（电路与系统专业论文）电力线载波宽带上网装置的设计.pdf

摘要 i f u l l l l f f l i i f i i ir l l l lfr r i i i i i l f l i f i i f l l i iilll y 17 3 4 4 8 3 现今信息传输交换十分频繁，上网已成为人们日常生活工作的必须。近年来，登录 上网的人数成倍增长。然而，采用何种方式使用户终端连接到最近的宽带网络，成为 i n t e r n e t 普及的难点之一，即被业内人士称为宽带网络接入的“最后1 公罩”问题。架 设四通八达的网线固然能够实现，但是架设网线需要很多资金，况且有些地方根本无法 架设，就算能够架设，算上现有的电话线、有线电视线、电力输送线，我们的世界就成 了一个到处是线、到处是网的世界，线网泛滥于生活于工作都很不方便，而无线上网又 存在着信号被遮蔽时网络中断的弊端。 若把现有的直达用户的低压电力线作为信息传输的媒介，将电力输送网和数据通讯 网合二为一，不仅能节省大量的通讯信道建设投资，还会由于电力网络的普遍和电力系 统的峰固，使无网线覆盖区域的上网问题得以解决，使上网变得更加安全、方便和可靠。 因此，电力线载波上网成为提供“最后l 公罩”宽带接入方式最具竞争力的解决方案。 本文采用i n t e l l o n 公司最新的电力线专用集成收发芯片i n t 5 2 0 0 ，结合以太网控制 芯片k s 8 7 2 1 b 及以太网转接芯片p u l s e - h l1 0 2 ，设计了一套低压电力线载波宽带上网装 置。该装置主要由局端调制解调器、耦合器和用户端调制解调器三部分组成。其中，局 端调制解调器负责外部网络和电力网络的连接，它一端连接以太网，一端连接电力线， 用以实现以太网通信协议和电力线通信协议的转换；耦合器负责电力信号的注入和滤 出，即将已调电力信号加载到电力线上和将高频电力信号从电力线上分离；用户端调制 解调器负责电力网络和用户终端的连接，它一端连接电力线，一端连接用户电脑，用以 实现电力线通信协议和p c 机u s b 或e t h 接口协议的转换。 给现有的电力网络接入端配备局端调制解调器和耦合器后，配备了用户端调制解调 器的电脑插入该电力网的任意电源插座，就能实现速率为l o m b p s 的电力线载波宽带上 网；多台配备了用户端调制解调器的电脑可以同时上网，而无需布置专业网线。该装置 安装简单、使用方便、数据传输快捷、无环境污染，尤适于办公楼、家庭和实验室使用。 关键词：低压电力线载波通信，正交频分多路复用，i n t 5 2 0 0 ，k s 8 7 2 1 b a b s t r a c t n o w a d a y s ，g o i n go n l i n eh a sb e c o m en e c e s s a r yi nd a i l yl i f eb e c a u s eo ff r e q u e n ti n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o na n de x c h a n g e t h en u m b e ro fp e o p l eg o i n go n l i n ei n c r e a s e dt w o f o l dr e c e n t l h o w e v e r t h r o u g hw h i c hw a yc o n n e c tu s e rt e r m i n a lt ot h en e a r e s tb r o a d b a n dn e t w o r kh a sb e c o m eo n ed i f f i c u l t i e so f i n t e r n e tp o p u l a r i z a t i o n ，t h a ti s t h ef i n a lak i l o m e t e r i s s u eo fb r o a d b a n dn e t w o r ka c c e s sw h i c hi sn a m e db y i n s i d e r s t h r o u g ha l ld i r e c t i o ne x t e n d i n gn e tw i r ec a nr e a l i z e ，h o w e v e ri t sc o s te x p e n s i v e l y , f u r t h e r m o r e n e tw i r ee r e c t i o nc a n tr e a l i z e di ns o m ep l a c e s ，e v e nt h o u g hi tc a nr e a l i z e d ，a d d i n gt h ee x i s t i n gt e l e p h o n e l i n e ，c a t vl i n ea n dp o w e rt r a n s m i s s i o nl i n e ，t h e nt h ew o r l db e c o m el i n e se v e r y w h e r ew h i c hl e a dt o i n c o n v e n i e n c ei no u rl i f e t h ew i r e l e s si n t e r n e th a sd i s a d v a n t a g e so fn e t w o r ki n t e r r u p tw h e nt h es i g n a li s m a s k e d u t i l i z i n gt h ee x i s t i n gl o wv o l t a g el i n ea st h em e d i ao fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，c o m b i n i n g p o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r kw i t hd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc a ns a v ei n v e s t m e n to fc o m m u n i c a t i o n c h a n n e lc o n s t r u c t i o n ，a st h eg e n e r a lp o w e rn e t w o r ka n df i r m n e s sp o w e r s y s t e m ，t h eg o i n go n l i n ep r o b l e m i ns o m er e g i o nw i t h o u tn e tw i r ei ss o l v e d ，w h i c hm a k e g o i n go n l i n em o r es a f e t ya n dc o n v e n i e n t t h e r e f o r e ， p o w e rl i n ec a r r i e rs u r f i n gb e c o m e st h em o s tc o m p e t i t i v es o l u t i o n f o r t h ef i n a lak i l o m e t e r i s s u eo f b r o a d b a n dn e t w o r ka c c e s s i nt h i sp a p e r , al o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rb r o a d b a n da c c e s sn e t w o r kd e v i c ei sd e s i g n e d ， a d o p t i n gt h el a t e s ti n t e g r a t e dt r a n s c e i v e rc h i pf o rp o w e rl i n ec a r r i e ri n t 5 2 0 0 ，e t h e r n e tc o n t r o lc h i p k s 8 7 21ba n de t h e m e tc o n n e c tc h i pp u l s e h110 2 t h i sd e v i c ei sc o m p o s e db yl o c a lm o d e m c o u p l e ra n d u s e rm o d e m t h el o c a lm o d e mi su s e dt oc o n n e c tt h ea n dp o w e rn e t w o r kw i t he t h e r n e tn e t w o r k ，f o ri t so n e e n dl i n k e dw i t he t h e m e ta n dt h eo t h e re n dl i n k e dw i t hp o w e rl i n e ，t or e a l i z ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l c o n v e r s i o no fe t h e m e ta n dp o w e rl i n e t h ec o u p l e ri su s e dt oi n j e c ts i g n a li n t op o w e rn e t w o r ka n df i l t e r o u ts i g n a lf r o mp o w e rn e t w o r k i no t h e rw o r d s ，i ti su s e dt ol o a dp o w e rs i g n a lw h i c hh a sb e e nm o d u l a t e d o np o w e rl i n ea n ds e p a r a t eh i g hf r e q u e n c ys i g n a lf r o mp o w e rl i n e t h eu s e rm o d e mi su s e dt oc o n n e c t p o w e rn e t w o r ka n du s e rt e r m i n a l ，f o ri t so n ee n dl i n k e dw i t hp o w e rl i n ea n dt h eo t h e re n dl i n k e dw i t h u s e r sc o m p u t e r , t or e a l i z et h ec o n v e r s i o no fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o la n dp c su s bo re t h i n t e r f a c ep r o t o c 0 1 w h e ne q u i p p i n gt h ee x i s t i n gp o w e rn e t w o r kw i t hl o c a lm o d e ma n dc o u p l e r , t h ec o m p u t e r e q u i p p e du s e rm o d e mc a nb ea c c e s s e di n t oi n t e m e tw i t ht h er a t eo f10 m b p sb yi n s e r t i n ga n yp o w e rs o c k e t o ft h ep o w e rn e t w o r k m a n yc o m p u t e r se q u i p p e du s e rm o d e mc a ng oo n l i n es i m u l t a n e o u s l y , a n dt h e r ei sn o n e e df o rs p e c i a ln e tw i r e t h ed e v i c e ，f o rt h ea d v a n t a g e so fs i m p l ei n s t a l l a t i o n ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，a n d h i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n dn o - p o l l u t i o n i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rl a b o r a t o r ya n df a m i l y u s e k e yw o r d s ：l v - p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，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 n m u l t i p l e x i n g ) ，i n t 5 2 0 0 ，k s 8 7 2 1b l v 目录 摘要i a 】j ；s t r a c t i l l e j 录1 ， 第一章绪论。l 1 1 低压电力线载波宽带上网的概念和原理1 1 2 本研究课题的来源2 1 3 本课题的国内外研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 本课题的研究目的和意义4 1 5 本课题的主要研究内容5 1 6 本论文的内容安排6 第二章低压电力线载波上网信道特性分析和调制技术选择7 2 1 低压电力线载波上网技术中的主要问题7 2 2 低压电力线载波上网的信道特性分析7 2 2 1 噪声特性分析8 2 2 2 衰减特性分析9 2 2 3 阻抗特性分析9 2 3 低压电力线载波上网的信道模型1 0 2 3 1 低压电力线信道的多径传输函数模型1 l 2 3 2 低压电力线信道的等效阻抗电路模型1 2 2 3 3 低压电力线信道的噪声干扰模型1 2 2 4 低压电力线载波上网的调制技术1 3 2 4 1 扩频调制技术( 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 ) 1 3 2 4 2j 下交频分多路复用调制技术( o f d m ) 1 5 2 5 本章小结1 8 v 第三章电力线载波上网装置调制解调器的组成及主要芯片1 9 3 1 电力线载波调制解调器的系统结构和工作原理1 9 3 2i n t 5 2 0 0 的芯片介绍2 0 3 2 1i n t 5 2 0 0 的i o 接口2 1 3 2 2i n t 5 2 0 0 的m a c 层2 3 3 2 3i n t 5 2 0 0 的p h y 层2 4 3 2 4i n t 5 2 0 0 的模拟前端( a f e ) 2 4 3 2 5 选择i n t 5 2 0 0 的理由2 5 3 3k s 8 7 2 1 b 的芯片介绍2 5 3 3 1k s 8 7 2 1 b 的特性结构2 5 3 3 2k s 8 7 2 1 b 的主要引脚2 6 3 3 3k s 8 7 2 1 b 的工作模式2 7 3 4h 11 0 2 的芯片介绍2 8 3 5e e p r o m 芯片a t 9 3 c 4 6 的介绍2 9 3 6 本章小结3 0 第四章系统各功能部分的电路连接及外围电路实现3 1 4 1i n t 5 2 0 0 与k s 8 7 2 l b 的连接电路3 l 4 2k s 8 7 2 1 b 与p u l s e - h 11 0 2 的连接电路3 2 4 3p u l s e h 11 0 2 和r j 4 5 的连接电路3 3 4 4i n t 5 2 0 0 与e e p r o m 的连接电路3 4 4 5 系统外围电路的实现3 5 4 5 1 耦合电路3 5 4 5 2 供电电源电路3 6 4 5 3 瞬时保护电路3 7 4 5 4 复位电路3 9 4 5 5 系统时钟电路4 0 4 6 本章小结4 0 第五章低压电力线载波上网装置的p c b 设计和成形作品说明4 1 5 1 低压电力线载波宽带上网装置的p c b 设计4 l v l 5 2 低压电力线载波宽带上网装置各部分的实物图4 3 5 3 低压电力线载波宽带上网装置的使用说明4 4 5 3 1 局端调制解调器的使用说明4 4 5 3 2 耦合器的使用说明4 4 5 3 3 用户端调制解调器的使用说明4 5 5 4 低压电力线载波宽带上网装置的上网实例图4 5 5 5 低压电力线载波宽带上网装置的主要技术指标4 6 5 6 本章小节4 6 结束语4 7 参考文献4 9 致 射5l 攻读硕士学位期间的研究成果5 3 独创性声明5 5 关于论文使用授权的说明5 5 v l i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 低压电力线载波宽带上网的概念和原理 电力线载波上网是电力线载波通信( 即p l c ，p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) 的一个分 支，电力线载波通信是将载有信息的高频通信信号通过调制的方式加载到电力线上，把 电力线作为信息传输媒介进行数据传输的一种特殊的通信方式n 1 。在发送端，专用的电 力线调制解调器利用g m s k 或o f d m 调制技术将数据信息调制成适合电力线传输的高频信 号，然后将其加载到电力线上进行传输；在接收端，电力线调制解调器将电力线上的高 频信号滤出，再经过相应的解调，还原成原始的通信信号，完成信息传递。 从实现的通信速率角度，电力线载波通信可分为高速p l c ( h s p l c ) 和低速 p l c ( l s p l c ) ，一般以2 m b p s 的速率为分界线。从接入的电网电压角度，电力线载波通信 可分为高压p l c ( 3 5 k v 以上的高压电网) 、中压p l c ( 1 0 k v - 3 5 k v 的中压电网) 和低压 p l c ( 3 8 0 2 2 0 v 的低压配电网) 。从占用的频率带宽角度，电力线载波通信又可分为窄带 p l c ( n b p l c ) 和宽带p l c ( b b p l c ) 。由于中国尚无宽带p l c 标准，所以通常情况下，窄带 p l c ( n b p l c ) 就等同于低压p l c ( l s p l c ) ，宽带p l c ( b b - p l c ) 等同于高压p l c ( h s p l c ) 2 - 3 o 本课题研究设计的电力线载波宽带上网装置，利用5 0 k h z - 5 0 0 k h z 的频带范围在低压 电力线上传输信号，其传输速率在l o m b p s 以上，属低压电力线高速宽带载波通信范畴。 电力线载波宽带上网是将数字的网络信号调制成高频的电力信号通过电力线将网络信 息传送给用户电脑的以太网宽带接入技术。 本文设计的低压电力线载波宽带上网装置由局端调制解调器、用户端调制解调器和 耦合器三部分组成。局端调制解调器又称电力线网桥，负责外部因特网和电力网络的数 据传输，是以太网和电力网互联通信的桥梁。主要作用是将网络信息信号转换成适合电 力线传输的高频电力载波信号，或将高频载波信号还原成网络信息信号，实现以太网通 信协议和电力线通信协议的转换。耦合器负责电力信号的注入和滤出，其主要作用是将 调制好的载有网络信息的高频电力载波信号耦合加载到电力线上，或将高频载波信号从 电力线上滤波分离。用户端调制解调器又称电力猫( 电力线m o d e m ) ，负责电力网络和用 户终端的连接，它一端连接电力线，一端连接用户电脑，将高频电力载波信号还原成网 低压电力线载波宽带上网装置的设计 络信息信号送入电脑，或将网络信息信号转换成高频载波信号送给电力线，实现电力线 通信协议和p c 机u s b 或e t h 接口协议的转换h 3 。 该低压电力线载波宽带上网装置的具体通信过程为：下行通信时，局端调制解调器 将以太网信息信号转换成适合电力线传输的高频信号，由耦合器加载到电力线上传送给 用户端调制解调器，用户端调制解调器将其还原成以太网信号送入用户电脑。上行通信 一 r 时，用户端调制解调器将用户电脑信号转换成高频电力载波信号，由电力线传送给局端 调制解调器，局端调制解调器将其还原成网络信号注入以太网。图卜1 所示为本装置的 通信连接示意图： n cb a 端调制解调形鼬 l 甲甲甲i 舍l 电源。l i 份l i i-l l 匕调1 5 亏出 l l 上 外部因特网线 任意电源插j j广丌 i 1i 。i 任意赢 图1 1 低压电力线载波宽带上网装置的通信连接示意图 1 2 本研究课题的来源 现今信息传输交换十分频繁，上网已成为人们日常生活工作的必须。近年来，登录 上网的人数成倍增长。然而，采用何种方式使用户终端连接到最近的宽带网络，成为 i n t e r n e t 普及的难点之一，即被业内人士称为宽带网络接入的“最后1 公里”问题。架 设四通八达的网线固然能够实现，然而架设网线需要很多资金，况且有些地方根本无法 架设，就算能够架设，我们的生活已到处是线、到处是网，线网泛滥于生活于工作都很 不方便，而无线上网又存在着信号被遮蔽时网络中断的弊端。 低压电力线载波上网把现有的用户低压电力线作为信息传输的媒介，将电力输送网 和数据通讯网合二为一，成为提供“最后1 公里 宽带接入方式最具竞争力的解决方案晡1 。 利用电力线载波上网不仅能节省大量的通讯信道建设投资，还会由于电力网络的普遍和 电力系统的坚固，使无网线覆盖区域的上网问题得以解决，使上网变得更加安全、方便 2 驴驷 第一章绪论 和可靠。电力线载波宽带上网技术无论在实现成本上还是接入方便性上，都比传统的网 络建设和接入技术具有更多优势。 1 3 本课题的国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 国外的公共电网由于有专用的滤波系统，较之国内纯净，使电力线载波信号在传输 中受到的外界干扰较小，为电力线载波通信的发展提供了先天优势；另外，国外的微电 子技术及工艺水平远高于国内，为电力线载波通信专用芯片的丌发提供了技术支持，因 此国外电力线通信不论在理论研究方面还是在应用技术方面都领先于国内阳1 。 电力线载波通信技术( p l c ) 于1 9 9 6 年在英国诞生，英国n o r w e b 公司在同年的c i g r e 大 会上对该技术进行了样品演示，当时实现的传输速率只有1 m b p s 。次年，德国r w e 公司开 始研究开发p l c 产品，并在1 9 9 9 年的汉诺威展览会上展出了样机：该公司的电力线载波 宽带接入产品在德国埃森( e s s e n ) 试用安装了1 5 0 0 户，成为世界首家宣布实现p l c 宽带接 入系统商业化运营的企业n 1 。1 9 9 8 年，美国i n t e l o g i s 公司推出了商业化的p l c 产品，该 产品用于户内联网，最高速率达3 5 0 k b p s 。此后，挪威、同本也加入了对此项技术的研 究及相关产品丌发。韩国x e l i n e 公司在2 0 0 1 年的汉诺威c e b i t 展览会上，提出了p l c 解决 “最后1 公罩 家庭宽带网络接入的应用方案。 进入2 1 世纪以来，专用p l c 调制解调芯片的制造技术取得了突飞猛进的发展，其传 输速率经历了1 m b p s 、2 m b p s 发展到了1 4 m b p s 和4 5 m b p s 。芯片传输速率的提高，为电力线 载波上网的实现提供了可能；另外，多载波正交频分复用( o f d m ) 技术应用于电力线载波 通信，有效解决了电力线信道中的噪声干扰、阻抗失配、多径衰落以及信号冲突等问题， 为电力线载波高速宽带上网的实用化提供了技术保证。再加上，多网合一呼声的迭起， 电力线载波上网这一无需架设网线的宽带接入方式，凭借其独特的优势、诱人的应用前 景和巨大的潜在市场，掀起了一股研究丌发热潮。先后投入该技术研发的机构有美国的 i n t e l l o n 、i n t e l o g i s 、i t r a n 公司，韩国的x e l i n e 公司，以及瑞士的a s c o m 公司等。 为了推进电力线载波通信技术的发展，国际上先后成立了一些电力线通信组织，如 2 0 0 0 年成立的“家庭插电联盟( h o m ep l u gp o w e r1 i n ea 1 l i a n c e ，h p a ) ，以及之后成 立的电力线通信技术论坛和电力线作为可供选择的本地接入系统协会( p o w e r1 i n ea s a 1 1a 1t e r n a t i v el o c a la c c e s s ，p a l a s ) 等。这些组织致力于制定与p l c 有关的技术标 3 低压电力线载波宽带上网装置的设计 准，其中影响最大的是家庭插电联盟发布的家庭电力线通信产品技术标准h o m ep u g 1 o 。 尽管很多组织都在努力创造p l c 技术标准，但至今仍没有一个统一的提案。为此， 国际上先后投资该领域的众多公司，丌发出的产品形态万千、规格各异。 1 3 2 国内研究现状 我国对p l c 技术的研究起步较晚，但发展迅速。自从1 9 9 6 年p l c 在英国诞生之后，我 国的研究机构也对此进行了相关研究，并取得了一定成果。目前，我国已在长达 6 7 0 ，0 0 0 k m 的高压( 3 5 k v 以上) 电网的多条输电线路上开通了电力线载波通道，形成了庞 大的电力通信网，该网络主要用作地市级或以下供电部门变电站及大用户间的调度通信 和综合自动化控制通信信道。在中压( 1 0 k v - 3 5 k y ) 配电网上，p l c 主要用于配电网自动化 系统的数据传输。而在3 8 0 2 2 0 v 的低压配电网中，p l c 主要应用于远程自动抄表系统的 数据传输、智能小区和家居智能化等方面。至于电力线载波高速宽带上网技术币在研发 并取得了阶段性的成果。 我国电力科学研究院自1 9 9 9 年丌始研究电力线载波通信技术，先后自主开发了 2 m b p s 、1 4 m b p s 、4 5 m b p s 等一系列高速p l c 产品，并于2 0 0 1 年在沈阳建立了我国第一个高 速p l c 实验网络m 1 。中电飞华采用国外芯片于2 0 0 1 年1 2 月、2 0 0 2 年3 月和2 0 0 2 年4 月，相继 在北京广华轩小区、华景园小区和宣武区善果小区丌通了三个电力线载波通信试验网。 此三个试验网是在不同的建筑结构、不同的低压配电环境、采用不同的产品和不同的方 案进行试验组网的。另外，深圳囤电科技有限公司从2 0 0 0 年开始致力于p l c 产品的开发， 目前其传输速率可达l o m b p s ，但只限于采用国外生产的芯片进行设计。 低压电力线载波宽带上网技术，在国内引起了越来越广泛的关注和重视，越来越多 的机构和公司投入该技术的研究开发，陆续推出新的基于h o m e p l u 9 1 0 标准的电力线产 品和设备，并投入测试和商业应用中。 1 4 本课题的研究目的和意义 低压电力线载波上网把入户的低压电力线作为传输数据、话音、图像等多媒体网络 信号的信道，有着其他信息传输信道无法比拟的优越性。 首先，电力网是世界上最大的物理连接网络，电力线几乎无处不在，电力线载波上 网把电力线作为信息传输的通道，极大地扩大了因特网的覆盖范围，有效地解决了无网 4 第一章绪论 线覆盖区域的上网问题，使上网变得更加方便快捷。 其次，电力线载波上网这种因特网宽带接入方式无需布设专用网线，节省了大量的 网络信道建设投资，还避免了楼宇建筑的穿墙打洞，维护了环境设施的完整。 再次，电力线载波上网把现有的电力网络作为信息传输的媒介，将电力输送网和数 据通讯网合二为一，减少了线网泛滥给生活带来的不便，美化了环境，同时也弥补了无 线上网电磁辐射有损健康的不足。 另外，由于电力线峰固的物理结构，使网络信息传输变得更加安全可靠，同时也降 低了因特网信道的日常维护费用。 基于以上诸多优势，电力线载波上网是目前发展前景十分看好的宽带接入方式，被 认为是解决“最后l 公罩”宽带网络接入的最具竞争力的解决方案。随着i n t e r n e t 的飞 速发展，电力线载波宽带上网技术潜在的市场和巨大的商机越来越凸现，运用低压电力 线为载体传输高速数据的价值越来越被人们所重视，电力线载波宽带上网技术成为今后 研究的主流。 对此项技术的研究，有利于充分利用现有的电力设施，发挥现有的电力资源优势， 为电力公司进入电信服务提供技术手段，为电信用户提供价格低廉的宽带接入方式呻1 。 电力线载波宽带上网技术有着十分广阔的发展前景。 1 5 本课题的主要研究内容 本课题的主要任务是设计一套基于i n t e ll o n 公司电力线收发专用芯片i n t 5 2 0 0 的低 压电力线载波宽带高速上网装置，用以实现以太网的低压电力线接入。为完成这一任务， 本文做了以下几个方面的工作。 首先，本文从噪声干扰、传输阻抗、多径衰落等方面对低压电力线载波上网的信道 特性进行了分析，并针对其噪声干扰大、传输阻抗不可预测、多径衰落快的信道特征建 立了传输模型。根据传输模型，通过多种调制方式的比较，选择了o f d m 技术这一比较适 合低压电力线载波通信的调制技术。 其次，详细研究了家庭插电联盟( h p a ) 为家庭电力线通信制定的基于i n t e l l o n 公司 p o w e rp a c k e t 技术的h o m e p l u 9 1 0 协议，在此基础上给出了系统的整体设计方案，并对 装置各模块的芯片进行了选择。其中，电力线通信收发模块选择了i n t e ll o n 公司的电力 线专用调制解调芯片i n t 5 2 0 0 ，以太网物理层收发模块选择了m i c r e 公司的k s 8 7 2 1 b ，以太 5 低压电力线载波宽带上网装置的设计 网接口模块选择了p u l s e - h 11 0 2 。 最后，在对各主要芯片功能引脚详细介绍和分析的基础上，进行了各功能模块的详 细原理图设计和外围电路连接，设计制作了印制电路板，组装了元器件并包装了外壳， 直至作品成形，投入测试使用。 1 6 本论文的内容安排 第一章：概述了低压电力线载波宽带上网技术的概念和原理，阐述了国内夕 - p l c 技 术的发展现状，介绍了课题的来源及研究的目的和意义。 第二章：分析了低压电力线的通信信道特征，建立了简单实用的传输模型，选择了 适合低压电力线信道的调制技术，介绍了电力线网络通信技术标准h o m e p l u 9 1 0 协议。 第三章：给出了系统的整体设计方案，根据具体指标选取芯片和器件，对主要芯片 的功能引脚进行了说明。根据各功能部分对系统电路进行了模块化设计，并对各模块的 性能和工作模式、设计原理作了详细说明。 第四章：对主要芯片、各功能模块及外围电路进行了详细的原理图设计和连接，这 一章和第三章是本文的核心部分，也是本研究课题的主要工作。 第五章：总结了设计的经验和p c b 匍 作时应注意的问题，展示了装置成形后的实物 图片，并对装置的使用和性能指标进行了说明。 第六章：总结。 最后是参考文献、致谢和个人资料。 6 第二章1 弟一草1 电力线是用 线并不是十分理 负载可在其任意位置随机地连接和断开，这一固有的特点使低压电力线载波上网的信道 环境极其恶劣。1 。要在低压电力线上可靠、快速地传输网络数据信号，就必须详细客观 地分析低压电力线的信道特征，建立准确可行的信道模型，进而选择适当有效的调制技 术。 2 1 低压电力线载波上网技术中的主要问题 ( 1 ) 低压电力线上的干扰具有周期性、随机性和多变性。在不同的时刻、不同的位 置，干扰的频率和强度各不相同，因此很难给出一个准确反映低压电力线通信信道特征 的数学模型。 ( 2 ) 低压电力网络对高频信号的衰减极其严重。传输距离、传输信号频率、甚至工 频电源相位的变化都会对网络信号的衰减产生很大影响，因此很难确定一个合理的通信 带宽。 ( 3 ) 低压电力线通信信道的传输阻抗变化剧烈，发送设备的输出阻抗和接收设备的 输入阻抗很难与之匹配。传输阻抗是表征通信信道传输特性的重要参数，而低压电力线 是直接面向用户的，由于用户用电的随机性，使电力线上的负载不停地变化，导致了不 同时刻不同位置通信线路的传输阻抗大小不同。再加上电力线的负载由许多电阻、电容 和电感组成，因此，其传输阻抗又与所传信号的频率密切相关。低压电力线通信信道传 输阻抗的复杂性和多变性，给电路设计带来了极大的困难。 ( 4 ) 我国对低压电器的电磁兼容性( e m c ) 控制不够严格，低压电力线上的电磁污染十 分严重，抗干扰问题是实现低压电力线载波宽带上网的关键和难点。 2 2 低压电力线载波上网的信道特性分析 详细客观地分析低压电力线通信信道的特性，对建立一个准确的能反映低压电力线 信道实际情况的信号传输模型有极其重要的意义。下面从噪声特性、衰减特性、阻抗特 低压电力线载波宽带上网装置的设计 线载波上网通信信道的特性进行分析。 信信道中存在的噪声可分为人为噪声和非人为噪声。非人为噪声 因素在电力线上引起的噪声，人为噪声主要来自各种电器和电力 网通信信道的噪声并非简单的高斯白噪声，它具有时变性、随机 性和周期性。本课题研究设计的电力线载波宽带上网装置传输的是高频网络信号，所以 只针对0 1 m - 3 0 m h z 频率范围内的噪声做如下分析。根据噪声的不同性质，该频率段的噪 声可分为五类瞄1 ： ( 1 ) 有色背景噪声：该噪声由电力线上各种低功率的噪声源叠加而成，是一种随时 间缓慢变化的随机组合干扰，其规律近似服从高斯分布，功率一般不大，且功率谱密度 与频率呈现单调减特性。 ( 2 ) 窄带噪声：该噪声的频带很窄，主要由在中波和短波频带操作的电台的串扰产 生，其强度随一天的时间而变化，一般夜| 日j 偏大，白天偏小。 ( 3 ) 与工频异步的周期性脉冲噪声：该噪声主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲干 扰，通常由大功率电器的通断产生，功率谱为离散谱，重复频率一般为5 0 2 0 0 k h z 。 ( 4 ) 与工频同步的周期性脉冲噪声：该噪声与工频同步，主要由可控硅整流器件产 生，重复频率为5 0 h z 或l o o h z 。功率很小，一般不超过一4 5 d b ，且功率谱密度随频率的升 高而下降，干扰持续时间短，但频率覆盖范围大。 ( 5 ) 随机脉冲噪声：该噪声主要由闪电和负载的开关操作产生，近似服从泊松分布 ( 0 c ( 专d 寸c ) 。1 一b ， 设第i 条传输路径的时延为f ，那么 _ = 詈蚓，鲁 浯d v ，【，o 其中，d ，为第i 条传输路径的长度；咋为电磁波在该电力线介质中的传输速度；8 r 为 该电力线介质的介电常数：c 0 为光速。 d 4b c 图2 2 只有一个节点的多径信道模型 设第f 条路径上的传输加权因子为g ，表示反射因子和传输因子的相乘。在电力线 上，所有的反射因子和传输因子都小于l ，传输路径越长g ，就越小。因此，电力线多径 传输函数h ( f ) 可以用有限的条传输路径表示： ， h ( 厂) = g f a ( f ，d i ) e 川矾 ( 2 2 ) 低压电力线载波宽带上网装置的设计 其中，a ( f ，以) 表示信道的衰减，为频率和传输距离d ，的函数，随着传输距离和 频率的增大而增加；g ，为每条路径上的传输加权因子；0 为每条路径上的传输时延怕1 。 该传输函数是以一条支路为例得到的，对于有更多分支的复杂网络结构，可以用同 样的方法进行类推。该函数模型用很少的参数表征了多径传输对电力线信道特性的真实 影响，该模型己广泛应用于电力线载波通信中。 2 3 2 低压电力线信道的等效阻抗电路模型 一般来说，电阻、电容和电感是电力线阻抗的主要参数，且由电力线的物理结构、 材料的介电常数等因素决定。电力线的理想等效阻抗模型如图2 - 3 所示： 图2 3 电力线的理想等效阻抗模型 其中，l 为串联电感；c 为导体问电容；r 为传输线的电阻；g 为在周围绝缘介质中的 分流电导。然而，由于电力线上连接着众多类型不同的负载，其等效阻抗模型要比理想 状念下复杂得多，而且会随着传输距离的增加变得更加复杂和不可预测。因此，为了尽 量做到阻抗匹配，电力线通信的距离不能太远。 2 3 3 低压电力线信道的噪声干扰模型 根据2 2 1 节对电力线信道噪声特性的分析，我们得知电力线上的噪声干扰源众多 且性质各异，因此信道噪声很难直接定量地表示。但无论信道噪声多么复杂，都是由各 种性质的噪声叠加而成的，都是有规律可循的。 例如，有色背景噪声、窄带噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声在较长的时段内变 化平稳，且平均功率较小，频谱相对较宽，可以认为是背景噪声；与工频同步的周期性 脉冲噪声和随机脉冲噪声时变性强，功率大，可以认为是随机噪声。那么，电力线的信 道噪声就是背景噪声与随机噪声的叠加。 再如，窄带噪声的噪声电平很高，其他的相对较低。因此，我们还可以把电力线信 道噪声看作是频谱平坦的白噪声和窄带噪声的叠加。 1 2 第二章低压电力线载波上网信道特性分析和凋制技术选择 2 4 低压电力线载波上网的调制技术 电力线不是为传输高频网络信号设计的物理媒介，网络信号在低压电力线上传输具 有工作环境恶劣、线路阻抗大、信号衰减快、噪声干扰强等缺点“引。但是，即便如此， 低压电力线载波上网仍然是可行的，关键是选择一种合适的信号传输技术，尤其是合适 的调制方式。目前，在低压电力线载波通信中使用较为广泛的是扩频调制技术和正交频 分多路复用调制( o f d m ) 技术。扩频调制技术将信号频带展宽有效克服了电力线信道中的 强干扰和多径衰落问题；o f d m 调制技术将信号频带展宽调制在正交子载波上，多路子载 波复用提高了频带利用率，增强了电力线通信系统的生存能力。 2 4 1 扩频调制技术( 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 ) 2 4 1 1 扩频调制技术的原理 所谓扩频调制是将信息信号调制在较宽的频带上传输，在接收端通过相应的解调使 其恢复原始信号带宽的一种技术。在发送端，信息经编码形成数字基带信号，然后由扩 频码发生器产生的扩频码序列去调制以展宽信号频谱，频谱展宽后的信号经载波耦合器 加载到电力线上，信号沿电力线传输。在接收端，接收滤波器将载有信息的宽带信号从 电力线上分离，由本地产生的与发送端相同的解扩序列码对其进行相关解扩“铲1 7 1 ，最后 经信息解调，恢复成原始信息输出。 该技术以牺牲带宽为代价来提高抗干扰能力c i s ，其理论基础是香农( s h a n n o n ) 信道 容量公式，即式( 2 - 3 ) ： c = b 1 。9 2 ( 1 + 号) ( 2 3 ) 其中，c 为信道容量( b it s ) ，b 为信