低壓電力線雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)
出處：awey 發(fā)布于：2007-10-08 09:34:30
摘 要：由于低壓電力線的信道特性異常惡劣，為了利用低壓電力線實(shí)現(xiàn)可靠通信，把數(shù)字載波調(diào)制與擴(kuò)譜技術(shù)等現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用于低壓電力線通信，提出了數(shù)字載波調(diào)制與直序列擴(kuò)譜(DS)相結(jié)合的低壓電力線通信模式，建立了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)模型；基于該模型，研制了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信電路系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)不僅滿足了電力線通信信道有效帶寬窄的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較好的頻譜利用率，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，該低壓電力線擴(kuò)譜通信系統(tǒng)能較好地抑制低壓電力線通信信道的干擾，提高了通信的可靠性，可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：低壓電力線通信；數(shù)字載波調(diào)制；擴(kuò)譜通信；頻移鍵控
關(guān)鍵詞：低壓電力線通信；數(shù)字載波調(diào)制；擴(kuò)譜通信；頻移鍵控
一、引言
低壓電力線傳送著50 Hz/220 V的電能，早已遍布城鄉(xiāng)。低壓電力網(wǎng)是目前分布廣、用戶量的電力有線局域網(wǎng)。如何在不影響電力傳輸同時(shí)，又能傳輸通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)能/信復(fù)用，充分利用電力線這一潛存的信道資源，一直是電力技術(shù)領(lǐng)域和通信技術(shù)領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。由于低壓電力線上50 Hz的諧波、各種電力負(fù)載的加卸以及各種用電器工作時(shí)的電磁輻射，都將給低壓電力線帶來嚴(yán)重干擾，致使低壓電力線的信道特性異常惡劣［1］。
分析和實(shí)測結(jié)果表明［1，2］：電力線的阻抗特性、衰減特性和噪聲干擾都是非常復(fù)雜多變的。要利用電力線進(jìn)行較為理想的通信，即達(dá)到專線通信的標(biāo)準(zhǔn)，必須從多方面考慮，選擇一種通信方案：(1)要有較高的頻譜利用率，這樣才能適應(yīng)電力線信道有效帶寬窄的特點(diǎn)；(2)要有好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失；(3)載波頻率的選取，盡可能使電力線呈現(xiàn)較高的輸入阻抗，以減小對(duì)載波信號(hào)的衰減；(4)有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。因此，這孕育著一種嶄新載波通信技術(shù)的誕生。目前，筆者采用數(shù)字載波調(diào)制(Digital Carrier Modulation)與直序列擴(kuò)譜(Direct Sequence Spread Spectrum)相結(jié)合的低壓電力線通信模式，已收到很好的通信效果。
二、低壓電力線擴(kuò)譜通信系統(tǒng)模型
MSK(頻移鍵控)技術(shù)具有信號(hào)相位連續(xù)、頻帶利用率高、信號(hào)包絡(luò)為恒定等優(yōu)越性［3］，采用這種技術(shù)可以較好地克服電力線信道傳輸帶寬窄、信道衰減具有一定的隨機(jī)性等不良信道特性。擴(kuò)頻技術(shù)是已廣泛應(yīng)用、較為成熟的抗干擾技術(shù)，它采用高速率的擴(kuò)譜碼對(duì)原始數(shù)據(jù)或已調(diào)載波進(jìn)行二次調(diào)制，大大擴(kuò)展了原信號(hào)的頻譜，具有很強(qiáng)的抗干擾能力［4］，特別是對(duì)于電力線中存在的頻率選擇性衰落以及單頻連續(xù)波干擾和突發(fā)脈沖干擾。因此，筆者將以上兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于低壓電力線通信，較好地實(shí)現(xiàn)了電力線復(fù)雜信道情況下高速、可靠、安全地傳輸各類數(shù)字信息。
基于數(shù)字載波調(diào)制(采用頻移鍵控即MSK)與雙路直序列擴(kuò)譜(DS)相結(jié)合的通信模式，構(gòu)建了如圖1所示的低壓電力線雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及低壓電力線信道三大部分組成。發(fā)射機(jī)部分主要包括：原始信息(信源)、信源編譯碼、信道編譯碼(差錯(cuò)控制)、載波調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制、上行耦合等單元電路。接收機(jī)主要包括：下行耦合、解擴(kuò)、載波解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼、信息等部分組成。
低壓電力線傳送著50 Hz/220 V的電能，早已遍布城鄉(xiāng)。低壓電力網(wǎng)是目前分布廣、用戶量的電力有線局域網(wǎng)。如何在不影響電力傳輸同時(shí)，又能傳輸通信信號(hào)，實(shí)現(xiàn)能/信復(fù)用，充分利用電力線這一潛存的信道資源，一直是電力技術(shù)領(lǐng)域和通信技術(shù)領(lǐng)域共同關(guān)注的熱點(diǎn)問題。由于低壓電力線上50 Hz的諧波、各種電力負(fù)載的加卸以及各種用電器工作時(shí)的電磁輻射，都將給低壓電力線帶來嚴(yán)重干擾，致使低壓電力線的信道特性異常惡劣［1］。
分析和實(shí)測結(jié)果表明［1，2］：電力線的阻抗特性、衰減特性和噪聲干擾都是非常復(fù)雜多變的。要利用電力線進(jìn)行較為理想的通信，即達(dá)到專線通信的標(biāo)準(zhǔn)，必須從多方面考慮，選擇一種通信方案：(1)要有較高的頻譜利用率，這樣才能適應(yīng)電力線信道有效帶寬窄的特點(diǎn)；(2)要有好的功率利用率，能把功率集中在有效的頻帶中，降低功率損失；(3)載波頻率的選取，盡可能使電力線呈現(xiàn)較高的輸入阻抗，以減小對(duì)載波信號(hào)的衰減；(4)有很強(qiáng)的噪聲抑制能力，并能在信噪比很低的情況下正常工作。因此，這孕育著一種嶄新載波通信技術(shù)的誕生。目前，筆者采用數(shù)字載波調(diào)制(Digital Carrier Modulation)與直序列擴(kuò)譜(Direct Sequence Spread Spectrum)相結(jié)合的低壓電力線通信模式，已收到很好的通信效果。
二、低壓電力線擴(kuò)譜通信系統(tǒng)模型
MSK(頻移鍵控)技術(shù)具有信號(hào)相位連續(xù)、頻帶利用率高、信號(hào)包絡(luò)為恒定等優(yōu)越性［3］，采用這種技術(shù)可以較好地克服電力線信道傳輸帶寬窄、信道衰減具有一定的隨機(jī)性等不良信道特性。擴(kuò)頻技術(shù)是已廣泛應(yīng)用、較為成熟的抗干擾技術(shù)，它采用高速率的擴(kuò)譜碼對(duì)原始數(shù)據(jù)或已調(diào)載波進(jìn)行二次調(diào)制，大大擴(kuò)展了原信號(hào)的頻譜，具有很強(qiáng)的抗干擾能力［4］，特別是對(duì)于電力線中存在的頻率選擇性衰落以及單頻連續(xù)波干擾和突發(fā)脈沖干擾。因此，筆者將以上兩種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合并應(yīng)用于低壓電力線通信，較好地實(shí)現(xiàn)了電力線復(fù)雜信道情況下高速、可靠、安全地傳輸各類數(shù)字信息。
基于數(shù)字載波調(diào)制(采用頻移鍵控即MSK)與雙路直序列擴(kuò)譜(DS)相結(jié)合的通信模式，構(gòu)建了如圖1所示的低壓電力線雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)以及低壓電力線信道三大部分組成。發(fā)射機(jī)部分主要包括：原始信息(信源)、信源編譯碼、信道編譯碼(差錯(cuò)控制)、載波調(diào)制、擴(kuò)頻調(diào)制、上行耦合等單元電路。接收機(jī)主要包括：下行耦合、解擴(kuò)、載波解調(diào)、信道譯碼、信源譯碼、信息等部分組成。
信源編碼能去掉信息的冗余度，壓縮信源的數(shù)碼率，提高信道的傳輸效率。差錯(cuò)控制，目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，提高信道傳輸質(zhì)量。調(diào)制部分是為使經(jīng)信道編碼后的符號(hào)能在適當(dāng)?shù)念l段傳輸，如微波頻段、短波頻段等。擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)是為了某種目的而進(jìn)行的信號(hào)頻譜展寬和還原技術(shù)。該通信系統(tǒng)與傳統(tǒng)通信系統(tǒng)不同的是：在信道中傳輸?shù)氖且粋€(gè)寬帶的低譜密度的信號(hào)。擴(kuò)頻技術(shù)具有一些其他通信方式不可比擬的獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)(特別是抗窄帶干擾能力)；具有多址能力，易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)技術(shù)；可抗多徑干擾；可抗頻率選擇性衰落；頻譜利用率高、容量大(可有效利用糾錯(cuò)技術(shù)、正交波形編碼技術(shù)、話音激活技術(shù)等)。
1. 發(fā)射機(jī)模型
這里僅討論發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部分——數(shù)字載波調(diào)制與直序列擴(kuò)譜技術(shù)。
發(fā)射機(jī)模型如圖2所示。該系統(tǒng)采用直序列雙路擴(kuò)頻體系，數(shù)據(jù)對(duì)載波進(jìn)行二相調(diào)制，然后經(jīng)過正交分路，把信號(hào)變換為正交的并行信號(hào)。用兩路正交擴(kuò)頻碼分別擴(kuò)頻調(diào)制，兩路信號(hào)相加輸出，得到擴(kuò)譜后的MSK信號(hào)。
1. 發(fā)射機(jī)模型
這里僅討論發(fā)射機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部分——數(shù)字載波調(diào)制與直序列擴(kuò)譜技術(shù)。
發(fā)射機(jī)模型如圖2所示。該系統(tǒng)采用直序列雙路擴(kuò)頻體系，數(shù)據(jù)對(duì)載波進(jìn)行二相調(diào)制，然后經(jīng)過正交分路，把信號(hào)變換為正交的并行信號(hào)。用兩路正交擴(kuò)頻碼分別擴(kuò)頻調(diào)制，兩路信號(hào)相加輸出，得到擴(kuò)譜后的MSK信號(hào)。
發(fā)射信號(hào)可表達(dá)為
通過上述的復(fù)合調(diào)制，輸出信號(hào)既具有MSK調(diào)制信號(hào)的特征，又具有擴(kuò)譜調(diào)制信號(hào)特征。這樣，一方面信號(hào)的包絡(luò)恒定，頻譜較為集中地分布在譜零點(diǎn)范圍內(nèi)，帶外滾降快，從而提高了頻譜利用率［5］；另一方面，信號(hào)功率均勻的分布在擴(kuò)譜頻帶內(nèi)，減小了信號(hào)對(duì)電力網(wǎng)的污染，更重要的是，有效地保持了信號(hào)能量，降低了電力線信道對(duì)信號(hào)的衰減，從而提高系統(tǒng)的傳輸效率［6］。
可見，MSK與雙路直擴(kuò)的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，適應(yīng)了電力線信道的特性。
2. 接收機(jī)模型
這里僅討論接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部分直序列解擴(kuò)技術(shù)與數(shù)字載波解調(diào)［7］。
接收機(jī)模型如圖3所示。接收到的信號(hào)經(jīng)功分器分為并行的兩路信號(hào)，這兩路信號(hào)分別由相互正交的PN碼C1(t)與C2(t)進(jìn)行雙路解擴(kuò)，解擴(kuò)后便得到MSK信號(hào)，MSK信號(hào)經(jīng)解調(diào)處理即可得到原始信號(hào)。
通過上述的復(fù)合調(diào)制，輸出信號(hào)既具有MSK調(diào)制信號(hào)的特征，又具有擴(kuò)譜調(diào)制信號(hào)特征。這樣，一方面信號(hào)的包絡(luò)恒定，頻譜較為集中地分布在譜零點(diǎn)范圍內(nèi)，帶外滾降快，從而提高了頻譜利用率［5］；另一方面，信號(hào)功率均勻的分布在擴(kuò)譜頻帶內(nèi)，減小了信號(hào)對(duì)電力網(wǎng)的污染，更重要的是，有效地保持了信號(hào)能量，降低了電力線信道對(duì)信號(hào)的衰減，從而提高系統(tǒng)的傳輸效率［6］。
可見，MSK與雙路直擴(kuò)的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，適應(yīng)了電力線信道的特性。
2. 接收機(jī)模型
這里僅討論接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)部分直序列解擴(kuò)技術(shù)與數(shù)字載波解調(diào)［7］。
接收機(jī)模型如圖3所示。接收到的信號(hào)經(jīng)功分器分為并行的兩路信號(hào)，這兩路信號(hào)分別由相互正交的PN碼C1(t)與C2(t)進(jìn)行雙路解擴(kuò)，解擴(kuò)后便得到MSK信號(hào)，MSK信號(hào)經(jīng)解調(diào)處理即可得到原始信號(hào)。
設(shè)系統(tǒng)的PN碼同步，C1(t)與C2(t)正交，則：
接收到的信號(hào)通過解擴(kuò)，能量重新變得集中，而來自電力線信道的各種噪聲卻被擴(kuò)譜，使噪聲能量分散，從而提高了系統(tǒng)的信噪比。解擴(kuò)后的MSK信號(hào)經(jīng)過解調(diào)處理，很容易恢復(fù)出原始信號(hào)。這里可以用普通的BPSK非相干解調(diào)，從而節(jié)省了復(fù)雜的載波提取電路，方便電路的實(shí)現(xiàn)［８］。
三、電路實(shí)現(xiàn)與通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器、PN碼發(fā)生器、MSK調(diào)制正交基產(chǎn)生器、乘法器、包絡(luò)檢波器、積分清洗與判決器、捕獲邏輯電路、跟蹤邏輯電路、差分編解碼器、功率輸出器、上/下行耦合器等電路組成。由于篇幅所限，不便給出整機(jī)電路。下面是筆者在重慶大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)大樓所進(jìn)行的通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
該系統(tǒng)安裝在7樓的704(電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)和2樓的(原)通信與測控實(shí)驗(yàn)室,電力線通信終端距離150 m。系統(tǒng)的主要工作參數(shù)為：載波頻率fc=320 kHz，包絡(luò)頻率fd=80 kHz，數(shù)字調(diào)制頻率fm=240 kHz、fs=400 kHz，數(shù)據(jù)速率ft=2.52 kHz，擴(kuò)譜碼速率RPNQ=160 kHz，擴(kuò)譜碼長度LPNQ=27-1=127，擴(kuò)頻增益GP=127/1=127=42 dB。
利用該系統(tǒng)對(duì)“自制數(shù)據(jù)信號(hào)源”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流(┄01001101011010111110111100┄)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，重點(diǎn)監(jiān)視了“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”的吻合情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”完全吻合，取得了很好的通信效果。圖3(a)和圖3(b)分別為發(fā)送端與接收端數(shù)字示波器觀測到的各數(shù)據(jù)波形。從圖中明顯可以看出：接收數(shù)據(jù)波形與發(fā)送數(shù)據(jù)波形完全相似，只是接收數(shù)據(jù)波形的相位有所滯后，這是整個(gè)系統(tǒng)(包括電力線信道)的“時(shí)延”造成的。這里值得一提的是：數(shù)字示波器的“觸發(fā)源”設(shè)置為“外觸發(fā)”，即由系統(tǒng)的同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。
接收到的信號(hào)通過解擴(kuò)，能量重新變得集中，而來自電力線信道的各種噪聲卻被擴(kuò)譜，使噪聲能量分散，從而提高了系統(tǒng)的信噪比。解擴(kuò)后的MSK信號(hào)經(jīng)過解調(diào)處理，很容易恢復(fù)出原始信號(hào)。這里可以用普通的BPSK非相干解調(diào)，從而節(jié)省了復(fù)雜的載波提取電路，方便電路的實(shí)現(xiàn)［８］。
三、電路實(shí)現(xiàn)與通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果
該系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)時(shí)鐘發(fā)生器、PN碼發(fā)生器、MSK調(diào)制正交基產(chǎn)生器、乘法器、包絡(luò)檢波器、積分清洗與判決器、捕獲邏輯電路、跟蹤邏輯電路、差分編解碼器、功率輸出器、上/下行耦合器等電路組成。由于篇幅所限，不便給出整機(jī)電路。下面是筆者在重慶大學(xué)中心實(shí)驗(yàn)大樓所進(jìn)行的通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
該系統(tǒng)安裝在7樓的704(電路與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室)和2樓的(原)通信與測控實(shí)驗(yàn)室,電力線通信終端距離150 m。系統(tǒng)的主要工作參數(shù)為：載波頻率fc=320 kHz，包絡(luò)頻率fd=80 kHz，數(shù)字調(diào)制頻率fm=240 kHz、fs=400 kHz，數(shù)據(jù)速率ft=2.52 kHz，擴(kuò)譜碼速率RPNQ=160 kHz，擴(kuò)譜碼長度LPNQ=27-1=127，擴(kuò)頻增益GP=127/1=127=42 dB。
利用該系統(tǒng)對(duì)“自制數(shù)據(jù)信號(hào)源”產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流(┄01001101011010111110111100┄)進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，重點(diǎn)監(jiān)視了“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”的吻合情況。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”完全吻合，取得了很好的通信效果。圖3(a)和圖3(b)分別為發(fā)送端與接收端數(shù)字示波器觀測到的各數(shù)據(jù)波形。從圖中明顯可以看出：接收數(shù)據(jù)波形與發(fā)送數(shù)據(jù)波形完全相似，只是接收數(shù)據(jù)波形的相位有所滯后，這是整個(gè)系統(tǒng)(包括電力線信道)的“時(shí)延”造成的。這里值得一提的是：數(shù)字示波器的“觸發(fā)源”設(shè)置為“外觸發(fā)”，即由系統(tǒng)的同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)。
四、結(jié)束語
把數(shù)字載波調(diào)制與擴(kuò)譜技術(shù)等現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用于低壓電力線通信，提出把數(shù)字載波調(diào)制(MSK)與直序列擴(kuò)譜(DS)相結(jié)合的低壓電力線通信模式，建立了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)模型；基于該模型，研制了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)在低壓電力線上進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)，“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”完全吻合，取得了很好的通信效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足了電力線通信信道有效帶寬窄的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較好的頻譜利用率，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，該低壓電力線擴(kuò)譜通信系統(tǒng)能較好地抑制低壓電力線通信信道的干擾，提高了通信的可靠性，可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信領(lǐng)域。（仲元昌 李剛 曾孝平）
把數(shù)字載波調(diào)制與擴(kuò)譜技術(shù)等現(xiàn)代通信技術(shù)應(yīng)用于低壓電力線通信，提出把數(shù)字載波調(diào)制(MSK)與直序列擴(kuò)譜(DS)相結(jié)合的低壓電力線通信模式，建立了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信系統(tǒng)模型；基于該模型，研制了低壓電力線的MSK雙路擴(kuò)譜通信電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)在低壓電力線上進(jìn)行了通信實(shí)驗(yàn)，“發(fā)送數(shù)據(jù)”與“接收數(shù)據(jù)”完全吻合，取得了很好的通信效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足了電力線通信信道有效帶寬窄的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較好的頻譜利用率，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。因此，該低壓電力線擴(kuò)譜通信系統(tǒng)能較好地抑制低壓電力線通信信道的干擾，提高了通信的可靠性，可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信領(lǐng)域。（仲元昌 李剛 曾孝平）
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