论文电力线载波通信课程设计

1、基于0FDM技术的低压电力线载波通信芯片的设计LME2980芯片设计组成员：目录摘要（全组负责）第一章绪论(1,3部分 ， 负责，2部分 负责)1、低压电力线载波通信介绍2、电力线通道特性 2.1电力线信道噪声特性分析 2.1.1电力线信道噪声特性分析 2.1.2同步于工频的周期脉冲噪声建模与仿真 2.1.3异步于工频的周期脉冲噪声建模与仿真 2.1.4随机脉冲噪声 2.1.5合成噪声与实测结果 2.2电力线信道传输与衰减特性 2.2.1电力传输线参数分析 2.2.2衰减特性的实际模拟 2.3低压电力线的阻抗特性3.正交频分复用OFDM3.1OFDM 介绍3.2OFDM 技术的特点第二章低压电

2、力线载波通信模块硬件设计（全组负责）1、OFDM电力线载波芯片LME2980概述 1.1 LME2980主要特点及技术指标 1.2 LME2980主要应用范围 1.3 LME2980引脚图 1.4引脚定义 1.5 主要电气特性2、OFDM电力线载波硬件设计 2.1电力线载波数据传输系统 2.2电力线载波通信芯片电路模块2.21 LME2980芯片 2.2.1.1晶体振荡器 2.2.1.2 编程使能控制 2.2.1.3.其他部分外围电路2.2.2网络地址管理2.2.3接口电路2.2.4微处理器部分 2.3信号发送和接收模块2.31信号放大滤波电路2.3.2过零检测电路2.4电力线接口部分电路模块

3、（耦合电路）第三章低压电力线载波通信模块软件设计（1部分由 彭柳负责，2，3部分由 责）1、软件模型层次设计2、物理层 2.1 A/D 转化2.2调相3、链路层 3.1 CRC检错校验3.2差错控制 3.3介质访问控制3.3.1 CSMA 3.3.2带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD 3.3.3 CSMA/CA(Collision Avoid：冲突避免)协议第四章总结（全组负责）参考文献（ 负责）摘要在绪论部分，介绍了低压电力线载波通信、电力线通道特性、OFDM技术三大内容。在低压电力线载波通信中，分析回顾了电力线在载波的历史，提出具有研究价值的OFDM电力线载波通信。在电力线通道特性

4、中，通过对电力线信道噪声的分析，仿真与建模，得到异步于工频的周期脉冲噪声和随机噪声等合成噪声数据波形，然后用传输线模型分析了电力线传输和衰减特性，结合噪声分析得出实际上网络特性将决定信道的频率特性，信号传输的衰减通常会较严重。并在此基础上分析了阻抗特性。在OFDM技术中，对OFDM的特性进行了分析，得到结论采用正交频分复用（OFDM）调制技术的芯片设计的电力载波数据传输系统能很好的解决数据传输过程中信号衰减大、码间干扰严重、频谱利用率不高的应用难题。在硬件电路部分，以LME2980为中心设计了电力线载波通信芯片电路模块、信号发送和接收模块、电力线接口部分电路模块三大模块。在电力线载波通信芯片电

5、路模块中，对以LME2980为中心的电力载波电路进行了介绍，描述了晶体振荡电路、编程使能控制电路、网络管理芯片、退耦电路、接口电路。其次，介绍了微处理器与在信号发送和接收模块中，为了使信号能有足够的能量在电力线传输以及在进入电力线之前排除其他谐波的干扰，设计了信号输入滤波电路，信号放大滤波电路，过零检测电路。信号输入滤波电路过滤混入信号的谐波，对信号进行进一步的滤波。信号放大电路为信号进行放大和简单滤波，最后信号耦合电路将信号耦合到电力线上。过零检测电路为主芯片提供标准。在软件部分，首次明确分析了软件模型的层次结构由物理层，链路层，应用层构成，其次对物理层和链路层进行了详细介绍。在物理层，主要

6、功能是定义接口和介质的物理特性。对物理层的是主要是从编码、调制解调和复用三个方面进行的。设计中线路编码采用差分曼切斯特编码，调制方式采用相对调相，复用方式采用的是正交频分复用(OFDM)。在链路层，首先运用CPC校验码对信号进行检错和纠错，之后进行组帧，这里选用面向比特的成帧，组帧后，在LLC子层中选择ARQ协议（回退N帧ARQ协议）对帧进行差错控制，在MAC子层选择随机访问控制协议中的CSMA/CA协议（带冲突避免的载波侦听多路访问）协调多个设备对共享链路的访问，避免冲突，保证信号的正常传输。第一章 绪论1.低压电力线载波通信介绍低压电力线载波通信是利用220V输电线路作为高频信号传输通道的

7、一种通信方法。根据频率搬移，频率分割原理，将原始信号对载波进行多次调制，搬移不同线路传输频带，然后送入线路进行传输，从而实现多路通信。低压电力线通信发展得较早，但由于低压电力线信道噪声干扰和时变衰减等固有缺陷的影响，传输数据率一直停留在kbit量级，主要用于实现远程抄表。最近一两年的技术发展及相关标准的推出，使利用低压电力线传输高速数据成为可能。在低压输电线路上进行数据传输时由于不能越过变压器，导致这一技术在一些地区（一个变压器带的用户不多，从合适的成本增加）的应用受到限制。最新耦合器的推出及在中压电力线上数据传输的开拓史的该项技术的推广应用市场目前基本明朗起来。随着低压电力线载波通信研究的发

8、展，正交频分复用技术应用于220V电力线用心成为了一个新的研究方向。OFDM技术的应用已有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到70年代，人们提出了采用离散傅里叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统的结构，近年来DSP技术的发展，使得OFDM技术更趋于实用化。八十年代，人们开始研究如何将OFDM技术应用于高速MODEM。进入九十年代以来，OFDM技术的研究深入到无线调频信道上的宽带数据传输。OFDM由于其具有能够有效克服多途径回声反射的特点，在无线通信尤其是移动通信领域获得了高度重视。目前，OFDM技术已经被广泛应用于

9、广播式的音频和视频领域和民用通信系统中。针对低压电力线通信信道的多径效应和时变性，OFDM技术应用于低压电力线通信也同样能够取得提高通信质量的效果，是一个很有价值的研究课题。尽管由于有关技术问题尚需完善和改进，低压电力线载波通信尚未进入商业化运作阶段，但我们完全有理由相信，随着科学技术的不断发展和应用，低压电力线载波通信在未来几年有着极其诱人的前景和潜在的巨大市场。2.电力线通道特性电力线信道是电力线通信系统中非常重要的一部分，电力线载波通信的其他研究都是建立在信道特性研究的基础上。电力线信道具有复杂的噪声特性，衰减特性和阻抗特性，并且在不同地点以及不同的时间段，特性又有较大的不同，表现出时变

10、性。为了能有效进行电力线载波通信，必须对电力线信道进行合理的假设，采取合适的模型来分析信道特性。由于电力线信道通信环境恶劣，信号传输可能经历多条路径并附有较大的起伏和波动，而OFDM技术具有强大的抗多径衰落与抗干扰能力，能够在电力线中实现可靠的快速传输数据。2.1电力线信道噪声特性分析研究信道噪声特性，可以知道在实际通信过程中应该如何避免噪声对通信质量带来的影响，以使在硬件与编码等方面采取更有针对性的措施，从而提高通信质量。通过对电力线信道分析和建模，掌握信号在信道中的传输特性，才能有针对性的采用适合于电力线环境的通信方案。2.1.1电力线信道噪声特性分析低压电力线的网络结构复杂，连接的负载众

11、多且经常变化，因此信道的噪声非常复杂，不能简单归结为加性高斯白噪声(AWGN)。电力线信道的噪声主要是由电网中工作的各种用电设备产生，不同地点、不同时间电网中用电设备不同，因此电力线信道的噪声必然随着时间和地点等不同而变化，主要分为以下5种噪声:(1)窄带噪声:通常的频率范围为1-22MHz，这类噪声大多为带调制幅值的干扰信号，主要由引入电力线的中短波无线广播频带信号所引起，在夜间有最高幅值，白天相对较低。 窄带噪声部分可通过N个独立的正弦函数叠加来描述，如式2.1所示:其中，每一个正弦分量由它的频率幅值和相位来描述。频率通过国内中短波广播电台频率表可以知道，中波频率范围为531-1602KH

12、z,频率间隔为9KHz，短波频率范围为2.3-26MHz。幅值Ai(t在时间上既可以是常数，也可采用与AM广播信号近似的调制幅值，在实验室环境测量的窄带噪声功率谱在-85-65dBm之间缓慢变化。载波相位可在区间上用独立于时间的随机数选择。(2)有色背景噪声:这种噪声具有相对低的功率谱密度(PSD: Power Spectral Density)，且是频率的衰减函数，在较低的频段PSD有显著的增加。它主要是由各种低功率的噪声源如电脑、调光器产生，可以造成频率高达3OMHz及以上的干扰。它的功率谱密度随时间变化缓慢，可能在几分钟或几小时内保持平稳变化，可由不同幅度的在不同频段的一些白噪声源近似。

13、从频域来看，下面的模型能较好的模拟背景噪声的功率谱密度，其表达式为:W/Hz,其中K服从均值为-8.64，方差为0.5的正态分布。(3)与工频同步的周期性脉冲噪声:它主要是由可控硅整流器件造成的，频率为5OHz或其整数倍。该种脉冲持续时间一般很短，频谱较宽且PSD随频率的变大而降低，噪声功率大。与工频异步的周期性脉冲噪声:其重复频率一般为50-200Hz，主要来源于计算机(扫频60-80Hz或电视机等显示器，脉冲频率同步于这些显示器的扫描频率。随机脉冲噪声:闪电或电网上负载(如电容器组、冰箱、空调等)的接入撤出操作都会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都有很宽的频带。它出现的时间是随机的，持续时间从几

14、微秒到几毫秒，它的功率谱密度一般会比背景噪声高出50dB以上。通常窄带噪声和有色背景噪声的幅度均方根值随时间变化缓慢，它们可以归纳为背景噪声，而后三类噪声由于它们的幅度随时间变化较为迅速，可以认为它们是脉冲噪声。下面将对幅值较大且变化迅速的脉冲噪声进行分析并建立模型，然后用MATLAB软件对该三类噪声环境进行仿真。2.1.2同步于工频的周期脉冲噪声建模与仿真同步于工频的周期脉冲噪声主要由可控硅(SCR)调节器件所产生，其主要重复频率为50Hz和100Hz，这种噪声持续时间短，甚至只有微秒级，其功率谱幅度随着频率增加而减小。目前SCR器件在家庭、办公室中的电器使用很普遍如调光灯、电风扇、复印机等

15、，产生了大量的谐波干扰，SCR器件本身为非线性元件，每一个工频周期内在导通与截止各产生一次冲击电压。一个SCR在一个工频周期内产生的噪声可以表示为:其中，总的同步于工频的周期脉冲噪声可以表示为: n=1, 2, 3. 其中，T=0.02s ,l为SCR器件的数量。同步于工频的周期脉冲噪声，它的重复周期为0.02s，在一个周期中由于SCR会产生开和关两次动作，因此在一个周期中产生的脉冲噪声与SCR开关的数量有关。在仿真过程中利用随机过程产生脉冲噪声的幅度，到达时间等参数，来模拟同步于工频的周期脉冲噪声，各参数确定如下:(1)脉冲频率f:取为50Hz和100Hz。(2)脉冲幅度:脉冲幅度按照功率按

16、不超过-45dB对应的幅度范围内，即0f(-45)范围内随机产生，其中f(-45)表示将-45dBm转换成幅度后的对应值。(3)脉冲宽度:导通时产生的脉冲宽度按SCR导通时间范围为1.911.0微秒内随机产生，关断时产生的脉冲宽度按SCR关断时间范围为15150微秒内随机产生。(4) 脉冲时间:在一个周期内，假设给定第一个脉冲发生时间，第二个脉冲就可由周期和脉冲间隔确定。第一个脉冲的时间，可由周期和两个脉冲宽度之外的时间T-Topen-Tclose来确定,T是工频周期即0.02s,Topen,Tclose分别是SCR器件导通与关断时所产生的脉冲宽度)，即在0,T-Topen-Tclose内随机

17、产生。(5)脉冲间隔:对一个周期内的脉冲来说，是SCR导通时和关断时产生的脉冲之间的间隔，该间隔可由两个脉冲的宽度、第一个脉冲的时间Ta:和周期T来确定，即在0,T-Tar-Topen-Tclose内随机产生。图2.1同步于工频周期脉冲噪声数据波形假设SCR开关的个数为10，完成以上参数确定后，利用Matlab仿真得到的数据波形如图2.1所示，截取图中左方15.1w15.2ms内的同步工频脉冲噪声，波形如图2.1右方所示。2.1.3异步于工频的周期脉冲噪声建模与仿真异步于工频的周期脉冲噪声的来源，一方面是由电脑、电视机等电器的显示屏的行频扫描及相关谐波，如15.6KHz频率的噪声由PAL扫描制

18、式产生;第二方面是由电脑等电器的开关电源产生的周期性脉冲噪声，它们都与工频50Hz没有相关联，故称异步于工频的周期性脉冲噪声。一个周期内，由显示器产生的的异步周期脉冲噪声，可表示如下:(2.6)其中,T为脉冲的周期。所有的异步工频脉冲噪声由各个周期内的脉冲噪声相加，可表示为:(2.7)其中l为显示器的个数，式中各参数确定如下:(1)脉冲频率:通过查找脉冲重复频率可知，电视机显示器的行扫描频率分两部分，一种是固定的数值15.75KHz和15.625KHz，另外一种则是在28KHz120KHz随机产生，本仿真的脉冲频率在28,120KHz内随机产生。(2)脉冲宽度:由于重复频率为50KHz200K

19、Hz，脉冲宽度在5,20us内随机产生。(3)脉冲时间:对脉冲的一个周期而言，该时间可根据脉冲周期减去脉冲宽度,即在0,T-tw的时间内随机产生。图2.2异步于工频的周期脉冲噪声数据波形(4)脉冲幅度:测得最高的脉冲幅度可高出背景噪声40dB，在用电的低峰期，与背景噪声相比，异步脉冲噪声功率谱高l0dB左右，由背景噪声功率谱为-85dBm-65dBm，则脉冲幅度在-75dBm25dBm功率值对应的幅度区间内随机产生。假设电视机显示器与电脑显示器都为5台，由于在观察区间内，同一台显示器可能产生多次脉冲周期噪声，所以在仿真过程中应包含同一台显示器产生的全部脉冲噪声，然后再将全部电视和电脑显示器所产

20、生的脉冲噪声按脉冲出现时间合成噪声。通过Matlab对噪声建模仿真，得到如图2.2所示的异步于工频的周期脉冲噪声数据波形。2.1.4随机脉冲噪声 随机脉冲噪声由电网内开关瞬时的开断引起，如电器的开关操作、火花塞的放电过程等，它以无规律的间隔时间出现在局部电网中，持续时间从几微秒到几个毫秒不等，与背景噪声相比，其功率谱通常高出50dB，也就是说在脉冲噪声中，随机脉冲噪声一般具有最大的瞬时功率，这可能导致传输的数据部分甚至全部发生错误。随机噪声有多种模型如Gilbert-Elliot模型、马尔科夫模型等25，本文采用马尔科夫模型。Poisson过程是一种具有独立增量的马氏过程，它的定义为:有一Po

21、isson分布的冲激脉冲串经过一线性时不变滤波器，则滤波器输出是一个随机过程，即 其中是滤波器的冲激响应，是第1个冲激响应出现的时刻，是0,T内进入滤波器输入端的冲击响应的个数，它服从Poisson分布，即 k =0,1,2,3 其中是单位时间内的平均脉冲数。由下式 代表的随机过程称为过滤的Poisson过程，给定关于过滤的Poisson过程的3个基本假设:l)研究过程比h(t)的脉冲持续时间大得多;2) h(t)是具有因果性的滤波器;3)被研究的时刻t大于h(t)的脉冲持续时间,在此假设条件下有: 由于具有因果性，其持续时间T>>z。同时t>，在(t-T, 0)和(t, T

22、)内有h(t)=0。，因此可以得到: 在假设条件下，随机过程的特征函数与时间t无关，就是说的一维概率密度与时间t无关，这样的随机过程为严平稳过程，由此方法可以得到随机脉冲噪声。取脉冲宽度在1ms以下，脉冲间隔在50ms以下，采样频率为1MHz,得到仿真结果如图2.3所示:从图中可以看出脉冲噪声的随机性，且具有较大的幅度，其对通信质量影响较大。图2.3随机噪声仿真波形2.1.5合成噪声与实测结果在相同的采样频率的条件下，将以上五种噪声仿真结果在时域上取一致并进行叠加，形成更加接近实际的低压电力线通信环境中的噪声信号，合成得到的在0-2ms的时间内波形如图2.4所示。图2.4合成噪声波形用低频频谱

23、仪观察室内电力线的噪声情况，测得结果有:(a)电力线中噪声频率分布很广，从几十Hz到几十MHz;(b)低频噪声的能量较大，且随时间和测量地点的不同而变化;(c)开关用电设备时(日光灯，电脑等)，可以观察到幅值很大的脉冲。(d)电网中用电器不同时，噪声有变化，各种噪声由不同的特定负载产生。从实际观测的结果来看，与前面的噪声理论分析是相符的。2.2电力线信道传输与衰减特性实际低压电网的线路可分为单相传输和三相传输两种，单相传输可用多径传输模型或传输矩阵模型进行分析，本节主要用传输矩阵模型分析单相传输的情形，并从传输线的角度来分析电力线对传输信号的衰减作用。2.2.1电力传输线参数分析电力线网络的物

24、理特性不同于普通的通信介质(如双绞线、光纤、同轴电缆)，须对它的传输特性参数进行研究。电力线是分布参数网络，信号的幅度和相位在传输过程时都会发生一定的变化，电力线可通过其集总参数来描述，其集总参数等效电路如图2.5所示.图中集总参数由R,L,G,C四种元件构成，其中v(z,t)表示z点点t时刻电线上的瞬时电压，相应的i(z,t)表示相应位置t时刻的电流;R是每米长度的电阻值,G是每米长度的电导,L是每米长度的电感(H/m)，C是每米长度的电容(F/m)。, 图2.5传输线的集总参数等效电路传输线的两个参数传输常数Y和特征阻抗Zo表示如下:(2.13)由于现实中室内布线复杂，比如火线与零线之间可

25、能相隔比较远、或者地线没有良好接地等，都会对传输线参数造成影响，因此以上的建模是在理想的情况下进行的，与实际测量情况有一定出入。实际情况中，针对长距离传输应用时，PLC通信的等效电路图(包括电力线与负载部分)如图2.6所示图中VsRs为发射部分，C1为耦合电容，R1,L1为变压器线圈的等效，R2,L:为电力线的单位长度参数的分布参数，Z为负载电阻。图2.6 PLC通信系统等效电路图设传输矩阵为根据上述等效电路计算有:根据计算上面的ABCD矩阵参数，可以得到图2.6的PLC等效电路的一些重要性质，计算得出图中各参数的范围如下: , ，。由这些参数可以计算出传输函数，得到幅度响应和相位响应曲线。2

26、.2.2衰减特性的实际模拟 通过上面传输线参数的分析以及矩阵模型的计算，可以知道电力线的一些基本参数如分布电阻、分布电容等。在实际中，图2.7中的两种电路均能很好的模拟电力线的衰减特性，可以达到60dB以上的衰减，模拟的传输距离相当于实际中几百米甚至几千米的距离。由于实际衰减是变化的，图中R, L和C为可变参数，并可加入噪声对传输线的电磁兼容及电网谐波对传输信号的影响。 图2.7两种电力线的衰减特性模型电路 为简单起见，采用图中右方的电路进行，通过改变开关即可得到不同的衰减特性。在空载时仅串联接入电阻电容测试结果如表2.1所示:从表中可以看出，无论是串联电阻还是电阻，还是电阻与电容同时接入，它

27、们的输出都没有变化。表2.1仅串联接入元件空载测试输出结果串联元件输出值串联元件输出值10nf19.510欧19.5100nf19.51欧，100nf19.41欧19.410欧，10nf19.5表2.2串联并联接入元件时空载测试输出结果串联/并联元件输出值串联元件输出值10nf/10欧6.81欧，100nf/10欧12.7100nf/5欧4.210欧，100nf/10欧11.8100nf/10欧14.11欧，10nf/10欧12.7100nf/5欧10.610欧，100nf/5欧8.8串联接入同时并联接入元件，测得结果如表2.2所示:从结果来看，当接上负载时，串联元件对输出有较大影响，与电阻电

28、容的量值也有关系。接同样阻的电阻负载时，串联大电容对输出影响较小，因为大电容的电抗值要小。而串联的元件，可以是电阻和电容的并联，当串联电阻较小而负载电阻较大时，此时串联的电容量值大小对输出影响不大。由于有各种电器及分布线会导致各种噪声和阻抗变化，此处的集总元件仅只能模拟电力线的衰减特性，对实际传输信号的幅度进行有效控制，实际上网络特性(分支长度，相应的位置，导线与负载类型)将决定信道的频率特性，信号传输的衰减通常会较严重。2.3低压电力线的阻抗特性 低压电力线载波通信信道的输入阻抗是指在信号发送端与接收端耦合接触点处电力线的等效阻抗，它的大小对通信信号耦合的效率有直接影响，是低压配电网用作载波

29、通信信道的一个非常重要的参数。电力线网络结构基本都是树型结构，网络中分支众多且电抗不匹配，复电抗随接口所插设备不同而变化。电抗值从几欧姆到几千欧姆，不匹配的电抗其典型值是150-250欧姆，发送端、接收端的负载不匹配都会引起信号的损耗。电力线阻抗的时变性与复杂性体现在: (1)输入阻抗是时间的函数。负载的接入和断开随时间不断变化，电力线的输入阻抗会发生较大幅度的改变。由于负载类型的不同，家用电器的开关，功率因数补偿电容的接人撤出，使电力线的阻抗变化剧烈，范围甚至超过1000倍。 (2)输入阻抗是传输信号频率的函数。在没有负载的情况下，理想的电力线可看成传输线，且具有均匀的阻抗分布。在负载电容及

30、电力线的分布电感作用下，输入阻抗随频率的增大而减小;电力线接入用电器时，输入阻抗应该会减小。并且输入阻抗不一定是一般情况下的随频率的增大而减小，有时甚至与之相反。通过对100KHz至2MHz频率范围内的输入阻抗进行测量，并对数据进行最小二乘法拟合，得到输入阻抗与频率的关系为，式中频率的单位为KHz,阻抗单位为欧姆。由式可知，在100KHz-400KHz输入阻抗值较低。 由于电力线的输入阻抗随机变化且可能很剧烈，与阻抗测量的时间、地点、载波信号的频率及用电负载情况等都有关，在设计载波发射模块时，难以保证功率放大器的输出阻抗和电力线的输入阻抗相匹配，给电路设计带来一定的困难。3.正交频分复用OFD

31、M由以上分析可知，电力线具有恶劣的信道特性，要利用电力线进行较为理想的通信，即达到专线通信的标准，必须从多方面(如频谱利用率、功率利用率、载波频率、噪声抑制能力等) 考虑，选择一种最佳通信方案。传统的窄带技术无法适应电力线的特性，特别是更难适应我国的电网特点，在工程中不宜选用。目前，低压电力线载波通信中应用的调制技术主要是正交频分复用OFDM和扩频技术。3.1 OFDM 介绍OFDM（正交频分复用）技术实际上是MCM（Multi-CarrierModulation，多载波调制）的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

32、正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰（ICI）。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。3.2 OFDM 技术的特点1） 有效降低衰减对通信质量的影响低压电力线上普遍存在着频率选择性衰落， 而且这种衰减还具有时变性。电力线网络中的各种不确定性因素使得网络中经常发生突发性的衰减。OFDM 系统将突发性的衰减造成的误码分散到了各个互不相关的子信道上， 从而变为随机性的误码。这样就可以利用编码纠错技术恢复出所传输的信息。2）

33、抗码间干扰（ISI）能力强在电力线信道中，由于存在多径效应，多个信号在不同的路径传输， 所以到达接收机时会有一定时延， 这就造成ISI。OFDM 将高速的串行数据分割为个子信号这样分割后码元的速率降低了倍。周期延长倍。同时再在码元间加入保护间隙和循环前缀，这样只要数字码元周期大于最大延时时间就可以有效抑制ISI 干扰。3） 频谱利用率高OFDM 允许重叠的正交子载波作为子信道，而不是传统的利用保护频带分离子信道的方式，提高了频率利用效率。4） OFDM 对频率偏移比较敏感。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。由于信道的时变性，在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机

34、与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM 系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致载波间干扰（ICI）。因此，采用正交频分复用（OFDM）调制技术的芯片设计的电力载波数据传输系统能很好的解决数据传输过程中信号衰减大、码间干扰严重、频谱利用率不高的应用难题。但在电力线上的数据传输，还未达到令人满意的水平，这在一定程度上限制了电力载波通信的广泛应用。因此，利用电力线载波的方式传输数据时，需要进行以下几方面考虑：1）较高的频谱利用率，以适应电力线信道有效带宽窄的特点。2）较好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带中，降低功率损失。3）较强的噪声抑制能力，并能在信噪比很低的情况下正常工作。4）

35、载波频率的选取，尽可能使电力线呈现较高的输入阻抗，减小对载波信号的衰减。第二章 低压电力线载波通信模块硬件设计1. OFDM电力线载波芯片LME2980概述LME2980是力合微电子推出的全球领先的高性能1280子载波OFDM电力线载波芯片，也是国内首款窄带OFDM低压电力线载波芯片，针对国内电网环境及低压电力线载波通信应用需求而优化设计，具有国际领先的技术及性能。LME2980通信芯片是专门为电力线介质作为通信信道而设计的OFDM通信芯片。该芯片通信可靠性高，采用高效帧中继转发策略，在大大提高载波通信通信数据速率的同时，具有对电力线信道的自适应能力以及有效的抗频率选择性衰减和抗干扰能力。芯片

36、内置MCU,可以运行各种用户定义的MACA层协议及载波通信应用程序。同时，芯片集成宽动态范围自动增益控制接收前端放大器，低功耗设计，使用简单，方便，为智能电网用户用电信息采集系统和电力线通信载波提高了高性能的芯片解决方案。1.1 LME2980主要特点及技术指标：载波频率及带宽：在500kHz范围内支持用户定义的任意起始及终止频率。完全支持中国电力线载波专用频段（3-500kHz），欧洲CENELEC A/B/C波段，ARIB及FCC波段。调制技术：1280子载波OPDM数据速率：与工作带宽及子载波数有关，最多1280子载波，最高用户数据速率306kbps子载波调制方式：BPSK,QPSK,1

37、6QAM，具有鲁棒模式FEC编码：RS码及卷积双重编码交织方式：时域及频域双重交织正常模式：增强模式支持50Hz及60Hz电力网络内置MCU，48KB程序存储器，4KB数据RAM可运行用户定义的各种MAC协议及应用程序内置宽动态范围自动增益接收放大器内置RTC及看门狗串行通信接口3.3V DC供电，低功耗设计64PIN LQFP 小型封装总体性能上，芯片具有以下特点：1）抗干扰能力强，对电网信道具有自适应能力，通信可靠、稳定。这主要是由于OFDM 采用多个正交子载波（通常数百个甚至上千个）同时传输数据。2）通信速率高，因而通信效率高，实时性强。OFDM 典型的通信速率在几十kbps。1.2 L

38、ME2980主要应用范围u 电力线进行数据传输应用PLCu 载波智能电表，用电信息采集系统，AMI/AMRu 家居及楼宇能源管理u 中压配电自动化1.3 LME2980引脚图1.4引脚定义引脚引脚名称描述1主复位信号（低有效）2AVDD模拟电源5V3AVSS模拟地，0V参考点4SSCIN模拟信号输入5FLT1通道滤波器输入6FLT2通道滤波器输出7SSCOUT-A模拟信号输出8VAREF模拟电源输出2.5V+/-0.3V9VSS数字地，0V参考点10OSCI/CLKIN振荡器输入端口11OSCI/CLKOUT振荡器输出端口12SSCOUT-DTTL电平载波信号输出13ZCP本地交流电过零检测输

39、入14SSC-ON/载波信号放大电路使能控制15R-LED载波发送数据指示灯16S-LED载波接收数据指示灯17TX异步发送通讯接口18RX异步接收通讯接口19VSS数字地，0V参考点20VDD数字电源21NC悬空（备用）22NC悬空（备用）23TEST1测试管脚（用以确认在器件测试时所有的信号引脚都与测试系统相应的通道在电性能上完成了连接，并且没有信号引脚与其他信号引脚、电源或地发生短路。）24ADDREN地址使能设置25SDAI2C数据信号26SCLI2C时钟信号27编程使能输入，低电平有效28EVENTIN事件状态输入，高电平有效u 芯片内部模拟前端接收部分结构：uu 说明：u 信号经第

40、4脚SSCIN输入后，经过低噪声放大器进行放大，放大后的信号经第5脚输出，经过C41、C42、C52构成的滤波器滤波后，由第6脚输入，再经过两级可编程增益放大器放大后，进入模数转换器转换成数字信号。u1.5 主要电气特性参数名称参数值电源电压3.3V DC 供电输入输出引脚电压范围(-0.3V)-(+7.8V)输出引脚最大输出电流25mA输入引脚最大吸收电流25mA最大功耗0.05W工作温度（-40）-（+85）2. OFDM电力线载波硬件设计2.1电力线载波数据传输系统利用电力线载波进行数据传输，可以充分发挥电力资源优势，从而推动电力线载波通信的广泛应用，电力载波的数据传输系统框图如图3.1

41、所示。图3.1 电力载波的数据传输系统框图各个部分的功能说明：A） EEPROM 存储器电路用于存储需要长期保存，掉电非遗失的信息，比如MAC 地址B)信号输入滤波电路 对从电力线上引入的信号进行滤波，从而提高载波信号的接收性能C)信号输出放大滤波电路对LME2980输出的小信号进行放大，从而提高载波通信的距离D)过零监测电路用于检测工频交流电的过零点信息，为零点同步提供依据E)接口电路为载波模块与智能电表之间建立信号通路F)微处理器微处理器加在通信设备与电力线载波通信芯片之间2.2电力线载波通信芯片电路模块2.21 LME2980芯片2.2.1.1晶体振荡器石英晶体振荡器，石英谐振器简称为晶

42、振，它是利用具有压电效应的石英晶体片制成的。这种石英晶体薄片受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，这就是晶体谐振特性的反应。利用这种特性，就可以用石英谐振器取代LC(线圈和电容)谐振回路、滤波器等。由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器和通信设备中。石英谐振器因具有极高的频率稳定性，故主要用在要求频率十分稳定的振荡电路中作谐振元件LME2980的时钟频率为200MHz，其内部时基信号由内部的振荡电路与外部的石英晶体组成的振荡器提供。其振荡的频率为220MHz晶体振荡电路如下图所示，下图中，

43、石英谐振器外壳接地，其引脚周围应该有大面积 的铺铜接地区域，以取得抑制各种干扰的效果。图2-1 晶体振荡电路由于LME2980的初始信号捕获的基准时钟完全依赖系统的时基信号，因此对系统的时钟频率的稳定性要求相对较高，具体参数如下：表2-1 晶体振荡器参数要求器件参数要求15pF15pF石英晶体谐振器标称频率频差负载电容振荡方式200MHz15pF基频AT2.2.1.2 编程使能控制在整个通信网络中，每个通信节点的网络地址是唯一的，其物理地址用6个字节来表示，并存储在外部的串行中。LME2980管理的MAC地址(媒体访问控制层地址)，是可编程的，通过引脚的电平进行使能或者非使能的编程控制，通常，

44、引脚外接编程按钮或者编程跳线连接到参考地，其编程使能端如下图：图2-2 编程使能控制电路表2-2 编程状态状态内部检测电平编码状态浮空高非使能接参考地低使能2.2.1.3.其他部分外围电路所谓退耦，即防止前后电路网络电流大小变化时，在供电电路中所形成的电流冲动对网络的正常工作产生影响。换言之，退耦电路能够有效的消除电路网络之间的寄生耦合。退耦滤波电容的取值通常为47200F，退耦压差越大时，电容的取值应越大。所谓退耦压差指前后电路网络工作电压之差。其中，C49/100nF,C50/15pF,C47/1nF等均为退耦电容，其都应该紧靠相邻管脚，以提高退耦效果。2.2.2网络地址管理在整个通信网络

45、中，每个通信节点的网络地址是唯一的，其物理地址用6个字节来表示，并存储在外部的串行中。MIC24C02-1/SN 对网络地址的管理是通过/WP,SCL,SDA三个端口来完成的，并能够与设备直接连接（由于内部上拉电阻的存在），对网络地址的编程使能由编程使能控制引脚/SET来控制完成。在本电路中，主要由MIC24C02芯片实现，其引脚定义如下：引脚引脚名称描述1A0通信地2A1通信地3A2通信地4GND电源地5VCC接5V电源正极6WP写保护输出控制,高电平，禁止写；低电平，允许写7SCL串行时钟输出8SDA串行数据输出2.2.3接口电路XS3是三相工频强电接口，管脚定义见表2。表2 三相工频强电

46、管脚定义序号管脚名称功能描述1、2L电网火线作为信号耦合接入端3、4、5、6NC空管脚7、8N电网零线作为信号耦合接入端这部分电路主要作用是为载波模块与外界提供接口，提供电源并建立通信，两颗指示灯分别指示载波发送数据和接收数据。上述芯片是整个载波模块和电力线的接口，其管脚的定义如下：引脚引脚名称描述1VDD15V0模块数字电源直流电压2VDD15V0模块数字电源直流电压3VSS通信地4VSS通信地5VDD5V0模块数字电源直流电压6/SETMAC地址设置使能7TXD将计算机的数据发送给外部设备；使用Modem时，TXD指示灯在闪烁，说明计算机正在通过TXD引脚发送数据。8RXD接收外部设备送来

47、的数据；使用Modem时，RXD指示灯在闪烁，说明RXD引脚上有数据进入。9STA接收时地址匹配正确输出高电平，发送过程输出低电平。10复位输入操作，低有效11EVENTOUT事件状态输出，故障事件时，输出高电平；请求查询差异事件时，查询完毕输出低电平12/2.2.4微处理器部分微处理器加在通信设备与电力线载波通信芯片之间。当通信设备要发送数据时，微处理器从通信设备接收数据，进行处理，使数据成为OFDM芯片可以处理的数据，并将数据从OFDM的数据输入端送入芯片；当通信设备有数据要接收时，数据在OFDM芯片中经解调后，由微处理器接收，进行处理，并输入给通信设备。微控制器是系统的主控点，向下通过电

48、力线载波通信模块与各控制节点进行通信。微控制器采用Atmel公司的AT91RM40008芯片，一款基于ARM7TDMI内核的32位控制器，工作频率为66 MHz，其片内集成了256 KB RAM，可以将代码直接运行在片内RAM上，使得应用程序的设计可以采用任务查询方式，增强了系统的稳定性。两个全双工通用同步/异步收发器(UART)与外围控制器PDC连接，整段数据交给硬件自动收发处理，比单字节处理大大减轻系统处理压力，保证了系统的实时性。2.3信号发送和接收模块2.31信号放大滤波电路图3.2 信号放大滤波电路图3.2示电路的功能是对LME2980输出的模拟信号进行放大,经过简单的滤波之后，通过

49、信号耦合电路耦合到电力线上，满足电力线传输的要求。和是保护二极管，起到电压钳位的作用，抑制电力线上的干扰信号对内部电路的冲激；、和共同组成单位增益倒置达林顿输出级，其中，和组成P型复合管，、组成N型复合管，其中和上的电流很大，所以要求有很好的散热性能，在这里需要有关插件封装。和及其周围电阻电容共同组成电压放大级，其中和组成分压电路，修改这两个电阻的阻值可调整静态工作点，给提供偏置电流，给提供偏置电流，和提供负反馈回路，调整这两个电阻的比值可以改变该放大电路的增益；起高频补偿作用，防止高频振荡。、和组成功率放大级的使能控制，当使能端为低电平时，放大电路将输出高阻态，不会影响电力线载波信号的输入，

50、保证载波通信的接受性能。，组成串联带通滤波电路，当输出大电流时，不会使载波信号严重失真，同时，当处于输入状态时，可以消除部分带外干扰，保护放大电路，的作用是增加放大电路的内阻，防止外部阻抗过小时损坏电路。LME2980输出的模拟信号经放大滤波后，便可由耦合电路耦合到电力线上，进行传输。2.3.2过零检测电路过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。也就是说塑封电机高、中、低、微转速都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此电机的转速就不一样。D5、D6电压取自变压器次

51、级A、B两点(14v)，经过D5、D6全波整流，形成脉动直流，电阻分压后，再经过电容滤波，滤去高频成分，形成C点电压波形；当C点电压大于0.7V时，三极管Q2导通，在三极管集电极形成低电平；当C点电压低于0.7V时，三极管截止，三极管集电极通过上拉电阻R4，形成高电平。这样通过三极管的反复导通、截止，在芯片过零检测端口D点形成100Hz脉冲波形，芯片通过判断，检测电压的零点。各元器件作用及注意事项：D5、D6前期选用1N4148，由于耐压偏低，损坏后出现运行灯闪烁（风机失速保护）和所有指示灯闪烁（无过零信号保护）等故障，因此今后设计和维修都必需选择1N4007。 Q2可选用9014三极管或D9

52、D贴片三极管；该三极管开路、短路都会造成开机后内风机不转，一分钟后出现失速保护。2.4电力线接口部分电路模块耦合与接收滤波电路图3.3信号耦合和接收滤波电路在电力线载波通信系统中，载波信号的耦合方式有电容耦合、电感耦合、天线耦合等几种方式，其中电容耦合和电感耦合是低压配电网中常用的两种耦合方式。电容耦合采用耦合电容器为主要元件，利用耦合电容将高频载波信号的输入端或输出端与电力线接入点连接，将高频载波信号直接注入电网，或者从电力线上接收高频载波信号。电感耦合是基于变压器电磁感应耦合，将电力线导线作为副边，将高频载波信号线圈作为原边线圈，通过一个高磁导率的磁芯或磁环构成一个信号传输变压器。电感耦合

53、是一种非接触式耦合，绝缘性好。耦合装置的设计原则如下：（1） 能够适应低压配电网开放式的网络结构及其复杂多样的网络特性，在保证安全性、可靠性的前提下，提供搞笑的耦合效果，同时克服不利的电网网络特性以及电力线的信道特性；（2） 要满足高频宽带信号的传输要求，提供足够宽的带宽，带内具有良好的频率、相位特性以及阻抗特性，较小的工作衰减等；（3） 应考虑到实际应用，装置简单、经济，便于现场安装应用。接口耦合电路要解决的两个问题是：电力线上的噪声及50Hz工频信号不能给载波模块带来重干扰，同时考虑到整个系统的安全，必须进行强弱电的隔离；为确保一定的载波信号加载效率，电力线上连接的所有电器的统计载波阻抗要

54、高。图3.3所示电路为电容耦合，其功能是从电力线耦合接收信号，并对信号进行接收滤波。其中，电容和耦合变压器组成高通滤波电路。耦合变压器不仅可以将耦合电路与高压的电力线隔离，还可以进行阻抗的变换，以实现阻抗匹配。耦合电容不仅可以耦合高频信号，还起到对高压工频的隔离作用。稳压二极管是12V的瞬态电压抑制器(TVS)，可以保证内部电路的端电压稳定，即使在有较大电压冲击的情况下也能稳定在12V，从而保护内部电路。接收电路利用电容和电感，搭建耦合电路，利用谐振的原理对信号进行接收。第三章 低压电力线载波通信模块软件设计1.软件模型层次设计本文将低压电力线载波通信模块的通信协议软件模型的设计将分成三个方面：其一是软件模型的层次结构设计，它将讨论的是整个模型由多少层构成，每层要实现一些什么功能，在软件设计上要注意些什么问题；其二是各层的数据结构的设计，即在协议的每一层，它的信息是如何以格式化的形式来表示的；其三是协议的系统功能的设计，讨论协议整体是如何利用层与数据结构完成系统的通信功能。我们将在以下的内容中对三部分分别讨论。通信协议软件模型的层次结构设计通信协议中，协议中功能层的划分是关键点。采用分层设计的目的是考虑到软件的易维护性可移植性与可扩展升级性。我们