电力线通信信道分与照明控制系统设计(doc 49页).doc

1、摘 要随着城市发展的脚步不断加快，市区的照明系统为建设安全城市，和谐社会做出了巨大的贡献。但是，每年的照明耗电相当于全球17%的发电量，2004年中国照明耗电约为2187亿千瓦时，相当于三峡水力发电工程建成后，年发电能力840亿千瓦时的近3倍。为了实现照明节约用电，同时易于管理照明系统，需要改变传统的照明控制方式。电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式，它利用电力线作为传输载体，以变电站为终端，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输，具有信息传输可靠、可同时复用等特点。通过载波，电力线可以传送语音、图像、数据并且能够进行信息交换、处理、控制、检测，实现信息的自动化。目前，电力线载波技术主

2、要用于35KV及以上高压线路上，载波带宽为40一500KHZ，传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。但是，在中低压电力线的利用上仍处于研究阶段。本论文首先对低压电力线信道特性进行分析，并建立相应的信道模型；接着对设计中采用的直接序列扩频技术的原理、实现方法及其作为电力线载波通信调制方案的可行性和优越性做了详细的论证；随后详细介绍了系统构架及主要模块的软硬件实现，其中硬件设计包括电力线载波芯片PL3106外围接收、发送电路的设计，以及系统供电电源部分；软件开发主要包括单片机汇编程序的编写和主机与单片机通信程序的编写；然后，针对系统在实验中暴露出的问题给予简单分析、提出了解决方案。关

3、键字：电力线载波，PL3106，直接序列扩频技术ABSTRACT Along with the pace of city construction quickening,lighting system plays a great role in safe city,harmony society building.Lighting consumes 17% electricity generated in the earth every year. In 2004, 218.7 billion kwh electric power was used in lighting,and it is

4、almost as three times as the total electricity generated by Sanxia water plan when it completed. To economize lighting electricity and manage lighting system easily,the control quomodo of lighting system should be changed.Power Line Carrier Communication Power System is a unique means of communicati

5、on, which uses power lines as a transmission medium to substation for the terminal, through the carrier mode analog or digital signals, high-speed transmission with reliable information transmission can be multiplexed at the same time and so on. Through the carrier, power lines can send voice, video

6、, data and can exchange information, treatment, control, detection, automation of information. At present, the main power line carrier technology for high voltage 35KV and above the road,a 40-carrier bandwidth 500KHz,send information, including data protection, remote control, text, voice and images

7、. However,the use of low-voltage power line is still at a research stage. In this paper, low-voltage power line channel characteristics for analysis and modelling the establishment of the corresponding channelfirstly ;then used in the design of direct sequence spread spectrum technique,and its imple

8、mentation as a power line carrier communication modulation scheme to do the feasibility and superiority of the detailed feasibility studies; then detailed the system architecture and main modules of the software and hardware to achieve, including hardware design, including power line carrier PL3106

9、chip peripherals for receiving, sending circuit design, and system power supply part; software development include single-chip assembler host with the preparation and procedures for the preparation of single-chip communication; and then, in view of the system exposed in the experiment to give a simp

10、le analysis of the issue and put forward solutions. KEY WORDS：power line carrier, PL3106, direct sequence spread spectrum technology 前 言电力线载波通信，简称PLC（Power Line Communication），是以电力网作为通信信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力载波通信的工作原理是把自动化设施中的有效数据通过调制解调器调制后耦合到电力线上，然后经过电力线传输到对端调制解调器，再有对端调制解调器将信号解调后传输给对端自动化设备。电力线载波通信技术出现

11、于二十世纪二十年代初期。电力线无处不在，无论城市乡村，还是偏远落后地区，随处可见，电力线是输电的主要媒介。因此，利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。电力线载波通信是利用现有的电力线路作为介质进行信息传输的一种通信方式，具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步进行等巨大的优势，有很好的开发前景和应用价值。但是，电力线作为通信介质也具有很多的缺点，比如，可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传输的特性。传统上讲，电力线载波通信是利用高压电力线（通常在电力载波领域，高压电力线指的是35KV及以上电压等级，中压电力线指10KV电压等级，低压配电线指380/220V用户

12、线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式，广泛运用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化小区等领域。电力现载波通信在高压输电线上应用已经比较成熟，比如110KV的开放电话，运动，传真，保护，计算机信息等综合业务。再比如，葛楠500KV直流输电系统中，两换流站运行数据的控制信息就是通过长达1053KM的载波电路传送的，实现了两站间的自动控制。随着载波通信技术的发展，电力线载波现已用于中低压配电网中。在低压输电线路上的载波通信研究，欧美国家不但在产品研究开发及相关标准的制定方面还是技术应用都走在我国的前面，因此在国内对PLC通信进行研究和开发具有重大意义。目前，欧美

13、国家已经利用低压配电网载波通信来实现配电网自动化和负荷控制，并应用于工业控制和家庭自动化中，进而提供电话和视频传输等服务。相对于国外PLC技术的飞速发展，我国在低压电力载波数据通信方面尚处于起步阶段，主要停留在自动抄表、楼宇保安和部分过程控制领域。这几年在国外，电力线已经作为一种家庭总线，应用于家庭智能化和网络服务的接入。例如，利用已有电力线网络，可以在医院或家庭建立起医疗监测网，实现重症监护功能，病人的血压、心率、症状等信息可以在家里通过电力线监测网传送至小区控制中心，再通过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位进行分析、处理和监护。同样，医院可以将治疗或注意事项等信息通过网络传送

14、至小区控制中心，再传送到病人家里，对病人进行远程诊疗。在医院，不仅可以用电力线通信实现病人的监护功能，而且可以配合医疗器械智能化，实现智能医疗监测、报警、自动化管理和集中会诊等功能。因此，用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用，每一个方面都有广阔的发展前景和巨大的市场机遇。相对于国外的这些成熟的应用，国内的低压电力线通信还没有形成规模，还有很长的路要走。另外，我国农村人口较多，农村信息化技术相对落后，信息通信普及面不大，因此在目前的现状下，研究低压电力线通信对发展我国农村和偏远山区等地区的信息产业也具有非常重大的意义。本文主要工作是研究了电力线载波通信技术并利用串行口通信

15、技术实现城市照明系统的监测系统，实现利用电力线载波技术进行监测主机与城市路灯驱动之间的数据传输。本文系统的阐述了我国低压电力线信道的噪声状况，目前常用的电力线载波调制技术，分析比较并选择出合适我国低压电力线的调制方式及相应的载波芯片，针对选择的芯片特性，设计出相应的外围电路，包括发送、接收以及数据处理部分。在硬件电路设计完整的基础上，编写软件程序，并进行相关的实验验证设计的合理性，对得到的结果进行分析。并完成论文。目 录第1章 引言- 7 -1.1电力线通信技术的发展状况- 7 -1.1.1 单载波模拟通信- 8 -1.1.2普通数字通信- 8 -1.1.3扩频通信- 8 -1.1.4 OFD

16、M调制技术- 9 -1.2 电力线载波通信技术的应用状况- 10 -1.2.1 电力线载波通信技术的国外应用状况- 10 -1.2.2 电力线载波通信技术的国内应用状况- 12 -第2章 电力线通信信道分析- 13 -2.1电力线传输信道特性- 13 -2.1.1衰耗特性- 14 -2.1.2阻抗特性- 14 -2.1.3噪声干扰特性- 15 -2.1.4多径干扰- 15 -2.2噪声分析- 16 -2.2.1背景噪声- 16 -2.2.2随机脉冲噪声- 17 -2.2.3与工频同步的周期性噪声- 17 -2.2.4与工频异步的周期性噪声- 18 -2.3噪声模型- 18 -2.3.1背景噪声

17、- 18 -2.3.2窄带干扰- 18 -2.3.3 脉冲噪声- 19 -2.4电力线通信信道模型- 20 -2.4.1单根电缆传输函数- 20 -2.4.2 多径传输模型- 21 -2.4.3低压电力线信道近似模型- 22 -2.5扩频通信技术的选用- 22 -2.5.1扩频通信的理论可行性- 22 -2.5.2扩频通信系统的基本工作方式- 23 -2.5.3扩频通信的优点- 24 -2.5.4目前需要考虑的一些技术问题- 25 -第3章 照明控制系统设计- 26 -3.1照明控制系统设计方案- 27 -3.2载波通信模块设计- 28 -3.2.1 电力线载波通信芯片的选择- 29 -3.2

18、.2 PL3106芯片特点- 29 -3.2.3信号发送、接收电路设计- 30 -3.2.4 陶瓷滤波电路- 32 -3.2.5 掉电检测及电池电压检测- 32 -3.2.6载波耦合电路设计- 33 -第四章 照明控制系统通信协议软件设计- 34 -4.1 通信协议设计- 34 -4.1.1 OSI模型- 34 -4.1.2当前电力线载波通信协议- 35 -4.1.3 本文采用的电力线载波通信协议- 36 -4.2 PL3106载波通信软件设计- 41 -4.2.1 载波通信模块使能- 41 -4.2.2 PL3106载波通信接收和发送程序设计- 43 -4.3 主、从控制器程序设计- 44

19、-结论- 46 -本文总结- 46 -工作展望- 46 -参考文献- 48 -致谢- 49 -附录一：- 50 -附录二：程序- 51 -第1章 引言1.1电力线通信技术的发展状况利用电力先进性数据通信已经有近百年的历史，早期的电力线通信技术采用高压电力线载波，在点对点通信的两端装有阻波器。其发展历程可以划分为3个主要阶段。阶段电压/V载波频率/MHz代表产品应用领域20世纪20-50年代110001.00INT51，DS2宽带高速数据多媒体通信、楼宇智能网络1.1.1 单载波模拟通信最早的电力线通信系统是模拟的单载波系统。模拟系统传送的信号是一个模拟的波形，它要求接收机能够高保真地重现波形信

20、号。模拟系统通过信道的信号频谱比较窄，信道的利用率高，但是其抗干扰能力差，不易大规模集成化。1.1.2普通数字通信 随着数字通信技术的完善和发展，出现了窄带、ASK、FKS和PSK电力线通信系统。数字系统传递信号的离散脉冲，接收端要求正确判断发送的是哪一种离散状态，只要脉冲波形的失真不足以引起错误判断就不会影响通信质量。数字通信抗干扰能力强，可以通过差错编码提高可靠性，易于集成。缺点是比模拟通信占带宽。 1.1.3扩频通信对于电力线这一强背景噪声的信道来说，数据传输的一种有力手段就是扩频(SSSpreadSpectrum)技术。它利用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展，形成较高带宽的低功率谱密度

21、信号发射。接收端再利用相关方法进行处理，把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。扩频技术减少了噪声对信号的影响，保证了电力线网络上的可靠通信。扩频通信技术的理论基础是香农建立的关于通信系统效率的理论。即：对加性高斯白噪声信道来说，如果系统数据速率小于或等于信道容量C时，就有可能存在在信道内进行无差错的数据通信的编码方案。信道容量定义如下：式中，C为信道容量(bit/s)；B为带宽(Hz)；N为噪声功率(W)；S为信号功率(W)。上式说明了在功率谱平坦的高斯噪声信道内，信道无误传输信息的能力(即信道容量)与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。可以看出，在保持一定的C值时，可通过增加带宽来相应地

22、降低对信噪比的要求。利用扩频技术传送数据，可以在信噪比很低的情况下进行无差错数据通信。扩频通信系统的基本工作方式有：(l)直接序列扩频；(2)跳变频率方式；(3)跳变时间方式；(4)宽带线性调频方式。扩频技术由于扩频技术本身要求频带宽度是信号带宽的100倍一1000倍，而PLC系统的带宽一般为90KHz125KHz(欧洲)或100kHz一400kHZ(美国)，所以在采用扩频技术后可获得较好的抗干扰特性，并在不少领域得到了广泛应用。1.1.4 OFDM调制技术 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用，这种技

23、术是HPA联盟(Home Plug Powerline Alliance)工业规范的基础。OFDM并不是如今发展起来的新技术，OFDM技术的应用己有近40年的历史，主要用于军用的无线高频通信系统。但是，一个OFDM系统的结构非常复杂，从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代，人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统结构，使得OFDM技术更趋于实用化。 OFDM的基本思想是将可用的频谱分为许多窄带、低数据速率的子载波，为了获得高的频谱效率，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，比较常用的有BPSK，QPSK和QMA等。也就是说，OFDM实际上是将高速的

24、串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然每个子载波的速率并不高，但是所有子信道加起来可以获得很高的数据速率。 1971年，S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT实现OFDM的基带调制和解调技术。他们在OFDM的符号间增加了保护间隔来抑制由多径反射导致的ISI。1980年，A.Peled和A.Ruiz在保护间隔中引入循环前缀解决了保持正交的问题，从而保证了OFDM克服ICI的问题。OFDM最大特点是传输速率高、频带利用率高、抵御码间干扰和信道衰减能力强、信道均衡技术简单，由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质

25、中。1.2 电力线载波通信技术的应用状况1.2.1 电力线载波通信技术的国外应用状况 早在1838年，英国人Edward Davy就用电力线来检查伦敦利物浦之间处于无人居住区的电表传输系统的供电电池的电压；Joseph Routin和C.E.L.Brown申请了电力线信号电表专利；美国的Chester Thoradson在1905年申请了关于远程抄表系统的专利，但是由于该系统还需要一条附加线路用于信号传输，最后没有得到商业应用。通过高压电网进行声音信号的CFT(carrier frequency transimission)最早开始于20世纪20年代。分布广阔的电网提供了一条双向通信信道，例如

26、变压站和电厂之间的通信，这对于管理和监控来说是非常重要的，因为在通信的初期阶段电话网的覆盖范围还不是很广泛，高压电网具有低噪声的特性，加上相对较高的载波频率（15-500KHz），使得高压线传输信号变得很容易，10W的信号功率的通信距离可以达到900Km。在开始阶段，采用调幅调制方式，只用于传输语音信号，后来实现了遥测和遥控。在CFT应用于高压电网的同时，RCS(ripple carrier signaling)应用于中低压电力网。RCS系统最早应用实例是Simens公司在1930年在德国波茨坦建立的Telenerg工程。RCS系统最初是为了实现负荷管理功能，与CFT系统不同，RCS只能实现单

27、向数据信号传输。RCS系统工作在比较低的频率段（1253000Hz），正是由于其工作频率很低，所注入的载波信号在中低压电网上的信号衰减很小，并且能够跨越变压器传输。但是，电力先王的输入阻抗在低频段也比较小，因此RCS发送器需要更大的信号功率，一般应用范围在10100KW之间。在最开始，RCS发送器勇于传输数字信息，常用的调制方式是易于实现的幅移键控（ASK）和频移键控（PSK）。由于RCS采用的频率较低、窄带调制方式简单，导致其数据速率较低。1984年建立的Ethernet MELKOTM系统也应用了RCS技术，它采用了更高效的PSK调制，提高了数据传输速率（可达到50bits/s），并能够进

28、行双向数据传输，频带范围为30254825Hz，载波信号可以跨越变压器传输，信号功率也相应减小。该系统主要用于远程抄表和负荷管理。相应的系统有ABB的DLC-MTM和RMS公司的Power NetTM。他们的载波频率范围是10100KHz，因此，所需的信号传输功率也比MELKOTM小，但需要增加旁路装置才能跨越变压器。随着集成电路技术的发展，Pico Electronics公司发明了第一款应用于家庭的低价格的电力线通信模块X-10。X-10模块的载波频率达到120KHz，它在每一次交流电过零时传输一个比特的数据，所以其最大传输速率为60bps(电网频率为60Hz)或50bps（电网工频为50H

29、z）。目前有大约10家公司在生产与X-10相兼容的用于家庭自动化的控制模块。针对X-10模块传输速率较低的问题，稍后市场上又出现了能够提供更高数据率、控制功能更强大的电力线载波通信系统，如LonWorks和CEBus。随着Internet的发展，应用电力线分布网和户内电网的宽带接入技术在上世纪90年代开始兴起。英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信的研究，1995年与加拿大北电网络合作共同开发该技术。1997年这两家公司生成解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的数字电力线载波技术DPL（Digital Power Line）实现

30、了在低压配电网上进行1Mbps的远程通信。此后，许多国家的研究机构开展了高速PLCC的研究和开发，如美国的Intellon、Inari公司，以色列的ITRAN、Main.Net公司，韩国的Xeline公司，西班牙的DS2，法国的SPiDCOM等公司开始了高速PLCC专用芯片级应用产品的研究开发，产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。目前高速PLCC主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速PLCC家庭、办公室联网应用中，通过多个高速PLC MODEM组成内部网，并可通过PLC MODEM共享外部ADSL、无

31、线等宽带接入。随着高速PLCC的快速发展，相关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA（Home Plug Alliance)、PLC Form、PALAS、OPERA(Open PLC European Research Alliance）、UPLC（UNITEDPOWER LINE COUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有这些国际组织都有研究机构及厂商共同组成，其中较有影响力的为HPA、PLC Form和OPERA。HPA致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。HPA现已发展成为有近百家公司组成的联盟，国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。

32、2001年6月，HPA发布了其标准的第一个版本HOME PLUG 1.0 Specification，将数据传输速率定位14Mbps，采用OFDM调制解调技术，MAC层协议为CSMA/CA。HOME PLUG AV Specification在2005年4月得到HPA批准，并在9月份发布详细的技术文件，物理层数据速率达到200Mbps，采用TDMA和CSMA接入技术，目前美国Intellon 公司开发首款符合该标准的芯片INT6000。PLC Forum与2000年3月23日在瑞士成立。其包括来自各大洲的成员，该论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府及否提供一个平台，

33、促进他们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。PLC Forum 不制定标准，但致力于将会员的提议提交给该国际标准化组织，并通过努力，使其成为标准。OPERA是由欧盟出资赞助并有DS2等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织，其主要目的是开发下一代用于本地接入的高速PLC技术。1.2.2 电力线载波通信技术的国内应用状况 我国研究PLC技术起步较晚，但发展速度较快。上世纪五十年代，国内也开始了电力线载波通信技术的研究。在相当长的时间里，我国的PLC研究基本上应用于电力行业内部，它用来传输电网调度管理所需的远程信息及低速率的语音通信。近年来，

34、随着数字电子技术的发展，我国传统的PLC技术也开始向数字化方向发展。在电力部门的支持下，PLC在水表、煤气表、电表三表的远程自动抄表应用已经实用化。多家公司从事相关的PLC模块和智能仪表的开发和生产，北京智源利和微电子技术有限公司和北京福星晓程公司分别推出国产的电力线扩频载波芯片SC1128和PL2000/PL2102/PL3105/PL3200.中国电力科学研究院于2000年5月在华北电力大学和中国电力科学研究院家属区测试了该公司的E-Magic3000产品，实际测试速率达到1Mbps。国电通信中心从2001年12月起采用不同的PLC产品和不同的PLC组网方案在北京的一些小区开通了PLC试验

35、网，并接入到中电飞华Internet出口。截止到2005年5月底，由国电通信中心组织、中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网已经覆盖居民小区500多个，接入楼宇4000栋，开通用户40000余户，目前正以每月开通3000多户的速度推进。第2章 电力线通信信道分析2.1电力线传输信道特性在过去的几十年中，PLC之所以没有得到飞速发展，其中一个重要原因就是电，力线作为传输媒质有其自身所特有的一些缺点，加之缺乏有效的针对PLC特点的调制方法，造成了PLC长时期的发展迟缓状态。在22OV/38OV低压电力线上进行信号传输，具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。电力线上

36、的负载时变性非常强，突发干扰的影响很大，很难给出一个准确的信道模型。2.1.1衰耗特性对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到1OOdB/Km。信号衰减有以下特点：时间不同、信号频率不同、距离不同，衰减幅度也不同。PLC信道对各种频率信号衰耗的程度是PLC选择载波频率的主要依据。信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器，对高频载波信号来说相当于短路，造成极大的衰耗；网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路，产生谐振。当网络上负荷很重时，线路阻抗可达到1欧姆以下，造成载波信号的高衰耗。总的说来，信号传输距离越远，衰耗越严重，但是由

37、于负载阻抗的不匹配，信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象，导致近距点比远距点衰耗大。由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件，PLC信道表现出很强的时变性。信道在1s内对某一频率信号的衰耗变化可达到20dB，在1s内信噪比的变化也可达到1OdB左右。而且，三相电力信道间有很大的信号损失(10dB一3OdB)。通信距离很近时，不同相间可能会收到信号。载波信号一般只能在单相电力线上传输；不同耦合方式导致LPC信号的损失也不同，线一地耦合比线一中线耦合少损失1OdB左右。同时，不同相位的耦合也会引起衰耗，跨相传输比同相传输衰耗大1OdB左右。此外，配电变压器阻碍信号的通过，在配电变压器原、副

38、两边的信号衰耗可达到60dB一1O0dB，次级间也会有20dB一40dB的衰耗。总体上说，PLC信号衰耗随频率上升、距离增大而增加，但并不是单调的。通常情况下，信号衰耗在20dB以上，但一般不会超过55dB。2.1.2阻抗特性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：(1)变电站的变压器产生的阻抗，它随着频率的增高而增大；(2)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

39、特性阻抗相差70一1OO欧姆；(3)接在电力线上的设备阻抗，一般相差10100O欧姆。电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。输入阻抗的变化并不一定符合随频率增大而减小的单调变化规律，甚至与之相反。为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根连接有各种复杂负载的传输线，这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。此外，网络负载随机地连接或断开，导致电力线的输入阻抗发生较大幅度的改变，还会造成电力线上不同位置的输入阻抗不同。PLC网络可看成由许多电阻、电容和电感组成的网络，信道的电参数随时间、地点变化，相应地，输入阻抗也往往急剧变化。如此发送设备的输出阻抗和

40、接收设备的输入阻抗均难以匹配，从而给通信系统的设计带来相当的困难。2.1.3噪声干扰特性低压电力线网络中，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。Vinesetal定义了4种电力线噪声：1、硅控整流器及一些电源产生的工频噪声，它会造成整数倍工频上的频谱突变；2、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类噪音的根源；3、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；4、非同步周期噪声，如电视的行扫描频率对电网的干扰。就噪声特性而言，同一配电变压器下的所有用户负荷噪声以及变压器原边噪声都会对信道产生噪声干扰。2.1.

41、4多径干扰多径效应(MultiPath)是电力线通信存在的干扰之一，如在图2一1所示的电力线通信结构模型中，1与2之间有两条通路。由于信号通过的这些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。图2-1 多径效应（MultiPath）产生原理图2.2噪声分析噪声与干扰强噪声特别是强突发噪声是PLC信道的一个最大的特点，也是PLC信道与其他通信信道相比的一个致命的弱点，在很大程度上制约了PLC的发展。噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一，其研究要紧密结合通信频带。为了简化对干扰复杂性的分析，PLC信道噪声从不同角度大致可划分为以下几类：2.2.1背景噪声图2一2是

42、在实验室测得的背景噪声曲线，中心频率为4.2MHz，频带宽度为8.4MHz。可以看出，背景噪声的平均功率较小，但频谱很宽，而且持续存在，有可能部分或完全覆盖信号频谱。因此，通信过程中的信噪比可能会变得较差，而导致通信误码率增加。该噪声时时存在，因其频谱占据了整个通信带宽，扩展信号频谱不能提供任何增益，扩频通信技术对其几乎没有作用。测量发现，背景噪声主要来源是交直流两用电动机。这种电动机可以在许多家庭用具，如电钻、搅拌器、电吹风里找到，问题十分严重。所幸的是，背景噪声很少能够达到最高功率水平，而且它们将与传输信号一样被用户配电网络所衰减。它的平均功率谱为 N（f）=10(K-3.95*10-5f

43、) （2-1）式（2-1）中参数K随时间缓慢地变化，大致具有高斯分布；f为频率（Hz）。 2.2.2随机脉冲噪声闪电和负载(电容器组、自动调温器、电冰箱、空调等)的开关操作会产生随机脉冲噪声，每个脉冲噪声都将影响很宽的频带。脉冲噪声的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。宽度给出了在给定速率下影响的数据位数，而到达间歇时间则给出了脉冲噪声发生的频率。随机脉冲噪声，出现的时间是任意的；其噪声功率谱密度高，持续时间短，频谱宽。电力线上噪声的短期变化主要由与工频同步的周期性噪声和突发性噪声引起。与工频同步的周期性噪声与突发性噪声相比，具有以下特点：本来就很低的功率

44、谱密度随频率的提高进一步降低，出现频率低，持续时间短，为s量级。但是，突发性随机噪声的持续时间却达到ms量级，而且功率谱密度能高出背景噪声达5OdB之多，通常会使得所传送数据的若干位甚至整个数据传输过程发生错误。在低压电力线路中，不超过0.lms就会有1次非常强的噪声产生，它大致具有泊松分布，参数取值范围为O510-3。脉冲噪声的特点如下：l 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1OdB，有时高4OdB。其强度依赖于噪声源及它离接收机的远近。l 脉冲噪声的主要频率一般为电力系统频率的2倍。l 由于噪声和信号都要衰减，所以靠近接收机的噪声源对信号的接收影响最大，特别当网络衰减很大的时候。2.2.3与工

45、频同步的周期性噪声一般由工作在电网频率的开关器件造成，例如开关电源、电压触发的晶闸管整流器都是产生谐波噪声的主要根源。因其开关频率与电源频率同步，故产生了一系列不同幅度的谐波噪声。一般情况下，谐波噪声能量要比基频小得多。由于线路的衰减特性，通信信号的能量将远低于它。它的功率一般不超过一45dB。其噪声频率为工频或其整数倍，持续时间长，频域覆盖范围广，功率大，功率谱密度随频率上升而减小。2.2.4与工频异步的周期性噪声来源于电力线上的一些电子设备，一般由电视接收机和计算机显示器产生，在频率空间上是离散的，主要分布在5OHz一200Hz。脉冲的重复频率依赖于电视机和显示器的扫描频率标准。对高分辨率

46、和图像偏移质量的追求将使这些频率越来越高。2.3噪声模型 在用仿真的方法研究低压电网载波通信时，建立用某些特性参数描述噪声的模型非常必要。若针对以上的基本分类进行模块化建模，则任一种复杂噪声情况都可以通过基本模块模型的叠加来表示。2.3.1背景噪声 背景噪声可按图2.3.1用白噪声源经过滤波生成，噪声整形滤波在z平面上的传递函数Hmod(z)可描述为：其分子B(z)表示的是移动平均（MA）部分，其分母A(z)表示的是自回归(AR)部分，模型参数有噪声源的方差2和滤波器系数组成。通过使用AR处理模型，即：B(z)=1，参数可以由用AR频谱分析仪测量的噪声信号确定。图2.3.1 背景噪声模型2.3

47、.2窄带干扰窄带噪声部分可通过如下N个独立的正弦函数叠加来描述：其中，每一个分量由它的频率fi、幅值Ai(t)和相位i来描述。幅值Ai(t)在时间上既可以是常数，也可以是对AM广播信号更好近似的调制幅值。载波相位可以在区间0，2上用随机数选择，并独立于时间。噪声既可在时域中合成，也可先在频域中合成，再通过反快速傅立叶变换(IFFT)得到。2.3.3 脉冲噪声 脉冲噪声是低压电力线通信的严重有害源，其对数据传输的影响程度主要是由脉冲的幅度、脉宽和间隔时间决定。文8提出了噪声脉冲的幅度、脉宽和间隔时间的概率分布估计，根据测量结果得出了如下结论：脉冲噪声强度一般比背景噪声水平高10dB，有时可以超过

48、40dB，脉冲强度与噪声源的强度和噪声源离接收装置的距离有关；主要脉冲系列的脉冲频率(由脉冲间隔时间决定)一般为120Hz，它与60Hz电源电压的正负周期同步；对于120Hz脉冲噪声，其脉宽变化达到几个百分点；脉宽与所选定的幅度水平T有关，一般来说，脉冲宽度随T增加而减小；有些噪声源将增加背景噪声功率(如真空吸尘器和搅拌机)，其它一些将增加脉冲噪声功率(如复印机以0.01的概率产生高于背景噪声27dB的120Hz周期脉冲，灯光调节器以同样的概率产生高于背景噪声40dB的脉冲噪声）。 考虑到脉冲为随机事件的事实，其特性可以用随机变量来描述，这里通过一个分割马尔可夫链对脉宽和脉冲间隔时间进行模拟。

49、假定把噪声状态分成两组A(i=1，2，v)和B(i=1+v，2+v，n)，A中的v个状态表示没有脉冲事件发生的情况，B中的w=n-v个状态表示有脉冲事件发生的情况。则脉冲宽度大于某个宽度tw的概率，用离散时间k表示为：其中，gw+1，j表示从B中的某个状态j向临界状态w+1过渡(脉冲开始消失)时的转移概率，gjj表示B中的某个状态不发生状态转移(脉冲保持)的概率。 脉冲间隔时间超过某一时间跨度tA的概率，用离散时间k表示为：其中，uv+1，j表示从A中的某个状态j向临界状态v+1过渡(脉冲开始发生)时的转移概率，ujj表示A中的某个状态不发生状态转移(无脉冲保持)的概率。2.4电力线通信信道模

50、型 通过以上对电力线信道特性的分析，可以看到建立一个通用精确模型来模拟所有低压配电网通道情况是非常困难的，但是我们可以建立一个能反映通道基本特性的近似模型。下面我们采用带有加权因子的时间抽头模型来模拟电力线多径衰落信道，建立具有频率选择性衰落的信道传输函数模型。2.4.1单根电缆传输函数 电力线中的信号传输可以根据传输线的特征阻抗ZL和传输常数决定。其中R为单位长度电缆阻抗，G为单位长度电缆电导，L为单位长度电缆电感，C为单位长度电缆电容。 如果传输线的阻抗匹配，则只需要考虑从信号源到接收机之间的传输损耗。长度为L的电力线传输函数可以定义为：式中，前一项代表幅度传输函数，后一项代表相位传输函数

51、。电缆为弱损耗传输媒质，电力线中R(f)2fL(f)，G(f)2fC(f)。由于L，C与频率的相关性不大，所以特征阻抗ZL和传输常数可以用下面的方法近似： 简化电缆参数可以得出 传输常数的实部a表示电力线衰减系数，它随f的增加而增加。a与f的关系可以表示为 (f)=a0+a1f k因此，单根电缆的幅度传输函数可以表示为：2.4.2 多径传输模型对于多径传输，采用图2.4.2所示信道模型。图2.4.2频率选择性衰落信道的抽头延时模型在这一模型中，信道的冲击响应为 式中i表示信道延时，Kt表示信道信号幅度的衰减。信道传输函数为 而i=di/Vp。其中di表示信道长度，Vp表示信号在电力线中的传播速

52、度。所以H（f）可表示为式中，a0，a1为电力线参数决定衰减常熟，gi为衰减因子，它与电力线网络结构、信道传输路径的长度有关，di是路径i的长度。2.4.3低压电力线信道近似模型 本文采用的低压电力线近似模型如图2.4.3所示。 图2.4.3电力线信道简化模型该信道模型包含三个模块：(1)输入耦合，该模块模拟由于电力线阻抗变化而导致的耦合损耗；(2)噪声，该模块包含电力线信道中的三类主要噪声，它们是背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声；(3)信道衰减，该模块反映电力线信道固有的对信号的频率选择性衰落和限带特性。2.5扩频通信技术的选用2.5.1扩频通信的理论可行性 扩频通信的可行性，是从信息论中关于信

53、息容量的香农公式和抗干扰理论中关于信息传输差错的柯捷尔尼科夫公式中引申出来的。（1） 香农公式 式中： C是信道容量(可用传输速率量度)； W是系统传输带宽； S/N是系统的信噪比； 该公式表明，在高斯信道中，当传输系统的信噪比S/N下降时，可以通过增加系统传输带宽W的办法来析持信道容量C不变。以扩展频谱来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。(2) 柯捷尔尼科夫公式 式中Powi 为差错概率 ，E 为信号能量，N0为噪声功率谱密度；又因为，信号功率 P = E / T (T为信息持续时间)； 噪声功率 N=WN0 (W为信号频带宽度)； 信息带宽 F

54、 =1 / T ；则原式可化为：(其中，W/F=Gp 为扩频通信的处理增益) 由以上可以看出，在信噪比较低的情况下，若想保持差错概率不变，则可以通过增大处理增益Gp来实现（即在保持F不变的情况下，增大信号频带宽度W）。该公式同样为扩频通信理论奠定了基础。2.5.2扩频通信系统的基本工作方式1) 直接序列扩频(DS) 该方式是扩频通信中使用范围最广、最典型的一种工作方式。直接序列扩频的具体实现是，在发送端将要传输的信号，经过信息调制变成具有一定带宽的调频(FM)或调相(PM)信号；再由伪随机编码(PN码)将该基带信号调制成具有相当带宽的宽带信号，并将该信号发送至接收端。在接收端接收到传输信号后，

55、先通过同步电路捕捉发送来的PN码的准确相位，由此产生与发送来的PN码相位完全一致的接收用PN码，并作为扩频解调所用的解调信号；尔后，用该PN码将接收到的宽带信号解扩，从而得到基带信号，再将基带信号经过解调得到所需要的原始信号。2)跳频方式(FH) 跳频方式与直序扩频方式的不同之处在于，直序扩频方式的发射载波频率是一定的，而跳频方式的载波频率受PN码发生器控制，在相当带宽的频带内，随机跳变，从而实现基带信号带宽B1到发射信号带宽B2的频谱扩展。受PN码发生器控制的发射载波频率发生器，实际上是高速数字控制频率跳变的频率合成器，因此，载波调制多半使用与相位无关的调频方式，其跳频工作被称为非相干FH方

56、式。3)跳时方式(TH) 该方式的工作特点在于，发射端将信息数据送入受伪随机编码控制的脉冲发射机，再由该发射机发射出携带信息数据的伪随机间隔射频信号。这种工作方式，使得在随机时分多址通信中，发射机和接收机使用同一天线成为可能。但是，在实际应用系统中，该方式多半需要与其它工作方式混合使用。4)宽带线性调频方式(Chirp) 宽带线性调频调频，过去是作为雷达测距的一种工作方式使用的。在发射端，发射波是一个宽脉冲，并被变换成频偏为f的宽带调频波；在接收端，接收机使用具有高频率范围、延迟时间小的脉冲压缩滤波器，得到带宽极窄的压缩脉冲波。2.5.3扩频通信的优点 由于扩频通信使用扩频序列码进行扩频调制，使原始的窄带信号能够以宽带信号的形式在信道中传输，从而使得扩频通信具备了许多窄带通信所不具备的优良性能。1)抗干扰性能好扩频通信在传输时所占有的带宽相对较宽，而在收端有采用相关检测的方法来解扩，使有用信号恢复成窄带信号，而把无用信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波器提取有用的信号。对于