（电力系统及其自动化专业论文）电力线扩频载波数据通信系统的设计.pdf

t h e d e s i g n s o fap o w e rl i n es s c d a t a c o m m u n i c a t i o n s y s t e m e l e c t r i c s y s t e m a n di t sa u t o m a t i z a t i o n p o s t g r a d u a t ed o n g l i s u p e r v i s o r t i a ny u a n f u t h ea d m i n i s t e ro f b i gm o d e la n di m p o r t a n te l e c t r i c a le q u i p m e n ti nn e t w o r ki s t h en e w 丘e l do fn e t w o r k t e c h n i q u e ，h o wt or e a l i z ee f f e c t u a l l yt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e ne l e c t r i c a le q u i p m e n ta n dn e t w o r ki saf o c u so ft h i sf i e l d t r a d i t i o n a lp 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 nh a ss o m e s h o r t c o m i n g s o nc o m m u n i c a t i o n q u a l i t y , w h i c h l e ti td o e s n ta d a p tt ot h ed e m e n to ft h ep o w e rd e v e l o p i n g a l t h o u g hm a n yn e w c o m m u n i c a t i o n sm e a n s ，s u c ha sm i c r o w a v e ，o p t i c a lf i b e r ，e t c ，p e r f o r ms a t i s f a c t o r i l y ， t h ei n v e s t m e n ti st r e m e n d o u sa n dt h ec o n s t r u c t i o n p e r i o di sl o n g i f w ec a na p p l yt h e s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u eo np o w e rl i n e ，i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o n ，m a k et h eb e t t e ru s eo ft h ee x i s t i n gp o w e rl i n er e s o u r c e ，t h e n w ec a r lr e s o l v et h ec h a n n e l - l a c k i n gp r o b l e ma n db r i n gd i r e c ta n dc o n s i d e r a b l es o c i a l e c o n o m i cb e n e f i t t h i ss c i e n t i f i cr e s e a r c h p r o j c o tb a s e so nt h i ss t a r t i n gp o i n t ， d e v e l o p st h es p r e a ds p e c t r u md i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e mw h i c hc a na c c o m p l i s ht h e d i g i t a lt r a n s m i s s i o no np o w e r l i n e t h e d e s i g ns e l e c tt h ed i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g y , w h i c hr e s o l v e t h ep r o b l e mo ft h es i g n a lt r a n s m i s s i o ni ns u c ha d v e r s ec o m m u n i c a t i o nc i r c u m s t a n c e s a sp o w e rl i n e ；s e l e c tt h es p e c t r u md o m a i na d a p t i v ef i l t e r i n gt e c h n o l o g y , w h i c hh a s c h a r a c t e r i s t i c so f h i g l ls p e e da n d p o w e r f u lr e j e c t i o nf o r n o i s ea n di n t e r f e r e n c e t h ep a p e rf i r s t l y a n a l y s e st h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l e so ft h ed i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e ，t h ea r i t h m e t i ci nt h e f r e q u e n c y - d o m a i nb yu s i n gt h e t e c h n o l o g yo f t h es p e c t r u mc o r r e l a t i o na d a p t i v ef i l t e r s e c o n d l y , t h eh a r d w a r e d e s i g n a n dt h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t a r e t h o r o u g h l y d i s c u s s e d t h eh a r d w a r ed e s i g n i n c l u d e sp l 2 1 0 1p o w e rl i n en o d e ，r e a l i z a t i o no fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e si nd i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u ms i g n a lu s i n gf r e q u e n c y d o m a i na l g o r i t h m t h es o f t w a r e d e v e l o p m e n tc o m p r i s e st h ec o m p i l eo f t h em i c r o c o n t r o l l e r sa s s e m b l yp r o g r a ma n d t h e c o m p i l e o ft h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a m b e t w e e nt h e c o m p e e r a n dt h e m i c r o c o n t r o l l e r a tl a s t ，t h ed e b u g g i n ga n dt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i sa l ec o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o wt h i sd i g i t a lt r a n s m i s s i o ns y s t e m p e r f o r m ss u p e r i o r i t y , p a y sc h e a p l y i tc a nb eu s e do nt h eo c c a s i o no fd a t at r a n s m i s s i o nr a t em o d e r a t e ，c o m m u n i c a t i o n r e l i a b i l i t yd e m a n dh i g h ，s u c ha sp o w e rn e t w o r ka u t o m a t i o n ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k a u t o m a t i o na n dr e m o t ea u t o m a t i c m e t e r i n gs y s t e m a n ds oo n k e yw o r d s ： s p r e a ds p e c t r u m c a r d e rp o w e rl i n e d i r e c ts e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m s p e c t r u m d o m a i n a d a p t i v ef i l t e r i n g 四川大学硕士学位论文 1 概述 1 1 课题的目的、意义和必要性 电力线除了传输电能之外，还可以作为通信介质，利用现有的电力网实现 数字通信，可以大大减少通信网建设的费用，具有现实的经济效益。 电力线载波通信是电力系统的一种特殊的通信方式，它以电力线为载体， 以变电站为终端，适合电力系统通信，特别是电力调度通信的需要。但随着电 力系统自动化水平的不断提高，更多的遥测、遥控信息需要准确的传输。传统 的电力线载波通信在通信质量上的缺陷使其不能适应电力发展对通信的要求， 电力系统通信中的信道紧缺的问题目益明显。许多新的通信手段，如微波、光 纤等，虽然性能优越，但投资巨大、建设周期长。如果能通过技术改进，提高 电力线载波通信质量，使现有的电力线资源物尽其用，从而寻求到种高性价 比的电力系统通信方案，这便能很好的解决电力系统中的信道紧缺问题，带来 直接而可观的社会经济效益。本科研项目便是基于这出发点，开发能实现在 电力线上传输数据的扩频数字传输系统。该系统可用于电网自动化、配网自动 化以及自动抄表系统等。 下面以自动抄表系统为例说明其应用前景： 自动抄表系统的通信信道主要包括抄表中心与分站的通信信道、分站与数 据集中器的通信信道、集中器与电度表( 或采集终端) 韵通信信道。 如果全面实施集中抄表系统后，会有许多数据集中器，通过哪种信道将数 据集中器的数据上传到抄表分站，是建设集中抄表系统的一个关键问题。它关 系到系统的维护量、造价和通信可靠性。抄表分站和数据集中器可选择的信道 有：公用电话网、专用无线网、公用无线网( 即无线移动数据通信网、如蜂窝 数字分组数据网c d p d 等) 、有线电视网、电力载波等。 1 ) 公用电话网 这种方式随着电话初装费逐步取消，电信资费的下降，优势日渐明显，系 统维护工作量小。但每月有固定的基本费用，且有些集中器安装的地方可能无 法架设电话线。 2 ) 电力线 这种方式最大的优点是系统网络自成一体，一次性投资以后，不再需要大 的费用。每个集中器目前的通信信道投资适中，如果批量使用以后，一次设备 婴! ! ! 奎兰堡主堂垡笙壅 价格还会下降。该方式的另一个优点是系统整体数据抄表可靠性高。 3 ) 专用无线网 建设专用的无线数据传输网来传输集中抄表系统集中器数据，这种方案不 可取，原因是：第一，频率资源浪费：第二，系统造价高；第三，系统长期稳 定性差。如借用现有的专用无线网，如无线电力负荷监控系统网，这是否可行 主要看原来系统本身的规模和通信的繁忙程度，另外还要看集中抄表系统要求 多长时间抄一次数据，如果二者能在时间上交叉配合，就可以采用这种方式。 缺点是系统造价高，天线架设比无线系统困难的多，会大大降低通信可靠性。 4 ) 公用无线网 这是一种新型的数据通信网，在我国仅有少数城市开通，它不受地理位置 限制，目前m o d e m 价格较高。相信若干年后优势会明显。 5 ) 光缆及电缆 专门建设光缆及电缆网进行集中远程抄表数传不可取。只能与馈线自动化 系统一起考虑，否则系统性价比太低。 6 ) 有线电视电缆网 要求有线电视网必须是双向系统，需与有线电视部门进行良好的合作与配 合，协调工作量大。抄表分站的设置与抄收范围受到有线电视网的布局限制， 特别是随着电力电缆增加，缺点越来越明显，不具有推广的普遍性。 目前许多电力企业在规划和建设城市配网自动化系统，规划和建设好城市 配网自动化系统的关键问题是通信信道的选择和建设问题。它要求在电力线上 建立通信信道，对线路柱上开关和配电变压器进行控制与监测。一些电力企业 已经建设了一些通信信道，进行城网配电自动化试点。 由于居民电度表集中远程抄表系统集中器数据上传和城网馈线自动化系统 在通讯时间上并无冲突，因此二者的通信信道完全可以在一起考虑，做到事半 功倍。但出于抄表系统和馈线自动化系统在大多数电力企业属于不同部门主管， 一个是生产，一个是用电。因此必须从全局利益出发，统一规划，统一建设， 避免多头建设，重复投资，用有限的资金建设一条可靠的通信信道，以获得最 佳的经济效益，发挥最大作用。 典型的电力线载波通信原理如图1 1 所示，数据信号通过载波通信设备，经 过调制和功率放大后，由信号耦合网络加载到电力网上，而在电力网的另一端， 2 四川大学硕士学位论文 同样通过信号耦合网络将电力网上的调制信号送到相应的载波通信设备，经解 调后复原。 图1电力线载波通信原理框图 1 2 低压电网数字通信的概况及其特点 电力线路在电力系统中，不仅担负着交、直流电能的传输任务。而且是信 息交换与传输的重要载体。电力线载波通信已成为一种经济可靠，使用便利的 通信手段。 目前，电力线载波技术主要用于3 5 k v 及以上高压线路上，载波带宽为4 0 5 0 0 k h z ，传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等，单边带调 制技术占据了主导作用，且已比较成熟。但是，如何利用城网低压电力线路发 展载波技术，特剔是高速、可靠的数字载波技术则仍处于研究阶段。 在2 2 0 ，3 8 0 v 低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大的 区别，突出表现在环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等 特点。 ( 1 ) 嗓声和干扰 低压电力线网络中，各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严 重污染着电力线通信环境。 v i n e se ta i ，定义了4 种电力线噪声： 夺硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造残整数倍工频上的频谱突 变； 夺平滑频谱噪声，其频谱很平坦，可以看作有限带宽的白噪声，家电中的小 电机是产生这种噪声的根源： 单脉冲干扰，通常由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起： 夺非同步周期噪声，如电视鑫q 行扫描频率对电网的干扰。 、 3 四川大学硕士学位论文 ( 2 ) 信道阻抗 电力线网络是一个广泛存在的网络，变电站的二次变压装置和用户负载同 时并联在电力网络中，信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗 匹配是很重要的，因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时，接收端得到的 有用信号能量最大。 低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成： 夺变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大： 夺导线的特性阻抗，导线可以看作电阻和电感的串联，不同导线的特性阻抗相 差7 0 1 0 0 欧姆； 夺接在电力线上的设备阻抗，一般相差1 0 1 0 0 0 欧姆。 ( 3 ) 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1 0 0 d b k m 。信 号衰减有以下特点： 夺时间不同，衰减幅度也不同； 夺信号频率不同，衰减幅度也不同； 夺距离不同，衰减幅度也不同。 ( 4 ) 多径干扰 多径效应是电力线通信存在的干扰之一，由于信号通过不同通路所用的时 间不同，延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。 1 3 国内外技术研究现状及发展趋势 电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声 以及等幅振荡波干扰等不利于数据传输的特性。传统的单边带调幅电力载波通 信技术在电力系统中很多年来一直起着主导作用，并取得了成功的经验，但对 于低压电力线路，因其恶劣的通道特性，只有采用先进的通信方式及抗干扰措 施，才能设计出符合现实电力系统的解决方案。电力线通信主要有3 种模式， 即幅度调制、频率相位调制和扩频通信。幅度调制是最早使用的数字通信技术， 通过调制载波的幅度来传播“0 ”、“l ”信号，它是一种最不可靠的通信方式， 特别是在充满噪声的低压电力线上，难以保证高速度的可靠的通信，因此实际 应用较少。而其余2 种通信方式均具有较高的抗干扰能力，是目前应用研究的 4 四川大学硕士学位论文 重点领域。以往采用的窄带通信，如f s k 、p s k 等存在数据传输速率低、误码 率高等缺陷，因而其应用受到极大限制。为了更好的满足通信速率及可靠性方 面的要求，基于扩频技术的电力线载波数据通信技术得到了长足的发展。扩频 通信作为信息时代的三大高技术通信手段之一，具有许多窄带通信所不具备的 优良性能，如抗干扰性强、误码率低、抗多径衰落等优点。即使在背景噪声恶 劣的情况下也能保证安全可靠的通信。理论分析和实践结果表明，将扩频技术 用于电力线实现电力线扩频载波通信不失为一种优化的组合。这已成为电力系 统通信中的一个研究热点。 在国内，已有很多研究机构进行了这方面的研究和开发，其中一些已开发 出了电力线扩频载波数传系统。目前，已有几种利用电力线进行数据通信的芯 片或产品，如利用电力线m o d e ml m l 8 9 3 和a t 9 3 0 1 可在电力线上实现数字通 信，但存在许多缺点，尤其是使用窄带通信对脉冲噪声的抵抗较差，抗干扰能 力较弱。国外一些公司开发的基于扩频原理的芯片虽然性能较好，但价格十分 昂贵，不适合直接在我国推广使用。本设计选择了北京福星晓城公司的p l 2 1 0 1 芯片，基于p l 2 1 0 1 模块的通信系统由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、 直接数字频率合成等新技术，因此具有很强的抗干扰和抗衰减能力，能有效用 于配电线等恶劣通道特性的载波通信中。 1 4 课题研究的主要内容 1 分析p l 2 1 0 1 的特性、功能及内部组成，研究它与主处理器的接口及数据的 收发过程。 2 编写用于实现数据传输的软件。 3 进一步优化p l 2 1 0 1 的外围电路，调整并确定最佳的信号发送功率及占用频 带。 4 对整个电路进行调试，并进行性能分析。 四川大学硕士学位论文 2 基本原理 2 1 扩频技术 2 1 1 扩展频谱通信系统概论 扩频通信系统所传输信息的信号带宽。远远大于原始信息本身的带宽。扩 频接收对噪声频谱进行扩散处理，使干扰能量密度及幅度迅速降低，而有用信 号能量最大集中，所以扩频通信的可靠性比现有的通信系统都高。 扩频波形由伪随机序列( 州码) 控制。删码序列是二进制序列，表现出 某种随机往，可以在接收机上以确定的方式重新产生。扩频信号在接收机与本 地产生的肌r 码作互相关运算进行解扩。 2 1 2 扩频通信的主要特点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发端用扩频玛序列进行扩频调制， 以及在收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，所 以它能在军转民后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。扩频通信的主 要特性是： 1 ) 抗干扰性能好。误码率低。 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而在收端又采用相关检测 的办法来解扩，使有用带宽信息信号恢复成窄带信号而把非有用信号扩展成 宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号， 因其在收端的非相关性解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高， 所以抗干扰性强。在目前商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作于负信 噪比条件下的通信方式。 2 ) 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小。 由于扩频系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特 性，经它调制后的数字信息类似随机噪声。在接收端进行解扩时，只有当本地 码和发射端的伪码完全一致时，才能有效地恢复信息。 3 ) 抗多径干扰。 利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有 用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成。这相当于梳状滤波器 的作用。采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传 四川大学硕士学位论文 送同一个信息实际上起了频率分集的作用。 4 ) 能精确地定时和测距。 在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高。每 个码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测物体反射出来后，在 接收端解调出扩频码序列，然后比较两个码序列相位之差，就可以精确测出扩 频信号往返的时间差，从而算出二者之间的距离。 5 ) 可以实现码分多址。 扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用 户共用同一宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频 码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特 性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户 码型的情况下可以区分不同用户的信号。提取出有用的信号。这样一来，在同 一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。 6 ) 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务。 扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合 于数据和图像传输。 2 1 3 直扩系统简介 直接序列扩频通信系统( d i r e c ts e q u e n c es p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 是直接扩频方式构成的扩展频谱通信系统，是最典型的扩展频谱通信 系统。直扩系统如图所示：由发射机( 图2 1 ) 、接收机( 图2 2 ) 两部分组成。 含有输入信息的数据，在模2 相加器中调制伪随机序列发生器产生的扩频 序列，形成高速数字序列。再经过载波调制器去调制载波信号，最常见的是采 用b p s k 调制方式，获得有相当宽频谱的扩频信号，经宽带放大后发射。 接收机收到发射来的有相当宽频谱的扩频信号后，经前置放大后送给三个 电路：扩频序列同步捕捉电路，扩频序列同步跟踪电路，载波同步跟踪及数据 解调电路。 扩频通信的可行性，是从信息论中关于信息容量的仙农公式中引申而来的。 厂c 、 c = l o g i1 + 二l ( 2 1 ) 四川大学硕士学位论文 式中：c 是信道容量( 可用传输速率量度) ： 矽是系统传输带宽： 导是系统的信噪比。 州 该公式表明，在高斯信道中，当传输系统的信号噪声功率比s n 下降时， 可用增加系统传输带宽的办法来保持信道容量c 不变。扩频通信系统的带宽 比常规的通信体制大几百倍甚至几千倍。扩展频谱换取信噪比要求的降低，正 是扩频通信的主要特点，并由此为扩频通信的应用奠定了基础。 扩频技术的主要优点是能够抑制故意和无意的干扰。假定我们收到的信号 乳，同时伴有很强的窄带干扰信号( r ) ，则解扩过程可以表示为： 暑- 1 g ，+ ) = 6 - 1 【s g 。) 】+ 占1 也) = s 。+ 4 i 。) = j 。+ f 。 ( 2 2 ) 这样，解扩过程就将输入的信号转变成一个有用的窄带信号和若干宽带信 号之和。再经过窄带滤波运算之后，得到 f g 。+ f 。) = s n + f “) = s n + o ( 2 3 ) 由于带通滤波器的带宽b 。等于窄带信号s 。的带宽，因此仅有一小部分干扰 信号的能量将通过滤波器，成为残余干扰o ，这是因为i w 的带宽b 。远远大于 e 。 8 图2 1 直接序列扩频通信系统发射部分原理框图 四川大学硕士学位论文 最常用的扩频形式是用一个伪随机码序列与窄带b p s k 信号相乘。为了扩频 的有效性，码片间隔瓦要远小于信息比特的间隔瓦。于是，一次调制信号可表 示为 晶( f ) = 6 ( f ) c o s 国。t ( 2 4 ) 扩频运算表示b p s k 信号与码字c ( t ) 相乘： 凡( ，) = c ( f ) s n ( f ) = c ( f 弦o ) c o s ， ( 2 5 ) 图2 2 直接序列扩频通信系统接收部分原理框图 由于信号晶( r ) 是窄带的，丽码字c ( f ) 是宽带的，根据信号处理中的卷积原理， 钆o ) 的带宽由c 决定，而且远远大于( f ) 的带宽。解扩运算就是用码字c ( ) 与 宽带信号s ，o ) 相乘，由于c 2 ( f ) = 1 ，于是可得： c ( f b 。( f ) = c 2 0 如( r ) c o s ，= 晶( f ) ( 2 6 ) 9 四川大学硕士学位论文 2 1 4 扩频系统的主要性能指标 处理增益和干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 ( 1 ) 处理增益 系统的输出与输入信噪比之比称为接收机的处理增益。处理增益的物理意 义表明采用扩展频谱技术后，该系统接收信号的信噪比在相关处理后与相关处 理前的数值差异。 通常在衡量扩展频谱系统的抗干扰能力时，用处理增益g 来描述。d s 和 f h 系统所得到的处理增益都是由于在相关处理过程中，把有用的宽带信号变换 成窄带信号，并把无用信号( 干扰) 变成宽带信号( 干扰与本地扩频码相乘) ， 从而降低了干扰信号的功率谱密度，提高了窄带滤波器输出的信噪比，获得了 系统的处理增益。对于直接序列扩频系统，有： q = 鲁= 鲁 其中，为系统扩频带宽，坟为信息带宽 r 为伪码比特率，也为基带数字信息的比特率。 ( 2 7 ) 在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后 的带宽为玩的信息，而排除掉宽频带b 矗中的外部干扰、嗓音和其他用户的通 信影响。因此，处理增益的大小反映了系统抗干扰能力的强弱。g 。越大，则抗 干扰能力越强。目前，国外在工程上能实现的d s s s 处理增益约可达到7 0 d b 。 ( 2 ) 干扰容限 干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力。干扰容 限考虑了一个可用系统的输出信噪比的要求，而且顾及了系统内部信噪比损耗。 因此干扰容限定义为： 鸠= q 一卜+ ( 爿。 s ， 其中，掰是干扰容限； g 。是系统的处理增益； 四川大学硕士学位论文 k 是系统的工作损耗： ( 嘉 。是信息能被正确解调而要求的最小输出( 相关解扩输出) 信噪比。 2 1 5 扩频码 在扩频通信中，要求扩频码具有优良的伪随机特性和相关性能。在扩频通 信系统中，抗干扰、抗噪声、抗截获、信息数据的隐蔽和保密、多径保护和抗 衰落、多址通信、实现捕获与同步等都是与扩频编码的设计密切相关。理想的 扩频码主要应具有如下特性： ( 1 ) 有足够多的扩频码码组。 ( 2 ) 有尖锐的自相关特性。 ( 3 ) 有处处为零的互相关特性。 ( 4 ) 不同码元数平衡相等。 ( 5 ) 尽可能大的复杂度。 ( 6 ) 具有近似噪声的频谱，即近似连续谱且均匀分布。 要同时满足这些特性是目前任何一种编码都很难达到的，而且接收机必须 产生与发送端码序列相同的本地码序列，真正的随即序列是不可能重复产生的。 只能产生一种周期性的序列来近似随即序列，称为伪随机码。 伪随机码包含很多种码组，本系统中采用m 序列。 二元m 序列是最常用的一种为随机序列，最早应用于扩频通信，它是最长 线性反馈移位寄存器的简称。1 1 1 序列是由n 级移位寄存器产生的，周期= 2 ”一l 的序列。它可以用一个多项式来表征： 厂b ) = c on - c i x - i - c 2 x 2 + a - 6 0 r ，c o = c 。= l ( 2 9 ) n 级线性反馈移位寄存器原理图如图2 3 所示： 图2 3n 级线性反馈移位寄存器原理圄 四川大学硕士学位论文 m 序列是同样级数的线性移位寄存器所产生的最大长度序列，它的效率是 最高的，它具有优良的自相关函数，是狭义的伪噪声序列，且易于产生和复制。 它的生成可用移位寄存器的特征多项式确定一个本原多项式对应一个最大长 度序列，也就是对应一个m 序列。 l 、m 序列的自相关函数满足： 荆= 0 篡= 菇 协螂 要构造一个产生m 序列的线性移位寄存器。首先要确定生成多项式。由算 术的唯一分解定理可知，每一个大于i 的正整数n 可用素数的幂的乘积表示， 即： n = 易 式中，p j 为第f 个素数，口为一个正整数。 定义欧拉( e u l e r ) 函数为； li 痧( 声 丌 “慨一1 ) j # i p 一1 式中。p 为一个素数； n = 1 1 剖 ( 2 - 1 1 ) ( z - 1 2 ) 矿( ) 表示不超过n 且与n 互素的整数的个数。 经过代数理论的严格证明，对于n 阶移位寄存器，它对应的本原特征多项式的 数目为 n 。= 妒( ) ，捍= 以”一l ，扮 ( 2 1 3 ) 确定生成多项式的方法是先得到所有n 次既约多项式，再计算各个既约多 项式的周期周期为n = 2 ”一1 的多项式即为生成多项式。当n 大时，这两个步骤 的计算十分繁琐。通过理论分析和计算机模拟，已经的出了移位寄存器级数n 1 2 四川大学硕士学位论文 从1 到1 6 8 的i l l 序列生成多项式的系数。并已造表供查用。本系统采用的p l 2 1 0 1 芯片采用了移位寄存器级数珂= 4 ，初始状态为l 的i n 序列，其生成多项式为： 厂g ) = i + 工+ x 4 ( 2 一1 4 ) 2 、m 序列的互相关函数 对于周期性二进制序列，若周期均为n 的周期序列池 和 6 。) 之间的互相关 函数 r ( f ) = 吼b n 一， ( 2 1 5 ) 互相关系数 p ( ) = 专“一， ( 2 1 6 ) 4 i l 其中口。，b n 为k 和纸) 的元素，其值为l 或一l 。计算互相关函数的均值为 胄( f ) = q 6 。= 吒巩+ ，= q b ，= i ( 2 1 7 ) 即，m 序列的互相关均值等于1 ，在n 1 时，互相关均值与比近似为零。 2 2 数字相位调制与解调 数字相位调制又称相移键控( p s k ) ，它是利用载波相位的变化来传递数字 信息的。理论和实践都证明，在恒参信道条件下，相移键控与振幅键控、频移 键控相比，不仅具有较高的抗噪声性能，而且还能有效地利用频带，即使是在 有衰落和多径现象的信道中也有较好的效果。本系统采用的p l 2 1 0 1 芯片使用的 是b p s k 调制。 2 2 1 调制 在二进制相移键控( b p s k ) 中，幅度恒定的载波信号随两个代表二进制1 和0 的信号m 和m ：的改变而在不同的两个相位间跳变。通常这两个相位相差 1 8 0 度。设信息数据为d ( f ) ，恒包络数据调制载波功率为p ，角频率为，数据 相位调制为e a t ) ，其表达式为 一 ! 婴型奎堂堡主堂垡笙塞 s 。( ，) = j _ 功( f ) c o s b 。r + 吼( f ) 】 ( 2 一z 8 ) 扩频前这个信号占据带宽的典型值范围为数据速率的1 2 到2 倍之间，视 具体数据调制情况而定。b p s k 扩频是由s 。( f ) 和伪随机序列p o ) 的简单相乘 来实现，如图2 4 所示。 但是，通常数据和扩频采用相同类型的数字调制，当两者都采用b p s k 时， 可以省掉一个相位调制器( 混频器) 。双调制过程可以用数据码和扩频码的模2 和进行一次调制来取代，如图2 5 所示。 由图可知，发射信号为： 墨( f ) = 孺o ) p o ) c o s f + 吼( f ) 】 ( 2 1 9 ) 在数学上，可用一个取值4 - 1 的函数c ( r ) 来表示二进制数据与伪随机码的乘 积d ( t ) p n ( t 1 ，则上式可写为： s o ) = 厕( r ) c o sa ) o f + 吼( f ) 】 ( 2 2 0 ) 由上式可知。b p s k 信号的频谱中不出现离散的频谱分量，所以在接收端一 般使用锁相环。从接收到的b p s k 信号中恢复出同步载波的相位和频率。 西c o s b o f + 钆伽 西c o s 白。f )c ( f ) 图2 4b p s k 直接序列扩频发射原理图 2 2 2 解调 1 4 c ( f ) 西c o s ( w o f ) 图2 5 一个混频器的发射原理 吼( ，) 】 ) g o s w o f + 吼( f ) 】 四川大学硕士学位论文 发射信号通过传输延迟为白的无失真信道进行传输a 在接收端，信号和某种 类型的干扰和或高斯噪声一起被接收。然后与具有相同延迟的扩频码进行再调 制完成解扩处理。如图2 6 ( a ) 所示，解扩器输出信号分量为： 厕( f 一勺) c ( ，一 c o s ，+ 吼0 1 ) + 妒】 ( 2 - 2 1 ) 式中，。t - d 一传输延迟的近似值。 由于c ( f 一) = l ，如果2 力，也就是说，如果接收机的扩频码与接收信 号中包含的扩频码同步，则c o 一白) c f 一 = 1 。这时接收机解扩器的输出信 号分量，除了随机相位够之外，将等于s o ) 。s 涨o ) 可以用一般的相干解 调器央解调。 寸) 图26 ( b ) 图2 6b p s k 直序扩频接收原理图 四川大学硕士学位论文 b p s k 直接序列接收端常用如图2 6 ( b ) 所示方案组成。这时用较低频率的中 频滤波器取代高频带通滤波器可获得更好的滤波特性及较高的中放增益。 2 3 电力线扩频通信中窄带干扰的自适应抑制 在电力线上实现扩频通信，利用现有的电力网络实现数字通信。可以大大 减少通信网的建设投资。然而，在电力线的通带之内，存在多个、大功率的窄 带干扰( 一般情况下，每个干扰信号大的带宽为4 k h z 且与扩频信号的功率之 比大于2 0 d b ) 。为了使扩频信号能够在上述的信道中得以可靠传输，必须抑制 窄带干扰。 以r l l 序列直序扩频为例。利用r f l 序列自身的相关性，可以在解扩时将原 先的窄带干扰扩展成功率谱密度较低的“宽带干扰“。削弱窄带干扰对扩频系统 的影响。但是，实践证明，当扩频增益不够高或者窄带干扰的功率很大时，必 须在解扩前插入预处理环节。 从统计特性上来看，窄带干扰同扩频信号具有显著的差异。前者的样值之 间相关性强，可以由过去值预测当前值：后者的样值之间几乎不相关，可以视 为不可预测的随机信号。早期，众多研究者采用自适应线性预测滤波的方法来 抑制窄带干扰。可是，从统计特性上作进一步分析却发现：扩频信号的样值是 独立同分布的二进制序列，在自适应预测的过程中，它始终在扮演“预测噪声” 的角色。这种非高斯噪声会影响基于l m s 准则的自适应算法的性能，使得收敛 时的额外均方误差仍然较大。 另一方面，从功率谱密度的角度考察信号，会清楚的发现：在窄带干扰所 处频点，功率谱密度很大；而在其余频点，功率谱密度很小。倘若自够实现“频 域陷波”，降低干扰频点处的功率，就可以达到削弱窄带干扰的目的。 自适应滤波广泛应用于许多场合，如建模、线性预测、谱估计等。传统的 实现方法是时域中的多组延迟线形式。d e n t i n o 等提出了频域自适应滤波方法， 引起了人们的关注。n a r a y a n 等针对输入信号特征值分散度较大的情况，将频域 自适应滤波进一步扩展。引出了变换域自适应滤波的概念，获得了比时域自适 应滤波更好的收敛性能。 2 3 1 自适应滤波方法回顾 1 6 四川大学硕士学位论文 2 3 1 1 时域l m s 自适应滤波 x ( s )y o ) a o ) 图2 7 自适应原理 x o ) ：j 时刻的输入信号； y o ) ：j 时刻的输出信号； d c ，) ：j 时刻的参考信号或所期望响应信号值： e d ) ：j 时刻的误差信号。 如图2 7 所示，自适应滤波器的滤波参数受误差信号的控制，根据e ( ，) 的值 而自动调整，使之适应下一时刻的值j ( ，+ 1 ) ，以便使输出的j ，( ，+ 1 ) 接近于所期 望的参考信号。 i 最小均方滤波算法( l m s ) 把均方估计误差最小作为一种最优化准则，得到在线性最小均方误差意义 上的线性最优非递归型估计器。设输入信号序列为x 0 ) ，将其通过权值为 乜，0 l f = o ，1 ，a ，n - 1 i 勺自适应滤波器，滤波器的输出为y o ) ，它与期望值d 0 ) 的 差值为e 0 ) 。通过自适应调整权值4 ，使得e 0 ) 的均方误差最小。 代价函数： e g ) = y 0 ) 一d g ) 估计值： d g ) = ，扛o ) ，彳0 ) 输入信号序列： x 0 ) = o ) + y o ) y 0 ) ：加性白噪声，方差为矿 彳0 ) ：滤波器权系数集合 2 最佳非递归( 维纳) 递归估计 如) 可定义成x 如) 的