（通信与信息系统专业论文）高压电力线扩频通信研究.pdf

! 苎塑篁 一 中文摘要 曾经在电力嗍中担当重要角色的咝錾婆逼信，由于多种先进 通信技术的买毳夏其本身存在的问题，正面临被淘汰出局的境地。为了能 够继续发挥这种通信方式的优势，人们一直在研究如何改造现有设备，使 其从传统的模拟传输方式转变到数字传输方式，以提高通信的质量。本论 文正是基于此，在分析高压电力线通道特性的基础上，结合芷燮相关 理论，提出了在高压电力线载波通信中应用扩频技术的解决方案。 针对本方案，论文主要做了以下工作： 1 ( 1 )分析了高压电力线通道特性。以均匀传输线方程为基础，详 细介绍了高压电力线通道的特性阻抗、传播常数、输入阻抗、衰耗计算、 通道余量等问题；介绍了载波通信系统中的加工结合设备，论证了在利用 现有设备的基础上改造载波通信的可行性； ( 2 )论文介绍了扩频技术的相关理论基础，给出了扩频通信的系 统模型，对它的突出的抗干扰性能作了详尽的分析，为将扩频技术应用于 高压电力线载波通信提供了理论依据，进一步证买了该方案的可行性j ( 3 )同步系统是扩频通信系统中的重要部分，因此也是本论文的 重点。本论文提出了具有特色昀9 - i 步解决方案，分别实现了p n 码同步、 载波同步和位同步。我们采用了单积分顺序搜索固定积分检测捕捉通道来 实现p n 码的捕捉，采用t 抖动超前一滞后非相关码跟踪回路来买现p n 码 的跟踪，采用适于提取抑制载渡的平方环电路来实现载波的同步，并在此 基础上通过分频电路实现了数据位同步； ( 4 )对于实现频谱扩展的扩频码，我们选用了常用的m 序列，通 过移位寄存器7 4 l s 2 9 9 来产生，并对其相关特性作了分析；另外，通过使 用不同的反馈函数来得到不同的m 序列，可以实现简单的码分多址； ( 5 )设计了信号上下线处理部分的功率放大器、滤波器、耦合变 压器、自动蝠益控制( a g c ) 等电路。其中功放部分采用了大功率场效应 管的互补推挽功率放大电路，其输出级采用变压器耦合，接在变压器的次 级和电力线之问的高通滤波器将高频信号送到电力线上，同时实现功放与 电力线工频电流的隔离。 ( 6 )数据流接口方面，我们使用了单片机对数据速率进行处理， 山东大学硕士学位论文 解决了所要传输的异步数据与系统p n 码不同步的问题，并有效地避免了 数据的溢出； ( 7 )为使电路工作稳定可靠，我们使用了e d a 技术来设计部分数 字电路。在搭建电路之前，我们先使用m a x p l u si i 软件设计出相应电路， 经计算机模拟，发现其中的问题后，改进原有电路，再进行模拟。如此反 复，直到达到预期目标为止。使用这种方法，确保了实际电路的可行性和 稳定性。l 、一、 综合以上各个部分及其他辅助单元，我们设计完成了完整的高压电力 线扩频通信系统模型，实现了改造电力线载波通信的目标。 茎兰塑茎一 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a m e rc o m m u n i c a t i o n , w h i c ho n c ep l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei n p o w e r n e tc o m m u n i c a t i o n , i sn o w i na no u t d a t e ds t a t ed u et om o r ea n dm o r e a d v a l l c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dm a n ) p r o b l e m sw i t hi t s e l f i no r d e r t oc o n t i n u et ou s ep o w e r l i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n , p e o p l eh a v eb e e nm a k i n g a 1 0 to fr e s e 眦ht of i n dh o wt or e c o n s t r u c tt h ee q u i p m e n t sw h i c hh a v ea l r e a d y e x i s t e d a tt h es a m et i m e ，m u c hw o r kc o n c e m i n g t h et r a n s f o r m e rf r o ma n a l o g t r a n s m i s s i o nm o d et od i 西t a lt r a n s m i s s i o nm o d e n e e d st ob ed o n ei no r d e rt h a tt h e t r a n s m i s s i o nq u a l i t yo v e rp o w e rl i n ec s a lb ei m p r o v e d b e c a u s eo f w h a ti ss a i d a b o v e ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so f h i g h - v o l t a g ep o w e rl i n e a n do nt h e b a s i so f s p r e a ds p e c t r u mt h e o r y , t h i sp a p e rr e p r e s e n t sa s c h e m ea p p l y i n gs p r e a d s p e c t r u mt e c h n o l o g y t ou g h v o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n t h e p a p e r c o n c e n t r a t e so nt h e t o p i c ：a p p f i c a t i o n o f s p r e a ds p e c l r u m c o m m u n i c a t i o no i lh i g h - v o l t a g ep o w e rl i n e a n dp r i m a r yc o n t e n t sa r ei n v o l v e d i na s f o l l o w s ： + ( 1 )a n a l ) t i n gt h ec h a n n e l si na l l u s i o nt ot h ew a n s m i u i n gc h a r a c t e f i s t i c s o fh i g h v o l t a g e p o u r e r f i n e o nt h eb a s i so fs y m m e t r i c a lt r a n s m i s s i o nl i n e e q u a t i o n , s o m ep a r a m e t e r s s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e ，w a n s m i s s i o n c o n s t a n t , i n p mi m p e d a n c e ，a t t e n t i o n , c h a n n e lr e d u n d a n c y a l ei n t r o d u c e di nd e t a i l c o n j o i n i n ge q u i p m e n t su s e di np o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns 3 ，s t e m a r e a l s oi n t r o d u c e da n dt h e f e a s i b i l i t y o fu s i n gt h e s ee x i s t e d e q u i p m e n t s t o r e c o n s m a c t p o w e r l i n ei sc o n d m e d ( 2 ) a f 【e ri n t r o d u c i n g r e l e v a n tt h e o r i e s o f s p r e a ds p e c m a mt e c h n o l o g y , t h i s p a p e rb r i n g so u tam o d eo fs p r e a ds p e c m u nc o m m u n i c a t i o na n da n a l y z e si t s p r o m i n e n t a n t i - d i s t u r b , “i c ec a p a b i l i t y t h i sp r o v i d e st h e o r e t i cb a s i sf o ra p p l y i n g s p r e a ds p e c m m at e c h n o l o g y t op o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( 3 )s y n c h r o n i z a t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n t p a r to f s ss y s t e m s o i t sa l s o t h ee m p h a s i s & t h i sp a p e r a ni n s t i n c ts c h e m ei s p r e s e n t e dt os y n c h r o n i z ep n s e q u e n c e 、c a r r i e ra n d d a t ab i ti nt h i sp a p e r i no r d e rt oa c q u i r ep n s e q u e n c ep h a s e ， ac i r c u i tn a m e d s i n g l e i n t e g r a p ha n dr a n k i n ga c q u i s i t i o ni su s e da n dt h er e s u l ti s 4 些查查兰婴主堂垡堡塞 c h e c l ( e da tt h ee n do f t h ei n v a r i a b l ei n t e g r a p ht i m e ；i no r d e r t ot r a c kp ns e q u e n c e p h a s e ，a k i n do f i n c o r r e l a t i v et r a c k i n gl o o pi su s e d ；a n d t h es q u a r el o o pc i r c u i ti s u s e dt os y n c h r o n i z ec a r r i e r a n dd a t ab i ts y n c h r o n i z a t i o n i sa c c o m p l i s h e d0 1 1t h e b a s i so f c a r r i e rs y n c h r o n i z a t i o n ( 4 ) f o rp n s e q u e n c e ，t h es i m p l ems e q u e n c e w h i c hi sg e n e r a t e db y8b i t s h i f tr e g i s t e r7 4 l s 2 9 9i sa d o p t e d , a n da n a 】y s i so f i t sc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s m a d ea sw e l l f r o md i f f e r e n to u t p u to f7 4 l s 2 9 9o rb yc h a n g i n gf e e d b a c k f u n c t i o n , d i f f e r e n tms e q u e n c e c a nb e g o t t or e a t i z ec d m a ( 5 ) t h ep o w e ra m p l i f y i n ga n dc o u p l i n gc i r c u i t s o fm o d u l a t e ds i g n a l i n c l u d et h ep o w e r a m p l i f i e r , f i l t e r , c o u p l i n gt r a n s f o r m e r , a g ca n ds oo n t h e p o w e ra m p l i f i e ra d o p t sc o m p l e m e n t a r ys y m m e t r yc i r c u i tb yu s 吨f i e l de f f e c t t r a n s i s t o r , a n di t so u t p u tc o n n e c t st h et r a n s f o r m e rw h i c hc o u p l e s t h ep o w e rl i n e v i at h eh i g h - c r o s s i n gf i l t e r a na c t i v eb u t t e r w o r t hf i l t e ri su s e dt of i l t r a t et h e i n t e r f e r e n c eo f p o w e rl i n e ( 6 ) f o rd a t as t r e a mi n t e r f a c e ，w eu s es e r i a lp o r ta n d p a r a l l e lp o r t o f s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r t os y n c h r o n i z ew a n s m i s s i o nd a t aw i t hp n s e q u e n c e a tt h e s e n d i n ge n d , t h ed a t aw h i c hw i l lb et r a n s m i t t e da r er e c e i v e db ys e r i a lp o r to f s c ma n ds t o r e di nt h er a m a c c o r d i n g t of i f o r e g u l a t i o n t h e nt h ed a t ai ss e n t o u t t h r o u g h o r l eb i tl o c a t i o no f p a r a l l e lp o r ta tt h er e c e i v i n ge n d , t h e p r o c e d u r e i s j u s t o nt h e c o n t r a r y t h i s m e t h o dc a na v o i dd a t ao v e r f l o wi n m e m o r y e f f e c t i v e l y ( 7 ) i no r d e rt h a tt h ec i r c u i t sc a r lw o r k s t e a d i l y , w eu s et h es o f t w a r et o o l “m a x p l u s i i ”a sa r ta s s i s t a n c et o d e s i g nt h e m a f t e rb e i n gs t i m u l a t e da n d m e n d e d m a n y t i m e su n t i ls a t i s f a c t o r y , c i r c u i t sc a nb eb u i l t u p c o m b i n i n ga l lo f t h ea b o v ea n do t h e ra d d i t i o n a lu n i t s ，w ea c c o m p l i s h e d t h e d e s i g no f t h es y s t e mm o d e lo f d a t at r a n s m i s s i o no v e r h i g hv o l t a g ep o w e r l i n e u s i n gs p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g ya n dt h ei m p r o v e m e n to fd a t at r a n s m i s s i o n q u a l i t yo v e rp o w e r l i n eh a sb e e n g a i n e d 符0 说明 符号说明 s s ( s p r e a ds p e c t r u m ) ：扩频 p n ( p s e u d o n o i s e s e q u e n c e ) ：伪随机序列 p l c ( p o w e r l i n ec a r r i e r ) ：电力线载波 a p l c ( a n a l o g p o w e rl i n ec a r r i e r ) ：模拟电力线载波 d p l c ( d i 罾t a l p o w e r l i n e c a r r i e r ) ：数字电力线载波 g 。( p r o c e s s i n gg a i n ) ：处理增益 t d r s s ( t r a c i n g a n dd a t a r e l a y i n g s a t e l l i t es y s t e m ) ： 跟踪卸数据甲继卫星系统 e d a ( e l e c n o n i c d e s i g na u t o m a t i c ) ：电子设计自动化 v c o ( b l t a g ec o n t r o lo s c i l l a t o r ) ：压控振荡器 a g c ( a u t o m a t i cg a i nc o n u 0 1 ) ：自动增益控制 b p s k ( b i n a r 3 7 p h a s es h i f tk e 、b o a r d ) ：二相相移键控 c d 4 ( c o d ed i x i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) ：码分多址 r a m ( r a n d o ma c c e s sm e m o r 3 ) ：随机存储器 f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ) ：先连先出 h v l ( h i 曲v o l t a g ep o w e r l i n e ) ：高压电力线 s c m ( s i n g l ec h i pm i c x ，o c o ) ：立 糊 6 引言 第一章引言 电力线载波通信是一种以电力线为载体，以变电站为终端， 用以传 送远动数据和各种电力参数对电力网进行管理和调度的通信形式。它具有 投资少、施工周期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继通信距离 长等优点目前，我国l l o k v 以上电力线载波电路已超过6 5 万话路公里， 另外还有大量的电力载波机在l l o k v 以下的农电网上运行。庞大的电力线 载波通信网担负着电网内电力调度、继电保护和远动信息的传输任务，对 于电网的安全稳定运行起着重要作用。 电力线载波通信在电力通信发展史上建立过卓越的功勋，并一度有过 辉煌的地位。然而，随着现代通信技术的迅猛发展，多种先进的通信手段 ( 如光纤数字通信) 已迅速崛起，正呈现出取而代之的态势。调查表明， 全球电力通信网中的电力线载波通信的比重已经由1 9 9 2 年的1 2 下降到 1 9 9 6 年的7 在电力通信系统迅速完善微波、重点发展光纤的政策下， 电力线载波通信正纷纷退位，只充当调度备用通道的角色。而且，由于经 费等其他原因，载波通道的一些户外设备年久失修、缺乏改造，通信质量 正日益下降。电力线载波通信正面临着“内忧外患”的尴尬境地。 但是，对这种廉价的、电力系统独有的并且仍然存在很大使用价值的 信道资源，电力通信网决不应该轻易放弃，而应加以合理改造，使之与宽 带、高速技术长期并存，互为补充。为此，人们做了很多努力。国际大电 网会议第3 5 研究委员会( c i g r e s c 3 5 ) 还于1 9 9 7 年初成立了第9 工作组 w g 3 6 0 9 ，以专门对数字电力线载波( d p l c ) 的技术、业务、规范等进行 深入研究，使电力线载波全面从a p l c 向d p l c 转移。本论文正是基于此， 提出了一种改造电力线载波通信的方案一一高压电力线扩频通信。该方 案在利用原有电力线载波通信设备的基础上，引入扩频技术，不仅实现了 从a p l c 向d p l c 的转化，而且极大地提高了通信的质量 扩频通信是一种新型的通信体制，是通信领域中一个重要的发展方 向。它是将待传输的信息数据用扩谱码调制，实现频谱扩展后送入信道传 输，在接收端利用同一码对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数 据所谓的“扩频”，是指传输信息的信号带宽远远大于信息本身的带宽， 用这种展宽频谱的方法可以提高信道容量，改善信噪比较小时的通信质 山东大学碗士学位论文 量。由于扩频通信具有突出的抗干扰和抗衰落性能以及扩频通信本身就是 一种数字通信方式，因此，将扩频技术应用于高压电力线通信能够有效改 善电力线通信质量，实现电力线通信的数字化，达到改造传统电力线载波 通信的目的。 本论文在分析高压电力线通道特性、介绍电力线载波通信现有设备、 阐述扩频通信相关理论的基础上，证实了在高压电力线上应用扩频技术的 可行性，并结合实际需要，设计出了完整的高压电力线扩频通信系统。该 系统包括p n 码的产生、调制方式的选择、p n 码的捕捉与跟踪、载波同步 与位同步的实现、数据流接1 2 1 、控制软件、信号的上下线处理、功率控制 等具体内容。 诸多内容当中，在接收端同步系统的设计和实现方面，本论文做了许 多创新工作，将以前分属于不同扩频系统的方案加以结合和改造，提出了 自己的同步方案。在本方案e e ，p n 码捕捉通道采用单积分顺序搜索、固 定积分时间能量检测器，跟踪回路采用电路简单但性能优良的t 抖动超 前一滞后非相干码跟踪回路，载波同步电路采用适于提取抑制载波的平 方环电路。通过将以上三种电路有机结合，形成了完整的具有自己特色的 同步方案，为整个系统的实现打下了坚实的基础。 系统的结构框图如下图1 1 所示。 图1 - i 系绞名匡图 高压电力线信道分析 第二章高压电力线信道分析 在本论文中，高压电力线既是传输工频信号的通道，又是传输高频信 号的通道，而后者的传输质量无疑是本论文关心的重点。因此，了解高频 通道的有关概念，掌握输电线高频通信的有关理论，以及认识相关h p _ t _ 和 结合设备，对整个系统的设计和实现至关重要。本章即从以上三个方面分 别予以介绍 2 1 通道的概念 在电力系统中，将线路侧反应其运行特征的电气量或逻辑量( 即保 护信息量) 传输到线路的另侧，通常由输电线路本身兼任，称之为复用 电力线。为了区分在输电线上同时进行传输着的工频电流，保护信息通常 采用高频传输，其实施方法是将保护信息调制到高频振荡波上，然后经通 道传向对方。此处的振荡波起着运载保护信息的工具的作用，常称为载波， 载波的频率称为载频。高频保护又称为载波保护，高频通道又称为载频通 道 载频通道的优点在于：( 1 ) 不需要专门的线路初建费用和维修费用； ( 2 ) 绝缘水平高，机械强度大，即使在大风、暴雨或冰冻等恶劣气候条 件下，也能在较高程度上保证通信的可靠性。但其也存在着下列主要缺点： ( 1 ) 输电线是不对称的多导线系统，因此分析和计算通道的参数相当复 杂；( 2 ) 电力设备和分支线对高频电流的传输起着极为不利的旁路作用， 而这些作用又难以彻底克服；( 3 ) 输电线上的工频高电压有窜入高频设备 的可能，以致危及人身和设备的安全。同时，输电线本身的运行状况( 如 短路或线路断线等) 严重地影响着通道的工作；( 4 ) 输电线上发生电晕、 绝缘子放电、短路、断路器操作或遭受雷击等时，将产生严重的电干扰： ( 5 ) 在电力系统中，当用同一条输电线的不同相或用相邻输电线同时作 为高频保护、载波通信和远动设备的通道时，这些相邻通道之间往往会发 生互相干扰( 这种干扰称为窜音干扰) 。( 6 ) 需用通道的设备接入愈多， 则它们所占的频带愈拥挤，甚至使高频设备使用频带的选择发生困难。 目前，高频保护用载频通道传输的信号频率范围一般为50 k o o k h z ， 最高不超过5 0 0 k 。载频低于4 0 k h z 时，使工频与载频的分离发生困难： 载频过高，将导致对中波广播、导航电台等产生严重干扰。 随着电力系统继电保护、载波通信和远动技术的发展，需要用载频通 道的设备越来越多，田三相输电线作为高频通路就显得非常拥挤，以至使 每种设备各自都用单独的通道而感到困难，有时甚至是不可能的。为了解 决这个问题，就出现了几套高频设备共用一条通道的传输形式，这就称为 复用通道。这样，一方面解决了通道援挤的问题；另一方面因公用一套加 工和结合设备，可节省通道的投资。在传统的载波通信中，频率复用和时 间复用是人们比较熟悉的常用的两种复用方式。然而，这两种复用方式都 有其自身的缺点。频率复用能引起较大的分浣衰耗和窜音干扰；两个不同 频率的高频信号有可能同时进入一台4 更信机，产生频拍和交叉调制现象， 引起保护的误亏= 作；其中任一套设备维修或故障时，就会影响另一套设备 的安全运行等；同时，给正常的绝护运彳亏也增加了麻烦。时分复用限制了 高频保护某些券理的压用，量= 毛_ 正常时通道不与高频保护接通，所以长期 发信的高频保护就不能采用。另夕h ，当棼电线路上发生故障时，必须由切 换装置切换后，高频保护! 发生作，黾影n 陌了保护动作的快速性。在本 论文的系统方磊中，由亍我们应用了扩频技术，因而，在信道复用方面， 自然地采用了码舟复用方式。码岩嘎用就是用不同码元或相同码元的不同 相位来区分不面设各的一种复用万式，所有需要鸶输的信息同时在同一频 段内传输。采用这种复用万式能克服劳塞复幂釉时间复用自身所存在的 一些缺点。 高压电力线信道分析 2 2 电力线高频通信理论基础 1 、均匀传输线方程 高频电流的特点是频率高，波长短，其波长与输电线路的长度相比， 通常要短得多在此情况下，电压和电流已不单是时间的函数，而且也是 空间的函数。所以，为了对高频电流在输电线上的传输情况求得足够精确 的分析结果，就必须考虑电路参数的分布性。在高频通信技术中，构成高 频通路的输电线路和高频电缆的每根导线的截面积、与邻线间的距离、对 地高度在全线范围内可以认为处处相同，所以这种线路称为均匀传输线， 对其加以分析时我们可以应用均匀传输线的有关理论。 描述均匀传输线上任意点电压或电流的方程式称为均匀传输线方程 ( 又称电报方程) ，具有如下形式： 【7 = 寺( 【7 i + j l z 。弦一檀+ 寺( d l j 。z f 弦掰 ( 2 1 一a ) 二二 1r j1r j ，：土( _ 兰l + ，) p 一”一二( 兰一j ) p ” ( 2 - 1 - b ) 2 z c 2 z c 。 式中【7 、j 一一线路任意点的电压、电流；d ，、j 。一一始端的电压、电流； x 一一从线路始端到待求点之间的距离；y 一一均匀线的传输常数； z ，一均匀线的特性阻抗； 式( 2 - 1 - a ) 、( 2 - 1 - b ) 如果化成双曲函数的形式，则为： 麓一耽一争膨f ( 2 - 2 ) 由上式可以在已知线路始端电压d ，和电流? ，的前提下，求出线路上任 意一点x 处的电压咖电流j 值。 如果已知线路终端电压玩和电流，欲求线路上任意点的电压【7 和 电流j 时，也可采用类似的均匀传输线方程，但在计算距离时， - - j 惯上改 用线路终端作为计算距离的起点，线路上任意点的距离以z 。表示，其方 向由终端指向始端。该方程式为： 山东大学硕士学位论文 d = 丢( 口：+ j 2 z c ) e h + 吉( 驴：一，z z c ) e 日 ，= 吉( 芝“炉+ 7 1i u 2 矿” 化为双曲函数的形式则为： d = d 2 c h y z + j 2 z ，s h t z 。1 砂脯+ 挚掰j 从式( 2 - 1 ) 到式( 2 - 4 ) 可以看出，线路上任意点电压和电流都可看作由 两个分量构成，前面一项统称为入射波，后面一项统称为反射波式( 2 1 - a ) 、式( 2 一卜b ) 可以表示为： 扯啦q 。阢和1 + 百u i 护) - 以和”“1 l( 2 - 5 ) ，= p 一”一，门p ”= ，( p 一”一l ，f ip ”) ：j ，( p 一”一七门p ”) j 式( 2 - 3 - a ) 、式( 2 - 3 - b ) 可以表示为： u = u ，! p ”+ u ，2 p 一”= u ，2 ( p ”+ k ，：p 一”) i = i t 2 c “一i f ! e 一”= i ，2 t e “一k f 2 e ”) 式中0 ，、，一一入射波电压、电流； d ，、，一一反射波电压、电流； ( 2 引 t ，。= 挚= 、足，：= 挚= 一一始端反射系数、终端反射系数； u ，lr 1 u r 2r 2 入射波是由线路始端向终端方向行进的，故又称为正向行波；反射波 是由线路终端向始端方向行进的，故又称为反向行波。反射系数为一复数， 它表示了反向电压行波相量与正向电压行波相量之比，或反向电流行波相 量与正向电流行波相量之比。始端反射系数和终端反射系数可以分别表示 为： _ 妯 。 卜 q 0 ：| 高压电力线信道分析 由上列二式可见，当线路终端为开路时，即z ：= 。，则足，：= 1 ；当 线路终端短路时，即z ：= 0 ，则足，：= 一i ；当线路终端所接的负载阻抗z ： 等于线路的特性阻抗z 。时，霞，：= o 此时称匹配状态，由式( 2 - 6 ) 可见， 线路上只有入射波而没有反射波，这种只有入射波的线路称为无反射线 路。 2 、传播常数y y 与线路的基本参数即其单位长度的电阻r o 、电感厶、电容c 。、漏电 电导等有关 y = x ( r o + j c n l o ) ( g o + j c c o ) = f l + j c e ( 2 9 ) 上式中传播常数y 的实部口，等于行波在行进1 个单位长度前的振幅与 行进1 个单位长度后的振幅之比，再取自然对数。所以它是描述行波在行 进时，其振幅值沿着线路长度衰减的参数，称为衰减常数，其单位为分贝 公里( d b l ( 1 1 1 ) 。y 的虚部仪等于沿行波行进方向相距1 个单位长度处，波 在相角上滞后的弧度数，所以它是描述沿行波行进方向波的相角移动的参 数，称为相移常数，其单位为弧度公里( r a d k m ) 。 箍 塾弘 糕 籍 整弘 糍 t 为了更直观地描述d ，a 与频率之间的关系，( 2 - 9 ) 式又可以写成如 下形式： y = 扛焉万i 高 对于一黼的均匀传输线来说，有础。 及以。 舶，则孟蠢 1 、 萼 1 ，于是利用近似关系式 ，扎o 而=l+土“一三“2+一1“3( 信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获 取传输信息的通信系统。也就是说在传输同样信息时所需的射频带宽，远 比我们已熟知的各种调制方式要求的带宽宽得多。扩频带宽至少是信息带 宽的几十倍甚至几万倍信息已不再是决定调制信号带宽的一个重要因 素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来央定 山东大学硕士学位论文 为了进一步阐述扩谱的概念，我们把一个d 维信号用一个m 维信号空 间的正交集来表示，即 s ，( f ) = s * 中。( ，) 1 i d ，0 t t 式中( 巾k ( t ) ，1 l ，即扩频编码的码长很长时，上式可近似为： s ，c 厂，= 专，茎占c 厂一z ，( 皇辫 2 基波附近，( 鬻 2 = ，则 s ，( 厂) 专( 万( 厂一手) + j ( ，+ 亭) + 占( 厂一手) + 万( 厂+ 手) 噪声功率谱密度s 。( 力是带限噪声”( ，) 的功率谱密度，当它为基带平稳随 机过程时，其功率谱分量在( - 兀，厶) 以内，那么 s ，( 厂) + s 。( 厂) i t s 。( 厂一厶) + s n ( 厂+ j ) + s 一( 厂一2 厶) + s 一( 厂+ 2 厶) + 】综 合( 1 ) 、( 2 ) 及上式有： 氏29 一弘圳矽+ 舷c m 肌专( 鲁+ 导 由此可知，扩频通信系统接收机的基带滤波器输出的噪声干扰功率，为原 输入噪声功率的。按扩频增益的定义，扩频通信系统的噪声输出功率 为： 占，2 只b i b 2 只g 与扩频增益成反比。f - 频通信系统的扩频增益越大，对噪声的抑制能力越 强。式中扩频编码p n ( t ) 对噪声”( ，) 在频域上作卷积，实际上是扩频编码 对基带噪声干扰作频谱扩展，扩展后的噪声功率谱密度自然明显降低，为 原谱密度的( 或) 。而能经基带滤波器输出的噪声功率也就仅为原 噪声功率的( 或尼) ，实现了对噪声干扰的抑制，体现了扩频通信系 统的抗干扰能力。 但是，上述结果是在噪声功率谱分布在( - 厶，厶) 内的情况下得出的。 如果噪声功率谱分布在( - 2 兀，2 l ) 内，带宽b 。= 2 b , 。我们可求得： 6 。? 墨专f 、? 。，一，d 、彤+ 鼍j 、? ，。，+ ，d 、耐 + - - n 1 _ j f i s o ( f - 2 f a ) d f + 1 6 s i s , ，c 厂+ z 厶，矽 ：墨：2 墨 这说明，当噪声功率谱密夏带宽为基带的2 倍时，接收机解扩处理后的噪 声输出功率为噪声输入功率的= 。因此，扩频通信系统对噪声功率 的抑制能力为扩频带宽与噪声带宽之比：乡。可以证明，当噪声带宽 与扩频带宽一样都非常宽对，扩频通信系统对噪声功率不再有明显的抑制 能力。 ( 2 ) 抗单频正弦干扰 设单频正弦干扰为：，( ，) = ，c 。s ( 珊，h p ，) ，q 。，则干扰可无损耗地 通过接收机的射频滤波器，扩频解调后的干扰输出信号为： 扩频通信基本躁理 y ：( f ) = ( f 一口) i ，c 。s ( c o ，口+ 妒，) p n ( 口一r ) 2 c o s ( c o + a + 妒) d c z 在扩频通信系统同步跟踪情况下，= 。，r = o ，妒= 妒。干扰信号也只有 在其频率，位于0 。一2 矾，+ 2 u f = ) 的扩频通带范围内，才能经扩频解调 后通过基带滤波器，形成对有用信号嵋( ，) 的干扰。干扰信号经扩频解调、 基带滤波，其输出为： y 2 ( f ) = 弘( r c t ) j p n ( c t ) c 。s ( ( ，一0 9 0 ) 口+ ( p ，一妒) ) 出 s h ( t - a ) j p n ( a ) d c t 扩频通信系统使用的扩频编码是二值的伪随机编码，+ 1 ，一l 的码元数目 基本上是平衡的。在扩频编码码长) ) 1 时，扩频编码的均值科p ( ，) 】- 0 。 所以经基带滤波器输出的干扰信号v ：( ，) 的均值巨k ：( f ) 】= 0 ，它的方差为： 弋鼍 j 2 2 jj 6 ( 口) ( ) 月，( 一a ) r ，( 口一f 1 ) d c t d f l 式中，r ，( 一口) 是外部干扰，( ，) 自相关值，它的付氏变换是i ，( ，) 的功率谱 一 密度，对单频干扰，它是： s ，( ) = 寺0 ( 占( 厂一f ) + j ( 厂+ ) ) 。 弓是干扰信号功率只= 。r p , ( a 一) 是扩频编码的自相关函数，它的 付氏变换可近似为码宽为t 的随机二值+ 1 、一1 序列的功率谱密度， 蹦仆疋( 如疋么 因此，外部单频干扰输出信号的方差为： 盯。2 = i i h ( s ) i 2 ( s ，( ，) + s ，( 厂) ) 形 式中，s ，c ，+ s ，c ，：c 占c 一，+ 占c 厂+ 乃，瓦( 黼 2 = 吖器学 2 当单频干扰的频率厂近似等于扩频通信系统的本地载波频率厂时，上式 可近似表示为： 剐蹦仍华 基带滤波器的频率特性( 厂) 有： 1 2 = 忆j 尘巍 干扰信号的输出功率为： 吒2 ，孚形只形= 显然，扩频通信系统输出的单频干扰信号功率为原干扰信号功率的 或倍，即对单频干扰信号抑制n 倍( 或g 倍) 扩频增益g 越大， 对单频干扰信号的抑制能力越强。 ( 3 ) 扩频通信系统抗干扰性能频谱图解 ( 1 ) 和( 2 ) 分别从理论上推导了扩频通信系统抗广义平稳干扰和抗 单频正弦干扰的原理，为了更直观地理解扩频通信系统抗干扰的特点，我 们以下给出扩频通信抗窄带干扰的频谱图。 扩频通信基本原理 j- f 亿 | |厂，八r jc r ? | c | t + r 信息调制器输出信号功率谱 o 发送的扩频 信号功率谮 。 ， 发送的扩频信号功率谱 ， 千扰信号 、 发送信号： 一? 扩弓寸 t 忒p 接收信号功率谱 、 | 、 、 有用信号7 千扰信号 、? 而天了寸七书济 解扩后的功率谱 3 5 山东人学硕士学位论文 ， 、 一 ，一千扰信号 有用信号 1 | 一 窄带中频滤波器输出信号功率谱 3 6 3 4 扩频码的选择 扩频通信系统的频谱扩展是借助于扩频序列而实现的。扩频序列的特 性对于扩频通信非常重要，对于扩频通信的性能具有决定性的重要作用。 扩频序列编码是扩频通信系统的核心内容之一。在扩频通信中，抗干扰、 抗多径、抗截获、保密、多址通信、实现同步等都与所采用的扩频序列密 切相关，即对扩频序列提出了各式各样的要求。其中最基本的要求是扩频 序列应具有随机性。香农在证明编码定理的时候，提出具有白噪声统计特 性的信号来编码。这二者不谋而合。然而，随机信号的产生、复制、控制 难以实现。伪随机序列( p s e u d o n o i s es e q u e n c e ) 具有类似于随机信号的 一些统计特 生，但又是有规律的，容易产生、复制，因此它是扩频序列的 当然选择。其实，扩频通信系统中也把扩频序列称为伪随机序列，正是源 于系统中一般都是采用伪随机序列。扩频序列的研究就是寻找( 构造) 各 种序列，来满足系统的种种要求。综合这些要求，扩频序列应具有如下理 想特性： 有尖锐的自相关特性，而互相关系数应接近于零； 足够多的序列数，以实现码分多址，o 有尽可能大的序列复杂度； 序列平衡； 工程上易于产生、加工、复制和控制； 通过对现有的扩频序列码如m 序列码、g o l d 码、w a ls h 码在以上方面 的综合比较和权衡，系统选用了具有较理想伪随机特性，自相关函数尖锐， 工程实现十分简单的m 序列码。 m 序列码由线性移位寄存器产生，线性移位寄存器的反馈函数和初始 状态不同，可得到不同的移位寄存器序列。 线性移位寄存器的一般形式如下图所示： 图3 - 4 1 线 生移位寄存器原 如图总共有1 3 个寄存器，它们的状态为x ( f - 1 , 2 ，3 ”) ，经 c ( 江1 2 ，3 ) 相乘后，模2 加再反馈，c f ：0 表示不连接，c = 1 表示连接。 该缌陛以为寄存器的特征多项式为： 0 x 、= 1 七c 、x + c ! x j + c 、x ， 当，( x ) 为周期为2 ”一1 的既约多项式即本征多项式时，相应的线性以为寄 存器产生的序列为m 序列。 前面提到我们要求扩频序列具有良好的自相关特性，在此我们来分析 一下m 序列的自相关特性。 二元序列 臼。) 的自相关函数r ( r ) 表示二元序列 仉) 和它的位移序列 ) 在对应位置上两个元素的关系，对于周期性二进制序列( 周期为n ) 它的归一化自扭关可表示为： 1n r ( r ) = 专日a ， 进一步计算化简可得： 扩频通信基本原理 尺c r ，= 仁吉 ；i ： c 其中p 为m 序列的周期， 由此可见m 序列具有双