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1、上海交通大学硕士学位论文电力线扩频载波通信技术的研究及实现姓名：何娟申请学位级别：硕士专业：电力电子与电力传动指导教师：叶芃生20030101电力线扩频载波通信技术的研究及实现摘要随着信息社会的深入发展，网络技术的应用遍及社会生活的各个角落，以家电主要对象的家庭网络技术正蓬勃兴起。以电力线为媒介的网络越来越受到人长注，它无需专门铺设线路，覆盖面非常广，不仅可降低通信成本，还使得通。言终端设置和移动非常方便。在我国，低压电力线载波通信一般仅用于电力集中抄专系统中，而在欧美，他们已经尝试将电力线载波通信应用于工业控制及家庭自动艺方面。本文根据电力线扩频载波(S p r e a dS p e c t
2、 r u mC a r r i e r，缩写为S S C)技术构。鼍了电力线通信网络试验平台。它采用C E B u s 的家庭网络通信协议，实现传输速率tl O k b i t s 的数据传输。希望该平台试验的开发有助于推动家庭自动化网络的发展。电力线传输信道具有复杂的噪声、高衰减和可变阻抗的特性，要在如此差的信道上可靠传输数据是很困难的事。扩频通信技术最大的优越性就在于它具有抗干扰和抗电力线时变衰减的能力。电力线的S S C 技术是一种基于扫频(c h i r p)原理且适用于载波侦听多路访问(C S M A)的扩频通信方法。其扫频范围为I O O K H z 4 0 0 K H z。选用S
3、 S CP 3 0 0 电力线载波芯片和其他的一些模拟电路可构成扩频通信模块，并在此基础上构建电力线通信网络。实践证明此通信方案在我国的电力线上是可行的，本文主要分三部分：第一部分是理论基础部分。主要介绍了电力线载波通信的意义及现状，对电力线信道特征做了详细的分析，并对电力线扩频载波通信，特别是线性扩频通信做了理论上的分析。第二部分是电力线通信的试验平台实现部分。首先对以S S CP 3 0 0 为核心的电力线载波模块的硬件设计做了详细的介绍，然后是基C E B u s 协议的家电网络试验平台的软件设计。最后是试验结果。第三部分是电力戋载波通信的前景展望，主要介绍了正交频分复用(O F D M
4、)技术的原理及在电力线高速数据传输中的应用。关键词：电力线通信噪声和干扰扩展频措线性调频协议家庭自动化R e s e a r c ha n dI m p l e m e n t a t i o no fP o w e rL i n eS p r e a dS p e c t r u mC a r r i e rC o m m u n i c a t i o n sA B S T R A C TW i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o ns o c i e t y，n e t w o r kt e c h n o l o g
5、yh a sb e e na p p l i e da l m o s te v e r y w h e r ei np e o p l e S1 i f e E s p e c i a l l yt h eh o m en e t w o r kt e c h n o l o g yw h i c h t a k e sf a m il y u s e de l e c t r ic a lp r o d u c t sa se m p h a s i sh a sb e e nf a s td e v e l o p i n g T h ec o m m u n i c a t i o n
6、n e t w o r kw i t hp o w e rl i n ea si t sm e d i u mh a sb e e np a i di n c r e a s i n g l ya t t e n t i o nb e c a u s eo fi t sn on e e do fs p e c i a lw i r i n g，w i d ec o v e r a g e，l o wc o s ta sw e l la st h ec o n v e n i e n c eo fc o n f i g u r a t i o na n dm o b i1 it yo fc o
7、m m u n i c a t i o nd e v i c e s I nC h i n a，l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni sg e n e r a l l yu s e di nc e n t r a l i z e do np o w e ra m m e t e rs y s t e m s W h i l ei nE u r o p e，p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o nh a sb e e n
8、e x p e r i m e n t e di ni n d u s t r i a lc o n t r o la n dh o m ea u t o m a t i o n I nt h i st h e s i s，at e s tp l a t f o r mo fp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e e ne s t a b li s h e dw i t ht h et e c h n i q u eo fp o w e r1i n es p r e a ds p e c t r u mc a
9、 r r i e r(S S C)I ta d o p t sC E B u sf a m il yn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na sp r o t o c o la n d h a sad a t at r a n s m i s s i o nr a t eo fa p p r o x i m a t e l yl O K b i t s I ti sb e l i e v e dt h a tt h ed e p l o y m e n to ft h i st e s tp l a t f o r mw i1 1p r o m o t e
10、t h ed e v e l o p m e n to fh o m ea u t o m a t i o nn e t w o r k P o w e r1i n et r a n s m i s s i o nc h a n n e lh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p l i c a t e dn o i s e，a t t e n u a t i o na n dv a r i o u si m p e d a n c e s I ti sv e r yd i f f i c u l tt ot r a n s m i td
11、a t ar e l i a b l et h r o u g hs u c hc h a n n e l S T h em o s ta d v a n t a g eo fs p r e a ds p e c t r u mc a r r i e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e1i e si ni t sg o o da b i l i t yo fa n t i d i s t u r b a n c ea n da n t i a t t e n u a t i o n P o w e rl i n eS S Ci sas p r
12、 e a dc o m m u n i c a t i o nm e t h o d，w h i c hi Sb a s e do nc h i r pp r i n c i p a la n ds u i t a b l et oc a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s I t sc h i r pr a n g ev a r i e sf r o mI O O K H zt o4 0 0 K H z T h es p r e a dc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb u i l tb yu s
13、i n gS S CP 3 0 0c h i pa n ds o m eo t h e ra n a l o gc i r c u i t sc a nb eu s e dt oc o n s t r u c tp o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k I ti Sp r o v e dt h a tt h i Sc o m m u n i c a t i o ns c h e m ei Sf e a s i b l ei no u rc o u n t r y Sp o w e rli n e T h et h e s i
14、si so r g a n i z e di nt h r e ep a r t s T h ef i r s to n ei st h ef u n d a m e n t a lt h e o r yp a r t I ti n t r o d u c e st h em a g n i f i c e n c ea n dc u r r e n ts t a t u so fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n，a n a l y z e sp o w e rl i n ec h a n n e la tl e n
15、g t ha n dp o w e rl i n es p r e a ds p e c t r u mc a r r i e rc o m m u n i c a t i o ne s p e c i a l l yt h ec h i r pS S C T h es e c o n dp a r tisa b o u tt h ei m p le m e n t a tio no fp o w e rlin ec o m m u n i c a t i o nt e s tp l a t f o r m F i r s tt h eh a r d w a r ed e s i g no f
16、p o w e r1i n ec a r r i e rm o d u l ec e n t e r e do nS S CP 3 0 0i sp r e s e n t e d T h e nt h ew o r kp r i n c i p l eo fh o m en e t w o r kt e s tp l a t f o r mb a s e do nS S C，C E B u sp r o t o c o la n dt h es o f t w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e d F i n a l l yc o m e st h
17、ee x p e r i m e n t a lr e s u l t T h et h i r dp a r tp r o p o s e st h ep r o s p e c to fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n，i n t r o d u c i n go 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 ea n di t sa p p l i c a t i o ni np o w e rl i t i eh i g hs p
18、e e dd a t at r a n s m i s s i o n s K E YW O R D Sp o w e rli n ec o m m u n i c a t i o n s，n o is e，s p r e a ds p e c t r u m，c h i r p，p r o t o c o l，h o m ea u t o m a tio n上海交通大学学位论文原刨性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注瞬弓 用的蠹容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体
19、，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：彳万缸l园期：2 汐哆年f 月，绍上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文昭规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密圈，在鱼年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。(请在以上方框内打“”)一躲彳歹鲁精教一参乇日期：细尊多年 月1 8 日日期a 一年，月巧E t上海交通大学硕士学位
20、论文第一章电力线通信概述第一章电力线通信概述1 1电力线通信的意义及研究现状人类已经迈入了信息时代的2 1 世纪，信息技术渗透到社会的各行各业和人们社会生活的各个方面，并推动着技术的进步和人们的生活质量。如果利用电力系统现成的网络，在发展电力技术的同时发展信息技术，不仅可提高电力系统的经济效益，拓宽人们获取信息的渠道，还可降低通信的成本。因为以电力线为传输媒介的通信系统无需专门铺设通信线路，不需要维护或者维护量极少，且电力线网络覆盖面广，使得通信终端设置和移动非常方便。利用电力线网络，可以方便的组建计算机局域网(L A N)、传递远端监视图象、自动抄表(A u t o m a t i cM e
21、 t e rR e a d i n g)系统、火灾报警系统等。因此研究电力线通信有很大的使用价值，将对家庭自动化产生深远的影响。传统的电力线载波(P o w e rL i n eC a r r i e r)技术在电力系统中广泛的应用于电力调度通信、远动信息传输和继电保护的高频通道等。从上世纪5 0 年代开始，这项技术就被广泛的应用于高压输电网中，并已经从最初的模拟传输技术发展到现在的数字技术。然而要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据传输并非易事。各种电力线对信号所呈现的特性阻抗和衰减常数不大相同，用电负载有不同特性，负载情况也经常变化，加上不同来源的电磁干扰，通过电力线传递的信号会出现明显
22、的衰减和畸变。长期以来，许多公司和学者对电力线通信系统进行了大量的研究和实验工作，取得了一定的经验和成果。许多新的通信系统的理论被应用到电力线通信中，随着扩频通信理论和正交频分复用(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)技术的出现，以及它们在无线通信中的成功应用，给电力线通信理论带来了新的生机。电力线网络分为高电压(1 0 0 k V)、中电压(1 1 0 0 k V)、低电压(1 k V)三种。常用的低压电力线通信网络是指民用的3 8 0 V 及2 2 0 V 电力线网络，本文
23、主要针对电力线载波通信在家庭自动化中的应用，故只涉及低压电力线通信系统。1 2电力线载波通道1 2 1电力线通信系统信道特性任何通信系统均离不开通信信道，信道一般可以分为有线信道与无线信道两种。有线信道的媒介包括明线、对称电缆、同轴电缆以及光缆等，无线信道包括长波、中波、短波、超短波及微波等。电力线通信属于有线信道。上海交通大学磺学位论文第一章瞧力线逶售壤述信道主要有以下特性：1)都有输入端，具有一定功率的各种形式的信号蠢此输入。2)都有输出端，从输出端可以接收到信号功率。3)即使没有信号输入，输出端也有一定的输墨，这个输出就是噪声。4)在输入信号一定的动态范围内，绝大多数信道是线性的，即信道
24、具有叠加性和齐次性。5)信号在信道中传输时均被衰减和延迟，或受到其他影响。由于配电网低压电力线路(2 2 0 V 至1 0 k V)的载波传输特性的不稳定，它的衰减和隘抗特性随电霹负载等情况的变化而变化，具有较强的时变性加上我国低压电器产品的电磁兼容性无严格的标准，造成电网内对载波信号较大的干扰，使我豳的低压电力载波通信信道极其复杂，其特性为1 2 1：可变的信号衰减低压电力载波信号的衰减通常较大，达2 0 d B 以上，同相传输的衰减不一定小于跨相传输的衰减，丽且衰减值受电力线上的负载变化的影响，并随信号频率而变化，在某些频点通道衰减变化达2 0 d B 以上影响低压电力载波信号衰减的医素十
25、分复杂，难以准确测量和建立正确的数字模型，也不易用简单昀数字公式来表达，只能用统计的方法来计算分析，给系统的设计带来一定的困难。可变的阻抗特性低压电力载波通道的阻抗变化与信号频率和物理位置相关联，P L 的载波阻抗可小于0。lQ，僵在另外条件下，又会增至1 0 0Q 左右，并随电网受载和时阀而变化。载波通道的干扰a 脉冲噪声：由于脉冲噪声具有瞬间、高能和频率范围广的特点，因而对载波信号传输影响相当大，除造成信号误码率(P E R)高外，还会导致接收器无法对信号进行正确的纠错，并可能引起接收器内部自干扰，严重影响系统的正常工作。研究表明：(a)脉冲噪声的强度一般比下述的背景噪声高1 0 d B，
26、有时可达4 0 d B。这种于扰与干扰源至接收器的距离有关。(b)主要的脉冲干扰频率为1 0 0 H z，且和5 0 H z 电源的正或负半周期同步。(c)脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时脉宽减少。(国噪声和信号一样都会衰减，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪声源影响最大。b 背景噪声：电力线的背景噪声是典型的离斯离数型，它始终在通讯线上存在，嗓声大小与通讯线介质的温度成正比。如果介质很熟，背景噪声就增大，为了限制噪声，应该将介质保持在尽可能低的温度。背景噪声始终存在，它对数据会产生很大的影响。2上海交通大学硕士学位论文第一章电力线通信概述c 串音干扰：当两根通讯线相互干扰时就
27、发生了串音，一根通讯线的绝缘层开裂会使导线接近另一根通讯线而产生干扰。串音还会在两根并行的通讯线之间产生，一根通讯线上的信号很强，就会干扰另一根通讯线上的信号。d 等幅振荡波干扰：等幅振荡波(C W)干扰与低压电网负载有关，其干扰频率在1 0 0 k H z 至3 0 0 k H z 之间(如电源开关产生的谐波频率可在5 0 k H z 以上)，这些干扰恰落在电力载波工作频率范围(3 0 -5 0 0 k H z)这是电力载波传输的主要干扰。从上面的分析可知，影响电力载波传输质量有两方面因素：一个是电力网络的阻抗特性及其衰减，另一个是噪声的干扰第一个因素制约着信号的传输距离，第二个因素决定数据
28、传输的质量。1 2 2 电力线通信信道分析1 2 2 1 信道噪声一个通信系统的任何环节均有可能有噪声及干扰存在。噪声特性是描述一个传输信道性质的重要参数之一，噪声的来源主要有以下三个方面：1)人为干扰，人为干扰包括无线电干扰和工业干扰。无线电干扰来源于各种用途的无线电发射机。这类干扰的特点是作用的频率范围广，从低频到高频段，它的强度随干扰源的功率距离等而变。工业干扰指工业电气系统产生的电磁干扰和电火花干扰。它的特点是干扰的频谱集中在低频部分。2)自然界干扰，自然界干扰来源于自然界存在的各种电磁波源，这类干扰所占的频带相当宽，又很大的随机性。3)通信系统内部干扰，是指组成此系统的各部件产生的内
29、部噪声。例如电阻的热噪声，电源系统的干扰等。低压配电网直接面向用户，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。本文主要讨论l O O k H z 4 5 0 k H z频率范围内的噪声。可把配电网电力线上的噪声分为背景噪声、周期性噪声、突发性噪声和由驻波造成的频域窄带脉冲噪声4 类，各种噪声的特性分析如下 7 1：1)背景噪声：背景噪声是配电变压器原边进入配电网的噪声、配电用户各种电气设备产生的噪声以及无线电干扰等的综合效果。它几乎覆盖整个通信频带。为比较欧洲标准与美国标准通信频带上的噪声特性，把测量频率范围设置为3 k H z 5 0 0 k
30、 H z。图1 1 为实测的某电力局变压器副边侧的噪声功率谱密度曲线。由图1 1 可见，3 k H z 9 5 k H z 频带内背景噪声的功率谱密度随频率的升高而呈明显的下降趋势，其特性为1 I f 噪声：在l O O k H z 4 5 0 k H z 频带上海交通大学磺士学位论文第一章魄力线通信概述内背景噪声基本保持水平状态，其特性为自噪声。2)与工频同步的周期性噪声：这种噪声的特点是周期性出现，且与工频同步，其频率为工频5 0 H z 的整数倍。目前产生这种噪声的噪声源主要是电力电子设备，如开关电源、变频设备等。与工频同步的周期性噪声持续时间长、频域覆盖范围广、功率大。但高传输速率的通
31、信系统由于数据包持续时间短，可在周期性噪声的间隙进行传输，从而降低了这种噪声的影嚷。鲁、鬻雷韫嘣0l 2 3 辩毒铤5 f I K H,图1 一I3 K H z 一5 0 0 K H z 噪声功率F i gI 一1 T h eP o w e rS p e c t r u mO fT h eN o i s el 曩3 K H z-5 0 0 K H zB a n d黾、瓣罄极刨f，五z图1 2 频域窄带脉冲F i g l-2 I m p u l s eO fF r e q u e n c yD o m a i n3)突发性噪声：突发性噪声主要由负荷的突然投切产生。众所周知，当一个存在电容、电感储
32、能元件的动态电路的结构或参数发生变化时，电路要经历一个过渡过程。在激励为正弦量时，自由分量与强制分量的和在某个时刻可达到很大的值。因此负蘅的投切会产生短时突发性脉冲。这种噪声的麓量主要集中在1 0 0 k H z 以下，且其发生频率和几k b i t s 的数据传输率相比很低，因而对传输系统的影响不是：畏大。4)其他类型的噪声；在一些测量中发现，在某些频点会出现如图1 2 所示的幅值很高的线谱。产生此种噪声的原因是行波或谐振造成的。由电路理论可知，在离频工作下需要考虑传输线中的波过程。配电网对负载的特性阻抗没有严格的要求，且经常处于终端无负载情况，这样就有可能发生驻波现象。发生驻波时，在频域上
33、的表现为等闻距的线谱，可推得其间距为f=v 2 x(￥为高频通信信号在魄力线上的传播速度，对架空线来说，近似为光速C：x 为信号源与测点间导线距离)。这种噪声的特点是，一旦产生，持续时间长，熊量大。如果通信系统采震单频载波，且载波频率恰好落在这种窄带噪声的频率上，那么此系统的传输将遭到破坏。扩频载波通信可很好地消除这种噪声的影响。多径效应(M u l t iP a t h)是电力线通信存在的干扰之一，它同与发射信号独毒上海交通大学硕士学位论文第一章电力线通信概述立的、加性噪声和干扰不一样，它是发射信号在传播过程中，由于路径不同，形成对接收机的发射信号的干扰。产生原因如图卜3 所示。节点1 与节
34、点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，这个干扰就是多径干扰。多径干扰可以采用延长单位发射信号的时间来克服，即降低通信速率会减轻多径干扰对通信系统的影响。爱射信号窆二墨垒门厂多径效应接牧嚣号图1 3 多径效应产生原理图F i g1-3 M u l t i p l eP a t hE 疏c t1 2 2 2 信道阻抗和信号衰减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
35、最大。翔翠啪2图t 一4 电力线上信号衰减幅度F i g1 4A t t e n u a t o nO fS i g n a l sO nP o w e rL i n e低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成：1)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。不同的导线的特性阻抗相差7 0 1 0 0Q。3)接在电力线上的设备的阻抗，一般相差1 0 1 0 0 0Q。对于低压电力线通信来说，传输信号的损耗由多方面引起：a)由线路串联电感和上海交通大学硕士学位论文第一章电力线通信概述并联负载、并联的分布电容(著联的电磁兼容电容)缓成电压分压器造成
36、的损耗。假如每3 0 m 线路的串联电感为1 9 uH，负载为3 0 Q 的电阻，并联O 4 4 uF 的电磁兼容电容 翼4 负载处的信号衰减为1 2 d B。这样的3 段单元组成的电压分压器，第3 段负载处的信号衰减为3 6 d B。b)不同相位的耦合引起的损耗。绝大多数的配电变压器将阻碍通信信号通过，因此配电变压器原、副边之间的传输信号衰减可达6 0 d B 1 0 0 d B。配电变压器次级线曛间的信号传输也会达到2 0 d B -4 0 d B 的衰减，其程度与分支线路用线的类型、不同相位线布线耦合程度有关。c)由信号经过配电盘电源的交汇处引起的损耗。在电力线通信频率下，配电盘相当于小
37、于lf 2 的电负载，可以引起1 2 d B -2 4 d B的信号损失。在一般情况下，传输信号的损耗是频率的函数，高频段的损耗大于低频段的损耗，传输信号的损耗与配电网的拓扑结构有很大关系。图1 4 为某时刻电力线上的信号衰减幅度随频率变化的曲线。配电网电力线信道的特性如此之差，使得利用配电网进行可靠通信需要解决系列相关问题。1 3电力线通信系统解决方案当前，市场上有凡种电力线通信系统解决方案可以采用。1 3 1 模拟系统最早的电力线通信系统是模拟的单载波通信系统。模拟系统传送的信号是一个时间和幅度取值都连续的波形，包括幄度调制信号(A 鹾)、频率调制信号(F 醚)及相位调制信号(P M)。它
38、要求接收机能够高度保真地重现波形信号。模拟通信系统中追求酶主要指标是较高的信嗓沈，在接受端对信号的检测就是对信号连续波形的参量估值。模拟系统通过信道的信号频谱比较窄，信道的利用率高，但因为传输的信号是连续的，混入噪声干扰后不易清除，因此它的抗于扰能力差；模拟系统不易于保密通信，不易于大规模集成化。W e s t i n g h O U S e 系统【6 1 是通过电力线传递声音信号的，剩雳单载波调幅方法，以1 0 或2 0 W 的功率在电力线上以8 1 3 6 k H z 之间的某个频率传递信号。这个系统的最初是餍在农村电话上，可以不使用中继器面覆盖几百公里的靛范围。1 3 2 数字系统(A
39、S K、F S K、P S K)随着数字通信技术的完善和发展，出现了窄带A S K、F S K 和P S K 电力线通信系统。数字系统传递的信号离散的脉冲，接收端要求正确判断发送的是那一种离散状态，只要脉冲波形的失真不足以引起错误判决就不会影响通信质曩。数字通信抗干6上海交通大学硕士学位论义第一章魄力线通信概述扰能力强，可以通过差错编码提高可靠性，易于集成化。其缺点是比模拟通信占用更多的带宽。常用的数据通信方案有基带传输和频带传输两种。基带传输通信是指不经过频谱搬移，将基带信号巍接在线路上传输。因为传输线路往往含有等效电容，直流分量很难通过，对低频分量损耗很大，所以基带信号要经过码型变换，使直
40、流分量为O，并减小低频分量；基带传输实现容易，设备简单，同一设备可适用于多种传输速率，但这种传输方式一般只限于短距离通信。“溯弩n oo 几1“)溺幅扭麓该嘲乇勺呵铲舟c d)嬲黼嘲四9 刁口9 口&，一铆，b 孑乇峙图1 5 数字信号调制方法F i g1-5O i g i t a lS i g n a l sM o d u l a t i o n频带传输不同予基带传输之处在于，前者不是实线电路传输，而是通过信道频率资源中的某一频段。数据信号含有直流和丰富的低频成分，因此必须经过频谱搬移才能将基带信号送入信道，接收信号时则要进行反搬移。最常震的调髑信号是二进制信号只有0 和1 两种状态。而最常
41、用的载波是正弦波，基本调制方式有调幅(A S K)，调频(F S K)和调相(P S K)三种。对于调幅波，有载波代表：“l，无载波代表“0”；对于调频波，频率f：代表“l”，频率f 2 代表“O ；对于调相波，相位0。代表“l”，1 8 0。代表“0”。在实际应用中，调相方式多采用相对调相(D P S K)，即相对于前一码元载波的穗位变化秽代表“l ，变化t 8 0。代表“0”。盎于数字信号从一般意义上看具有无限带宽，因此频带传输在发送时，先将数字信号转变为模拟信号，才能在频带受限的模拟信道中传输。几种调制方式孛，调频设备简单，容易实现，并且抗衰减性能比调幅、调相方法优越，因而目前应用比较广
42、泛。N a t i o n a lS e m i c o n d u c t o r 的I C S S l 0 0 1 1 0 0 3 系列芯片采用一种自适应F S K 方案，其特点是根据噪声和干扰的变化，在四组频率中选择最佳的一组频率进行通信，除此之外该系统采用自动增益控制方案，根据干扰和信号的强弱，自动调节系统的增益。1 3 3 扩频通信7上海交通大学硕士学位论文第一章电力线通信概述扩频通信是新型通信方式，扩频通信用伪随机码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。扩频通信的主要特征是使用比发送的信息数据速率高得多的伪随机码，扩展作为基带信号的信息数
43、据频谱，成为极低功率谱密度的宽带信号。接收端使用相关处理方法，把要接收的宽带扩频信号，恢复成基带信号。这些特征使扩频通信信号不易受干扰，也不容易干扰他人。扩频通信系统的基本工作方式有：1)直接序列扩频(D i r e c tS e q u e n c eS p r e a dS p e c t r u m)工作方式，用一个数字编码序列调制载波，该序列的比特速率很高，其带宽较原始信号带宽大的多。2)跳变频率(F r e q u e n c yH o p p i n g)工作方式。发射机和接收机的工作频率在一组预先制定的频率上跳变，而所用频率的次序决定于一个编码序列。3)跳变时间(T i m eH
44、 o p p i n g)工作方式。载波的发射时间受一编码序列控制。4)宽带线性调频(C h i r pM o d u l a t i o n)工作方式，这种调制方式是在一定的脉冲时间间隔内，载频线性地扫过一个宽的频段。5)其他方式。除了上述的扩展频谱技术外，还可以把这些基本方式加以组合而构成混合方式，如“跳时一跳频”等，这种“时间频率跳变系统的发射时间和发射频率均受编码序列控制。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f 6 j。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：C=B
45、 l 0 9 2(1+)(1 一1)VC 为信道容量(b s)、B 为带宽(H z)、N 为噪声功率(W)、S 为信号功率(m。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降低对信噪比的要求。设C 为所需的信息传输速率，对香农公式改换对数的底之后可得rC丢=1 4 4 I n(1+告)(卜2)n1r、一一，DV当S N 很小(如小于O 1)时，应用对数展开公式：23v 4I n(1+x)=x 一三-+三-一兰-+(一l I 时，菲涅耳纹波很小，信号能量9 5 以上集中
46、在B 2 f 上海交通大学硕士学位论文第二章数字通信用的扩频通信原理来设计全通延迟网络。由于线性调频信号的频带很宽(一般为几百千赫以上)，很难设计一个适当的延迟线。在经过E l e c t r o n i c sW o r k b e n c h 仿真后，我们发现，使用简单的延迟滤波器只能在很窄的频段内起到延时作用，不能体现线性调频信号的频带宽的特点。图2-6 是一个二阶全通网络结构瀚，图2-7 是个上调频信号通过该全逶网络得到的仿真信号。如果要在整个线性调频频带范围内实现延迟功能是很复杂的，扶电路设计到电路实现都有很大的难度(涉及到电路结构的选择，电阻、电容、电感的选择以及匹配等，如果使用运
47、算放大器，还受到运放的带宽限制)。2)锁相环法锁相环是一个能够跟踪输入信号相位的闭环基动控制系统。它在电子技术的番个领域得到了很广泛的应用。锁相环的具有优良的性能，具有载波跟踪特性，作为一个窄带的跟踪滤波器，可以提取淹没在噪声之中的信号；具有调制跟踪性能，可以制成高性能的调制器和解调器。它具有低门限特性，可以大大改善模拟信号和数字信号的解调质量。线性调频技术是一个调频信号，嚣此可以幂|j 用锁相环来解调。3)数字信号处理方法由于快速N D 变换器、中、大规模集成电路技术以及快速傅利叶变换(F F T)技术的应用，使信号的实时处理成为可能。数字处理的优点是工作稳定、重复性好，并且具有较大的灵活性
48、。缺点是成本较高(需要高速的N D 以及D S P 等能够进行高速运算的处理芯片)。在第三章介绍的扩频通信系统就是采用的这种方法。2 3 线性调频通信系统的性能分析到用线性调频信号进行通信，是扩展频谱通信的一神特殊形式，它不需要随机码，而是用固定的斜升(或斜降)信号来控制发射频率，由于占用很大的带宽，线性调频通信技术也能很大程度上提高信噪比。线性调频通信系统的模型如图2-8 所示。根据要传送的数据的值(1 或O)把这些数据分为两组，分别进行调制后(数据“O 的时候发射上调频信号，数据“l”的时候发射下调频信号)，这个调制信号经过放大电路(包括电压放大，功率放大)1 8上海交通大学硕士学位论文第
49、二章数：通信用的扩频通信得到发射信号，发射信号经过通信信道传递到接收机。接收机把收到的信号进行放大、整形后，经过解调电路得到相应的发射信号，这就是线性调频通信系统的工作过程。线性调频通信系统是扩频通信的一种形式，它能够克服通信信道的干扰，辅以其他的一些措施后，能大大改善通信效果。线性调频解调前后的信噪比之比等于扩频增益G，等于发射信号的带宽与信号带宽之比(一般大于1 0)。信C b)接收系统横跫图2 8 线性调频通信系统F i g2 8C h i r pM o d u l a t i o nC o m m u n i c a t i o nS y s t e m设要发射的数字信号为d(t)，d
50、(t)是宽为T 的1 或O 值的矩形波信号，在0 f L L c c e 鹃C o n l J 0 1，Re a d Re gi s r _ 4P RS O x 9 4r AlDL L R c L i l k S t a I l l sP 3 0 0 发送一个A D R I A C K A C K 确认。表3 3S s cP 3 0 0 数据结构结构名称(全名)结构名称(缩写)字节数L a y c rC o n 堍u m t i o nl nt b n m ti o nh y 甜C m r f i gl t 加7I n t e r l h c eF l a g sh,t e 蛹t H a g