基于低压电力线通信的远程监控系统.pdf

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1、华中科技大学硕士学位论文基于低压电力线通信的远程监控系统姓名：郑秀波申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：程时杰;文劲宇20080604华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I摘摘 要要 近年来，通过配电网实现通信，又称低压电力线载波通信（PLC）越来越引起人们的广泛关注。电力线载波通信的许多优点为电力市场以及相关业务的发展提供了广阔的应用前景。特别是，这种通信方式可以利用现有的深入到千家万户的供电网络，而成为一种易于接入、方便使用且成本低廉的理想选择，因此，利用电力线通信技术构建针对家庭或楼宇的智能监控系统，是一种很有潜力

2、的方案。然而，电力线网络总是处于强噪声环境下工作，电力线的低通特性、频率选择性衰减、网络阻抗的不匹配、信号的反射和折射以及严重的噪声干扰导致的小信噪比（SNR）等都会给电力线通信带来困难。针对这些不利因素，本文从技术角度探讨了窄带电力线通信系统的硬件设计和软件实现。本文研究了窄带电力线通信技术在监控系统中应用的可行性。概要介绍了低压电力线通信技术的理论研究和工业应用现状。结合实测数据，分析了低压电力线信道的低输入阻抗、高噪声、强衰减特性。设计了一个基于通用芯片 ARM 和 DSP 的窄带电力线通信系统的硬件平台。在该平台的基础上，实现了基于 FSK 的调制解调算法。此外，基于 LPC2378

3、和 uC/OS-II 实时操作系统，还构建了嵌入式 Web Server，从而实现了基于电力线通信的远程监控系统。关键词：低压电力线载波通信，频移键控，嵌入式 Web Server，耦合电路 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 IIAbstract The usage of electrical power distribution networks as a media for communications,called Powerline Communications(PLC),has become more and more at

4、tractive in recent years.It has a number of advantages that attract great interest for the development of electrical market and business opportunities.The main attractive feature of this kind of media is due to its ubiquity.Indeed nowadays all urban,suburban and rural areas are fully covered by tran

5、smission and distribution electricity grid for devlivering energy services.Its ubiquity makes it an ideal media for surveillance and control applications.However,powerline communication channel is well known by experts as one of the most complex to characterize.It is often said that powerline acts a

6、s hostile environment.Besides the low pass characteristic of the channel and the frequency selective fading,the impedance mismatching,the signal reflection and the impulse noises crucially affact the Signal to Noise Ratio(SNR).From a technical approach,this thesis addresses these challenges through

7、the unique combination of narrowband PLC Modem hardware design and software implementation.In this thesis,we present the possibilities of applying PLC in the communication access networks.A concise summary of the state of the art of the theory and practice of Powerline Communication is presented.The

8、 powerline channel characteristics is analyzed based on measurement data.Some tips are given for PLC modem development to utilizing the characteristics.A hardware platform based on general purpose IC ARM and DSP is illustrated.A software impletation based on FSK(Frequency Shift Keying)is realised on

9、 the platform.Furthermore,an Embeded Web Server is developed using LPC2378 and the uC/OS-II RTOS(real time operating system).Finaly,a remote surveillance and control system is constructed based on narrowband powerline communication.Keywords:Powerline Communication,FSK,Embeded Web Server,Coupling Cir

10、cuit 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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：日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书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、使用学位论文的规定，即：学校有权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。本人授权华中科技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

11、，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，在_年解密后适用本授权书。本论文属于 不保密。（请在以上方框内打“”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期:年 月 日 日期:年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 绪论绪论 1.1 引言引言 电力线通信，简称 PLC（Power Line Communications），是指利用中、低压电力线作为通信介质，实现数据、语音和图像等综合业务传输的通信技术1，2。相比各种有线通信技术，它具有无需重新布线（No New Wire3）的优点，不仅可以节约资源，安装使

12、用方便，而且不影响建筑物的美观；相比各种近距离无线通信技术，比如蓝牙、ZigBee 等，它又有不受建筑物阻隔，易于组网的优点。正是这些优点，使它具有广阔的应用领域。电力线通信技术分为窄带电力线通信（Narrowband over Power Line，NPL）和宽带电力线通信（Broadband over Power Line，BPL）。其中，窄带电力线通信是指带宽限定在 3k500kHz、通信速率小于 1Mbit/s 的电力线载波通信技术，多采用普通的 PSK技术、DSSS 技术和线性调频 Chirp 等技术；宽带电力线通信技术指带宽限定在1.630MHz 之间、通信速率通常在 1Mbps

13、以上的电力线载波通信技术，采用以 OFDM为核心的多种扩频通信技术。就应用而言，按照 HomePlug 的分类4，可以分为影音传输（HomePlug AV）、宽带连接(HomePlug BPL)和命令与控制（HomePlug Command&Control）三个方面。其中 HomePlug AV 主要是指面向音频、视频传输的应用，如高清数字电视、视频监控等；HomePlug BPL 主要是指面向宽带网络连接的应用，如解决最后一公里问题的宽带上网和室内的网络共享；HomePlug Command&Control 主要是指窄带电力线通信的应用，主要用于载波抄表、需求侧响应、安防以及监控系统。电力线

14、通信技术广阔的应用领域，使其发展前景被广泛看好，因此使其受到了政府、金融界、工业界、学术界广泛的关注。美、德、法、日等发达国家政府顺应信息化发展的要求，已经逐渐放开对宽频带电力线通信的严格管制，开始大力发展电力线通信技术5。高盛、Google、微软等一些世界级的风险投资公司，密切关注电力线通信技术的发展，对一些有潜力的公司进行了投资。以美国的 Intellon、以色列的 Yitran公司为代表一批专注电力线通信的半导体设计公司逐步发展起来，推出了一系列高质华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2量的电力线通信芯片。以美国 Current

15、公司、中国的上海索博代表的一批专注电力线通信技术系统集成的一些公司也发展迅猛，取得了不菲的业绩。一批国际性的组织，如 HomePlug 联盟、UPA 等，也相继成立以推进电力线通信的技术的标准化与产业化。国内的国电通信公司、南瑞、TCL、海尔和华为等知名企业对电力线通信技术保持着密切的关注，其中一些企业也加入 HomePlug 等组织。电力线通信技术虽然有着诸多优点，但是电力线信道的恶劣的特性也为实现可靠通信制造了巨大的障碍。为了促进电力线通信技术的进步，从 1997 年开始，学术界每年举行电力线通信技术与应用研讨会（IEEE International Symposium on Power

16、Line Communications(ISPLC)and Its Applications），就电力线通信技术的各个方面的问题进行学术交流。最近的一次会议是 2008 年 4 月份于韩国举行。此外，从上世纪开始的世界范围内的电力体制改革也是推动电力线通信技术发展的一个重要因素6。自上世纪 70 年代末期由美国佛罗里达电力联合集团（FCG）建立和完善电力经济人系统，形成电力市场以来，世界各国纷纷对本国电力工业进行了大规模的体制改造，引入竞争机制，开发电力市场，将传统的自上而下的垂直型垄断管理模式转变为公正、平等的电力自由贸易模式。随着电力市场的建立，电力用方和电力供方将处于一种平等的双向交流的

17、地位，信息交换频繁，信息量大，这就需要完备的双向网络通信。如果能从技术上克服在电力线上进行通信的障碍，低压电力线作为一种业已存在的传输媒介，将是电力公司和用户之间进行双向通信的不二选择。很多知名电力公司，如美国的 PJM、意大利的 Enel 等，都在积极开展电力线通信技术的应用研究。据 PJM 估计，开展需求侧响应，每周至少可节省 6500 万美元的能源消耗。中国的国家电网公司高度重视 PLC 技术的发展，从 2001 年起专门成立了 PLC 领导小组，下设 PLC 技术推进办公室，统一组织、协调和部署全国电力系统范围内的技术研发和应用试验。通过考察国外 PLC 技术的应用情况，确立了在中国开

18、展 PLC 技术推进的战略计划，责成中电飞华通信股份有限公司实施 PLC 宽带接入运营试验，北京意科通信技术有限责任公司进行 PLC 相关产品的研发和制造。在国家电网公司的大力支持下，PLC 推进工作取得了阶段性成果。自 2001 年起，中电飞华公司针对我国配电线路的实际情况，在北京的居民小区、学校、宾馆等开展华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3了不同规模的组网试验和商业化试运营，目前已建立了完备的网络管理平台和服务支撑体系。截止到 2005 年 7 月，在北京地区，PLC 网络覆盖小区 550 个，接入用户 4.5万户，覆盖用户近

19、50 万户，取得了大量的实际运营经验。意科通信公司也相继研发出中、低压，宽、窄带系列产品，并已开始着手芯片的研发工作。本课题旨在这一大背景下，进行相关的应用研究，以促进和推动基于低压电力线的载波通信事业的发展，适应信息社会和数字化家庭发展的需要。1.2 低压电力线载波通信的研究概况低压电力线载波通信的研究概况 尽管低压电力线载波通信具有极其诱人的优越性和广阔的应用前景，但由于低压配电网具有不同于通信网络的特点，在这种网络上实现可靠、安全的数据传输是相当困难的。世界各国已在这方面进行了大量的研究，目前，研究的重点主要集中在编码和调制技术、电磁兼容问题、组网技术、信道特性及应用以及调制解调器设计等

20、方面。在工程应用方面，低压电力线载波通信在美、德、英、日等国家已取得了突破性的进展。最早提出低压电力线载波通信概念并进行可行性研究的是英国曼彻斯特的一家地区性供电公司 NORWEB7。文献8报导，NORWEB 公司在世界上首次成功实现配电网上的 25 个终端用户的电话与数据通信试验后（19921993），已开发出在 2MHz带宽内数据传送速率为 1Mbps 的系统。1993 年，英国 SWEB 公司成功地在一地区性有限遥测系统（RMS）中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信，将已有的水、电表计与电能表计连接起来，能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。文献9，10报道，美国 AN 公司于

21、 1996 年推出了 100kbps 的电力线调制解调器芯片；文献11报道，ABB 公司已成功开发出基于跳频方式的低压电力载波通信系统 DartNet(1999)，其信号传输速率为 1.2kbps。1999 年 3 月 11 日，德国 RWE 能源股份有限公司和瑞士Ascom 公司向公众展示了利用公用电网传输电话和数据的技术，使用户可通过低压电网，以高于当时 ISDN 技术 20 倍速度在因特网上浏览、传送数据。目前，美国的 Intellon 公司一直是高速电力线载波通信技术的领导者。该公司于2006 年初推出了符合 HomePlug AV 标准的 INT6000 芯片，其最大数据传输速度为2

22、00Mbps。2006 年 12 月 20 日，该公司获得新一轮 1800 万美元融资。在系统集成方华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4面，西门子公司于 2007 年 9 月 6 日宣布，该公司开发了用于室内家电互联的高速电力线通信系统，可以同时传输两路高清数字电视。松下集团于 2008 年 3 月 30 号发布了世界最小的电力线通信适配器 BL-PA300，它使用 HD-PLCHigh Definition Power Line Communication通信方式，带宽为 2-28MHz，最大通信速度理论值为 210Mbps，UDP

23、 通信为 90Mbps，TCP 通信为 65Mbps。美国的 3One 公司和国内的福建省亿力电力网络信息设备有限公司联合在安徽省电网公司建立基于电力线通信技术的试验网络，该系统采用 Intellon AV 宽带和 SSP 窄带技术，实现了“智能电网”（smart grid)的应用，集数据采集、视频监控、网络接入和自动抄表等功能于一体。与上述公司不同，国内外也有一批芯片设计厂商专注于高速可靠的窄带电力线通信产品的开发。国内的有北京福星晓程、深圳力合微电子公司，国外以色列的 Yitran、荷兰的 ATS 电力线通信有限公司。其中 Yitran 公司的 IT800D 窄带电力线通信芯片，采用差分码

24、移键控(DCSK)扩频调制技术，最高通信速率可达 7.5kbps。由于其性能卓越，兼容性好，被 HomePlug 选为 HomePlug Command&Control 标准的基准。上海索博智能电子有限公司采用荷兰 ATS 公司的芯片，专注于电力线通信技术在智能家居系统中的应用，取得了不菲的成绩。已有文献资料表明，电力线通信技术已经逐渐进入实用化阶段。本课题正是在这种背景下，对低压电力线通信技术进行应用研究，设计了一个基于窄带电力线通信技术的智能监控系统。1.3 论文的主要工作及章节安排论文的主要工作及章节安排 本文在全面系统地总结国内外低压电力线载波通信研究现状的基础上，对低压电力线通信技术

25、进行了应用研究。主要工作如下：1、全面、系统地综述了低压电力线载波通信的研究现状，应用前景。2、在实验研究的基础上，总结出了低压电力线载波通信的基本特点，为低压电力线载波通信的研究提供了基础。3、设计了窄带低压电力线通信系统的硬件方案，详细介绍该方案的设计方法，并对方案中各模块进行了仿真分析和实际测试。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 54、在上述硬件平台的基础上，实现了基于 FSK 的调制解调算法。5、基于 LPC2378 和 uC/OS-II 实时操作系统，构建了嵌入式 Web Server，从而实现了一个基于电力线通信的远程监控

26、系统。全文的章节安排如下：第1章简要介绍了低压电力线载波通信研究的意义，国内外研究现状及应用前景，同时，简要叙述了本论文的主要研究工作和全文的章节安排。第 2 章基于实际测量数据，从输入阻抗、强噪声和衰减特性三个方面研究了低压电力线信道的基本特点，并提出了克服恶劣信道特性的一些方法。在对电力线信道特性进行分析的基础上，介绍了低压电力线载波通信的基本理论，包括窄带通信技术、扩频通信原理和 OFDM 技术。第 3 章基于通用芯片 ARM 和 DSP，设计了窄带电力线通信硬件平台，并对主要电路性能进行了数值仿真和实际测试。第 4 章在第四章所述平台的基础上，实现了基于 FSK 的窄带电力线通信；并利

27、用LPC2378 的以太网接口，设计了嵌入式 Web Server，从而构建了一个基于窄带电力线通信的远程监控系统。第 5 章为全文的总结，总结了作者完成的主要工作及提出了有待进一步研究的问题。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 62 低压电力线通信信道特性及基本原理低压电力线通信信道特性及基本原理 2.1 引言引言 由绪论可知，使用低压电力线作为通信信道的需求日益突出。由于低压电力线上符合的多样性和时变性，以及复杂的网络结构，低压电力线载波通信信道表现出低阻抗、高噪声、信号衰减大和时变性等特点。因此，对于这样的信道，要保证通信可靠性和

28、提高通信速率，必须选择合适的专用通信系统。而为了选择合适的信号调制、编码、传输和解调方法，就需要对信道特性有比较详细的了解并加以利用，因此，进行信道测量，建立低压电力线通信信道模型变得尤为重要。2.2 低压配电网阻抗特性分析低压配电网阻抗特性分析 低压配电网的网络拓扑结构和特性阻抗是影响低压电力线载波通信性能的一个重要因素。由于低压配电网直接面向用户，网络的拓扑结构非常复杂，又由于线路特征阻抗不匹配，因此信号在通信网络中的反射现象是普遍存在的。在低压配电网载波通信中，当信号传输到具有不同于传输线特性阻抗的负载处和具有不同特性阻抗的传输线连接处时，信号将产生反射和折射。它们的存在会引起信号的衰减

29、和相位的变化，给接收端信号的正确检测带来困难。此外，电力线的输入阻抗的时变性是影响信号加载效率的重要因素。因此，对电压配电网的阻抗特性进行研究并加以应用，具有重要的意义。低压电力线的阻抗主要涉及三方面，一是低压电力线的输入阻抗，二是低压电力线的特性阻抗，三是低压配电网的负载阻抗。输入阻抗是指信号发送装置和信号接收装置驱动点上电力网的阻抗，它直接影响了信号耦合的效率，是低压电力线传输特性的重要参数。电力线特性阻抗即一般意义上的传输线的特性阻抗，它是影响信号反射、折射的重要参数。负载阻抗对信号的反射也有重要的影响。2.2.1 电压电力线输入阻抗特性的研究概况 早在 1973 年，J.R.Nicho

30、lson 和 J.A.Malack12就发表了他们在 20kHz 到 30kHz 范华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7围的 25 个离散频率下，对美国 36 个未滤波的 115V，一相；220V，一相；208V，三相的交流供电系统进行阻抗测量的结果，并与一个典型的 5H 阻抗平衡网络进行了对照，结果表明商业电源阻抗随频率升高有上升的趋势（平均从 2到 100左右变化）。在 150kHz 到 35kHz 频率范围内，一个 5H 的阻抗平衡网络可以很好地描述商业电力线阻抗的平均值。1976 年 J.A.Malack 和 J.R.Engs

31、trom13发表了在相同的频率范围内，对 6 个欧洲国家的 86 个低压配电网所进行的阻抗测量结果，表明欧洲各国之间商业电源的阻抗值变化不是很大，并且在 20KHz 到 30MHz 频段上，与文12中的结果相似，而在 300KHz到 30MHz 的频段上，则两者完全一致。1985 年，R.M.Vines 等人14进行了在 520KHz 频率下的低压电力线的阻抗测量，并针对决定低压配变电线路和电气符合分别进行了阻抗测量，得出了如下的结论：配变电二次侧阻抗类似一个 RL 电路阻抗，阻抗值随频率升高而增加，并有较大的相角移动；在低压配电网上发生的谐振（并联时为低频、串联时为高频）一般在 40KHz以

32、上，这使得配电网的阻抗在高频时比低频时更加不可测，这样的谐振常常是由容性负载引起的；连接房屋和配变电的线路对阻抗的影响一般比较小，但如果配变电没有扭绞在一起，可能会有比较大的影响；在各种负荷中，电阻性供热负荷在低频时会引起较大的阻抗变化，期效果是在电路回路中并入电阻和电感，感应电机负载不会改变千赫兹级频率下的阻抗，这是因为负载本身的电抗很大。所有研究表明低压配电网的输入阻抗随频率的升高而呈上升趋势，在 100KHz 以下的阻抗值一般很低，单个住户的阻抗在 995KHz 频率下已经低到 2，这就要求信号发射装置具有低输出阻抗（1）。这点将在第四章详细讨论。2.2.2 低压配电网输入阻抗特性的测量

33、及结果分析 低压配电网的输入阻抗的大小直接影响到传输信号的耦合效率。低压配电网的输入阻抗，是设计电力线通信模拟前端电路（Anolog Front End，AFE）和耦合电路的重要依据。设计图 2.1 所示的是网络输入阻抗测量电路15。信号源产生适当幅值和频率的正弦测试信号，通过隔离变压器1T（1：1）、电容1C华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8和测量电阻sR输入低压配电网络，通过测量参考电阻上的电压1V和入端电压2V，根据式（2-1），即可求得输入阻抗iZ。根据电路理论，321,VVV电压向量有图 2.2 所示关系：根据图 2.2，

34、有+=123VVV，即：cos221222123VVVVV+=。其中为输入阻抗iZ的相角。因此可得到如下两式：21iSVZRV=（2-1）22231212cos2VVVV V=（2-2）采用图2.1所示的电路，在实验室测的不同地点对配电网络的输入阻抗进行了测量，图2.3给出了在100kHz2MHz载波频率范围内低压配电网输入阻抗的几组典型 图2.1 低压配电网输入阻抗测量电路 Fig.2.1 The Measurement Circuit of the input impedance for Low Voltage Powerline C1低压配电网Low voltagePowerlineV1

35、RsV2Z1:1信号源signalgeneratorT1V32V 3V1V图2.2 321,VVV 电压相量图 Fig.2.2 The Relationship between 321,VVV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9测量结果。其中Z1，Z2，Z3分别代表在不同实验地点测量的结果。从图2.3可已看出，当载波频率低于1MHz时，输入阻抗值一般都很低（20），且输入阻抗随测试地点的不同变化不大；当频率高于1MHz时，不同测试地点的输入阻抗值变化较大，说明随着频率的增加，输入阻抗对网络拓扑结构的依赖性较大。总体看来，低压配电网的

36、输入阻抗值随载波频率的增加而增加，但都比较低（一般为几十欧姆），因此为了提高信号发送装置的效率，可以采取三种解决方案：一是选择较高的载波频率；二是通过选择合适的耦合变压器的变比，对低输入阻抗进行阻抗变换，以降低对AFE低输出阻抗的要求；三是设计或选择具有低输出阻抗的AFE电路。这点在第四章有详细的讨论。2.2.3 低压配电网的特性阻抗分析 低压配电网的特性阻抗直接决定了载波信号的衰减和在连接点上的反射和折射系数。一般来说，线路的特性阻抗可以通过测量其末端开路时的入端阻抗和末端短路时的入端阻抗来求得。具体的分析原理和计算方法可参考文献16.17。当然，对于标准的低压配电线路，也可由电工手册直接查

37、得。一般情况下，低压电力线的特性阻抗约为70欧姆到100欧姆14。为了减少信号反射，应设计电力线调制解调器的输入阻抗与电力线特性阻抗大致相等。对此，在第四章有详细的讨论。0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 01 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 01 8 0 02 0 0 00 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 Z 1 Z 2 Z 3 阻 抗 （）频 率（K H z）图2.3 低压配电网的输入阻抗特性 Fig.2.3 The Input Impedance Characteristics of the Low Voltage 华 中 科 技

38、 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 102.2.4 低压配电网的负载阻抗分析 家用电器、电灯、电热器和空调等都是低压配电网常见的负载。通常可把负载分为感性负载和阻性负载。其中阻性负载主要有电热和发光设备构成，感性负载主要由含电动机的设备构成。典型的负载阻抗在5到1000范围内14。2.3 低压配电网噪声的测量与分析低压配电网噪声的测量与分析 2.3.1 低压配电网噪声特性研究概况 早在1972年，A.A.Smith就提出了低压电力线的噪声频谱测量问题18。他给出了从美国城市商业办公大楼到乡村农场的六个地点的电力线噪声水平的测量结果，测量信号耦合到50

39、的接收装置上，测量时间是在工作日的上午8:00到下午5:00之间。从测量结果可以看出，城区办公大楼的噪声最高，乡村的噪声水平最低，两者相差30dB。并且随着频率的身高，噪声水平呈显著下降的趋势，比如，城区办公大楼的噪声功率谱密度，在10KHz时为20dB（参考值为1W/MHz），在100MHz时为-80dB，下降率为-20dB/十倍频。1988年，日本学者Tanaka在10k100MHz范围内，对日本某大学的一座六层高的大约5000m2的试验大楼的配电线上的噪声功率谱进行了测量19。结果表明，10100KHz的噪声水平较高，平均为-20-40dBm（毫瓦分贝)；同样，噪声随频率的增加而降低，频

40、率在100kHz1MHz的范围变化时，噪声功率在-40-80dBm范围内变化，衰减率达到-40dB/十倍频;当频率升高到1一100MHz时，噪声功率谱降到测量的底限-90dBm以下。冬夏两季的最大噪声水平相差3050dBm，作者认为这是因为夏天旋转机械，如电扇和空调增加了噪声功率所致。另外，对住宅区的五层公寓楼的噪声功率，进行了测量，结果是高频率范围内的噪声比科研大楼的低。已有的研究表明，低压电力线上的噪声强度在不同电网上是有区别的，并且具有时变性，文献20报道，即使在同一栋住宅公寓大楼，其平均噪声水平在24h内的变化也可高达6dB，因此，很难直接定量地表示其大小。但噪声也有一定的规律性，比如

41、，噪声随频率的增高而呈下降趋势，并且无论噪声多么复杂，它都是由各种特定性质的华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11噪声源叠加而成的。所以对噪声分类有助于对噪声特性的了解。2.3.2 低压配电网噪声分类及测量结果分析低压配电网噪声分类及测量结果分析 一般而言，可将电力线上的噪声分为如下四类：（1）具有平滑频谱的噪声 该类噪声的功率谱密度(power spectral density)相对较低，是频率的衰减函数，它主要是由线路上与电力系统频率不同步的各种负载所产生的，其功率谱密度随时间变化较慢，常常在几分钟或几小时内保持平稳变化。（2）与

42、系统频率无关的窄带噪声 这类噪声大多为窄带调制幅值的正弦干扰信号。它主要是由引入电力线的广播窄带信号引起，它在夜间有最高幅值，白天相对较低。(3)与系统频率同步的周期性脉冲噪声 这主要是由可控硅整流（SCR）引起的噪声，它每工频周期都要切换一定次数，引起在时域上的一系列噪声脉冲，或在频域上的工频的更高次谐波噪声。（4）与系统频率无关的单事件脉冲噪声 由于电网中有各种各样的开关操作，可以想象它们会在电网中产生突发噪声。测量结果显示，这周脉冲噪声的持续事件为几微妙到几毫秒，脉冲噪声的出现具有随机性，期频度平均每秒远远少于一个。以上各种噪声中，类型1在短时间内变化不大，可以看作是背景噪声，类型3和4

43、是按微秒和毫秒级单位时变的，在这样的脉冲发生时，噪声的功率谱很高，可引起数据传输中发生位和串的猝发错误。图2.4是在华中科技大学超导实验室测得的低压电力线的噪声波形。图中上方的波形是工频电压波形，下图为噪声波形。从图中可以看出，在每个半波的开始处，噪声电平较低，而在工频电压的峰值附近，噪声电平很高。所以为了通信的可靠性，可以通过对工频电压进行过零检测，在过零点附近开始发送数据。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12-20-15-10-505101520-400-2000200400Voltage/(V)-20-15-10-505101

44、520-0.4-0.200.20.4Time/(ms)Noise/(V)图2.4 低压配电网的噪声特性 Fig.2.4 The Noise Characteristics of the Low Voltage Powerline 通过对噪声进行快速傅立叶分析可知，在60KHz以上，噪声功率相对较低，可以作为选择通信频段的依据之一。2.4 低压配电网信号衰减特性低压配电网信号衰减特性 由于低压配电网结构的复杂性和负载的多样性与时变性，高频信号在低压电力线上的传输必然会有衰减，并且衰减特性难以预测，这就给低压电力线通信带来了困难。由于本文研究在低频段（500kHz以下）的电力线通信，在该频段衰减较

45、小，所以不对此进入深入分析。文献21对信号衰减问题给出详细的理论和仿真分析，有兴趣的读者可参考。华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 132.5 低压电力线通信信道模型研究低压电力线通信信道模型研究 电力线信道从不同的角度分析，可以得到不同的信道模型。大致可分为两类，即传输线模型和多径传输模型22.23。传输线模型有助于对信道特性的理解，但是由于低压配电网网络结构复杂，电力线特性不一，所以难以建立精确的模型。而多径传输模型属于统计模型，可以通过实测数据进行参数辨识，从而建立模型。在数值仿真分析中，具有一定的作用。本文设计窄带电力线通信系统

46、，信号周期长，多径效应的影响不明显，所以宜采用传输线模型进行分析。根据理论分析和实验测量，设计了调制解调器的输入阻抗，使信号反射较小。在第四章对此进行讨论。2.6 低压电力线载波通信的基本原理及发展低压电力线载波通信的基本原理及发展 由上一节的讨论可知，低压电力线信道具有时变的低输入阻抗、噪声干扰严重、信号衰减大和时变性的特点，给实现可靠通信带来很大的障碍。低压电力线通信的基本理论也在克服这些障碍的过程中逐步发展起来。随着信息技术的不断发展和人们对通信质量要求的不断提高，通信技术正朝着高速率、宽频带、大容量方向发展。通信理论已从传统的频带传输（幅移键控ASK：Amplitude-Shift K

47、eying，频移键控FSK：Frequency-Shift Keying，相移键控PSK：Phase-Shift Keying）发展到扩频通信（SSC：Spread Spectrum Communication），正交频分复用（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）以及使用高速光纤的光波分复用(WDM：Wavelength Division Multiplexing)技术等。传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，即用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上，以避开电力线的强噪声干扰。所采用的基本调制方式有幅值键

48、控（ASK），频率键控(FSK)，相位键控(PSK)。在此基础上，又派生出了差分移相键控（DPSK）、最小移频键控（MSK：Minimum Shift Keying）、四相移相键控（QPSK：Quadriphase-shift Keying）、正交幅值调制（QAM：Quadrature amplitude modulation）等。这些调制方法的最大弱点就是去噪能力不强，随着配电网华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14结构的不断复杂和人们对低压载波通信质量要求的不断提高，传统的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量通信的要求。扩

49、频通信（Spread Spectrum Communication）的真正全面研究是从上世纪50年代美国麻省理工学院成功研制的NOMAC系统（Noise Modulation and Correlation System）开始的。90年代以来，随着信息技术的不断发展，扩频技术无论在理论上还是在实际应用中都取得了长足的进展。简单地说，扩频通信是用伪随机编码（扩频序列：Spread Sequence）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理的一种信息传输方法。扩频通信的基本原理如2.5所示：香农公式)N/P(logWC+=12（其中：C为信道容量

50、，W为频带宽度，NP/为信噪比）指出，在保持信息传输速率C不变的条件下，可以用不同的频带宽度W和信噪功率比NP/来传输信息，也就是说，频带W和信噪比NP/是可以互换的。这意味着在较低信噪比的情况下，增加频带的宽度可以用相同的信息率以任意小的出错概率来传输信息，通信系统可以通过增加带宽实现降低对信噪比的要求，达到使信号的传输更加可靠的目的。这就是用扩展频谱的方法获得的好处，也是扩频通信的核心所在。扩频通信的数学模型可用图2.6表示。在理想情况下，对扩频信号的解调是)()(tStSSSISS=的过程，就是对传输信号)(tS的还原；而对噪声)(tn而言，经过扩频处理后)()(tnSStnISS=，这