频放大器放大及带通滤波后，送到数字信息解调器复出原信息。（3）跳变时

45、间（Time Hopping）工作方式：跳时方式（TH方式）。信息数据送入伪随机编码控制的脉冲调制发射机，发射出携带信息数据的伪随机间隔射频信号。这种工作方式，允许在随机的时分多址通讯中，发射机和接收机使用同一天线。在实际系统中多半与其他工作方式混合使用。（4）宽带线性调频（Chirp Modulation）工作方式：Chirp方式。宽带线性调频，过去是作为雷达测距的一种工作方式使用的。发射波是一个宽脉冲，被变换成频偏为f的宽带调频波（通常是线性调制）发射，接收机解调用具有高频率范围、延迟时间小的脉冲压缩滤波器，其输出为很窄的压缩脉冲。用这种工作方式可以克服多谱勒效应对通讯系统的影响。上述4种

46、工作方式是基本的工作方式，目前最常用的是直扩方式和跳频方式两种。下文将直扩方式进行详细介绍。在实际系统中，仅仅采用单一的工作方式不能达到所希望的性能时，往往采用两种或两种以上工作方式的混合形式。3.5 扩频通信的抗干扰性能分析3.5.1 抗广义平稳干扰和单频正弦干扰能力的分析假定系统是线性的，且广义平衡干扰及单频正弦干扰和进入接收机的有用信号是相互独立的，且干扰与信号同频同相，则这个部分可以用频谱卷积示意图来说，如图2-2所示：从频谱图中可以看出：扩频解扩能提高抗干扰能力。接收端利用同步PN码序列的相关性，作相关解扩处理，有用数字信号被转换为窄带基带信号。若信道中存在着干扰，这些干扰包括窄带干

47、扰、人为瞄准式干扰、单频干扰、多径干扰或码分多址信号，它们和有用信号同时进入接收机。由于窄带噪声和多和径干扰与本地扩频信号不相关，在相关处理中被削弱，则被本地伪码扩展为宽带谱；宽带无用信号与本地伪码不相关，因此不能解扩，仍为宽带谱。由于无用的干扰信号为宽带谱而有用信号为窄带谱，我们可以用一个窄带滤波器排除带外的干扰电平，这样，窄带内的信噪比就大大提高了。为了提高抗干扰性能，希望扩展带宽与信息带宽的比越大越好 12 。图3-2 扩频通信的抗噪声性能3.5.2 抗多径干扰能力的分析多径干扰属于乘性干扰，是由于电波传播过程中，遇到各种反射体（如对流层、电离层、高山和建筑物等）引起反射或散射，在接收端

48、收到的直 接路径信号与这些群反射信号之间的随机干涉形成的。由于多径干扰信号的频率选择性衰落和路径引起的传播时延，使信号产生严重的失真和波形展宽，并导致信号的频率选择性衰落和路径引起的传播时延使信号产生严重的失真和波形展宽，并导致信息波形重叠，使通信系统发生严重的误码。在常规通信体制中，对此问题的一般解决办法主要有以下几个方面：智能天线、多载波调制、RAKE接收、分集和功率控制技术，但往往都难于圆满解决问题 13 。经分析表明，伪随机码尖锐的相关特性使多径射束完全独立。因而扩展频谱系统具有抗多径干扰的能力，即对多径干扰不敏感。归纳其原因如下：（1）对于直接码序列调制，由于伪码相关函数具有尖锐的峰

49、值，当多径传播时延小于一个码元Tc时，反射信号与直接信号叠加，看作信号的一部分，对有用数字信号略有影响，叠加在伪码上的信号只影响其幅度，而不产生对伪码信号的展宽或压缩，故不影响系统的信息传输。但多径时延超过一个码元宽度Tc时，由于相互关系数为零，则作为噪声处理。（2）当码元Tc相当窄，且伪码长很长时，系统的频谱很宽，反射回来的多径频率分量不可能同相地到达接收点，所形成的多径干扰信号在相关检测中被削弱。（3）在跳频系统中，其瞬时带宽一般均能满足相关带宽的要求。故干扰信号不影响跳频系统接收有用信号。因此在一般常规通信中，被认为极难以对付的多径干扰，在扩展频谱码分多址方式中得到解决。3.6 扩频系统

50、的主要特点扩频通信技术是一种具有优异抗干扰性能的新技术，它的主要优点是 14 ：（1）抗干扰性能好。它具有极为强大的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。DS-SS、FH-SS、DS/FH、DS/TH等系统对多径干扰不敏感（相对于常规体制而言），如果再采用自适应对销、自适应天线、自适应滤波，可以消除多径干扰，这对军用和民用移动通信是很有利的。（2）由于扩频系统使用码周期很长的伪随机码，在一个码周期中具有随机特性，经它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信中，敌方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识别信号。在接收端，只有当本地码和发射的伪码完全一

51、致时，才能有效地恢复信息。所以不易被敌人破密。若要破密，就必须准确地知道所用伪随机码的种类、码长和初相，这显然是比较困难的。因为不同长度的伪随机码有无数种，同一长度的m序列又有数个不同序列，况且同一个码长P的伪码，又有P个不同的初期。对非线性码情况更为复杂，所以窃听者要获得基带数字信息是很困难的。还可和常规通信一样，在基带数字调制时采用加密编码。这样对传送的保密信息，就相当于加了“双保险”，故提高了保密可靠性。（3）扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽，从而降低了系统在单位频宽内的电波“通量密度”，这对空间通信大有好处。国际无线电咨询委员会及国际电信联盟规定了空间通信系统在地面上产生“通量密度”

52、的国际标准，以防止对地面通信的干扰。利用扩频技术可将电波“通量密度”限制在国际标准值允许的范围内。对于无线电波运载的各种信息充满了有限“时频空间”的大城市，使用扩展频谱码分多址通信技术，可以解决常规通信中存在的大难题电波拥挤的缺点，故扩频码分多址通信在城市移动通信中有着广阔的应用前景。（4）当它组成多址通信网时，网同步比常规通信体制易于实现，便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机或微处理机进行信息的控制与交换。（5）扩频系统为数字系统，采用新型器件，可以做到低功耗、小体积。注：扩频技术中各种带宽使用了下述规定：（1）直接序列带宽 所有直接序列信号带宽都假设等于sinx/x2功率谱中的主瓣宽

53、度，即直接序列系统的射频带宽在二元调制下，B=2Rc，这里Rc是伪码的时钟速率。(2)跳频带宽 跳频系统的射频带宽B=Nb，其中，b是频率跳变的最小间隔，N为跳频频率合成器能提供的跳变频率效。（3）后相关带宽 在接收机相关处理后的信号带宽是由基带调制信号或跳频载波产生的双边带信息带宽。3.7 伪随机编码基础原理香农编码定理指出：只要信息速率Rb小于信道容量C，则总可以找到某种编码方法，在码周期相当长的条件下，能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中复制出原发信息。这里有两个条件，一是RbC，二是编码的码周期足够长。同时香农在证明编码定理的时候，提出用具有统计特性的信号来编码。白噪声是一种随机

54、过程，它的瞬时值服从正态分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的。它具有极其优良的相关特性。但是至今无法实现对白噪声放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用具有类似于带限白噪声统计特性的伪随机序列来逼近它，并作为扩频系统的扩频码 15 。在工程上常用二元0，1序列来产生伪噪声码，它们都有如下的共同特点：（1）在每一周期内，0和1出现的次数近似相等。（2）在每一周期内，长度为n比特的游程出现的次数比长度为n+1比特的游程次数多一倍（游程是指相同码元的码元串）。（3）如果一个PN序列被任意非零的元素移位，得到的序列与原始序列相比，一致的位数和不一致的位数相等。3.8 m序列的构造原理伪随机序列又叫伪噪声序列（PN码），这种序列由数字电路产生，具有周期性。通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又分为线性反馈移存器和非线性反馈移存器两种。由线性反馈移存器产生的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列，即m序列，这是最典型的PN序列，另外常用的还有M序列，Walsh序列以及Gold序列，我们在这里将要介绍m序列。3.8.1 m序列的定义我们这样定义：假设以GF（2）上的n次多项式（式2-14）为联接多项式的n级线性移位寄存器所产生的非零序列a之周期为2n-1，我们称序列a是n级最大周期线性移位寄存器序列，简称m序列（又称最长n级线性移位寄存器序列）。 f(