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1、上海交通大学硕士学位论文新型低压电力线载波通信模块的开发及应用姓名：黄怿申请学位级别：硕士专业：电子与通信工程指导教师：朱杰;孙建文20090501上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 I 页 新型低压电力线载波通信模块的开发及应用新型低压电力线载波通信模块的开发及应用 摘 摘 要要 低压电力线载波通信是利用现有的低压电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。具有不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著优势，自动集中抄表系统的开发是其技术的主要应用。本课题设计开发的载波通信模块是自动集中抄表系统中的核心通信芯片。它是采用高速流水线结构，兼容 8051 的 CIP-51 微控制器内核混合信号微控制器
2、 C8051F300 和窄带调频接收芯片 MC3361 为主芯片，配合外围电路、接口模块组成系统，自主设计开发的，具有完全知识产权的窄带调频载波通信模块。在本课题研究过程中，本人完成了以下工作：（1）研究了目前自动抄表领域中所使用的主流载波芯片，分析了低压电力线载波通信信道特性，比较电力线载波通信调制技术各自的优缺点。着重研究了 2FSK 和 OFDM 系统的基本原理、性能特点，以及关键技术，并利用 SystemView 软件对 2FSK 和 OFDM 进行了建模仿真分析。（2）结合窄带调频理论，引入完全集成的混合信号系统级的 MCU芯片 C8051F300，提出软件分频思想。利用其高速（可达
3、 25MIPS）特性，编写软件实现分频，产生 FSK 调制所需要的载波高频、载波低频及 MC3361 的本振信号。通过借鉴收音机中频变压器，组成信号输入的双回路谐振电路，对接收信号进行选频，完成对输入信号放大、解调、信号整形等电路的设计。设计简单 DSP 算法，编写信号数字采样的软件，实现接收信号的还原。同时，在 PCB 布板设计中，考上海交通大学工程硕士学位论文 摘要 第 II 页 虑了消减电磁干扰等因素，缩短连线，在电源部分去耦增加了滤波处理，以提高稳定性。（3）在完成相关软件的编写，并进行在线仿真后，对模块进行了测试。根据载波模块通信质量各功能的测试原理，搭建了测试架构，并编写了相应的载
4、波模块性能的测试软件，得出了载波模块通信性能的技术指标。在载波模块的应用方面，配合外围电源和电平转换电路，实现了智能型载波调制解调器的功能，并在生产和现场调试中得到应用。关键词：关键词：低压电力线载波通信，频移键控，正交频复用，调制解调器 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 III 页 THE RESEARCH AND APPLICATION OF NEW PLC COMMUNICATION MODULE BASED ON LOW VOLTAGE ABSTRACT Power line Carrier Communication on low voltage makes use
5、 of the power network to transmit data and exchange information.It has remarkable advantages that need no new wire,to cover the scope broadly and connection convenience,applied in the development of Automatic meter reading(AMR)system.Carrier Communication module supposed in this thesis is the core c
6、hip in automatic meter reading system.Include of high-speed pipelined 8051-compatible microcontroller core,narrowband FM MC3361,peripheral circuit and interface module,it is independently developped by ourselves with full intellectual property.The main content and work in this thesis are as follow:(
7、1)The main carrier chips in recent AMR system are discussed in detail.The transmission characteristic of the power line carrier communication channel is analyzed;the advantages and disadvantages of modulate technologies are compared.The basic principles,performances,characteristics and key technolog
8、ies of 2FSK and OFDM are stressed,and these systems are simulated with SystemView software.(2)Based on narrow band frequency division modulated theory,the software frequency division method is supposed in the thesis with the integrated mixed-signal system-on-a-chip MCU C8051F300.With high speed perf
9、ormance(up to 25MIPS),this software is compiled to divide frequency,and produce the high frequency,low frequency,and MC3361 local oscillating signal in FSK modulation.Referred to the principle of the intermediate frequency transformer,dual-loop resonant circuit of input signal is constructed to sele
10、ct frequency.And the enhanced,demodulated,reshaped circuits of input signal are designed.The DSP 上海交通大学工程硕士学位论文 ABSTRACT 第 IV 页 algorithm is advanced,and the digital sampling software is complied to restore the received signal.In order to put down electromagnetic interference,some measures are appli
11、ed to improve the stability in PCB layout-designs,such as the shorten wire,and the added decoupling filter in power supply.（3）The module is tested,after simulating the complied softwares online.Based on the testing principle of carrier communication module,testing framework is constructed.And testin
12、g software of carrier communication module is complied,and some technique indexes are obtained.Coordinated to the outer power supply and the electrical level converting circuit,the intellective functions of modulator and demodulator are realized.And they are applied in the produce region and local t
13、esting.Keywords:power line carrier communication on low voltage，frequency shift keying,orthogonal frequency division multiplexing,modem 上海交通大学工程硕士学位论文 缩略语 第 53 页 缩略语 AFC：Automatic Frequency Control自动频率控制 ALC：Automatic Level Control自动电平控制 AMR：Automatic Meter Reading自动抄表 ASK：Amplitude Shift Keying幅移键控
14、 AWGN：Additive White Gaussian Noise 加性高斯白噪声 BPF：Band Pass Filter带通滤波器 CP：Cycle Prefix 循环前缀 CSMA/CA：Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance带有冲突避免的载波侦听多路访问 DFT：Discrete Fourier Test 离散傅立叶变换 DSP：Digital Signal Processing 数字信号处理 EMI：Electro-Magnetic Interference电磁干扰 FM：Frequency Modulatio
15、n 调频 FSK：Frequency Shift Keying 频移键控 IDFT：Inverse Discrete Fourier Transform 离散傅里叶逆变换 IFFT/FFT：Inverse Fast Fourier Transform/Fast Fourier Transform快速傅里叶逆变换/快速傅里叶变换 ISI：Inter Symbol Interference 符号间干扰 LPF：Low-Pass Filter 低通滤波器 MAC：Media Access Control 媒体存取控制 MCU：Microprogrammed Control Unit 微程序控制器 M
16、L：Maximum Likelihood 最大相似性 OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing 正交频分复用技术 PAPR：Peak-to-Average Power Ratio峰均功率比 PCB：Printed Circuit Board 印刷电路板 PLC：Power-Line Carrier 电力线载波 PSK：Phase Shift Keying 相移键控 RAM：Random Access Memory 随机存取存贮器 SFR：Special Function Register特殊功能寄存器 SMT：Surface Mount T
17、echnology表面贴装技术 SoC：System-on-Chip片上系统 SS：Spread Spectrum扩频 上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 1 页 第一章第一章 绪论绪论 低压电力线载波通信是利用低压配电线（380/220V 用户线）作为信息传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行语音或数据传输的一种特殊通信方式1。近年来，随着电力线载波通信调制技术的不断发展，低压电力线载波通信技术也相应得到了飞速提高，特别以 380/220V 用户电网远程集中自动抄表系统的实用化尤为突出。1.1 低压电力线载波通信技术低压电力线载波通信技术 低压电力线载波通信作为一种无新线(N
18、O NEW WIRE)技术,利用现有的电力网作为信道，实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景。其主要应用在小区智能化、自动抄表系统、家居智能化等领域。所谓智能化小区，是指通过综合配置住宅区内的各功能子系统，以综合布线为基础，以计算机网络为区内各种设备管理自动化的新型住宅小区。通常智能化大厦是“三A”系统2，即：安全自动化、通讯自动化、管理自动化。采用电力线载波通信有其无法比拟的优越性，因而在智能大厦、智能小区底层通信方式的选取上，把电力线载波通信作为首选。所谓自动抄表系统就是自动采集各种计量表的读数（如：电表、水表、煤气表、冷气表等），然后以低压配电网为通信信道，将信息发送到抄表系统主
19、站，抄表系统对小区内的用户表计数据进行集中采集和处理。一般低压电力载波抄表系统分为三层：数据采集层、数据通信层、抄表信息管理层。此系统的应用和推广，改变了原先人工抄表方式，实现了对所有表计进行自动抄收，提高了抄表效率和抄表准确率，为反窃电（水、气）、台区配变线损精细化计算以及用电分析提供了可靠的原始数据 家居智能化的应用是将电力线通信技术、网络、微控制器相结合，是在现有基础上推进家庭自动化的最现实最经济的途径。以电力线为物理媒介,把分布在住宅各个角落的微控制器和家电PC机连成一个网络。其优点是:电力线和信号线合二为一，无需布设信号线；人们原来使用和维护电器的习惯都不受影响,家电无需增加双绞线、
20、红外等接口,只要在内部配备电力线载波通信芯片,再更新程序就行了,对老式家电的改造也很容易；家电的信息量小，电力线载波速度慢的缺点不突出。因此电力线载波通信技术在家居智能化应用方面有着广泛的前景。上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 2 页 低压电力线载波通信技术现已广泛应用于工业自动化控制系统、电能管理系统、家用电器系统、安防报警系统以及计算机终端接口等场合。利用现有低压配电线路作为通信媒介，具有不用布线、覆盖范围广、连接方便等显著优点。在日常生活领域中,低压电力线载波通信逐步显示出其巨大的优势和潜力，前景十分广阔。1.2 目前自动抄表领域中使用的载波芯片目前自动抄表领域中使用的载波
21、芯片 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。因此，利用电力线进行通信容易造成传输信号的高削减和高变形，使电力线成为一个不太理想的通信媒介，但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信成为可能，其中数据信号的信噪比决定传输距离的远近。电力线载波通信的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用Modem芯片。国外对电力线载波通信技术的研究起步较早，多家公司推出了自己的电力线载波Modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围标准。各家公司采用各种特定专有技术，设计出自己的电力线载波Modem芯片。由于国外电力线载波Modem芯片是针对
22、本地区电网特性和电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计的，在中国的使用都很难尽人意。近些年，我国大规模地开展了电力线载波应用技术的研究，目前国内在自动抄表领域中所使用的电力线载波Modem芯片及模块大致可分为宽带调制通信方式和窄带调制通信方式两种。现就几款主流的载波芯片及模块进行介绍。美国国家半导体器件公司（National Semiconductor）开发的电力线载波通信集成芯片LM1893是比较早的电力线载波芯片，它集成了发送和接收数据的全部功能，可实现串行数据的半双工通信3。它采用FSK窄带调制解调技术，理论上数据最高传输速率可达4800bps，灵敏度小于10mV，信号抗干扰能力只有
23、约40dB，抗干扰能力比较弱。这款Modem芯片在早期的自动抄表系统中曾被大量使用，目前已经停产。ST7538是ST公司推出的电力线载波通信Modem芯片4。由于它是专用Modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用，加入了许多特别的信号处理技术。由于远传电表市场的拉动，ST在短短几年内已推出了ST7536、ST7537和ST7538。ST7538是半双工的FSK Modem芯片，它针对电力线载波通信而采用了数字滤波器、AFC(自动频率控制)、ALC(自动电平控制)，它有8个载波频段可选，通信速率提高到4800bps。目前，ST7538在国内电力线载波抄表领域
24、应用广泛。但它的通信距离并不很理想，需要做中继处理，上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 3 页 通信速度太慢，同时，国内应用开发水平也参差不齐。PL3105是国内北京福星晓程公司推出的DPSK调制解调芯片，半双工电力载波通信方式，速率500/250bps可选5。采用了直接序列扩频技术，专为开放式自动抄表、智能信息家电以及远程监控系统而设计的单芯片片上系统（SoC），它除了具有功能强大的微处理器外，尤其在高精度模/数转换以及电力线载波通讯方面具有更大的优势，它的扩频通信单元是 PL2000 系列专用电力线载波通信集成电路的升级内核，具有更强的抗干扰能力，更高的数据通信速率和更大的软件
25、可配置灵活性。PL3105采用了0.35m CMOS 数/模混合制造工艺，其多路模/数转换，扩频通信部件内的数字信号处理单元以及复杂的8/16位微处理器使得它的规模接近 50 万门。它内部集成了2路16位的A/D，LED/LCD显示控制模块，3个定时器，2个多功能串口。PL3105内置了16K字节的E2PROM程序存储器和1K字节的SRAM，其内部的256字节SRAM和实时钟在主电源掉电的情况下可由备用电池继续供电维持。这款芯片在推广载波电表的地区使用很广泛，但是由于它通信波特率固定为250/500bps，属于非标准通信速率，与其他集抄系统的兼容性较差。（4）PLT-22是Echelon公司的
26、电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的，采用BPSK调制解调技术，并采用了多种容错及纠错技术，所以目前在中国电力线载波抄表领域应用效果最理想，在相同线路环境下，通信距离优于其他芯片6。针对具体应用，也需要增加中继。PLT-22电力线收发器可自动调整双载波频率工作，在主频率被噪声堵塞的情况下，自动切换到副频率继续保持通信。通过数字信号处理技术可使PLT-22在恶劣电力线通信环境下准确地进行信号的接收和处理。但它是Lonworks网络专用芯片，价格也较高，难以在民用市场进行大规模推广。（5）INT5200是Intellon公司推出的基于PLC宽带接入的调制解调芯片，将媒体控制层（MAC）/物理
27、层（PHY）和模拟前端（AFE）集成在一块芯片内部6。采用电力数据包（Powerpacket）正交频分复用（OFDM）技术，在84个载波上利用DBPSK/DQPSK调制原理使其传输速率最高可达14Mbps。它可以自适应地调整载波频率，避开受干扰严重的频率；多载波同时传输，实现高速的数据传输。它的媒质访问控制（MAC）采用的是载波多路侦听/冲突避免（CSMA/CA），并有56位的密匙管理以保证PLC通信安全。此芯片主要为“最后1Km”（户外宽带接入）和“最后100m”（户内组网）高速宽带接入提供解决方案。1.3 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 目前在自动集抄和通信系统中广泛采用的载波通信方
28、式有扩频、窄带调频或上海交通大学工程硕士学位论文 第一章 绪论 第 4 页 调相以及OFDM。而在具体应用中,以窄带调制方式居多，其主要原因是该方式成本低廉且较为容易实现。但此方式具有许多缺点，如抗干扰能力比较弱、接收灵敏度低。因此，在本论文中具体工作如下：1、概述了低压电力线信道特性，在目前电力线载波通信四种调制技术的基础上，着重研究了2FSK系统的基本原理，并利用SystemView软件搭建了2FSK非相干载波通信模型，并对其进行了仿真分析。2、分析了OFDM系统的原理和关键技术，搭建了OFDM技术的PLC系统框图，并进行SystemView仿真分析。3、给出新型载波通信模块系统的总体设计
29、方案，并对各个功能模块的工作原理和电路设计进行详细的说明和分析。4、对该模块进行系统调试。通过软件加载，对模块的整体通信性能进行测试，分析测试其信号动态范围和灵敏度，并将其移植进电表中，进行载波表的通信性能测试。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 5 页 第二章第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 2.1 电力线通信信道的特性电力线通信信道的特性 由于低压电力线是为了传输电能而铺设的，所以其传输特性往往很难满足数据通信的要求，具有时变衰减较大，信号变化复杂，干扰噪声多样等特点。2.1.1 时变衰
30、减大时变衰减大 对于一般的居民用户，我国采用的是 220 V 交流两线供电。由于电网上负载的不断接入和切出，马达的停止和启动，电器开和关等各种随机事件，使信道特性具有很强的时变性。低压电力线在一秒内可对某一频率信号的衰减变化达到20dB，因此不能简单的应用电压检测方法来确定线路信号。电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。电力线上并联着的许多负载对信号衰落影响很大，尤其是那些用于调整电网功率的大电容，对几百 kHz 的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，可以将
31、耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要取决于线路的衰减，而且信号的衰减是距离的函数，一般为 40100 dB/Km。考虑在低压 220V/380V 电网中使用相线和零线作为数据传输线。对高频信号而言，低压电力线是非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载可能接在传输线的任意位置。负载不断接入、切出，电器接通、断开，马达停止、起动等各种随机事件导致电力线的信道表现出急剧变化的特性，低压电力线在一秒内对 500KHz 信号的衰减变化达到 20dB。电力线的阻抗主要是由电力线接入负载的阻抗特性所决定。正是由于电力线接入负载的不确定性和时变性，引起电力线阻抗的不稳定性，不仅在时间上(白天或晚上)接入阻抗出
32、现差别，而且随着频率的变化阻抗也会变化，低频时阻抗较小，随着频率的升高会发生变化。2.1.2 信号变化复杂信号变化复杂 低压电力线是良导体，本身阻抗较小，在不同的工作频率下阻抗略有变化，对信号的衰减可忽略不计，因此电力线本身的阻抗不是产生严重衰减的主要原因。而电力线上并联的负载大小和种类则是影响信号衰落的主要因素，尤其是那上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 6 页 些用于高速电网功率因数的大电容，对载波信号来说相当于短路。另外，当载波通信等效负载阻抗很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会吸收相当一部分的功率。其表达式如式（2-1）所示：2lo
33、g10=RSGVVD （2-1）信号发送耦合电路存在内阻会消耗一定的功率，对传输信号会产生一定的衰减，但在设计电路时可将耦合器的内阻做得尽量小。实际测量表明在电力线上不同位置并联的诸多不同性质的负载对信号的传输影响很大，随着负载在电力线上的连接或断开，在不同的时刻信号衰减也会表现出不同的特点，即负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机地发生变化。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。从衰耗角度来看，欧洲标准CENELEC EN50065-1所使用的A频段3.0kHz-148.5kHz频带比美FCC 标准使
34、用的100kHz-450kHz频段的衰耗要低。表2-1表明信号的衰减是距离的函数，但是在不同地域会有所不同。表2-1 信号衰减与地域和距离的关系 地域类别 农村 城市 郊区 工业区 距离 500m 250m 250m 750m 信号衰减量 50dB 20dB 25dB 30dB 2.1.3 噪声干扰多样噪声干扰多样 PLC 的最大干扰是噪声，其主要来源是电力网上的所有负载、无线电广播和天电等。就噪声特性而言，同一配电变压器下的用户负荷噪声及变压器噪声都会对信道产生噪声干扰。噪声很大时，必然要求提高信号功率来满足数据传输的要求，这样，除了导致产品成本和体积增加外，对其他用户也是一种交叉干扰。在恶
35、劣的电力线通道中，电力线上的噪声和信号衰减是随时间而变化的。因此，在进行信号传输时，为了保证传输的质量，需要对信号进行转换处理，这是电力线通信的难点。噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一，人们分别对不同的地域(城市、工业区、乡村)作为了大量试验。参考文献78910中认为电力线的噪声在室内和室外会有所不同，但大致可划分为5类，如图 2-2 所示。有色背景噪声(Colored Background Noise)。这类噪声主要来源于交直流两用电动机，功率谱密度相对较低。主要来源于网络上众多的功率较低的噪声源，例如大量的家用设备。其功率谱密度随着频率的增加而减小，变化缓慢。上海交通大学工程硕士学位
36、论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 7 页 窄带噪声(Narrow Band Noise)。主要由电力线的驻波或谐振和短波广播所致，其功率谱密度在该频段内几乎保持不变，白天高，晚上低。图 2-1 噪声分类 Fig.2-1 The Classification of Noise 与工频异步的周期性噪声(Periodic Impulsive Noise,Asynchronous to the Mains Frequency)。来源于电力线上的一些电子设备。例如电视机行频等，在频率空间上是离散的，主要分布在50Hz-200Hz。与工频同步的周期性噪声(Periodic Imp
37、ulsive Noise,Synchronous to the Mains Frequency)。一般由工作在电网频率的开关器件造成，例如开关电源等，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少。突发性噪声(Impulsive Noise)。主要由电器突然开关造成。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。电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立。故而理论上这五类噪声的叠加可看作是电力线噪声。出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变性表现在两个方面。首先是因时而变，即在不同时刻，
38、干扰的频率、强度都各不相同。其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同。而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。前者是因为在不同的电网之间，连接的负载、线路情况、电网结构等都不同导致电网内的各种参数都不同，则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在电力线上的传播也要遵循高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰减特性的影响，因而对距离、负载分布等也很敏感。因此，电力线上干扰的因地而变特性，对低压电力线载波通信系统会有很大的影响。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 8 页 2.2 电力线载波通信调制技术概述 低压电力线上
39、的信号干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性很大，难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述。但是，尽管低压电力线载波通信存在上述所说的这些困难，我们仍然认为用低压电力线作为通信信道是可行的，只是需要采用一些特殊的技术手段。传统的数字调制方式有幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）等。目前，低压电力线载波通信已经朝着使用扩频通信技术（SS）、正交频分复用（OFDM）技术发展，能在很大程度上克服电力线的强衰减、强干扰的缺陷，大大提高通信系统的生存能力。2.2.1 频移键控方式频移键控方式(FSK，Frequency Shift Keying)FSK调制也是电力线窄带调制中最
40、常用的一种调制方式，在第一代电力线芯片中得到广泛应用。频移键控是将所要传输的信息载荷在载波的瞬时频率变化上，即频率的变化反映信息的变化。每个字符组包括1个起始位（低逻辑电平），8个数据位和1个停止位（高逻辑电平）。数据包均由起始头文件引导。数字信号经过数模转换，以一定的载频，用电压注入方式叠加在三相交流电上。通信两端采用异步、半双工方式收发信号。同时，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。FSK是利用载波的频率变化来传送数字信息，即用所传送的数字信息控制载波的频率。对于二进制频移键控(2FSK)信号，可用两个不同的载波频率来分别表示数字信号“1”和“0”，其表达式
41、为：()+=”“”“1)2cos(02cos)(21nnfAtfAts （2-2）式中1f和2f代表两个不同的载波频率，n和n分别是第n个信号码元的初始相位。图2-2是输入的基带信号，即“0”和“1”的二进制序列。图2-2中，T为码元周期。通常，电力载波通信中的远动信号传输速率bR 为300 bit/s，600bit/s，1200 bit/s。一般取采样速率Tf1=为bR的整数倍。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 9 页 01000110T2T3T4T5T6T7Tt输入数据d(t)图2-2 输入的基带信号()td Fig.2-2 The Inp
42、ut Baseband Signal()td 0t2FSK信号s(t)1f1f1f1f2f2f2fA-A 图 2-3 连续相位的 2FSK 信号 Figure 2-3 2FSK Signal of Continuous Phase 图2-3为图2-2输入信号相应的连续相位2FSK信号波形，其中载波频率1f和2f分别代表数字信号“0”和“1”。在2FSK中，初始相位n和n不代表任何信息，令为零相位。由图2-2也可发现，一个2FSK信号可以看成是两个不同载频的2ASK信号的叠加，因此，在产生2FSK信号时可以采用模拟调频电路来实现。FSK解调器将接收到的FSK信号解调并且以原来的二进制的格式进行存
43、贮。一般来讲，可以附加带通滤波器用来抑制带外噪声，降低FSK发送器的谐波。2.2.2 相移键控方式（相移键控方式（PSK，Phase Shift Keying)相移键控是用离散的基带数据信号去控制载波信号的相位变化，即数据信号的信息载荷在载波的相位变化上，利用载波相位的变化来传递信息。通过数据信号控制开关得以选取与数据信号相对相位的数字移相信号。该方式通过调制载波的相位来传输数据，也是一种线性调制技术。在发生相位突变时，由于包络不恒上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 10 页 定会导致在通过带限信道后频谱发生扩散。PSK 是用载波的两种不同相位表
44、示信号“0”和“1，可取 0 和 两种取值，其时域表达式为：()()tnTtgatscnsncos=（2-3）式中：=出现以概率出现以概率P11P1na；c为载波角频率。产生 PSK 信号一般有以下两种方法：1.调相法：将基带数字信号(双极性)与载波信号直接相乘的方法；2.选择法：用数字基带信号去对相位相差180度的两个载波进行选择。在 PSK 系统中，由于发送端是以某一个相位做基准的，因而在接收系统中也必须有对应的基准相位作参考，如果基准相位发生变化就会造成误码。考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的且不易被发觉，由这种因素导致的现象称为 PSK 方式的“倒现象”或“反向工作”现象，
45、所以在实际应用中必须尽量避免这种现象发生。在大信噪比条件下，PSK 的误码率比 FSK 要好。2.2.3 扩频通信方式扩频通信方式(SS，Spread Spectrum)扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据。它是将待传送的信息数据用伪随机码(PN码)调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的PN码进行相关处理及解调，恢复原
46、始信息数据。扩频通信在一定程度上可以提高频带内抗干扰的能力，但是当载波信号由于阻抗不匹配而引起信号跌落时，扩频通信也无能为力。扩展频谱通信系统是对信息数据频谱扩展的一种通信系统。要对信息数据的频谱进行扩展，其扩频所采用的伪随机码须有极宽且均匀的频谱特性。这种伪随机码就叫做扩频序列。扩频系统的性能同扩频码的性能有很大关系。对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列；扩频码应具有双值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但在接收机中为
47、了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。因此，实际工程中，我们只能用伪随机或伪噪声（PN）序列作为扩频码。伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序列。上海交通大学工程硕士学位论文 第二章 低压电力线载波通信信道特性和调制技术分析 第 11 页 扩频通信要求扩频序列具有较好的自相关特性和互相关特性，属伪随机序列（Pseudo Noise Sequence，即PN序列）。其中最常用的有m序列（即最大长度线性反馈移位积存器序列）、Gold序列、M序列（结构型非线性移位寄存器序列）等。扩频的主要特点就是发射机和接收机必须预先知道一个预置的扩频码或密钥，
48、扩频码必须足够长，尽量接近类似于噪声的随机数字序列。但是，在任何情况下，他们必须保持可恢复性。否则，接收机将不能提取发射信息。因此，这序列是近似随机的，扩频码通常称为伪随机码(PRN)或伪随机序列。通常采用反馈型移位寄存器产生伪随机序列。目前实现扩频18有三种方式：直接序列扩频、跳频扩频和脉冲线性扩频(Chirp-SS)。扩频技术具有伪随机码调制和相关处理两大特点。正是这两大特点，使扩频通信有许多优良特性，如抗干扰性强、抗多径干扰、可以实现码分多址等。采用该技术，能在很大程度上克服电力线的大衰减、强干扰的缺陷，提高了通信系统的能力。2.2.4 正交频分复用正交频分复用(OFDM，Orthogo
49、nal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用22是一种多载波调制技术。主要是把高速传输的数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有较低的传输速率，并用低速数据流调制若干子载波。它把有效的频谱分成许多小的信道。它们相互重叠，并且在空间上彼此正交。重叠越大，分成的信道数也就越多。每个信道提供一个低的数据速率，众多信道加在一起就可以获得较高的数据速率和更有效的频谱利用率。它具有频谱利用率高，信号调制解调易于实现等优点，同时可以较好地解决电力线通信信道的多径衰落和频率选择性衰落，已广泛地应用于电力线通信、无线局域网（WLAN）等技术领域。由于OFDM技术可以选
50、用IFFT/FFT方法来实现各个子信道的调制和解调，因此随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的飞速发展，OFDM技术的实现变得极为容易。目前常采用DSP实现调制和解调，这种调制技术具有抗噪声、抗多径干扰、抗衰落等优点。扩频和OFDM都具有抗干扰能力强、通信速率高等特点，但是因为它们的调制原理不同，所以在实际应用中有一定的差异。主要体现在发射功率、调制效率、抗干扰性能、抗多径能力等方面。2.3 FSK 非相干载波通信系统非相干载波通信系统 FSK 传输速率相对较低，频带利用率不高，但其实现简单，甚至可以用软件实现，因此仍得到了广泛应用。将 FSK 应用到 PLC 中时，对其具体实现进上海交通