低压电力线载波通信系统的研究与设计王旭-低压电力线的载波通信系统硕士论文(编辑修改稿)

低压电力线载波通信系统的研究与设计王旭-低压电力线的载波通信系统硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

时变性，不同时刻的测量值超过 20DB，白天和晚上表现出很大是差异。 在工厂办公室内白天的衰减比晚上打，而在居民小区，晚上 6 到 10 点反而是衰减最大的时候，因为这段时间是居民用电即负载最重的时候。 在设计通信方案时要充分考虑到这些因素。 （ 4） 电力线衰减在频域上呈现出强烈的变化，从总的趋势上来说随着频率的升高衰减越来越多，单远非单调递增，而是表现为剧烈的波动，在幅频曲线上产低压电力线载波通信系统 5 生大大小小的下陷。 当电力线里有大的电容时，在某些特定的频点上会造成谐振，此时负载会近似为短路。 造成接收信号急速降低，形成窄带衰减。 在选用通信频率时应该尽量避开这些频点。 （ 5） 一般同相衰减小于垮相衰减，单在一定频率点上可能会例外，这可能是电阻负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。 （ 6） 高频信号在低压电力线上传输时，还有一个显著的现象去其衰减随工频电源的相位而变化，有时高频信号在工频电源的某个相位范围内会产生较大的衰减变化。 产生这种现象的原因，可能是因为一些工作于开关状态的设备，如开关电源灯在工频交流 电的一定相位时打开开关器件，于是就将电力线接到了后面的电路上。 这些电路上通常含有大量的电容器或大功率的负载，所以引起高频信号衰减的剧烈变化。 除此之外，开关电源会向电力线上释放大量的高频干扰，从而影响通信系统的工作。 随着负载的在电力线上的连接或者断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出不同的特点。 有时这种变化的程度会很大。 由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机的发生变化。 但是，从统计上看，这种变化还是有一定的规律可寻的。 另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减不同。 在某些负载如彩色电视机、计算机等的旁边，高 频信号的衰减往往会增大许多。 噪声特性分析 噪声特性是电力线的又一重要特性，电力线屏蔽性差，易引起外界的干扰，用电器种类又繁多，因此室内电力线上存在许多强时变性的噪声干扰。 （ 1） 从时域上看，室内电力线上的噪声表现出一定的周期性，主要频率为电力系统频率的两倍，这是与工频有关的可控硅的工作造成的。 从频域上看，一般而言，噪声的功率谱随频率的升高而降低，但有时又有很多的变化，存在许多突变。 （ 2） 电力线上的噪声也表现出很明显的时变性，在不同的时刻，噪声干扰的频率和强度都不相同，但想要了解某个环境中电力 线噪声特性就要多次测量不同时刻的频率谱曲线，再研究统计平均后的频率谱密度曲线。 （ 3） 噪声的强度还依赖于噪声源离接收机的远近，因为噪声在电力线上的传输也会像通信信号一样被衰减，传输距离越远衰减越大。 若在接收机附近有一强的噪声源，且其功率谱密度在通信所有的频带范围内较强，则最有可能影响通信低压电力线载波通信系统 6 信号的正确传输，这种情况应是电力线通信所极力避免的。 （ 4） 因为电力线上存在多种性质各异的噪声，要想减小噪声，降低通信误码率就需要对这些噪声的性质、来源、频谱特性进行研究。 低压电力线的传输环境不同于其他信道，它的结构复杂，连 接的负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声不能简单的归结为加性高斯白噪声，而应根据不同噪声源进行具体分析。 通常将电力线的噪声分为 5 类。 各类噪声的特性参数见下图： 图 21 各类噪声特性图 （ 1） 有色背景噪声：这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的频率谱密度（ PSD）。 它主要是由各种低压功率的噪声源产生的，它的功率谱密度随时间的变化而发生简单的变化。 （ 2） 窄带噪声：一般由中、短波广播 所引发，它随时间而发生变化。 （ 3） 与工频异步的周期性脉冲噪声：这种噪声的重复频率一般为 50200Hz，由电视机或电脑显示器干扰所造成，它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器的扫描频率同步。 （ 4） 与工频同步的噪声周期性脉冲噪声：脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。 脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下降。 它的主要作用是由可控硅整流器件造成的。 （ 5） 异步脉冲噪声：闪电或网络上负载（如电容器组，自动调温器，冰箱，空气调节器等）的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的 频带。 它的到达时间是随机的，持续时间从几 s 到几 ms。 脉冲噪声的功率谱密度有时psd f 有色背景噪声 psd psd f f 窄带噪声 与工频异步的 周期性脉冲噪声 psd f 与工频 同步的 周期性脉冲噪声 psd f 异步脉冲噪声 低压电力线载波通信系统 7 会比背景噪声高出 50db。 这类噪声是电力线的最大障碍。 通常，前三类噪声随时间变化缓慢，常归结为背景噪声。 后两种噪声的时变性强，当出现这些噪声时，功率谱密度会突然上升，数据传输会造成很大的差异。 噪声很难直接定量的表示，但也有一定的规律性，比如噪声随频率的增高有下降的趋势，并且无论噪声所复杂，都是由各种特定性质的噪声源叠加而成。 系统干扰特性分析 在低压电力线上进行数据通信时的另 一个需要研究的重要问题是电力线上干扰特性性质。 电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。 非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。 人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有更严重的影响。 为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析，我们可以近似的将其分为 4 类：周期性连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。 通常情况下，前两类干扰占主导地位。 (1)低压电力线上干扰的周期性。 产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备会在工频交流电击波的某个固定相位上释放出 干扰。 在实际情况中，由于有大量的用电设备同时释放干扰，而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上产生时不变的连续干扰。 由于信号在电力线上传输的衰减非常大且富于变化，而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通信过程中的信噪比可能会变的很低，通信误码率增加。 (2)低压电力线上干扰的随机性。 除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。 这些种随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲 干扰或脉冲干扰群持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。 高压的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲（脉冲群），而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。 另外，低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程、功率因数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、电流的突变和和频谱分量的增加。 而在离接收机近距离的范围内，某些中小低压电力线载波通信系统 8 功率的负载，如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。 通信过程中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干 各位甚至整个数据传输过程发生错误。 在一个完善的低压电力线载波通信系统中，可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。 (3)低压电力线上干扰的多变性 出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多样性。 这种多样性表现在两个方面。 首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同。 其次是因地而变，即在不同的低压电力网之间，干扰的情况各不相同；而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。 电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载波通信系统也会产生很大的影响。 第 3 章 扩频通信的相关研究 扩频通信基本原理 随着人们的需求以及通信技术不断的发展， 通信正朝着高速率、宽频带、大容量方向发展。 就理论研究而言，低压电力线载波通信已从传统的频带传输（幅频键控 ASK，频移键控 FSK，相移键控 PSK）发展到扩频通信（ SSC）技术、多载波正交频分多址（ OFDM）技术以及使用高速光纤的光波分复用（ WDM）技术等。 所谓扩展频谱通信，可简单表述如下： “扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成 ，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据 ”。 其基本原理如下图所示： 低压电力线载波通信系统 9 图 31 扩频通信基本原理图 香农公式 C=W )/1(log 2 NP (C 为信道容量， W 为频带宽度， P/N 为信噪比 )指出在信道容量 C 一定的情况下，频带宽度 W 和信噪比 P/N 是可以互换的，这意味着如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比下用相同的信 息率以任意小的差错频率来传输信息。 这就是用扩频通信的核心好处。 扩频通信系统分类 就扩展频谱的不同，扩展通信系统可分为：直接序列扩频，调频，跳时，线性调频以及以上各种基本方式的组合。 (1) 直接序列扩频（ DS），简称直扩，即采用高码速率的直接序列伪随机码在发端扩展信号频谱，在收端采用相同的伪码进行相关解扩，得到原始信息数据。 （ 2） 跳频扩频系统（ FH），即采用跳频方式进行扩频，相当于采用特定伪随机码控制的多频率移频键控。 在发送端，采用一组高速变化的伪随机码控制载波频率的变化，在接收端，接收机的 频率合成器也受伪随机码的控制，并保持与发送端一致的变化规律，使其输出的跳频信号能够在混频器中与接收到的跳频信号差频出一个固定的中频信号，经解调在输出端恢复出原信号。 根据跳频速率的快慢，又可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。 快跳频是指一次发射信号期间有不止一个频率跳变，即跳频速率大与信息速率；反之称为慢跳频。 （ 3） 跳时扩频系统（ TH），即采用跳时方式进行扩频，就是把传输一个原始信息位的 时间分成许多片段，在哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制，相当于采用特定伪码控制的多时片时移键控。 由于采用了比原始信息位所占 时间信源 数据调制 扩频调制 扩频编码发生器 信息接收 数据解调 扩频解调 扩频解调发生器 传输媒介 同步电路 低压电力线载波通信系统 10 窄的多的时片发送信号，所以信号的频谱展宽了。 （ 4） 线性跳频系统（ CHIRP），其发射信号的载波频率在信息脉冲持续周期内做线性变化，由于这种线性调频信号占用的频带宽度与大于信息宽度，所以这种通信系统也是一种扩频调制系统。 （ 5） 混合系统即为上述几种基本的扩频方式组合而构成的扩频系统，如直扩，跳扩和时扩三种方式的组合即 DS/FH/TH 混合系统。 混合扩频方式实现比较复杂，但它能融合几种方式的优点，可以满足更高要求的抗干扰指标。 直接序列扩频系统 直接序列扩频系统又称 “平均 ”系统或伪噪声系统，它是 目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。 直接序列扩频信号的产生 直接序列扩频就是用高速率的伪随机码序列与信息码序列模二加后（波形相乘）的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。 一般情况下均采用 PSK 信号，而较少采用 FSK 或 OOK。 由通信原理可知，在 PSK、 FSK、 OOK三种调制中， FSK 信号是最佳调制信号，所谓最佳是指在其他条件相同的情况下，PSK 误码率最小，为了节省发射功率和提高发射机工作功率，通常使用抑制载波的双相平衡机制。 下图为直接系统扩频的组成原理框图。 由信源输出的信号 a(t)是码元持续时间 aT 的信息流，伪随机码产生器生产的伪随机码 c(t)，每一伪随机码码元宽度或切普（ chip）宽度为 cT。 将码元 a(t)与伪随机码 c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。 在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发射端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列 a(t)的频带，即为中频调制信号。 然后再进行解调，恢复出所传送的信息 a(t)，从而完成信息的传输。 对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。 干扰信号和噪声频谱被扩展后，其频谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的低压电力线载波通信系统 11 输入信噪比和信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。 图 32 直扩系统组成框图 伪随机信号的调制与混频 扩频频谱系统信息的传输，是把信号调制 在伪随机码序列中再通过伪码序列对载波调制后来实现传输的。 因此在扩频通信中，常常需要对伪随机码进行调制、变频等各种处理，因此，有必要对这些问题作简要的概述。 设载波为 tA 0cos ，伪随机信号为 c(u,t)，则平衡调制波为 ttuActf 0co s),()(  式中： A 为载波幅度； 0 是载波的角频率。 如果作二相移键控调制时，则调相波可为 )],(c o s [)( 0 tuctAtf   式中 ),( tuc 是已调相位变化，  是调制指数（即对应载波的最大相位偏移）。 信源 PN码 振荡器 扩频。