基于arm的电力线载波通信研究_毕业设计(编辑修改稿)

基于arm的电力线载波通信研究_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

路器阻 波 器 阻 波 器耦 合 电 容 器耦 合 电 容 器结 合 滤波 器结 合 滤波 器电 力 线载 波 设备电 力 线载 波 设备用户用户A母 线母 线T 1 T 2C 1 C 2F 1 F 2B高 通 滤 波 器 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 5 经差接系统，与频率为 f1 的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为 f1+(~)kHz 的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器 F耦合电容器 C1 送到电力线的耦合相线上。 由于阻波器 T1 的存在，高频信号沿电力线传输到 B 端，再经过 B 端的 C F2 送入 B 端载波设备。 中心频率为 f1 的收信带通滤波器滤出 f1+(0． 3—3． 4)kHz 的高频信号，经过放大、解调以后得到 A 端的语音信号。 按照相同的方式，将 B 端的语音信号通过f2+(~)kHz 的高频信号传输到 A 端，这样就可以实现双向电力线载波通信。 电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。 但电力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。 实际上，电力线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。 图 电力线载波设 备原理框图 图 2． 2 中可见， 电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。 它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。 使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到 50Hz 工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。 在实际选择频带时，还必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。 国内统一的使用频带为 40～ 500kHz。 电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。 同一发电厂、变电所中不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。 这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。 由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每相语 音信 号调 制载 波滤 波 器 放 大 器 滤 波 器滤 波 器解 调 器本 地载 波放 大 器 滤 波 器f1f1f2f2AF 1 /F 2 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 6 电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用。 要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。 这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比 40～ 500kHz 窄。 电力线载波通道基本特性分析 电力线载波信号是在传送 50Hz 输电线上进行传输的。 为了在电力线上传送平高频信号，必须在电力载波设备和电力线之间加装耦合电容器、结合滤波器以及阻断高频信号的阻波器。 电力线载波通信高频信号传送通道组成时，常用的耦合方式有相地耦合方式和相相耦合方式两种。 电力线载波通道衰减频率特性决定于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、地面高度、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素。 采用相地耦合方式的电力线高频通道的衰减特性常用下面经验公式表示 式中 Ｌ ——电力线的长度， km； ƒ——高频信号的频率， kHz： Ｋ ——系数，对 35kV 线路取 103， 110kV 线路取 103， 220kV 线路取 103， 400～ 500kV 线路取 103； n——电力线路的端数，一般取 n=2； ——高频电缆每千米的衰减， dB／ km； Cl ——两端高频电缆的总长度， km； 电力线的衰减频率特性，从上式可以得出频率越高衰减越大，另外，同一线路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰减要大。 电力线的线路特性阻抗与耦合方式也有关。 目前我国的电力线相地耦合情况下的输入阻抗一般选 300～ 400 欧姆 (110kV 的线路为 400 欧姆， 220kV 的线路为 350 欧姆， 500kV 的线路为 300 欧姆 )。 CC lnLfKb  中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 7 电力线通信信道的传输特性 信号衰减 对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到 100dB／ km。 衰减的主要原因并不在于电力线本身的阻抗，而是电力线上并连着的许多负载，尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容。 对载波通信信号来说，调整电网功率因数的大电容相当于短路。 另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也会分去相当一部分的功率。 总的来说，电力线上的信号衰减存在以下几个特点：信号衰减随着频率的上升而增大：信号衰减随着距离的增加而增大：在一些特定的频率点上，有可能发生 窄带衰减 ；电力网上的电力负载极大地影响载波信号的衰减。 由于负载情况随着时间发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减也会随着时间变化，其变化范围 可高达 20dB。 多径干扰 多径效应是指信号经过不同路径到达目的地时，由于信号的延迟而产生相互干扰的现象。 低压电力网由于所连接的设备数量巨大、种类繁多，整个电力网络的阻抗随时处于动态变化之中。 这样有些用电设备会工作在阻抗不匹配的状态，造成信号的反射，从而使有用信号可能经过不同的路径到达接受点。 由于信号在每条路径上经历的时间 不同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。 当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略。 如果延迟较长，就会使有用信号产生严重的码间干扰。 噪声分析 在电力 线通信中，线路上的损失和多径效应之外，噪声是影响电力线通信的最重要的因素。 与其它通信信道不同，电力线信道不是加性高斯白噪声信道。 电力线信道中频率在数百 KHz 至 20MHz 范围内的噪声分为以下五类： (1) 有色背景噪声：它的功率谱密度相对较低，并且随频率变化。 这种噪声主要由各种低功率噪声源共同引起，它的功率谱密度随时间变化较慢，通常为几分钟，甚至几小时。 (2) 窄带噪声：绝大多数为调幅的正弦信号。 这种噪声主要由中短波发射的广播台的介入引起，并且它的幅度通常随着时间变化。 (3) 与主频不同步的周期性冲击噪声：绝大多数情况下，这些冲击噪声的重 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 8 复频率在 50kHz 到 200kHz 之间，在频域中，它们体现为以重复频率为隔的离散谱线。 这种噪声主要由电力设备的开关引起。 (4) 与主频同步的周期性冲击噪声：这些噪声的重复频率为 50kHz 或 100kHz并且与电源周期同步，他们持续的时间很短，通常为毫秒级，并且功率谱密度随着频率的升高而呈下降趋势。 这种噪声主要由与电源同步工作的电力设备引起。 (5) 不同步的冲击噪声：这种噪声主要由电力线上连接的设备的瞬时开关引起。 这些冲击的持续时间从几毫秒到几微秒 不等，并且它们的到达时间是随机的。 这种噪声的功率谱密度有时候能达到比背景噪声高出 50dB 以上。 如图 所示。 对于前面 3 种噪声，由于第 2 种窄带噪声通常是随着时间 (白天或黑夜 )的变化而变化， OFDM 系统考虑这类噪声作为背景噪声，第 3 种类型周期脉冲噪声有高的重复率，而且很低的功率谱密度 (PSD)，所以也可以看作一种背景噪声。 这三种类型被分作背景噪声。 而噪声 (4)和 (5)通常是随时间变化的，几微秒或几毫秒 就会变化。 在这样的噪声发生的情况下，可以很明显地看到噪声功率谱密度较大，这会引起数据传输的比特错误或突发错误。 在 OFDM 系统中对这些噪声通常的解决办法是或者避免使用这些频段，或者是在这些噪声频段上采用低比特速率的子信道。 图 信道 五类噪声示意图 电力线信道传输模型 根据文献 【 2】 ，通用的电力线信道传输模型为 ：   Ni fjdfaafi iikgi eefgfH 1 2)()( 10)()(  π （ ） C h a n n e lS ( t ) R ( t )①② ③ ④ ⑤p s dfp s dfff fp s d p s d p s d 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 9 其中： i 表示路径数目，延时最短时系数 i=1； a0， a1 表示衰落参数； k 表示衰落因子指数； gi 表示路径 i 的权衡因子，通常是复数，为该路径的反射因子／传输因子； di 表示路径 i 的长度； τi 表示路径 i 的时延； 信道的实时性由延时项公式第三部分来体现，随着信道长度和频率的变化而产生低通特性，信道衰落由衰落项公式第二部分来体现，而权衡因子包公式第一部分括反射因子和传输因子，一般是复数，而且是与频率相关。 在大多数的实际情况下，频率相关权衡因子 gi；能被简化成非频率相关的复数，可以表示为路径的权值。 另外考虑到延时 τi，信道长度 di。 ，与相速 Vp。 之间的关系： () 其中 0c 是在真空中的光速， r 为绝缘材料的介电常数。 所以可以把式 ()中 τi，用式 ()来代替，从而得到简化的信道传输模型：     Nivdfjii piedfAgfH12, π 电力线上的损耗引起了衰减 A(f,d)，随路径的长度和频率的增加而增加，接收端的信号应该是各条路径上信号的叠加。 传输信号随着长度和频率的增加而衰减，长度为 L 的传输线的频率响应可以用复传输常数表示为：  jCjGLjRr  ))(( 39。 39。 39。 39。 式中参数 R’、 L’、 G’和 C’分别表示导线的电阻、电感、电导及电容是由主传输线决定的。 线路参数 C’和 L’可以由几何维数和一些材料特性粗略估计，考虑兆赫兹的频率范围，单位长度的阻抗与频率开根号成正比；单位长度的导电率 G’主要受绝缘材料的损耗因子影响，因此它与频率成正比。 对典型的几何结构和材料的线路来说，通常在兆赫兹的频率范围内有 39。 39。 LR  ， 39。 39。 CG  ，这样，线pirii vdcd 0 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 10 路可以看作为是具有实数特征阻抗 ZL 的低损耗信道。 那么，复传输常数可以简化为： fjkfkfkr 321  这里常数 ki(i=1， 2， 3)体现的是材料和几何参数。 传输常数的实部用 a 表示，代表衰减因子，随着频率的增加而增加。 而对于一条特定的信道， a 和 f 的 确切关系，是和厂成正比，还是和频率开根号 成正比，还是和两者都有关系，要决定于是 k1 还是 k2 起主导作用。 基于这些推导和对测量的频率响应的更进一步的分析，可以得出对衰减因子的近似方程为： kfaafa 10)(  仅用三个参数就可以表征典型电力线信道的特征。 得到电力线信道衰减为： dfaadfa keedfA )()( 10),(   中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 11 3 OFDM 原理和关键技术 OFDM 技术原理 目前，国际上高速电力线通信采用的调制技术重要有三类：单载波类、扩展频谱类 (主要是应用 CDMA)和 OFDM(正交频分复用 )调制技术。 OFDM 采用 FFT 和IFFT 实现调制和解调，可以方便地使用数字信号处理器件来实现，采用保护间隔和循环前缀来抗多径，从而有效地降低 ISI(码间干扰 )和 ICI(信道间干扰 )。 OFDM技术已经成功地应用于非对称数字用户环路 ADSL、数字音频广播 DAB，、高清晰度电视 HDTV 等系统中，它作为一种成熟的技术，有其独特的优缺点。 OFDM 调制是一种正交多载波调制方式。 在传统的数字通信系统中，符号序列被调制到一个载波上进行串行传输，每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。 OFDM 调制方式是将可用的频谱分成 N 个频带较窄、相对低速率传输的子载波，子 载波的幅频响应相互重叠和正交。 每个子载波可以使用不同的调制方式，也可以使用相同的调制方式，比较常用的有 BPSK、 QPSK 和 QAM 等。 串行传输的符号序列也被分成长度为 N 的段，每段内的 N 个符号分别调制 N 个子载波，一起发送。 也就是说， OFDM 是把一组高速传输的串行数据转化成相对低速的并行数据来传输，虽然每个子载波的传输速率并不高，但是所有子信道加起来就可以获得很高的数据传输速率。 图 OFDM 子信道频谱 中国 矿业大学 20xx 届本科生毕业设计 12 在 OFDM 系统中，各子载波在整个符号周期上是正交的，即加于符号周期上的任何两个子载波的乘积等于零，因此各子载波信号频谱可以互相重叠，大大提高了频带利用率。 如图 31 这样即使各载波上的信号频谱间存在重叠，也能无失真的复原。 显然，当载波间的最小间隔等于符号周期倒数的整数倍时，即可 以满足正交条件。 为实现最大频谱效率，一般取载波最小间隔等于符号周期的倒数。 当 OFDM 所有子载波的频谱叠加在一起。