低压电力线双路扩谱通信系统

2019-11-03 10:00:54

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供稿：网友

仲元昌1, 李刚2，曾孝平1

1重庆大学通信工程学院，重庆 400044

2重庆工学院计算机系，重庆 400050

　　摘要：由于低压电力线的信道特性异常恶劣，为了利用低压电力线实现可靠通信，把数字载波调制与扩谱技术等现代通信技术应用于低压电力线通信，提出了数字载波调制与直序列扩谱(DS)相结合的低压电力线通信模式，建立了低压电力线的MSK双路扩谱通信系统模型；基于该模型，研制了低压电力线的MSK双路扩谱通信电路系统。实验结果表明：该系统不仅满足了电力线通信信道有效带宽窄的特点，实现了较好的频谱利用率，而且具有较强的抗干扰能力。因此，该低压电力线扩谱通信系统能较好地抑制低压电力线通信信道的干扰，提高了通信的可靠性，可广泛应用于低压电力线通信领域。

　　关键词：低压电力线通信；数字载波调制；扩谱通信；最小频移键控

　　一、引言

　　低压电力线传送着50 Hz/220 V的电能，早已遍布城乡。低压电力网是目前全球分布最广、用户量最大的电力有线局域网。如何在不影响电力传输同时，又能传输通信信号，实现能/信复用，充分利用电力线这一潜存的信道资源，一直是电力技术领域和通信技术领域共同关注的热点问题。由于低压电力线上50 Hz的谐波、各种电力负载的加卸以及各种用电器工作时的电磁辐射，都将给低压电力线带来严重干扰，致使低压电力线的信道特性异常恶劣［1］。

　　分析和实测结果表明［1，2］：电力线的阻抗特性、衰减特性和噪声干扰都是非常复杂多变的。要利用电力线进行较为理想的通信，即达到专线通信的标准，必须从多方面考虑，选择一种最佳通信方案：(1)要有较高的频谱利用率，这样才能适应电力线信道有效带宽窄的特点；(2)要有好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带中，降低功率损失；(3)载波频率的选取，尽可能使电力线呈现较高的输入阻抗，以减小对载波信号的衰减；(4)有很强的噪声抑制能力，并能在信噪比很低的情况下正常工作。因此，这孕育着一种崭新载波通信技术的诞生。目前，笔者采用数字载波调制(Digital Carrier Modulation)与直序列扩谱(Direct Sequence SPRead Spectrum)相结合的低压电力线通信模式，已收到很好的通信效果。

　　二、低压电力线扩谱通信系统模型

　　MSK(最小频移键控)技术具有信号相位连续、频带利用率高、信号包络为恒定等优越性［3］，采用这种技术可以较好地克服电力线信道传输带宽窄、信道衰减具有一定的随机性等不良信道特性。扩频技术是已广泛应用、较为成熟的抗干扰技术，它采用高速率的扩谱码对原始数据或已调载波进行二次调制，大大扩展了原信号的频谱，具有很强的抗干扰能力［4］，特别是对于电力线中存在的频率选择性衰落以及单频连续波干扰和突发脉冲干扰。因此，笔者将以上两种技术的有机结合并应用于低压电力线通信，较好地实现了电力线复杂信道情况下高速、可靠、安全地传输各类数字信息。

　　基于数字载波调制(采用最小频移键控即MSK)与双路直序列扩谱(DS)相结合的通信模式，构建了如图1所示的低压电力线双路扩谱通信系统。该系统主要由发射机、接收机以及低压电力线信道三大部分组成。发射机部分主要包括：原始信息(信源)、信源编译码、信道编译码(差错控制)、载波调制、扩频调制、上行耦合等单元电路。接收机主要包括：下行耦合、解扩、载波解调、信道译码、信源译码、信息等部分组成。

　　信源编码能去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制，目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段、短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。该通信系统与传统通信系统不同的是：在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。扩频技术具有一些其他通信方式不可比拟的独特的优点：抗干扰能力强(特别是抗窄带干扰能力)；具有多址能力，易于实现码分多址(CDMA)技术；可抗多径干扰；可抗频率选择性衰落；频谱利用率高、容量大(可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音激活技术等)。

　　1. 发射机模型

　　这里仅讨论发射机的关键技术部分——数字载波调制与直序列扩谱技术。 发射机模型如图2所示。该系统采用直序列双路扩频体系，数据对载波进行二相调制，然后经过正交分路，把信号变换为正交的并行信号。用两路正交扩频码分别扩频调制，最后两路信号相加输出，得到扩谱后的MSK信号。

　　发射信号可表达为

　　通过上述的复合调制，输出信号既具有MSK调制信号的特征，又具有扩谱调制信号特征。这样，一方面信号的包络恒定，频谱较为集中地分布在谱零点范围内，带外滚降快，从而提高了频谱利用率［5］；另一方面，信号功率均匀的分布在扩谱频带内，减小了信号对电力网的污染，更重要的是，有效地保持了信号能量，降低了电力线信道对信号的衰减，从而提高系统的传输效率［6］。

　　可见，MSK与双路直扩的复合调制技术，适应了电力线信道的特性。

　　2. 接收机模型

　　这里仅讨论接收机的关键技术部分直序列解扩技术与数字载波解调［7］。

　　接收机模型如图3所示。接收到的信号经功分器分为并行的两路信号，这两路信号分别由相互正交的PN码C1(t)与C2(t)进行双路解扩，解扩后便得到MSK信号，MSK信号经解调处理即可得到原始信号。

　　设系统的PN码同步，C1(t)与C2(t)正交，则：

　　接收到的信号通过解扩，能量重新变得集中，而来自电力线信道的各种噪声却被扩谱，使噪声能量分散，从而提高了系统的信噪比。解扩后的MSK信号经过解调处理，很容易恢复出原始信号。这里可以用普通的BPSK非相干解调，从而节省了复杂的载波提取电路，方便电路的实现［８］。

　　三、电路实现与通信实验结果

　　该系统主要由基准时钟发生器、PN码发生器、MSK调制正交基产生器、乘法器、包络检波器、积分清洗与判决器、捕获逻辑电路、跟踪逻辑电路、差分编解码器、功率输出器、上/下行耦合器等电路组成。由于篇幅所限，不便给出整机电路。下面是笔者在重庆大学中心实验大楼所进行的通信实验结果。

　　该系统安装在7楼的704(电路与系统实验室)和2楼的(原)通信与测控实验室,电力线通信终端距离150　m。系统的主要工作参数为：载波频率fc=320 kHz，包络频率fd=80 kHz，数字调制频率fm=240 kHz、fs=400 kHz，数据速率ft=2.52 kHz，扩谱码速率RPNQ=160 kHz，扩谱码长度LPNQ=27-1=127，扩频增益GP=127/1=127=42 dB。

　　利用该系统对“自制数据信号源”产生的数据流(┄01001101011010111110111100┄)进行通信实验。在实验过程中，重点监视了“发送数据”与“接收数据”的吻合情况。实验发现：“发送数据”与“接收数据”完全吻合，取得了很好的通信效果。图3(a)和图3(b)分别为发送端与接收端数字示波器观测到的各数据波形。从图中明显可以看出：接收数据波形与发送数据波形完全相似，只是接收数据波形的相位有所滞后，这是整个系统(包括电力线信道)的“时延”造成的。这里值得一提的是：数字示波器的“触发源”设置为“外触发”，即由系统的同步信号实现同步触发。

　　四、结束语

　　把数字载波调制与扩谱技术等现代通信技术应用于低压电力线通信，提出把数字载波调制(MSK)与直序列扩谱(DS)相结合的低压电力线通信模式，建立了低压电力线的MSK双路扩谱通信系统模型；基于该模型，研制了低压电力线的MSK双路扩谱通信电路系统。该系统在低压电力线上进行了通信实验，“发送数据”与“接收数据”完全吻合，取得了很好的通信效果。实验结果表明：该系统满足了电力线通信信道有效带宽窄的特点，实现了较好的频谱利用率，具有较强的抗干扰能力。因此，该低压电力线扩谱通信系统能较好地抑制低压电力线通信信道的干扰，提高了通信的可靠性，可广泛应用于低压电力线通信领域。

　　参考文献

　　［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《电讯技术》

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