低壓電力線雙路擴譜通信系統

2019-11-03 10:00:54

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供稿：網友

仲元昌1, 李剛2，曾孝平1

1重慶大學通信工程學院，重慶 400044

2重慶工學院計算機系，重慶 400050

　　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現可靠通信，把數字載波調制與擴譜技術等現代通信技術應用于低壓電力線通信，提出了數字載波調制與直序列擴譜(DS)相結合的低壓電力線通信模式，建立了低壓電力線的MSK雙路擴譜通信系統模型；基于該模型，研制了低壓電力線的MSK雙路擴譜通信電路系統。實驗結果表明：該系統不僅滿足了電力線通信信道有效帶寬窄的特點，實現了較好的頻譜利用率，而且具有較強的抗干擾能力。因此，該低壓電力線擴譜通信系統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，可廣泛應用于低壓電力線通信領域。

　　關鍵詞：低壓電力線通信；數字載波調制；擴譜通信；最小頻移鍵控

　　一、引言

　　低壓電力線傳送著50 Hz/220 V的電能，早已遍布城鄉。低壓電力網是目前全球分布最廣、用戶量最大的電力有線局域網。如何在不影響電力傳輸同時，又能傳輸通信信號，實現能/信復用，充分利用電力線這一潛存的信道資源，一直是電力技術領域和通信技術領域共同關注的熱點問題。由于低壓電力線上50 Hz的諧波、各種電力負載的加卸以及各種用電器工作時的電磁輻射，都將給低壓電力線帶來嚴重干擾，致使低壓電力線的信道特性異常惡劣［1］。

　　分析和實測結果表明［1，2］：電力線的阻抗特性、衰減特性和噪聲干擾都是非常復雜多變的。要利用電力線進行較為理想的通信，即達到專線通信的標準，必須從多方面考慮，選擇一種最佳通信方案：(1)要有較高的頻譜利用率，這樣才能適應電力線信道有效帶寬窄的特點；(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較高的輸入阻抗，以減小對載波信號的衰減；(4)有很強的噪聲抑制能力，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的誕生。目前，筆者采用數字載波調制(Digital Carrier Modulation)與直序列擴譜(Direct Sequence SPRead Spectrum)相結合的低壓電力線通信模式，已收到很好的通信效果。

　　二、低壓電力線擴譜通信系統模型

　　MSK(最小頻移鍵控)技術具有信號相位連續、頻帶利用率高、信號包絡為恒定等優越性［3］，采用這種技術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性等不良信道特性。擴頻技術是已廣泛應用、較為成熟的抗干擾技術，它采用高速率的擴譜碼對原始數據或已調載波進行二次調制，大大擴展了原信號的頻譜，具有很強的抗干擾能力［4］，特別是對于電力線中存在的頻率選擇性衰落以及單頻連續波干擾和突發脈沖干擾。因此，筆者將以上兩種技術的有機結合并應用于低壓電力線通信，較好地實現了電力線復雜信道情況下高速、可靠、安全地傳輸各類數字信息。

　　基于數字載波調制(采用最小頻移鍵控即MSK)與雙路直序列擴譜(DS)相結合的通信模式，構建了如圖1所示的低壓電力線雙路擴譜通信系統。該系統主要由發射機、接收機以及低壓電力線信道三大部分組成。發射機部分主要包括：原始信息(信源)、信源編譯碼、信道編譯碼(差錯控制)、載波調制、擴頻調制、上行耦合等單元電路。接收機主要包括：下行耦合、解擴、載波解調、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，壓縮信源的數碼率，提高信道的傳輸效率。差錯控制，目的是增加信息在信道傳輸中的冗余度，使其具有檢錯或糾錯能力，提高信道傳輸質量。調制部分是為使經信道編碼后的符號能在適當的頻段傳輸，如微波頻段、短波頻段等。擴頻調制和解擴是為了某種目的而進行的信號頻譜展寬和還原技術。該通信系統與傳統通信系統不同的是：在信道中傳輸的是一個寬帶的低譜密度的信號。擴頻技術具有一些其他通信方式不可比擬的獨特的優點：抗干擾能力強(特別是抗窄帶干擾能力)；具有多址能力，易于實現碼分多址(CDMA)技術；可抗多徑干擾；可抗頻率選擇性衰落；頻譜利用率高、容量大(可有效利用糾錯技術、正交波形編碼技術、話音激活技術等)。

　　1. 發射機模型

　　這里僅討論發射機的關鍵技術部分——數字載波調制與直序列擴譜技術。 發射機模型如圖2所示。該系統采用直序列雙路擴頻體系，數據對載波進行二相調制，然后經過正交分路，把信號變換為正交的并行信號。用兩路正交擴頻碼分別擴頻調制，最后兩路信號相加輸出，得到擴譜后的MSK信號。

　　發射信號可表達為

　　通過上述的復合調制，輸出信號既具有MSK調制信號的特征，又具有擴譜調制信號特征。這樣，一方面信號的包絡恒定，頻譜較為集中地分布在譜零點范圍內，帶外滾降快，從而提高了頻譜利用率［5］；另一方面，信號功率均勻的分布在擴譜頻帶內，減小了信號對電力網的污染，更重要的是，有效地保持了信號能量，降低了電力線信道對信號的衰減，從而提高系統的傳輸效率［6］。

　　可見，MSK與雙路直擴的復合調制技術，適應了電力線信道的特性。

　　2. 接收機模型

　　這里僅討論接收機的關鍵技術部分直序列解擴技術與數字載波解調［7］。

　　接收機模型如圖3所示。接收到的信號經功分器分為并行的兩路信號，這兩路信號分別由相互正交的PN碼C1(t)與C2(t)進行雙路解擴，解擴后便得到MSK信號，MSK信號經解調處理即可得到原始信號。

　　設系統的PN碼同步，C1(t)與C2(t)正交，則：

　　接收到的信號通過解擴，能量重新變得集中，而來自電力線信道的各種噪聲卻被擴譜，使噪聲能量分散，從而提高了系統的信噪比。解擴后的MSK信號經過解調處理，很容易恢復出原始信號。這里可以用普通的BPSK非相干解調，從而節省了復雜的載波提取電路，方便電路的實現［８］。

　　三、電路實現與通信實驗結果

　　該系統主要由基準時鐘發生器、PN碼發生器、MSK調制正交基產生器、乘法器、包絡檢波器、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，不便給出整機電路。下面是筆者在重慶大學中心實驗大樓所進行的通信實驗結果。

　　該系統安裝在7樓的704(電路與系統實驗室)和2樓的(原)通信與測控實驗室,電力線通信終端距離150　m。系統的主要工作參數為：載波頻率fc=320 kHz，包絡頻率fd=80 kHz，數字調制頻率fm=240 kHz、fs=400 kHz，數據速率ft=2.52 kHz，擴譜碼速率RPNQ=160 kHz，擴譜碼長度LPNQ=27-1=127，擴頻增益GP=127/1=127=42 dB。

　　利用該系統對“自制數據信號源”產生的數據流(┄01001101011010111110111100┄)進行通信實驗。在實驗過程中，重點監視了“發送數據”與“接收數據”的吻合情況。實驗發現：“發送數據”與“接收數據”完全吻合，取得了很好的通信效果。圖3(a)和圖3(b)分別為發送端與接收端數字示波器觀測到的各數據波形。從圖中明顯可以看出：接收數據波形與發送數據波形完全相似，只是接收數據波形的相位有所滯后，這是整個系統(包括電力線信道)的“時延”造成的。這里值得一提的是：數字示波器的“觸發源”設置為“外觸發”，即由系統的同步信號實現同步觸發。

　　四、結束語

　　把數字載波調制與擴譜技術等現代通信技術應用于低壓電力線通信，提出把數字載波調制(MSK)與直序列擴譜(DS)相結合的低壓電力線通信模式，建立了低壓電力線的MSK雙路擴譜通信系統模型；基于該模型，研制了低壓電力線的MSK雙路擴譜通信電路系統。該系統在低壓電力線上進行了通信實驗，“發送數據”與“接收數據”完全吻合，取得了很好的通信效果。實驗結果表明：該系統滿足了電力線通信信道有效帶寬窄的特點，實現了較好的頻譜利用率，具有較強的抗干擾能力。因此，該低壓電力線擴譜通信系統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，可廣泛應用于低壓電力線通信領域。

　　參考文獻

　　［1］Manfred Zimmermann， Klaus Dostert. Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broad-Band Powerline Communications［J].IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGETIC COMPATIBLITY, 2002，44(1)：249～258.

　　［2］Charles J Kim，Mohamed F Chouikha. Attenuation Characteristics of High Rate Home-Networking PLC Signals［J］.IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2002，17(4)： 945～950.

　　［3］Manfred Zimmermann， Klaus Dostert. A Multipath Model for the Powerline Channel［J］. IEEE TRANSACTIONS ON COMMUNICATIONS, 2002，50(4)： 553～559.

　　［4］J　Michael Silva， Bruce Whitney. Evaluation of the Potential for PLC to Interfere With Use of the Nationwide Differential GPS Network［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2002，17(2)： 348～352.

　　［5］David Cooper， Tony Jeans. Narrowband, Low Data Rate Communications on the Low-Voltage Mains in the CENELEC Frequencies-Part I: Noise and Attenuation ［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2002，17(3)：718～723.

　　［6］David Cooper， Tony Jeans. Narrowband, Low Data Rate Communications on the Low-Voltage Mains in the CENELEC Frequencies-Part II: Multiplicative Signal Fading and Efficient Modulation Schemes［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2002，17(3)：724～729.

　　［7］Z A Bukhala, M T Glinkoswki, J K Nelson, et al. Forte. Radio frequency signal transmission on medium voltage power distribution lines ［J］. IEEE Trans. Power Delivery, 1999，14(1)：46～51.

　　［8］Tian Yew Lim， Tat-Wai Chan. Experimenting Remote Kilowatthour Meter Reading Through Low-Voltage Power Lines at Dense Housing Estates［J］. IEEE TRANSACTIONS ON POWER DELIVERY, 2002，17(3)：708～711.

　　
摘自《電訊技術》

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