低压电力线载波通信系统 低压电力线载波通信系统的研究与设计
摘要：随着电子技术和网络技术的发展，运用电力线作为载体进行信号传输受到人们越来越多的重视，国内的电力线通信技术也有了比较大的发展。
在电力线通信中信号干扰和衰减是影响信号的重要的原因。本文简要的分析了信号的衰减特性、抗干扰性和输入阻抗特性。描述了电力线通信的一些技术难点。论文采用了扩频通信，调制方式采用2DPSK，芯片采用了SC1128。论文具体讲述了扩频载波通信的基本原理，并以直接序列扩展频谱为列，这属于中高速载波通信方式。基本代表了目前低压电力线通信技术发展的方向。论文对低压电力线信道及信道模型问题进行了探讨；介绍了电力线调制解调芯片的基本结构、特性及功能，设计了芯片的外围电路，绘制了相应电路图。并且采用了单片机对通信芯片进行控制，完成数据的收发等操作。
关键词：电力线载波，信号衰减，抗干扰性，扩频技术，SC1128
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低压电力线载波通信系统 Research and Design for Low Voltage Power Line
Carrier Communication System
Abstract：As the electronic technology and network technology development, using power lines as a carrier signal transmission by the people more and more attention, China’s Power Line Communicatin technology also has achieveed great development.
In the power line communication signal interference and attenuation of signal transmission has a significant impact on signal.This paper analyzes of the signal attenuation,interference immunity and input impedance. Describes some technical problems of the PLC. This paper adopts the spread spectrum communication for communication, modulation by 2DPSK, use the chip of SC1128b. Papers specific tells the spread spectrum communication principle, and use the direct sequence spread spectrum as column. This technolog belongs to high-speed carrier communication mode. Represents the current low voltage electric communication technology and its development direction.What’s more this papers discussed the problem of the Low voltage power lines of channel and channel model,; Introduces the basic power demodulation chip structure, characteristic and function, design the external circuit of the chips,draw the corresponding circuit diagram. This system is control by microcontroller chip to complete the operation and send data.
Keywords: power line carrier, signal attenuation,anti-jamming，and spread spectrum technology, SC1128
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低压电力线载波通信系统 第1章 绪论
1.1 课题研究的背景
PLC作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLC中的核心——电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。
目前PLC已经发展到第三代——全数字PLC。在全数字PLC中可以采用当前先进的数字信号处理技术，因此大大提高了PLC的容量和质量，使得PLC作为最后一公里解决方案成为可能。在最后一公里的解决方案中，比较成熟的有ISDN、XDSL等。但是PLC能够充分利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“No NewWires”技术，和其他接入方式相比有很多优势。为了克服低压网上传输数据的困难，人们正试图将先进的数字信号处理技术引入到PLC中。在全数字PLC中，可以采用当前流行的语音压缩编码技术，如码本激励线性预测编码（CELP）技术、矢量和激励线性预测编码（VSELP）技术、多带激励（MBE）等，对语音信号经过压缩编码，降低输入信号的冗余，提高了频带利用率；然后与数据信号进行数字复接。可以采用自适应回波抵消技术实现双向通信；可以采用自适应信道均衡技术减小信道对通信造成的影响，提高可靠性。目前采用传统的频带传输（幅移键控ASK，频移键控FSK，相移键控PSK）的PLC日趋成熟，研究的热点是三种具有高抗干扰性的数字调制技术：多维网格编码技术、扩频通信技术（SC）和正交频分复用（OFDM）等。在传统的数字通信系统中，纠错编码和调制是独立进行设计的。纠错编码增加了冗余度，编码增益是通过降低信息传输速率获得，因此传统的纠错编码方法很难进一步提高通信系统的性能。解决可靠性和有效性更有效的方法是将编码和调制技术有机结合。接联系的调制信号的参数扩展中，例如信号空间矢量点或信号星座数的扩展中，这就是网格编码调制（TCM）思想的基本出发点。最佳的编码调制系统应按编码序列的欧氏距离为调制设计的量度，这就要求必须将编码器和调制器当作一个整体进行综合设计，使得编码器和调制器级联后产生的编码信息具有最大的欧氏距离。1982年Ungerboeck提出了基于“集分割”原理的编码和调制相结合的网格编码TCM技
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低压电力线载波通信系统 术，通过扩展信号星座的大小，在不扩展带宽，不降低信息传输速率的条件下，可以获得3～6dB的增益。1984年，LEE－FANGWei提出了克服相位模糊的相位旋转不变网格码，并被国际电信联盟ITU－T采纳为PSTN上高速调制解调器的建议。多维网格编码不但采用了子集分割的思想，还通过维数的扩展减小需要存储的星座点的数量，获得更好的映射增益和编码增益，具有很好抗干扰性能，因此特别适合电力线这样干扰大的信号。目前很多国内厂家采用的就是用于PSTN上的高速调制解调器方案移植到PLC中，它的核心就是多维网格编码调制技术，目前研究的还是四维的情况。
扩频通信是用伪随机编码（扩频序列：SC）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再进行传输；在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。扩频通信技术以牺牲频带为代价，降低了信噪比，可以在极低信噪比的情况下实现可靠的通信服务。扩频通信的良好抗干扰性能使得它特别适合在低压电力线这样恶劣的信道环境下提供可靠的数据服务。而且扩频通信可以实现码分多址技术，实现不同低压配电网上不同用户的同时通信。扩频通信技术主要有直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及上述各种基本方式的组合。目前扩频通信在低压配电网上的研究已经取得初步成功，2000年Intellon公司推出了用于低压配电网的扩频芯片，而我国清华大学也研制成功基于扩频技术的低压配电网实验平台，可以通过220V低压电力线实现两台计算机之间的文件或数据的传输，传输速率可以达到10kb／s。正交频分复用（OFDM）技术在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间的相互干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远小于信道带宽，因此每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间的干扰，这也使得信道均衡可以得到简化。OFDM具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，目前在有线和无线领域的研究都很多，在ADSL中采用的离散多音调制DMT实际上就是OFDM技术。目前OFDM在全数字电力载波通信中的研究也方兴未艾，2000年4月，Intellon公司基于OFDM的PLC研究取得突破性进展，它的组网试验的数据传输速率可达14Mbps（频带：4．3MHz～20．9MHz，84路载波）。研究OFDM的重点主要是如何分配子信道的数目和如何保持子载波间的正交性。保持子载波间的正交性对OFDM性能至关重要，因此在接收机中同步问题尤为重要。
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低压电力线载波通信系统 1.2 课题任务
本课题研制一个低压电力线载波通信系统。要求：通信速率不低于400kBPS,主要应用于固定小区范围内的数字通信。可实现居民小区楼宇间的自动照明控制、防盗防火报警、自动抄表以及数据监控等功能；载波功率30MHz；调制方式选用NBFM或扩频；传输距离不小于1Km；分析低压电力线载波信号的衰减特性、干扰特性和输入阻抗特性；设计一套简单实用的方案。
第2章 低压电力线信道特性
低压电力线并不是专门用来传输通信数据的，它的拓扑结构和物理特性都与传统的通信传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤等）不同。它在传输通信信号时信道特性相当复杂，又有自己的特点，负载多，噪声干扰强，信道衰减大，信道延时，通信环境相当恶劣。因此必须对它的信道特性进行分析，并据此提出解决方案，以实现高品质的通信数据传输。
2.1 阻抗特性分析
输入阻抗是表征低压电力线的重要参数。研究输入阻抗，对于提高发送机的效率、增强网络的输入功率有重大意义。在理想情况下，没有负载时电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电容和分布电感的影响，输入阻抗随着频率的增大而减小。当电力线上有负载时，所以频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型不同不同类型的阻抗变化不同，所以实际情况非常复杂。因此实际情况下阻抗变化并不符合通常认为的随频率的增高而减小的规律，又是甚至与之相反，这是因为电力线上连接有各种复杂的负载，这些负载与电力线本身组成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成的低阻抗区。造成阻抗低谷区的谐振一般由容性负载引起。同时由于负载会在电力线上随机的接上或断开，所以在不同时间电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变，通常白天的阻抗较低，夜晚的阻抗较高。同样，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。配电变压器的二次侧的低压电力线上连接的负载多种多样，主要包括电阻性（R）、电容性（C）、电感性（L）三类负载。根据负载的随机接入和撤出，R、L、C的瞬时相对份额
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