（电力系统及其自动化专业论文）低压电力线载波通信理论与实践的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o wv o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eah o tr e s e a r c ht o p i cf o r e l e c t r i c a la d v a n c e m e n t si nt h er e c e n t y e a r s t h e t e r ml o wv o l t a g ep o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mr e f e r st ot r a n s m i s s i o no fi n f o r m a t i o no v e rt h ee x i s t i n gp o w e r l i n e s w h i c hw o u l dn o r m a l l yr e q u i r ea d d i t i o n a lh a r dw i r ei n s t a l l a t i o nt h i ss y s t e mi s a t t r a c t i v eb e c a u s ei tr e u s e st h ee x i s t i n gl o wv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k h e n c en e w c a b l i n gi n s t a l l a t i o nc a n b ea v o i d e d m e a n i n gs m a l li n v e s t m e n ta n dc o s ts a v i n g h o w e v e r ，p r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o no fh i g hq u a l i t yc o m m u n i c a t i o nu s i n gt h i sk i n d o fn e t w o r kp r e s e n t sd i f f i c u l t i e s ，b e c a u s eo fs o m ed r a w b a c k ss u c ha su n p r e d i c t a b l el o a d e f f e c t s ，n o i s e ，h i g ha t t e n u a t i o n ，r e f l e c t i o na n d r e s o n a n c ee f f e c t s t h i st h e s i sa i m st of i n d o u te f f e c t i v ew a y st od e a lw i t hs u c hp r o b l e m s i nt h ef i r s t p a r t o ft h i st h e s i s w es u m m a r i z e dt h eb a s i c t h e o r y ，t h e s t a t eo f a p p l i c a t i o na n dt h ep o t e n t i a lm a r k e to f l o w v o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o n w h i c h p r o v i d e st h ef u n d a m e n t a lb a c k g r o u n d o ft h i sr e s e a r c hp r o j e c t b a s e do nt h ee x p e r i m e n tt e s ts y s t e md e v e l o p e db yt h ea u t h o r s ，t h i st h e s i sm a i n l y f o c u s e di t sa t t e n t i o no nt h er e s e a r c ho ft h es i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sf o rt h ep o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o nt h ew a v e l e tt r a n s f o r r na n dw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r r na r ed i s c u s s e di n d e t a i la n dan o v e lm e t h o df o rp o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ns i g n a lp r o c e s s i n gi sp r o p o s e d t h ep r o p o s e dm e t h o du s e st h ew a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mt oi m p r o v et h ea n a l y s i sr e s u l t t h ew a v e l e tt r a n s f o r mh a sg o o dc h a r a c t e r s i nb o t ht h et i m ea n d t h e 打e q u e n c y l o c a l i z a t i o na n dc a ng i v eas e l f - a d j u s t i n gt i m e 一丹e q u e n c yw i n d o w h o w e v e r , w h e n d e a l i n gw i t hh i g h f r e q u e n c ys i g n a l ，i th a s t h ed r a w b a c k so fl o wf r e q u e n c yd o m a i n r e s o l u t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，w a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r mc a np r o v i d eam o r ea c c u r a t e a n a l y s i s s i n c ei th a sp e r f e c tp e r f o r m a n c e si n 厅e q u e n c yl o c a l i z a t i o n e s p e c i a l l yf o r v e r yh i g h - f r e q u e n c ys i g n a l ，o n ec a nf o c a l i z eh i m s e l f o n a n yd e t a i l so f ag i v e ns i g n a la n d g e tg o o dr e s u l t a p p l i c a t i o no f t h ep r o p o s e ds c h e m et ot h es i g n a lm e a s u r e df r o mt h er e a l l o wv o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ms h o w st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e d m e t h o d a n o t h e ri m p o r t a n ti s s u eo fl o wv o l t a g ep o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o ni s t h es i g n a l r e f l e c t i o n d u et ot h eh e t e r o g e n e o u ss t r u c t u r ea n dt h ei m p e d a n c em i s m a t c h i n go ft h e l o wv o l t a g en e t w o r k ，t h es i g n a lr e f l e c t i o ni sw i d e l ye x i s t e di ns u c hc o m m u n i c a t i o n i l 华中科技大学硕士学位论文 n e t w o r k f u r t h e rm o r e ，s i n c et h er e f l e c t i o ns i g n a lh a st h es a r l ef r e q u e n c ya st h a to ft h e t r a n s m i t t e ds i g n a l ，i ti sd i f f i c u l tt o p i c kt h eu s e f u li n f o r m a t i o nu pf r o mt h er e c e i v i n g s i g n a lb yc o n v e n t i o n a ls i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s b a s e d o nt h e d i s c u s s i n go ft h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n dt h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i co ft h el o wv o l t a g en e t w o r k ，t h i s t h e s i s a n a l y s i s t h er e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e s i g n a l r e f l e c t i o ni nd e t a i l s t w o c o u n t e r m e a s u r e st od e a lw i t h s u c hp r o b l e m sa r e p r o p o s e da n dt h e e f f e c t i v e n e s si s v e r i f i e d t h ef i r s to n ei st ou s et h ec o m p l e xw a v e l e tt r a n s f o r m s i n c et h er e f l e c t i o n s i g n a lh a s ap h a s ed i f f e r e n c ew i t ht h eo r i g i n a lo n e ，a p p l i c a t i o no ft h ec o m p l e xw a v e l e t t r a n s f o r mc a n g e t t h e p h a s e i n f o r m a t i o na n ds o m eo t h e rs i m p l ei n f o r m a t i o n b y c o m b i n i n gt h es i m p l ei n f o r m a t i o n o n ec a nf u r t h e ri m p r o v et h ea n a l y s i sr e s u l t t h e s e c o n do n ei st h ef r e q u e n c y c h a n g i n gm e t h o d s i n c et h ef r e q u e n c yi sa ni m p o r t a n tf a c t o r t oi n f l u e n c et h er e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h et r a n s m i s s i o ns i g n a l ，o n ec a ni m p r o v et h e c o m m u n i c a t i o n p e r f o r m a n c eb yc h a n g i n gt h ef r e q u e n c y f i n a l l ) ，as u m m a r yo ft h ep r e s e n tt h e s i s a n dt h ef u t u r ew o r ko fl o wv o l t a g e p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o na r eg i v e n k e y w o r d s ：l o wv o l t a g e p o w e r l i n e c o m m u n i c a t i o n ，s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n w a v e l e tt r a n s f o r i l la n dw a v e l e tp a c k e tt r a n s f o r m ， r e f l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，c o m p l e x w a v e l e t t r a n s f o r m ， f r e q u e n c y - c h a n g i n gm e t h o d j i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 本章简要介绍了低压电力线载波通信研究的意义、国内外研究概况及应用前景，本章同时 还简述了论文的主要研究工作和全文的章节安排 1 1 引言 低压电力线载波通信技术是目前国内外普遍关注的一个热点前沿研究课题。简 单地说，低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据 传递和信息交换的一种技术【i o 】。由于它利用已有的低压电力线路作为通信媒介， 因此可以大大节省敷设新的通信信道的投资，可带来极大的经济效益。此外，它还 可以灵活方便的实现“即插即用”和“不间断上网”。随着信息技术( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g 、) 的不断发展，美、德、法等发达国家已经提出家庭插座( h o m ep l u g ) 计划，旨在推动以电力线为传输媒介的数字化家庭( d i g i t a lh o m e ) 。如能实现，用 户室内的电源插座将成为信息交换点，低压电力线路将成为信息传输媒介，无需另 外的线路就可实现上网和打电话。此外，低压电力线载波通信技术的发展对于电力 市场及通信事业的发展也具有重大的意义。正因为如此，低压电力线载波通信的研 究已经引起了世界各国的广泛关注。 随着改革开放的不断深入，在我国电力工业中引入市场经济体制已经迫在眉 睫，这对于打破传统的垄断经营管理模式将其转变为公正、平等的电力自由贸易 模式，调节负荷分布的不均匀性，发电成本的不均匀性，缓解电力供需矛盾，挖掘 潜力、提高投资利用率有着重大意义。由于竞争的加剧，各供电部门一方面必须努 力降低供电成本，另一方面还必须努力提高电力服务质量，包括供电质量、负荷调 节、以及积极开发各种高新技术产业，开展通过电力传输线的网络服务功能，逐步 达到一方面供电方对所辖电网的运行情况可进行实时监测和控制，计算实时电价， 并迅速反馈给用户：另一方面，用户还可根据供电方送来的信息调节自己的用电行 为，对市场变化做出响应，使用户方与供电方平等地参与电力贸易中，达到合理的 动态平衡。同时，随着“四网合一”技术的成熟，低压电力线载波通信技术必将给 人们的现代生活带来一场更大的革新。 目前，全球正面临着信息技术革命和信息产业结构及体制的重大改革，而低压 电力线载波通信技术的不断发展，不但为我们提供了一个利用高新技术，发挥人才 优势和学科优势的大好舞台，同时也给我国广大的科研工作者带来了巨大的挑战。 本课题旨在这一大背景下，进行相关的基础性理论研究和实验研究，以促进和 推动基于低压电力线的载波通信事业的发展，适应信息社会和数字化家庭发展的需 华中科技大学硕士学位论文 要。 1 2 低压电力线载波通信的研究概况 尽管低压电力线载波通信具有极其诱人的优越性和广阔的应用前景，但由于低 压配电网具有不同于通信网络的特点，在这种网络上实现可靠、安全的数据传输是 相当困难的。世界各国已在这方面进行了大量的研究，目前，研究的重点主要集中 在如下几个方面： 第一：通信系统的实现方面，主要包括高速通信芯片的设计，高频电子电路的 设计，高性能的放大和耦合电路的设计等。 第二：通信理论方面，主要包括通信原理的研究，如扩频通信、多载波正交频 分复用技术等，通信技术标准的研究，如x 1 0 c e b u s 等，以及编码技术的研究等。 第二二：数字信号处理技术方面主要包括各种时频分析法的研究，如维格纳分 析、小波变换等，非平稳随机信号分析与处理的参数模型法，如自适应回归( a r l 谱分析法与变参数模型法等。 在工程应用方面，低压电力线载波通信在德、英、同等国家已取得了突破性的 进展。最早提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻斯特的一 家地区性供电公司n o r w e b l 3 1 。文献【4 1 报导，n o r w e b 公司在世界上首次成功实 现配电网上的2 5 个终端用户的电话与数据通信试验后( 1 9 9 2 1 9 9 3 ) ，己开发出在 2 m h z 带宽内数据传送速率为1 m b p s 的系统。1 9 9 3 年，英国s w e b 公司成功地在 一地区性有限遥测系统( r m s ) 中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将 已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表 等功能。文献”6 | 报道，美国a n 公司于1 9 9 6 年推出了】o o k b p s 的电力线调制解调 器芯片：文献pj 报道，a b b 公司已成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系 统d a r t n e t ( 1 9 9 9 ) ，其信号传输速率为1 2 k b p s 。1 9 9 9 年3 月1 1 日，德国r w e 能源 股份有限公司和瑞士a s c o m 公司向公众展示了利用公用电网传输电话和数据的技 术，使用户可通过低压电网，以高于当时i s d n 技术2 0 倍速度在因特网上浏览、 传送数据。 目前，在英、美等国，扩频技术的使用已有现场试验报告【4 】，至于扩频芯片， 据i n t e l l o n 公司2 0 0 0 年5 月3 日发布的最新报道，其p o w e r p a c k e t e c h n o l o g y 的信 号传输速率已达1 4 m b p s 。以此为背景，其o f d m 技术也取得了突破性进展，2 0 0 0 年1 月和4 月进行的组网试验，实现了速率为1 4 m b p s 的数据传输悼j 。 低压电力线载波通信具有极其广阔的应用前景，此项技术涉及的领域包括家庭 自动化系统，智能楼字系统，电力线局域网，各种表计的自动化抄送系统，电能质 华中科技大学硕士学位论文 量的监测系统等。专家预见，未来“三网合一”的信息网将由于电力网的接入而成 为“四网合一”的超级网络。 已有的文献和资料表明，低压电力线载波通信在理论上和实际应用中都取得了 可喜的成果。尽管由于有关技术问题尚需不断完善和解决，低压电力线载波通信目 前尚未进入商业化运作阶段，但有理由相信，随着信息技术及其相关交叉科学的不 断发展和广大科研工作者的不懈努力，低压电力线载波通信技术的发展必将给现代 家庭生活带来场革命性的变化。 1 3 论文的主要工作及章节安排 本文在全面系统地总结国内外低压电力线载波通信研究现状的基础上，深入研 究了低压电力线载波通信中存在的若干关键问题。在通信系统的实现方面，系统地 介绍了低匝电力线载波通信的实现方法和关键电路的设计原则，完成了低压配电网 载波通信实验的建立，在实验室环境下实现了基于低压配电网的实时通信。在理论 研究h 。面提出了基于小波包变换的低压电力线载波通信的信号分析新方法，并将 其与传统的信号处理方法进行了分析和比较。同时，在详细分析了低压电力线载波 通信中的信号反射特性和建立的反射模型的基础上，提出了复小波分析方法，仿真 研究结果表明使用复小波提取被分析信号的相位信息，可以明显地改善分析结果。 最后，列于处理低压电力线载波通信中的信号反射现象提出了一种改变载波频率的 新方法。 全文的章节安排如下： 第1 章简要介绍了低压电力线载波通信研究的意义，国内外研究现状及应用前 景，同时，简要叙述了本论文的主要研究工作和全文的章节安排。 第2 章主要讨论了低压电力线载波通信的基本理论，包括扩频通信原理，通信 技术标准现代信号处理方法。同时介绍了它们在低压电力线载波通信中的应用情 况，为本文的后续研究工作提供了一个整体框架。 第3 章主要研究低压电力线载波通信的基本特点，提出了低压配电网载波通信 的实验系统的构成，并就实验系统硬件实现中的几个关键问题进行了讨论，提出了 解决办法为理论研究做好准备。 第4 章在分析和比较小波变换和小波包变换理论的基础上，提出了基于小波包 变换的低压电力线载波通信信号分析的新方法。对实验系统中采集的低压配电网载 波通信实测信号的分析研究表明，所提出的方法能明显改善分析效果。 第5 章在第3 章所建立的实验系统的基础上，测量和分析了低压电力线载波通 信的阻抗特性，建立了低压配电网的“t ”型网络模型，并进一步详细讨论了载波 华中科技大学硕士学位论文 信号传输中的反射特性。 第6 章集中讨论了低压电力线载波通信中信号反射现象的解决方法。首先讨论 了信号处理中的相位信息和复小波的分析方法，在此基础上提出了基于复小波变换 的低压电力线载波通信中信号反射现象的解决方法，仿真研究结果表明了所提出方 法的有效性。最后，论文对所提出的另一种有效处理反射问题的方法，即变频率法 进行了介绍。 第7 章为全文的总结，总结了作者完成的主要工作及提出了有待进一步研究的 问题。 华中科技大学硕士学位论文 2 低压电力线载波通信的基本理论 本章主要讨论低压电力线载波通信的基本理论问题，包括低压电力线载波通信的基本原 理，通信技术标准，以及现代信号处理方法在低压电力线载波通信申的应用等，这些为本论文 以下各章的研究工作建立一个整体框架和背景 2 1 1 氐压电力线载波通信的基本原理及发展 随着信息技术的不断发展和人们对通信质量要求的不断提高，通信技术正朝着 高速率、宽频带、大容量方向发展。通信理论已从传统的频带传输( 幅移键控a s k ： a m p l i t u d e s h i f tk e y i n g ，频移键控f s k ：f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g 。相移键控p s k ： p h a s e s h i f tk e y i n g ) 发展到扩频通信( s s c ：s p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，多 载波1 1 二交频分多址( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 以及使用 高速光纤的光波分复用( w d m ：w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 技术等。 传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，即用载波调制的方法将携带信 息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上，以避开电力线的强噪声干扰。所采 用的基本调制方式有幅值键控( a s k ) ，频率键控( f s k ) ，相位键控( p s k ) 。在此基 础上，又派生出了差分移相键控( d p s k ) 、最小移频键控( m s k ：m i n i m u ms l l i f i k e y i n g ) 、四相移相键控( q p s k ：q u a d f i p h a s e s h i f tk e y i n g ) 、正交幅值调制( q a m ： q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 等。这些调制方法的最大弱点就是去噪能力不 强，随着配电网结构的不断复杂和人们对低压载波通信质量要求的不断提高，传统 的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量通信的要求。 扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 的真正全面研究是从5 0 年代美国 麻省理工学院成功研制的n o m a c 系统( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) 丌= 始的。9 0 年代以来，随着信息技术的不断发展，扩频技术无论在理论上还是在 实际应用中都取得了长足的进展。 简单地说，扩频通信是用伪随机编码( 扩频序列：s p r e a ds e q u e n c e ) 将待传送 的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解 调及相关处理的一种信息传输方法。 扩频通信的基本原理如图2 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 爵r 洋即归瑁 p n 序列载波 本地载波本地p n 序列 图2 1 扩频通信系统原理图 f i g 2 1 p r i n c i p l eo fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n 香农公式c = w t o g ，r 1 + j p j ( 其中：c 为信道容量，为频带宽度，p 为信噪比) 指出，在保持信息传输速率c 不变的条件下，可以用不同的频带宽度 和信噪功率比p n 来传输信息，也就是说，频带和信噪比j p 是可以互换的。 这意味着在较低信噪比的情况下，增加频带的宽度可以用相同的信息率以任意小的 出错概率来传输信息，通信系统可以通过增加带宽实现降低对信噪比的要求，达到 使信号的传输更加可靠的目的。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通 信的核心所在。 扩频通信的数学模型可用图2 2 表示： s ( t ) b ( m ) s ( t ) + n ( t ) b ( m ) s s ：扩频正变换( 调制) ：l s s ( ：扩频反变换( 解调) s ( t ) ：传输信号：n ( t ) ：噪声： b m ： 信道带宽 图2 2 扩频通信的数学模型 图2 2t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n 在理想情况下，对扩频信号的解调是1 s s s s s ( t ) = s ( t ) 的过程，就是对传输 信号s ( t ) 的还原；而对噪声”( r ) 而言，经过扩频处理后1 s s n ( t ) ) = s s n ( t ) ，这意味 着噪声频谱被扩展，从而使得噪声的强度减小。 实现扩频的方法很多，就扩展频谱方式的不同，扩频通信系统可分为：直接序 列( d s ：d i r e c ts e q u e n c y ) 扩频，跳频( f h ：f r e q u e n c yh o p p i n g ) ，跳时( t h ：t i m e h o p p i n g ) ，线性调频( c h i r p ) 以及上述各种基本扩频方式的组合，如：f h d s ， d s t h 等。扩频通信的最主要优点在于其它具有较强的干扰能力和抗电力线时变衰 减的能力。它通过扩展信息带宽来换取低误码率，从而提高通信的抗干扰性能，适 6 华中科技大学硕士学位论文 合在低压电力线这样的恶劣通信环境下实现可靠的数据通信。 图2 - 3 给出了扩频信号与窄带信号的抗干扰原理图。图中实线表示信号的功率， 虚线表示噪声和其它干扰的功率，这里假设噪声干扰完全位于信号的频率范围之 内。图2 3 ( a ) ，2 3 ( b ) 给出了窄带信号传输解调后的结果，由于采用窄带信号传输方 式时解调采用滤波方式，因此带内的噪声无法消除。图2 _ 3 ( c ) ，2 3 ( d ) 给出了使用扩 频方式时的效果，由于在解调端采用相关解调方式，而噪声干扰与信号不相关，因 此解调后的效果是干扰被扩频，晟后实际进入频带范围内的干扰成分变小，其效果 由图2 3 ( d ) 可清楚看出。同时，由图2 3 ( c ) 还可以看出，这种信号传输方式由于传 输信号的功率谱密度很低，几乎能够完全淹没在噪声干扰中进行传输，因而具有良 好的隐蔽性，不易被截获，这是扩频通信的又一优点。 幽：3 ( a ) 窄带信号剌干扰噪声 f i 9 23 ( a ) n a r r o v , 一b a n ds i g n a la n dn o i s e l 。；耐嘛。 幽2 3 ( c ) 扩频信号和干扰噪声 f i 9 23 ( c ) s p r e a ds p e c t r u ms i g n a l a n dn o i s e 图2 3 ( b ) 窄带信号解调 f i 9 2 3 ( b ) d e m o d u l a t i o no f n a r r o w b a n ds i g n a l 图2 3 ( d ) 扩频信号解调 f i g2 3 ( d ) t h ed e - m o d u l a t i o n o f s p r e a ds p e c t r u ms i g n a l 华中科技大学硕士学位论文 扩频通信方式的另一个优点是抗时变衰减能力强。由于低压电力线直接面向用 户，负荷条件非常复杂，网络结构变化大，且受随机因素的影响，因此，通信具有 很大的时变性。采用窄带通信方式时，如果“传输零点”恰好落在信号能量集中的 频带范围内，那么信号就几乎完全被衰减，接收端无法正确接收到发送的有用信号。 相反，如果采用扩频通信方式，由于信号频谱被扩展后占有的频率范围较宽，即使 是某一频率附近有“传输零点”，其它频率的信号仍能正确传输，从而提高了通信 的准确率。 通过以上分析可见，由于扩频通信具有抗干扰能力和抗时变衰减能力强的特 点，而低压配电网又是一种通信环境非常恶劣的传输媒介，因此扩频通信技术在低 压电力线载波通信中得到了广泛的关注。 除扩频通信外，正交频分多址( o f d m ：o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 技术作为一种新的通信方式，己引起了广大电力工作者的注意。简单 地说，正交频分多址技术是种多载波通信技术，它将可用的频谱分解成一系列低 速的窄带一次载波( s u b c a r r i e r ) ，各次载波相互正交重叠，在发送端分别对其进行 调制。由于在多载波调制的子信道中，数据传输的速率相对较低，码元周期较长， 从而提高了对多径干扰的抵抗能力。此外，它还具有抑制因通信延迟而带来的误码， 降低电力线的衰减特性对载波通信的影响等优点。目前，i n t e l l o n 等一批全球知名 企业己将o f d m 技术应用于实际低压电力线载波通信系统，其p o w e r p a c k e t 技术 的传输速率己达1 4 m b p s ( 频带：4 3 m h z - 2 09 m h z ，8 4 路载波) 。 2 2 通信技术标准及其发展 目前，低压电力线载波通信的技术标准主要有三种：x 一1 0 、l o n w o r k s 和 c e b u s 。原有的低压电力线载波技术主要是基于x 一1 0 标准，但随着通信技术的不 断发展，c e b u s 以其自身的优越性，已被越来越广泛地采用。 x 1 0 技术标准于1 9 7 8 年首次提出，由于其在家庭自动控制( h o m e a u t o m a t i o n ) 领域的广泛应用而成为事实上的国际标准。这种标准最初只是用于单向通信，后来 增加了双向通信功能。就调制方式而言，由于考虑到“过零点”通常含最少量的噪 声和干扰，它使用过零调制技术，调制方式为幅值调制( a m ：a m p l i t u d e m o d u l a t i o n ) ，为减少误码，它需要两个过零点来传送一个“0 ”或“1 ”信息，因 此，其主要缺点在于通信速率太低和容量太小，难以适应现代高速率、大容量通信 的要求。 l o n w o r k s 技术标准由e c h e l o n 公司提出的，它是点到点的对等网络通信 华中科技大学硕士学位论文 ( p e e r t o p e e rc o m m u n i c a t i o n ) 方式，使用载波侦听多路访问( c s m a ：c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s ) 技术。目前，e c h e l o n 公司已研制开发出基于该技术标准的扩频通 信芯片( 1 0 k b p i s ) 19 8 4 年，电子工业协会( e i a ：e l e e t r o n i ci n d u s t r i e sa s s o c i a t i o ) 开始着手研究 适用于家庭用户设备通信的标准，这就是后来的c e b u s 标准( 1 9 9 2 年正式颁布) 。 c e b u s 是独立于物理层连接规范的开放式通信标准，使用e i a 6 0 0 协议。由于它使 用对等网路通信方式，因此通信网上的任何一个节点都可随时接入。为避免数据冲 突，它使用载波侦听多路访问冲突检测( c s m a c d ：c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 技术，即在发送数据前监听信道上是否有数据正在传输， 边发送边监听，一旦监听到冲突，则冲突双方停止发送。这样，信道很快进入空闲 期，提高了信道的利用率。目前，以i n t e l l o n 公司为代表的一批企业己开发出基于 c e b u s 标准的系列产品。 2 3 现代信号处理处理方法在低压电力线载波通信中的应用 长期以来，傅立叶变换一直是主要的信号分析工具。然而，随着数学研究成果 的不断出现，信号分析工具也得到了不断的改善。尤其是8 0 年代初，随着小波理 论的形成和完善，种种时域一频域分析工具相继被用于电力系统。从短时傅立叶变 换到各种各样的小波变换，从一维时频变换到二维时频变换，它们在电力系统的各 个领域都得到了广泛的应用。将各种时频分析方法引入载波通信已成为低压电力线 载波通信的一个热点研究问题，这也是本论文的主要研究重点所在。 众所周知，对于确定信号和平稳随机过程，傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ，简 称f t ) 是信号分析和处理的基础，有着重要的意义，但是，傅立叶变换有明显的 缺陷，即无法反映时间局部信息。也就是说，信号x ( ，) 在任何时刻的微小变化都会 牵动整个频谱，反之，任何有限频段上的信息都不足以确定在任意时间小范围的函 数( ，) 。 对于时变信号和非平稳过程，人们提出了使用短时傅立叶变换( s h o r tt i m e f o u r i e rt r a n s f o r m ，简称s t f t ) ，也称加窗傅立叶变换( w i n d o w e df o u r i e rt r a n s f o r m ) 来提高频谱反映时间局部特性的能力。加窗后的傅立叶变换虽然具有时间分辨率， 但时间分辨率与频率分辨率之间的矛盾无法克服，也就是说，为取得好的时间分辨 率( 即使用短的时间窗) 必须牺牲频率分辨率，反之亦然，因此用它处理低压配电 网中传输的非平稳信号仍然不能满足要求。 小波变换( w a v e l e tt r a n s f o r m ，简称w t ) 是8 0 年代中后期逐渐发展起来的一 种数学分析方法。虽然，在此之前已有一些学者零散地进行了一些相关的研究1 9 j ， 华中科技大学硕士学位论文 但是，小波理论系统框架的形成则主要是法国数学家y m e y e r 、地质物理学家 j m o r l e t 和理论物理学家a g r o s s m a n 的功劳。而将这一理论引入信号处理领域，法 国学者l d a u b e c h i e s 和s m a l l a t 起着极为重要的作用。小波变换的优点在于它克服 了s t f t 的分辨率与信号不匹配的缺陷，让时间分辨率，和频率分辨率厂在时一 频平面上是变化的。也就是说，对信号的低频成分，可用宽时窗使得时域分辨率低 而频域分辨率高，对信号的高频成分，则可用窄时窗使得时域分辨率高而频域分辨 率低，从而达到“既看得到森林，又看得清树木”的效果。 在数学上，上述三种不同的变换，即f t ，s t f t 和w t 都是将所研究的信号( 函 数) 在一组特定的基函数上的分解问题。由于所选取的基函数不同，因此就有了不 同的分辨率特性。上述三种变换的分辨率特性完全取决于基函数的特征，即基函数 的频率带宽，和持续时间，所以变换结果也以厂和出分别作为频率分辨率和 时间分辨率的度量。总的说来，f t 的基函数在时间轴上是无限延伸的，即a t = 。， 故其频率分辨率可任意好但无时间分辨率：对于s t f t ，一旦窗函数选定，其基函 数的包络不再改变，其频宽厂和时宽，也就随之被确定，故时间分辨率和频率分 辨率在整个时一频面上就固定下来；而w t 的基函数是基本小波的伸缩和平移，在 时域和频域上都具有较好的局部化性质，因此在非平稳随机信号的处理和分析中得 到了广泛的应用。 2 4 小结 本章分析了低压电力线载波通信中的基本理论，主要讨论了扩频通信的基本原 理和优点，正交频分多址技术的基本特点等，并总结了现有的通信技术标准及其发 展。最后，提出了低压电力线载波通信中的一个重要研究内容，即现代信号处理方 法在低压电力线载波通信中的应用，这些成为以下章节研究的基础。 华中科技大学硕士学位论文 3 低压电力线载波通信的特点及硬件实验研究 本章在介绍低压电力线载波通信基本特点的基础上，提出了低压电力线载波通信的实验方 案和系女l s - 案，为后续章节的理论研究提供了实验平台 3 1 低压电力线载波通信的特点 众所周知，低压配电网由于直接面向用户，使其载波通信具有如下特点，网络 节点众多，拓扑结构复杂，阻抗变化大，噪声干扰强等。因此，在这样的通信网络 上实现高性能的载波通信之前，必须首先了解网络的基本特点。 总的说来，低压电力线载波通信网络的基本特点主要包括如下几个方面的内 容： 第，网络中的噪声干扰大。 早在1 9 7 2 年，a a s m i t h 就提出了低压电力线的噪声频谱测量问题i l ，同时指 出噪声的大量存在是实现数据在低压电力线上优质传输的主要障碍之一。一般来 说，影响电力通信质量的噪声主要有以下3 种：背景噪声、周期性噪声和突发性噪 声。背景噪声可视为电力线上的白噪声，它几乎分布在整个通信频带上，其幅值一 殴服从高斯分布；周期性噪声来自电力线上的开关设备的操作，包括周期性的连续 f 扰和周期性的脉冲干扰，例如由可控硅整流( s c r ) 元件引起的噪声，它在每5 0 h z 的周期内( 在美国为6 0 h z ) 切换一定次数，引起在时域上的一系列噪声脉冲。突 发性噪声是由用电设备的随机接入或断开而产生的。由于低压配电网直接面向用 户，用电设备种类繁杂，数目众多，其随机的接入和断开而带来的噪声问题就显得 比较严重。 现有研究表明，脉冲干扰对低压电力线载波通信的质量影响最大。有文献研究 表明【l “，脉冲干扰的强度最大可达4 0 d b ，如此强的干扰将给通信带来致命的伤害， 以致于在接收端根本无法识别出发送的信号。 第二，输入阻抗变化大。 低压配电网的输入阻抗的大小直接影响传输信号耦合的效率。现有研究结果表 明，低压配电网的输入阻抗一般为几欧姆到几十欧姆，且随频率的升高呈上升的趋 势1 1 2 , 1 3 。文献i 峙旨出，低压配电网的输入阻抗在l o o k h z 频率以下一般很低，单个住 户的输入阻抗在9 9 5 胁频率下降低到2 q ，这就要求信号发送装置具有低输出阻 抗特性。更为严重的是，由于受随机负荷的影响，低压配电网的输入阻抗不可预测， 在不同地点或不同时间，甚至在同一地点的不同时间，输入阻抗值也可能发生较大 的改变，这给通信频率的选择和通信装置性能的设计带来很大的困难。 华中科技大学硕士学位论文 第三，信号衰减大。 信号在电力线上传输过程中的衰减是低压载波通信遇到的另一难点。同时，由 于低压配电网直接面向用户，负荷情况复杂，各节点阻抗不匹配。所以信号在传输 过程中会在节点上产生反射和折射，有时还会在线路上产生谐振等现象，这些使得 信号的传输衰减变得极其复杂。 现有文献研究表a t l 2 , 1 5 , 1 6 , 1 7 】，信号的衰减随着传输距离的增加而增加，在某些 特殊的频段，由于反射、谐振及传输线效应等的影响，衰减会出现突然剧增。文献 1 4 j 手自出，在1 0 0 k h z 4 0 0