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關鍵詞：電力線載波通信;電磁兼容;共模干擾;EMI濾波

中圖分類號：TN914 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-170-02

Research on EMI Filter Circuit of Power Line Carrier Communication

ZHAO Zhipeng,LUO Yinghong

(School of Electronic and Information Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou,730070,China)

Abstract：Power Line Communication(PLC) is a brand-new subject,which develops rapidly in rescent years.However,as the power line transmission without shielding,There are serious EMI and EMC problems.Based on the in-depth analysis of the main reason that the PLC system produces electromagnetic interference,this paper researches the design of the EMI filter circuit,and through experiments show that the filter circuit for inhibiting PLC EMI feasibility.

Keywords：power line carrier communication;electromagnetic compatibility;common-mode interference;EMI filter

基金項目:甘肅省自然科學基金資助項目(3zs062-b25-013)

電力線通信技術目前發展非常迅速，現在已經進入初步應用階段。PLC系統充分利用電力系統的廣泛線路資源，通過OFDM等技術可以在同一電力線不同帶寬的信道上傳輸數據。 但是由于電力線傳輸的無屏蔽性，電網的穩定性比傳統的通信網差得多，使得電力線通信線路的電磁環境極為復雜，這就給電力線通信系統提出了更高的電磁兼容要求，電磁兼容技術也成了實現電力線通信所需的關鍵技術之一。本文在深入分析了電力線通信系統產生電磁干擾的主要原因的基礎上，對EMI濾波電路進行了設計研究，并通過實驗驗證了該濾波網絡對于抑制電力線載波通信EMI的可行性。

1 電力線載波通信電磁兼容問題分析

1.1 電磁兼容分析模型

一個電子系統如果能與其他電子系統相兼容的工作，也就是不產生干擾又能忍受外界的干擾則稱為該電子系統與區環境電磁兼容。對于一般的電磁兼容問題的基本分析模型如圖1 所示。

對于PLC系統來說，干擾源要整體考慮。不僅包括PLC設備，而且要考慮當信號加到電力線上時，由于電力線是一種非屏蔽的線路，有可能作為發射天線對無線通信和廣播產生不利影響。此外還要考慮多種PLC 設備間的相互影響。PLC的耦合途徑是非常復雜的，是不同的途徑相互作用的結果。總體上分為兩種，一種是空間的輻射，對應的擾設備是無線通信和廣播信號；另一種是沿電力線的傳導騷擾，主要造成對電能質量的影響。因此PLC 系統的電磁兼容問題涉及多個PLC 系統的共存，以及與無線網絡的共存等。

圖1 電磁兼容基本分析模型

1.2 PLC系統電磁干擾產生機理

由于電力線的特性和結構是按照輸送電能的損失最小并保證安全可靠地傳輸低頻(50 Hz)電流來設計的，不具備電信網的對稱性、均勻性，因而基本上不具備通信網所必須具備的通信線路電氣特性。而PLC系統所產生的電磁干擾問題正是由于電力線的這種對地不對稱性產生的[1]。

電力線產生干擾的機理有兩種(如圖2)，一種是電力線中的信號電流Id(差模電流)回路產生的差模干擾，另一種是電力線上的共模電流IcР生的共模干擾。差模電流大小相等方向相反，因此一般近似認為由其產生的電磁場相互抵消。而共模電流的方向是一致的，其產生的電磁場相互疊加[2]，所以電力線的干擾主要來自共模干擾。

1.3 改善PLC系統電磁兼容性的主要措施

(1) 充分利用或改善PLC系統電力線的對稱性

PLC系統的輻射強度取決于PLC網絡或其電纜的對稱性。高度對稱線路的特征是異模電流與共模電流的比值很大，故輻射非常小。可以選擇對稱性好的導線，例如4芯電纜，但此法不適用于室內網絡，而且成本較高。

(2) 減小PLC系統中高頻信號的功率譜密度

減小PLC信號的功率譜密度(PSD)能降低輻射電平，但不影響總的發送功率。因此，PLC系統適宜采用寬帶調制技術，但其擴頻效率受電力線低通特性的限制。

(3) 合理選擇調制技術

OFDM是一種高效的調制技術，其基本原理是將發送的數據流分散到許多個子載波上，使各子載波的信號速率大為降低，從而提高抗多徑和抗衰落能力[3]。

(4) 合理設計EMI濾波網絡

將濾波器安裝在緊鄰變壓器和緊鄰家庭用戶的連接點上，或者直接在電力線調制解調器內部引入濾波器[4]。這樣既可以保持PLC信號的異模傳播，又可以阻止PLC信號進入輻射效率高的導線或其他附接設備。本文將主要對EMI濾波網絡進行研究設計。

圖2 電力線EMI模型

2 濾波電路設計

基于以上對于電力線通信電磁兼容性的分析，可以在電力線通信系統的收端接一個EMI濾波器，用以抑制系統所產生的共模干擾。由于兩根電力線不可能完全重合，也就是說差模電流所產生的電磁場不能完全抵消，所以在設計濾波電路時，也應考慮到差模干擾的抑制。

EMI濾波電路基本網絡結構如圖3所示。

圖3 EMI濾波電路基本結構

圖3中，差模抑制電容為C1和C2，共模抑制電容為C3和C4，共模電感為L，Р⒔共模電感纏繞在鐵氧體磁芯圓環上，構成共模扼流圈。共模扼流圈對于共模信號呈現出大電感具有抑制作用，而對于差模信號呈現出很小的漏電感幾乎不起作用[5]。由于干擾信號有差模和共模兩種,因此濾波器要對這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理為:

(1) 利用電容通高頻隔低頻的特性，將電源正極，電源負極高頻干擾電流導入地線(共模)，或將電源正極高頻干擾電流導入電源負極(差模)。

(2) 利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源。

3 實驗結果

在圖3濾波電路中取差模電容C1,C2為7 000 pF，共模電容C3,C4為0.015 μF，共模扼流圈磁芯采用錳-鋅鐵氧體，每路繞30匝，電感量為3.7 mH。

3.1 EMI濾波網絡濾波性能仿真

圖4為干擾噪聲隨頻率關系的模擬仿真，由此可見干擾信號的頻率越高，則干擾信號通過該濾波網絡后衰減越大。共模干擾的頻率一般在2MHz以上，所以說該濾波電路能對共模干擾起到良好的抑制作用。

圖4 干擾噪聲隨頻率關系

3.2 EMI濾波網絡輸出結果分析

當采用輸入為24 V，輸出為12 V，功率為25 W的開關電源模擬輸入信號時，用帶寬為20 MHz的示波器測得濾波前后信號紋波分別為50 mV和5 mV。由此可見該濾波網絡對干擾信號衰減了20 dB，良好地抑制了電路中所產生的干擾噪聲。

4 結 語

電力線通信技術作為一種強有力的手段,有著雄厚的發展基礎和廣闊的市場,應有其使用和生存的發展環境和空間。但是,低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數據的,它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通信傳輸介質(如雙絞線、同軸電纜、光纖等) 不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜,負載多、噪聲干擾強、信道衰減大,通信環境相當惡劣。目前還有很多亟待解決的問題，例如PLC的電磁輻射問題，調制技術和編碼技術的改進，通信信號衰減的抑制等。本文研究的EMI濾波電路旨在抑制接收端由于共模電流和差模電流產生的共模和差模干擾，今后還有待于結合電磁原理，在PLC設備和網絡的電路及電磁輻射特性等方面做深入研究。

參 考 文 獻

［1］張力波，柴守亮.寬帶電力線通信對無線通信的影響及其頻帶的管理［J］.中國無線電,2006:12-15.

［2］Clayton R Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibi-lity［M].John Wiley&Sons,Inc.1992.

［3］張淑娥,孔英會,高強.電力系統通信技術［M］.北京：中國電力出版社,2005.

［4］丁道齊.要正視和研究電力線通信技術發展中的關鍵問題［J］.電力系統通信,2003,24（4）:1-12.

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論文摘要：隨著社會信息化程度的提高，網絡已成為人們生活中不可缺少的一部分。網絡接入帶寬迅速提升，以適應大容量、高速率的數據、視頻、語音等高質量的信息傳輸與服務。目前常用的寬帶接入方式有電話撥號（即XDSL）方式、有線電視線路（CableModem）方式、雙絞線以太網方式，隨著科技的迅速發展，電力線通信已成為一種新型的寬帶接入技術，并且有著良好的發展前景。

電力線通信簡稱PLC（PowerLineCommunication0）是利用配電網低壓線路傳輸多媒體信號的一種通信方式。在發送時利用GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）或OFDM（正交頻分多路復用）調制技術將用戶數據進行調制，把載有高頻信息的高頻加載于電流，然后再電力線上傳輸，在接收端先經過濾波器將調制信號取出，再經過解調，就可得到原通信信號，并傳送到計算機或電話，實現信息傳遞。類似的電力線通技術信早已有所應用，電力系統中在中高壓輸電網(35千伏以上)上通過電力載波機利用較低的頻率以較低速率傳送遠動數據或話音，就是電力線通信技術應用的主要形式之一，已經有幾十年歷史。

PLC接入設備分局段設備和用戶端PLC調制解調器。局段負責與內部PLC調制解調器的通信和與外部網絡連接。在通信時來自用戶的數據進入調制解調器后，通過用戶配電線路傳輸到局端設備，局端設備將信號解調出來，再轉到外部的Internet。該技術不需要重新布線，在現有低壓配電線路上實現數據、語音、和視頻業務的承載。終端用戶只需插上電源插座即可實現因特網接入，電視接收、打電話等。同樣電力線通信技術也可應用于其他相關領域，對于重要場所的監控和保護，一直需要投入大量的人力和財力，現在只需利用電源線，用極低的代價更新原有監控設備即可實現實時遠程監控。目前電力系統抄表,基本上主要依靠人工抄表完成。人工抄表的準確性、同步性難以保證。同時由于抄表地點分散，表記數量眾多，所以抄表的工作量巨大。基于電力線路載波(PLC)通信方式的自動抄表裝置，由于不需要重鋪設通信信道，節省了施工及線路費用,成為現代電力通訊的首選方式，使得抄表的工作量大大減少。近年來居民小區及大樓朝智能化發展，現在的智能化建筑已經實現了5A。但是這些不同的系統自動化需要不同的網絡支持；給建設和維護網絡系統帶來了巨大的壓力。借助電力線通信技術，無論是監控、消防、樓宇還是辦公或者通信自動化都可以利用電力線實現，便于管理和擴展。

電力線通信主要優勢：

電力線通信有無可比擬的網絡覆蓋優勢，我國擁有全世界排名第二的電力輸電線路，擁有用電用戶超過10億，居民家里誰都離不開電力線；顯然連接這10億用戶的既存電力線是提供上網服務的巨大物質基礎。在廣闊的農村地區，特別是那些電話網絡不太發達的地區，PLC更有用武之地，畢竟電力網規模之大是任何網都不可比擬的。雖然這些地區上網短期需求量并不大，市場發展成熟較慢，但會存在電力線上網先入為主的局面，對PLC的長遠發展和擴展非常有利。

電力線通信可充分利用現有低壓配電網絡基礎設施，不需要任何新的線路鋪設，隨意接入，簡單方便的安裝設備及使用方式，節約了資源和費用，無需挖溝和穿墻打洞，避免了對建筑物和公共設施的破壞，同時也節省了人力，共享互聯網絡連接，高通訊速率可達141Mbps（將未通過升級設備可達200Mbps）。PLC調制解調器放置在用戶家中，局端設備放置在樓宇配電室內，隨著上游芯片廠商14M產品技術相對成熟。PLC設備整體投入不斷下降，據調查當前14M的PLCModem產品其成本已降到普通的ADSL接入貓相仿的水平，而局端設備則更便宜。由于一般一個局端拖帶PLC調制解調器的規模為20-30臺，因此隨著用戶的增長，局端設備可以隨時動態增加，這一點對于運營商來說，不必在設備采購初期投入巨大的資金。因此也有寬帶網絡接入最后一公里最具競爭力的解決方案之稱。

電力線通信的缺點

傳輸帶寬的問題。PLC與電話線上網從本質上講并沒有區別，都是利用銅線作為傳輸媒質，銅線上網的最大問題是不能解決傳輸帶寬問題。雖然14M的產品已經成熟，但電力線上網是共享帶寬，若同一地區多個用戶同時上網則數據傳輸速度將會相應降低，如何保證用戶能夠獲得足夠帶寬成為挑戰噪聲安全性問題。由于電力網使用的大多是非屏蔽線，用它來傳輸數據不可避免的會形成電磁輻射，從而會對其它無線通信，如公安部門或軍事部門的通信造成干擾；再次電力線上網存在不穩定的問題，家用電器產生的電磁波對通信產生干擾，時常會發生一些不可預知的錯誤。與信號潔凈特性恒定的Ethernet電纜相比，電力線上接入了很多電器，這些電器任何時候都可以插入或拆開，并機或關閉電源。因而導致電力線的特性不斷變化，影響網速。

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1.1噪聲干擾強而信號衰減大

突發性噪聲（由于用電設備的隨機斷開或者隨機接入而產生）、周期性噪聲（由脈沖干擾而產生）、背景噪聲（在整個通信頻帶均有分布）是三種主要影響到電力線載波通信的噪聲。

1.2通信信道的頻率選擇性

由于低壓配電網中存在著噪聲強度大、噪聲種類多、負荷情況復雜、負載變化隨機、負載變化程度大等特點而導致信號出現駐波、諧振、反射等現象，或多或少都會造成信號被衰減，因此，通信信道務必要具有較強的頻率選擇性。

1.3通信信道的時變性

由于載波信號在低壓電力線是不能均勻分布的，再加上在低壓配電網的任意位置，不同的電力負載可以不同的電力負載，這樣一來，就讓通信信道出現較強的時變性。

2低壓電力線通信技術概述

2.1電力線載波通信技術分類

通常而言，電力線載波通信可分為兩大類，分布是窄帶電力線載波通信（通信速率小于1Mbit/s，帶寬限制為3-500kHz）和寬帶電力線載波通信（通信速率大于1Mbit/s，帶寬限制為2-30MHz）。基于頻帶傳輸技術來看，電力線載波通信可分為擴頻傳輸和頻帶傳輸。主要的擴頻傳輸包括：OFDM（正交頻分復用）、DSSS（直接序列擴頻）、調頻等，其中，OFDM（正交頻分復用）的應用最為廣泛。OFDM（正交頻分復用）是一種高速傳輸技術，多用于無線環境下，它的思想是在將給定信道在一定的頻率內將其分成若干個正交子信道，一個子載波來調制一個子信道，各子載波并行傳輸。這樣一來，雖然總信道是有頻率選擇性，非平坦的，但是每個子信道是相對平坦的，可讓信號波形間的干擾得到大幅度降低，且還會讓頻譜利用率得以提高。再加上信息傳輸的可靠、穩定性可以通過信道編碼、前向糾錯、自動重發、交叉糾錯等技術來予以保證，所以，OFDM（正交頻分復用）目前已經成為了主導的電力線通信方式。

2.2低壓電力線載波通信技術難點

由于大范圍的線路阻抗、線路衰減，低壓電力線載波通信技術也存在著一些較難解決的技術問題，這就需要我們加強研究自適應均衡、自適應濾波等一系列模擬前端技術，同時，還要進一步研究在穿越變壓器和變壓器跨相方面的低壓載波通信技術等，這些都離不開對外干擾標準的制定。低壓電力線載波通信實現低價格、高性能的關鍵在于制造、設計出性能穩定的專用芯片，這也是目前微電子行業需要努力的方向。

3低壓電力線載波通信組網方式

眾所周知，低壓電力線網的物理結構、網絡拓撲結構較為復雜，就存在著較多的時變性和未知性，這樣一來，就很難讓低壓電力線完成組網應用工作。本文希望能夠利用一種簡單的方法來將網絡的邏輯拓撲結構找到。這種方法從主載波節點開始，將網絡中的全部從載波節點都找遍，最終找出孤點，以便能夠將網絡邏輯拓撲結構予以確定。假設此網絡中的從載波節點有a個，主載波節點有1個，那么基本步驟如下：

（1）主載波節點將測試輪詢包向a個從載波節點發出。假定接收到測試輪詢包并回復的從載波節點有b個，那么就能夠將那些會與主載波節點進行直接通信的從載波節點在第一時間內找出。如果a=b，那么輪詢過程就會自動結束。

（2）1-b個載波節點將測試輪詢包向剩余的從載波節點發出，假定接收到測試輪詢包并回復的從載波節點有c個，那么就能夠將那些會與主載波節點進行直接通信的從載波節點在第一時間內找出。如果c=0，那么說明剩下的節點為孤點，既不能連接第一層從載波節點，又不能直接連接主載波節點，那么輪詢過程就會自動結束。如果0<c<(a-b)，那么又會再次按照前述程序來將測試輪詢包向剩余的從載波節點發出，直到c=0為止。如果c=(a-b)，那么則說明可以間接或者直接將全部讓載波節點與主載波節點相連，那么輪詢過程就會自動結束。基于此算法可以將一組網絡節點的邏輯拓撲結構找出，不是唯一的通信路徑，而只是一種中繼策略。

4仿真實驗與結果分析

為了對這種邏輯拓撲結構算法的有效性和可行性進行有效地嚴重，利用載波機來將測試網絡搭建好，對子節點位置、節點總數、中繼節點、網絡層數等進行人為改變，然后對此邏輯拓撲結構建立完成所花費的時間及各種不同情況下輪詢次數進行統計計算。結果表明：一次點對點輪詢的時間通常為0.5s。

5結語

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    目前,我省主要采用的窄帶調制解調技術主要有:(1)PSK相移鍵控。該方式通過調制載波的相位來傳輸數據,也是一種線性調制技術,同樣存在邊瓣再生的問題,特別在發生相位突變時,包絡不恒定而導致在通過帶限信道后頻譜發生擴散。(2)FSK頻移鍵控。通過2個不同的載波代表二進制數據中的2種狀態,來完成數據的調制,它屬于非線性調制。同時,不管調制信號如何改變,載波的幅度是恒定的,所以它也是一種恒包絡調制。它可以使用功率效率高的C類放大器,而不會使發送信號占用的頻譜增大;帶外輻射低;接收機設計簡單。不過其占用帶寬比線性調制大。在大多數情況下,數字調制是利用數字信號的離散值去鍵控載波。對載波的幅度、頻率或相位進行鍵控,便可獲得ASK、FSK、PSK等。這三種數字調制方式在抗干擾噪聲能力和信號頻譜利用率等方面,以相干PSK的性能最好,目前已在中、高速傳輸數據時得到廣泛應用。以上調制方式都屬于窄帶通信技術,同時窄帶通信技術還包括QAM調制、無載波調幅調相(CAP)、DMT調制及擴展頻譜技術等。窄帶通信方式易于實現,但抗干擾能力弱,配電網各頻帶的衰減隨著負荷的動態投切而隨機變化,會出現衰減很大的頻帶,這使得想要選出一段完美的電力線通信頻帶很難,通常依靠選擇載波頻率在衰減小的頻帶里或者均衡技術來克服信道的變化。但這使得均衡技術非常復雜,以至于成本難以接受。同時盡管接收機具有較窄的通帶,使僅有一部分噪聲進入接收機,由于接收裝置中的濾波器具有高品質因數,瞬間的脈沖噪聲會使其發生自干擾,而低品質的濾波器又會使通帶帶寬加大,令更多噪聲進入接收器。所以窄帶通信的抗脈沖噪聲性較差。

    2波芯片在集抄中的應用

    如圖1所示是典型的具有載波通訊功能的單相表設計原理框圖,載波電路的核心是載波發送和載波接收電路的設計及載波芯片外圍調制電路的設計。如圖2所示是采用載波通訊方式的集抄方案拓撲圖。臺區集中抄表系統是以計算機應用技術、現代數字通信技術、低壓電力線載波數據傳輸技術為基礎的大型信息采集處理系統。由系統主站、臺區集中器、客戶側直接載波電能表,以及主站與集中器、集中器與載波電能表之間的數據傳輸信道組成。下面對集抄應用中的幾個載波相關功能進行說明和介紹。由于各個載波芯片廠家的方案略有不同,所以只是做原理性介紹。

    2.1耦合電路(Coupling電路)。耦合電路如圖3所示,其是載波信號的輸出和輸入通路,并起隔離220V/50Hz的工頻的作用。該電路在設計時需考慮220V線路側的阻抗特性。信號耦合變壓器,220V線路側阻抗一般取3~30n。然后確定線圈初次級的匝數比或阻抗比。最后設計功率放大器的輸出匹配電阻。

    2.2濾波電路(Filter電路)。如圖4所示濾波電路,該濾波器為帶通濾波器。其不僅要將帶外雜波濾除,還要保證前后級之間的阻抗匹配,以達到順利傳遞信號的目的。由于主晶振的工作頻率不同,載頻也不同;調制周波數和數據傳輸速率不同,帶寬也不同。因此,濾波器的參數在主晶振頻率不同時也將有所變化的。本電路的帶通頻率范圍是400kHz~600kHz。

    2.3信號放大電路(PAMP電路)。如圖5所示為信號放大電路,其放大的目的是將濾波后的信號不失真的放大75倍以上,以達到30dB以上增益的要求。特別注意的是小信號的不失真。因為主要是完成小信號的放大。并注意電路本身的噪聲干擾不能過大。經該放大電路放大后可接入運算放大器繼續將信號放大。

    2.4自動路由功能。集中器與載波表之間的傳輸距離受線路特性的影響,而一次成功的通信,首先要滿足本地接收信號的解調信噪比。根據我國電網的實際經驗,500m以內的范圍是單級載波可靠傳輸的理想距離。要做到任何情況下抄通率的100%,肯定需要中繼。在集抄系統中,自動路由算法包含在集中器內,通過載波協議,每一電表終端模塊都可作為其他電表的中繼。當需要中繼時,集中器能根據線路的情況,實時、智能、快速地調整路由,完成集中器到目的電表的通信,無需人工干預。而固定中繼是不可取的,既難以維護,實效性也差。綜合各地需求,集中器的自動路由最多要求達到7級,保證系統2km的最遠距離。

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[關鍵詞]電力線載波通信技術 低壓載波 中壓載波 高壓載波

中圖分類號：TN913.6 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）15-0317-01

引言：

電力通信網是為了保證電力系統的安全穩定運行而產生的，它同電力系統的安全穩定控制系統，調度自動化系統，被人們合稱為電力系統安全穩定運行的三大支柱。長期以來，電力線載波通信網一直是電力通信網的基礎網絡，它自誕生之日起便隨著通信技術的發展而不斷發展。由于信號傳輸的介質已經存在，無須再投入大量資金進行基礎設施建設，并且可以通過電力線訪問到與它連接的任意通信設備，因此使用到處可見的電力線作為傳輸介質的設想便被人們實際應用起來。

一、電力線載波通信技術的發展歷史及現狀

電力線載波通信技術的發展經歷了從模擬到數字的發展過程。近年來高壓電力線載波技術突破了僅限于單片機應用的限制，進入了數字化時代，并且隨著電力線載波技術的不斷發展和社會的需要，中、低壓電力載波通信的技術開發及應用亦出現了方興未艾的局面。電力線載波通信這座被國外傳媒喻為“未被挖掘的金山”正逐漸成為一門電力通信領域乃至關系到千家萬戶的熱門專業。

二、電力線載波通信技術概述

電力線載波通信技術是指利用高壓電力線、中壓電力線或低壓配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。它可以使用現有的電力線和插座組建成網絡，來連接PC、機頂盒、音頻設備、監控設備以及其他的智能電氣設備，來傳輸數據、語音和視頻。它具有即插即用的特點，能通過普通電力線傳輸網絡IP數字信號。

其中，高壓電力線載波技術是指應用于35kV及以上電壓等級的電力線載波通信技術。該技術由于載波線路狀況良好，主要用于傳輸調度電話、遠動、高頻保護及其它監控系統的信息。但是數字多路復接型的電力載波機在進行遠動數據傳輸時，有時會產生瞬時中斷現象，這種現象對于語音傳輸無大影響，但對于數據傳輸尤其是一些重要的控制信號的傳輸將會帶來不良的后果。因此，需要技術上的不斷完善以及根據現場應用的實際情況來選擇合適的載波機類型來避免這一情況的發生。同時，對于遠動的防衛度問題，應當盡可能地設計為自適應地保持恒定的防衛度水平。其次，載波機的電路設計在性能指標上要能夠保證設備整機指標和長期運行的可靠性，符合相關的行業質量標準。以此來不斷提高高壓電力線載波技術的運行性能。

中壓電力線載波通信技術是指應用于10kV電壓等級及以下的電力線載波通信技術。目前10kV配電網的傳輸特性十分復雜，傳輸設備需要考慮在傳輸距離不能到達時的中繼問題，不同的調制方式采用的中繼方式可能有所不同，且對于大型、多用戶的配電網自動化系統的載波數據傳輸，目前還缺少實際的第一手運行資料，整個系統的響應速度也需要由此來實地考核，因此對這一技術應該進行不斷研究，掌握其傳輸特性，從而為電力工程等提供實際的應用價值。

低壓電力線載波通信技術是指應用于380V電壓等級及以下的電力線載波通信技術。這一技術目前常用的有窄帶調制和寬帶調制兩種調制方式。窄帶調制成本較低，但不能有效抵抗窄帶噪音；寬帶調制成本較高，通常采用擴頻技術，在一定程度上可克服窄帶噪音干擾，但是有限的擴頻增益對于較大功率的窄帶噪音干擾仍無能為力。因此，需要不斷研究來突破這一技術局限，并在載波機設備出廠檢驗時一定要考慮在加入噪聲的情況下進行性能測試，以保證信號傳輸的穩定性。

三、電力線載波通信技術的特性

1.高壓載波路由合理，通道建設投資相對較低

高壓電力線路的路由走向沿著終端站到樞紐站，再到調度所，正是電力調度通信所要求的合理路由，并且載波通道建設無須考慮線路投資，因此當之無愧成為電力通信的基本通信方式。電力線載波通道往往先于變電站完成建設，對于新建電站的通信開通十分有利。為此，只要妥善解決電力線載波信道的容量問題，載波通信的優勢就會顯現出來。在中壓配電網載波和低壓用戶電網載波中，節省線路建設費用，無須考慮破壞家庭已裝修環境，也仍然是載波通信的優勢。

2.傳輸頻帶受限，傳輸容量相對較小

在高壓電網中，一般考慮到工頻諧波及無線電發射干擾，電力線載波的通信頻帶限制在一定的范圍內，理想情況下一條線路可安排115條高壓載波通道。但由于電力線路各相之間及變電站之間的跨越衰減有限，不可能理想地按照頻譜緊鄰的方式安排載波通道。因此，真正組成電力線載波通信網所實現的載波通道是有限的。在當今通信業務已大大開拓的情況下，載波通道的信道容量已成為其進一步應用的“瓶頸”。盡管在載波頻譜的分配上研究了隨機插空法、分小區法、分組分段法等方法，并且規定不同電壓等級的電力線路之間不得搭建高頻橋路，使載波頻率盡量得以重復使用，但還是不能滿足需要。

3.可靠性要求高

電力線載波機要求具有較高的可靠性，一是在電力系統中傳輸重要調度信息的需要；另一是電壓隔離的人身安全需要。為此，電力線載波機在出廠前必須進行高溫老化處理，最終檢驗必須包含安全性檢驗項目。為此，國家質檢總局從80年代開始即對電力線載 波機（類）產品實行了強制性生產許可證管理。目前大多數高壓及中壓電力線載波機生產企業已按照生產許可證的要求建立了較為完善的質量體系。

4.線路噪聲大

電力線路作為通信媒介帶來的噪聲干擾遠比電信線路大得多，在高壓電力線路上，游離放電電暈、絕緣子污閃放電、開關操作等產生的噪聲比較大，尤其是突發噪聲具有較高的電平。因此，電力線載波機一般都采用較大的輸出功率電平來獲得必要的信噪比。

5.線路阻抗變化大

高壓電力線阻抗一般為300～400Ω，在線路上呈波動狀態，現場實測表明，在波動幅度達到1/2左右 時，對載波通道衰減將產生嚴重的影響。在通道加工不合理、不完善、存在容性負載以及分支線時，會加劇載波通道的阻抗變化甚至中斷通信。低壓用戶配電網載波通道的阻抗變化更大，這使得載波裝置不能采用固定的阻抗輸出。

6.線路衰減大且具有時變性

高壓電力線載波通道衰減與頻率的平方根成正比，且具有時變性。工頻運行方式的改變、分支線的長短以及絕緣子污穢、刮強風、下小雨、線路冰凌及阻波器調諧線圈性能等多種因素會對載波通道的衰減產生影響。為此，電力線載波機必須設置大于30dB范圍的自動增益調整電路。

結束語：電力線載波通信技術伴隨著通信技術的發展而不斷發展。它從發展之初起以其特有的便捷、環保、經濟等優點而快速被應用，其技術也隨著市場的不斷需求及科學技術的不斷發展而不斷改進與完善，雖然目前這項技術還存在一定的技術缺陷，但相信隨著科技的不斷發展與人們的不斷研究，電力線載波通信技術一定會突破現有的技術缺陷而不斷適應人們的發展需求，從而被廣泛應用。

參考文獻

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關鍵詞：電力線；載波通信；發展現狀；信號衰減；可靠性

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）20-0129-02

電力線載波通信技術是利用整個電力系統的輸電線路作為數據傳輸的載體的一種新型通信模式，這種技術不需要重新架設數據傳輸通道，可實現點對點的數據傳輸，具有很好的經濟性和便利性。

1 電力線載波通信的發展及現狀

電力線載波通信技術出現于20世紀20年代，40年代電力線載波技術最初應用在我國的長距離電力調度的通信中，60年代我國開始自主研發第一代電力載波機，80年代中期由于單片機和集成化的出現和發展，出現了小型化功能多的第二代載波機，90年代中后期出現了利用數字信號處理技術的第三代電力載波機，具有了軟件調制、濾波、限幅和自動增益的功能。

進入21世紀，我國輸電線路架設腳步加快，為電力線載波通信技術的發展提供了廣闊空間。2001年底，“電力線高速數據通信”技術的核心產品―電力調制解調器及多個相關產品成功研發，其傳輸速率可以達到10 Mbps；到2005年，北京已經有五500多個居民小區覆蓋了由電力線寬帶接入的實驗網絡，電力線寬帶用戶多達4萬多戶。2010年國內首個電力線載波通信實驗室投運使用，大力為研發我國智能用電服務關鍵電力線通信設備。到如今，我國高中壓輸電線路載波通信技術已經比較成熟，低壓配電網由于其結構復雜、線路多、阻抗大等特點使得載波通信技術在其上應用還有較多難點需要攻克。

2 電力線載波通信的優點和不足

2.1 電力線載波通信的優點

電力系統輸電線工作運行條件苛刻，具有很高的可靠性、自愈性、快速反應能力以及高覆蓋率等特點，使用輸電線作為通信媒介，可以不占用無線頻道資源、無需布線、省工省錢、維護簡單，為輸電線載波通信技術提供了其他通信無法比擬的優點。

2.1.1 高覆蓋率

電力系統網高中低壓各級的輸電線路聯絡全國各個省市配電網遍布了每個家庭每個房間，使用這些線路進行載波通信傳輸信號將比無線通信技術擁有更高的覆蓋率。因為無線通信技術會在一片區域內建設一定數量的無線發射塔，不僅在某些偏遠地區會出現沒有信號的情況，在人口密集的地方同樣會出現信號弱或者信號被屏蔽無法連接的狀況。

2.1.2 運行可靠經濟

電力輸電線作為主要適用于電力的輸送，要求必須能承受非常惡劣自然環境和電磁環境，不易因外力中段線路，使用年限長遠。以此作為通信載體較之于專門的有線通信，具有運行可靠、使用年限久、無需重新架設線路、運行維護方便的優勢，大大減少了通信的成本，具有很好的經濟宏觀性。

2.1.3 傳輸速度快

電力線載波通信有高速和低速之分，各有其長。低速電力線載波通信主要應用在配電網自動化和部分地區載波抄表中，高速電力線載波通信主要應用在智能配電網高級測量體系和用戶側電力線增值業務。電力線載波的數據傳輸速率是有線數據傳輸，比無線傳輸速度快很多，其傳輸速率目前可以達到4.5～45 Mbps。

2.1.4 實時性和雙向通信

電力線載波通信可以實現一直在線，且可以實現雙向通信，同時保證數據的傳輸和下載。

2.2 電力線載波通信的不足

同樣，由于電力系統輸電線其自身的特點，會對載波通信造成一定的局限性，這方面主要體現在輸電線路有自身波阻抗，會產生熱損失和輻射等，信號在傳輸時會有一定的衰減和損耗，且隨著頻率和距離的增加，衰減的程度也會增加。另外，輸電線路有成千上萬的節點，節點兩端的輸電線路很有可能波阻抗是不相同的，因此信號在輸電線中傳輸會發生多次折反射，導致信號不能完全的傳輸到下一段輸電線路，形成多徑折反射衰減。同時由于輸電線路主要是用于電力輸送，輸電線上面會存在游離放電電暈、絕緣閃絡、斷路器重合閘以及檢修線路等情況。這不僅會給通信信號造成噪聲干擾，還會出現通信信號的中斷的情況。

因此，電力線載波通信將面臨信號衰減，噪聲、強脈沖干擾等問題。必須采取相應的手段和措施對干擾進行改善，否則電力線載波通信技術的優點將不能完全體現出來。

3 電力線載波通信可靠性提高措施

電力線載波通信信道的噪聲干擾和衰減性能，這些對電力線通信的可靠性影響很大。必須采取相應的措施來對其可靠性進行提高，具體有提高網絡層可靠性的組網措施和提高數據鏈路層可靠性的差錯處理機制等方法。

3.1 組網措施

電力線組網主要是為了確保網絡中集中收發器和每個通信終端都能夠實時的進行數據的相互傳輸。在理論網絡中，主要有線形、星形和樹形三種網絡拓撲結構，但是由于配電網絡錯綜復雜，現實中的網絡層是多種拓撲結構糅合在一起的復雜網絡。因此其組網也顯得十分復雜，可以使用自動組網的方法：定時的發送和接收每個通信節點的數據信息包，中心節點負責統計、分類以及判斷數據包的內容是否有效，實時更新記錄能連接的信息包。該方法使得載波通信節點可以隨意的切換工作狀態，并且不會引起數據的丟失，提高了網絡層的可靠性。

3.2 差錯處理機制

在通信傳輸系統中一般都會使用差錯處理機制來提高數據傳輸的可靠性，例如在數據傳輸時在數據中加入校驗編碼，接收端接收到數據后只用對校驗編碼進行核對比較，如果出現錯誤將會再次重新傳輸，這種方式能過實現自動判斷錯誤，提高了數據傳輸的正確性，在數據鏈路層提高了電力線載波通信的可靠性。

4 電力線載波通信技術應用

電力線載波通信因其利用現有的電力線為通信媒介，不需重新鋪設通信線路，覆蓋面廣，成本低，維護簡單的特點，現在已經有較多的實際應用范例。在遠程抄表、家居智能網絡以及醫療體系領域有了較為成熟的使用。

4.1 遠程抄表

我國遠程抄表出現在20世紀80年代，但是在隨后的20年內進展不大，直到21世紀初電力系統和計算機技術的大力發展，才逐漸的走向實用階段。遠程抄表由終端電表、采集器、收集器和中心控制計算機組成，可實現遠程停送電、收集用水電量等功能。該技術的應用使得抄表人員的工作量大大減少。

4.2 家居智能網絡

隨著人們生活水平的提高，對家居生活的質量要求越來越高，需要建立一個智能化的家居網絡。在分布住處各個角落的微控制器和家電內部安裝電力線載波通信芯片，以室內的電力線為通信媒介，將他們連成一個網絡，不用布設信號線和雙絞線和紅外等接口，就可以有效的實現家居的智能化。

4.3 在醫療體系中的應用

利用已有的電力線網絡，在醫院和家庭之間建立起醫療監控網，實現重病監護功能，病人的血壓、心率等信息可以通過電力線監控網傳送至醫療單位，進行分析、處理和監護。

5 結 語

隨著社會生活水平的提高，通信技術在人們的生活中扮演著不可缺少的重要角色。實時、高速、可靠的通信技術才能滿足人們日益頻繁的信息交流。成熟的電力系統網絡覆蓋全國每家每戶，電力線布設到每個房間，運用電力線載波通信的技術具有廣闊的應用前景。但是在低壓電力線載波通信技術方面還有一些需要提高的地方，例如如何增強模擬前端自適應濾波和自適應均衡以適應時變的、大范圍的線路衰減和線路阻抗的變化。同時還需要大力研發成本低、功能齊全、使用可靠地載波通信芯片。

參考文獻：

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[4] 段恒煒，張越.低壓電力線載波通信中的抗干擾問題分析[J].黑龍江科技信息，2013，（8）.

篇7

關鍵字：試驗平臺；OFDM；耦合器；放大器

中圖分類號：TN914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2009）01-0112-03

已有的研究表明，電力線是一種復雜的通信媒體――無處不在的噪聲、負荷變化及一些不可預測的干擾都會嚴重影響信號傳輸的質量。要保證通信質量，提高通信速率，選擇合適的調制方式是一個關鍵問題。傳統的單載波調制系統不適用于高速數據傳輸，因為需要對信道進行多級均衡，設備復雜且收斂性差。多載波頻分復用（OFDM―Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術，以其抗干擾能力強、帶寬利用率高、結構簡單、成本低等優點，為實現高速低壓電力線載波通信提供了一個有效的解決方案。

一、OFDM定義

正交頻分復用是一種正交多載波調制技術。傳統的數字通信系統中，符號序列被調制到一個載波上進行串行傳輸，每個符號的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。OFDM調制方式是將可用的頻譜分成N個頻帶較窄、相對低速率傳輸的子載波，子載波的幅頻響應相互重疊和正交。串行傳輸的符號序列也被分成長度為N的段，每段內的N個符號分別調制到N個子載波上一起發送。也就是說，OFDM是把一組高速傳輸的串行數據流化為低速的并行數據流，再將這些并行數據調制在相互正交的子載波上，實現并行數據傳輸。雖然每個子載波的傳輸速率并不高，但是所有的子信道加在一起可以獲得很高的傳輸速率。

二、OFDM系統的技術優勢

采用OFDM實現高速低壓電力線載波通信主要有以下的技術優勢:

（一）OFDM的結構簡單，成本低

與一般均衡器相比，利用離散傅立葉變換（DFT）對并行數據進行調制、解調，大大降低了系統實現的復雜程度。隨著超大規模集成電路（VLSI）和數字信號處理（DSP）技術的不斷進步，用DFT實現OFDM已付諸實用。

（二）能夠有效地消除ISI及子載波間的串擾

正交頻分復用OFDM本質上是一種通過延長傳輸符號的周期來克服多徑干擾的并行數字調制技術。它將高速串行數據分解為多個并行的低速數據，這樣每路數據碼元寬度加長，從而減少了ISI的影響。例如，一個10Mbps的BPSK碼元的長度只有100ns，而一般電力線中的時延擴展為1μs，這樣接收到碼元會受到10個延時碼元的干擾；OFDM將信道頻帶劃分為100個子載波，每個子載波的單位碼元的長度為10μs，從而大大提高了抗ISI的能力。

（三）有效地降低電力線的衰減特性對載波通信的影響

作為一種信息傳輸媒介，低壓電力線亦具有射頻信道的多徑效應，從而帶來信號的頻率選擇性衰減。OFDM將頻率選擇性衰減引起的突發性誤碼分散到不相關的子信道上，從而變為隨機性誤碼。這樣可利用一般的前向糾錯(ECE)有效地恢復所傳信息。然而，OFDM本身并不能抑制衰減，各子載波在頻域內的位置不同，受到不同程度的衰減影響。OFDM可以根據信道特性進行子信道分配，這樣就能夠保證信號只在誤碼率能夠滿足通信要求的頻帶范圍內傳輸。

（四）頻譜利用率高

OFDM使用正交函數系列作為子載波，子載波的頻譜正交且相互重疊，可使載波間隔達到最小，從而提高了頻帶的利用率。如圖1所示，OFDM信號的頻譜非常接近矩形，因此頻帶利用率可接近香農信息論的極限。在低壓電力線載波通信中，單載波系統的頻帶利用率很少超過80%，而OFDM系統的效率則可接近100%。

三、低壓電力線OFDM 通信系統平臺總體設計

在低壓電力線載波通信中，將OFDM 技術與信道編碼、均衡、同步、解碼等技術相結合，可以組建一個比較穩定可靠的高速通信系統。為了建成一個基于OFDM 的低壓電力線載波通信實驗平臺，考慮軟件模塊和硬件模塊相結合的總體方案。采用軟件模塊在PC 機上實現發送信息的編碼、調制、解調、解碼過程，由硬件模塊實現信號的數模和模數轉換、信號的放大耦合以及信號的上下變頻。發送信號經過寬頻帶功率放大器后由耦合器耦合到低壓電力線中進行傳遞。本文中設計的低壓電力線OFDM 系統平臺如圖2所示，主要由兩大模塊組成，軟件模塊實現信號的處理，硬件模塊實現信號的轉換和傳遞。

（一）OFDM系統設計

從信源發出的信號首先經過級聯編碼，在本系統中，級聯編碼由卷積碼和RS碼級聯而成。經過編碼的信號進入映射模塊，采用DQPSK將信號調制成復信號。將這些復信號送入串并轉換模塊后變成N個子數據流進入到IFFT模塊進入OFDM調制，得到OFDM碼元。為了進一步抑制由信道的多徑性引起的ISI，我們在得到OFDM碼元之后在OFDM碼元中插入保護間隔，實際的做法通常是將OFDM碼元中最后的數據復制到OFDM碼元前，然后形成一個新的OFDM碼元濾波成形，最后發送到模擬前端。

將接收到的信號變成為數字信號，然后經過同步模塊，得到整個系統的時間同步和頻率同步后得到正確的OFDM碼元組，將這些OFDM碼元組中的循環前綴去除，然后送入FFT模塊進行OFDM解調。然后將通過發射端插入的已知的導頻符號進行信道估計和均衡，然后進行解映射和解碼的步驟，得到相應的數據流。

為了達到高速數字通信的要求，系統的數據為2M，電力線信道的延時為2μs，則一般考慮取整個OFDM碼元符號的保護間隔為6μs，取整個OFDM符號的時間為30μs，則每個OFDM符號所攜帶的bit數為數據速率和符號的有效時間之積，即2M*24μs =48bit。由于采用的卷積碼的編碼效率為1/2，則經過編碼之后每個符號對應了96bit，而系統采用QPSK的調制方式，也就是2bit調制成一個復數信號，則每個OFDM符號必須攜帶48路復數信號，也就是在進行OFDM調制時需要將信號串并轉換為48路并行的子數據流分別加載到48個子載波上，子載波的間隔為1/（30-6）μs =41.7kHz。系統除使用48個子載波加載數據之外，還使用8個子載波插入導頻符號，作為信道估計和頻率跟蹤用，同時在兩端流出8個子載波，一共使用64個子載波，則所使用的帶寬為41.7k*64，約為2.67M的帶寬。

（二）高頻寬帶功率放大器的設計

由于低壓電力線網絡是為了傳送50Hz 工頻電功率而設計的，它對于1MHz 以上的信號的輸入阻抗很小。這意味著發送器需要提高發送功率，或者設計輸出阻抗很小的放大器，才能達到將一定功率水平的信號發送到電力網絡中去的目的。已有的試驗結果表明，低壓電力線網絡的輸入阻抗在幾歐至幾十歐之間。因此設計的放大器輸出阻抗必須盡可能的小。

為了實現阻抗匹配，設計輸入匹配變壓器；使用耦合電容來傳輸高頻信號，阻隔工頻電流；采用MOSFET 管芯片 BLF177 實現寬帶功率放大，通過直流電源電路來驅動 BLF177，同時采用去耦阻隔器阻隔來自電源的高頻信號干擾，由于是高頻信號，因此在設計中除了排除外來頻率信號干擾外，還要考慮電路本身各個元件的高頻特性的影響。

（三）低壓電力線OFDM 系統的耦合電路設計

設計一個有效的低壓電力線高速通信耦合電路，主要應該解決以下幾個問題：

1.能夠適應低壓電力網開放式的網絡結構及其動態多變的網絡特性，保證以較低的介入損耗傳輸高頻信號，同時阻止電力線50Hz 的工頻電流進入通信終端。

2.提供足夠寬的帶寬，以及良好的阻抗特性和較小的工作衰減。

3.應考慮到實際應用，裝置應盡量簡易、經濟，便于現場的安裝使用。

低壓電力線載波通信系統中，載波信號耦合方式主要有電容耦合和電感耦合。本文選用電容耦合，屬于直接耦合，電路簡單，傳輸特性較電感耦合更理想，工作衰減小。電容耦合采用耦合電容器為主要元件，其電路圖如圖4所示。該耦合電路將高頻載波信號直接注入到電網，同時從電力線上接收高頻載波信號。

高頻電容C00一端接入低壓電力線，另一端與耦合變壓器相連。C00采用高壓電容，其耐壓值大于275 V。C00一方面用來耦合高頻載波信號，另一方面起到高壓工頻隔離的作用，這里建議耦合電容C00選用0.0047F。

耦合變壓器T00不僅具有隔離作用，同時也實現了信號線平衡D不平衡的變換及其阻抗的變換作用。T00的初級線圈與C00組成高通濾波電路，阻止了50 Hz的工頻電流，并盡可能削弱低頻的電力線電壓信號，減少衰減低頻噪聲及干擾信號；同時保證高頻信號的通過，并為其提供盡可能小的衰減及線性幅頻、相頻特性。

四、結語

本章給出了低壓電力線OFDM 載波通信系統的結構框圖，分別描述了試驗平臺中各個環節的算法以及具體實現方法；具體闡述了模塊中寬頻帶功率放大器、耦合器的設計，給出了詳細的原理說明、實現方法等。論文對基于 OFDM 技術的低壓電力線載波通信實驗平臺整體設計方案給予了說明。整套實驗平臺的成功研制表明將OFDM 技術應用于低壓電力線載波通信，以實現高速數據通信是可行的。

參考文獻

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關鍵詞:解調;FPGA;擴頻通信

Design of spreadspectrum Integuate Circuit

for data communication over power line

RONG Yue-dong1 ,XU Dong-ming2 ,ZHOU Xiao-gang3

(1.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;

2.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;

3.Xi‘an Supermicro Electronics Co., LTD Xi‘an 710061)

Abstract: In order to adapt the development of intelligent electric power net, the design of spread-spectrum Integrate circuit for data communication over power line is presented.Based on the latest technologySystem View in theory modeling and the large numbers of analyze and comparison about the concerned design referred in many related documents,this design is accomplished and validated by using Verilog-HDL and FPGA independently.The experiment result demonstrates that by utilizing this circuit the digital signal can be resumed well from power line and can meet the related performance index. It also verifies that this design can satisfy the digital communication in power line.

Key words: demodulation; Field Programmable Gate Array; spread-spectrum

1引言

隨著科學技術的發展以及人們生活水平的提高,傳統的人工抄表模式已無法適應信息時代數字化的要求,因而,遠程數字抄表系統應運而生。目前,遠程抄表可以通過無線電波,電話線,低壓電力線等介質進行傳輸。但考慮到成本以及實現的過程,低壓電力線載波利用已有的電網,而且不必占用已有的頻譜資源,因此低壓電力線載波通訊傳輸方式比其他通訊方式具有明顯的優勢。雖然由于信號在電力線上的衰減以及背景噪音的干擾等都很大,電力線并非理想的通信信道。但是根據香農定理,在信道容量固定的前提下,犧牲帶寬可以以較低的信噪比獲取可靠的數據傳輸,本文正是根據這一理論進行了設計。

2擴頻通信工作原理

擴頻通信與一般現有的常規通信方式完全不同[1]。它用偽隨機編碼把基帶信號(信息數據窄帶信號)的頻譜進行擴展,形成相當帶寬的低功率譜密度信號發射出去。使用不同的偽隨機編碼,不同通信用戶可在同一頻段、同一時間工作,互不影響或影響極小地進行通信。因此,擴頻通信在調制、解調上是與眾不同的。擴頻通信的基本原理如圖1所示。信息數據D經通常的數據調制后變成帶寬為B1的信號(B1為基帶信號帶寬),用擴頻碼發生器產生的偽隨機碼(PN碼)去對基帶信號作擴頻調制,形成帶寬為B2(B2>>B1)、功率譜密度極低的擴頻信號后再發射出去。在接收端,首先使用與擴頻信號發送端相同的偽隨機碼做擴頻解調處理,把寬帶信號恢復成通常的基帶信號,再使用通常的通信處理手段解調出發送來的信息數據D。其理論基礎是信息論中的香農定理[2]:

C=W log1+

其中:C為信道容量(比特/秒);N為噪聲功率;W為信號帶寬(赫茲);S為信號功率。由此可見,C不變時,增加帶寬,則信號的信噪比在較低的情況下,也可以以相同的速率可靠的傳輸信息。因此,增加信號帶寬,可以使信號甚至在被噪聲淹沒的情況下,仍能保持可靠的傳輸。擴頻通信正是使用了這一點,采用擴展信號帶寬的方法以提高數據傳輸中的抗干擾性。

3系統及主要模塊設計

3.1系統的結構框圖及工作原理

系統結構框圖如圖2所示。它的工作模式為半雙工工作模式。

該電路主要有以下幾個電路模塊組成:差分編解碼模塊,擴頻調制模塊,偽隨機發生模塊,捕獲與跟蹤模塊,解擴解調模塊,低通濾波器模塊,帶通濾波器模塊以及收發控制接口模塊等。

當系統處于發射態時(I/O_C=0),SYNO腳由芯片內部的PN碼電路產生同步信號。外部的單片機在SYNO的下降沿時將數據置于DATA_IO管腳,該管腳將數據送入內部的差分編碼及擴頻調制單元與PN碼及80 kHz的載波信號產生80 kHz的直序擴頻信號(調制信號)。該信號經過功率放大之后即可以耦合到低壓電力線上進行傳輸。

當系統處于接收態時(I/O_C = 1),管腳ASI輸入的80 kHz載頻信號與芯片內部電路進行混頻產生320 kHz的中頻信號,該320 kHz的混頻信號經過帶通濾波電路,低通濾波電路,最后再經過與發送端同步的的m序列相關同步解擴及數字信號處理之后,便恢復出原始信號。

3.2主要模塊設計

3.2.1 m序列發生器

m序列發生器是在n級線性移位寄存器的基礎上,加上反饋邏輯電路構成的。m序列信號發生器有兩中結構:Fabonacci型和Galois型[3]。本文采用Fabonacc型移位寄存器產生m序列。該結構的特點是移位寄存器的反饋抽頭位置與本原多項式一致,序列與初始狀態相對應,碼序列的產生速度主要受反饋網絡的時延限制。

本設計電路采用m序列發生器[4],其生成的多項式為G(x)=X4+X+1。圖3為其產生電路。其中,4個小方格代表4個寄存器D,把他們從左至右依次叫做第1級、第2級、第3級、第4級寄存器。對于系數C1=1,表示第1級輸出參與反饋。開始時,設初始狀態為0001,則根據圖3可生成15位的偽隨機序列。圖4為采用Verilog對圖3電路設計仿真的結果。從圖中可以看出15位偽隨機序列的產生,即111101011001000序列。

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3.2.2同步電路模塊設計

同步技術是擴頻通信系統中的關鍵技術。只有實現了同步,使收發兩端相關的信號在頻率、相位上取得一致,整個系統才能正常的工作。

這一過程分為兩個階段,第一階段為捕獲過程即粗調過程[5],它通過調節送到解擴器的本地碼相位實現兩個偽碼之間初始同步,當捕獲過程完成時用于解擴的本地參考信號碼相位與接收擴頻信號碼相位偏差將小于直擴系統一個PN碼單元,這時接收機能大致正常解調出信息。第二階段為PN碼的定時跟蹤即細調過程[6],跟蹤是通過相位鎖定方法不斷調節補償本地碼相位漂移,以達到進一步縮小同步誤差和保持這種精確同步的目的。在擴頻碼同步系統工作過程中,同步捕獲和跟蹤狀態應該可以相互轉換[7]。在捕獲出現因強干擾引起失步時,同步系統必須能夠能迅速地從跟蹤狀態重新轉入捕獲狀態。而在捕獲真正鎖定時,同步系統也應迅速轉入到跟蹤狀態。所以同步系統應采用同步識別控制系統以控制捕獲和跟蹤之間的相互轉換。

本設計也是基于以上的理論方法而進行的同步電路的設計。圖5為本設計所采用的同步電路原理圖。如圖所示,接收到的信號經寬帶濾波器后,在乘法器中與本地PN碼進行相關運算。此時,捕獲電路調整壓控鐘源,使PN碼發生器產生的本地脈沖序列的頻率和相位重復接收信號的頻率和相位,以捕獲有用信號[8]。一旦捕獲到有用信號后,則啟動碼跟蹤電路,由其來控制壓控鐘源,使本地PN碼發生器與外來信號保持同步。如果由于某種原因引起失步,則重新開始新的一輪捕獲和跟蹤過程。圖6為同步電路仿真結果,從圖中可以看到同步電路工作的兩個過程即捕獲和跟蹤過程。

4系統仿真結果

本設計應用SystemView進行理論建模仿真,應用Verilog-HDL語言進行代碼設計。

圖7為系統配置成接收端,芯片主要信號的仿真波形。圖8為整體仿真局部放大后的電路仿真波形。圖中DATA_IN為所要經過電力線傳輸的數據信號,top_data_out_1為系統解調后接收到的數據。SYNC_SH_FA為發送端系統的同步信號SYNC;SYNC_SH_SHOU為接收端系統的同步信號SYNC;從圖可以看出系統在同步的前提下可以正確的解調出電力線上數據信號,從而完成電力線通信的功能。

5結束語

本文設計了一款基于擴頻通信的低壓電力線載波調制解調芯片,詳細的描述了其工作原理及主要模塊的設計思想,并用Verilog語言進行了代碼設計。此外,本設計通過了嚴格的FPGA驗證,驗證結果表明本設計能很好的滿足設計要求,因而具有很高的實用價值。

參考文獻

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[8]楊迪 直接擴頻接收機的碼捕獲與跟蹤技術研究[D].昆明: 昆明理工大學, 2007.

作者簡介

榮岳棟,碩士,通信專用集成電路與系統設計

徐東明,教授,碩士,通信專用集成電路與系統設計。

篇9

關鍵詞：電力線通信；監控系統；硬件設計

中圖分類號：TM764

隨著目前城市建設的高速發展和一戶一表工程的廣泛實施，客戶電能表的數量不斷增加，而由于利益的驅動，存在不少用戶竊電的現象，況且電表設備安裝在用戶端，給違章竊電提供了便利，給電力系統的維護和管理造成了巨大的不便，易造成資源的浪費和電耗的居高不下。這種情況給用電管理部門帶來了越來越繁重的任務，迫切需要提高現代化用電管理的技術水平。然而電表箱的安裝地點卻是無法改變的，因此只能在防竊電、防電表箱的破壞和開啟上進行設計和開發。本文是基于電力線傳輸的電表箱遠程監控系統的硬件部分進行設計的，通過此監控系統的硬件部分，就可以及時的反饋電表箱的開關狀態并通過電力線進行傳輸。這樣就可以通過設計的監控軟件將所有的監控設備聯系在一起構成一個電表箱防竊防破壞系統，進而實現對所有電表箱的統一實時監控和管理，掌握電表箱的開啟時間，防止電表箱的破壞。

1 基本現狀

電力供應在現代社會中扮演著非常重要的角色，人們的工作和生活都離不開它。但電力系統目前面臨著十分嚴峻的形勢和非常復雜的環境，其中最大的挑戰是電耗高、傳輸過程損失較大和部分不法分子的竊電。針對這種情況采取的一般都是低端的防盜報警方法，這種方法通常用于遠程不動點報警的場合，雖然可以防止了破壞和盜竊現象，但該傳統方法具有高發射功率、覆蓋面積小和管理方面的制約因素等很多缺點，不利于電力系統的管理和維護[1]。而基于電力線的遠程監控系統則可以使用現有電力設備，利用電力線傳輸報警信息，可以實現低成本，高效率的防盜，防破壞報警。

發展基于電力線的電表箱遠程監控系統，解決了傳統的缺點方法，可以有效解決功耗問題。目前有很多電力部門使用一些低端報警設備，防盜設備或軟件，但是當前報警系統有很多缺陷和不足。例如很多電力報警系統，使用的軟件或系統獨立，不依賴于電力傳輸線，這就給電力行業造成了很大的壓力，同時需要架設額外的信號線，也會為能源消耗帶來許多壓力。而基于電力線的電表箱遠程監控系統可以使用的區域范圍廣泛，不僅用于分布集中的住宅區，更主要應用于大型工礦企業和自助變電站、儲存倉庫、停車場等等，可以有效的防竊電和防電表箱的破壞。

2 硬件系統方案確定

2.1 總方案的確定

運用原有電力線傳送信號，在每個電表箱中安裝一個監控按鈕和報警芯片，當表箱開啟或惡意破壞時，報警芯片識別并發送報警信號由原有220V電力線傳遞報警信息，并由報警監控指揮中心接收，并及時通知工作人員進行查看，本方案是利用高壓電力線、中壓配網電力線或低壓配電線作為信號傳輸媒介進行數據傳輸的一種特殊通信方式。把載有信息的高頻載波信號加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信息的適配器再把高頻載波信號從電流中分離出來以實現信息傳遞。前臺使用Visual Basic 6.0編寫軟件界面，后臺數據庫使用SQL2005。

2.2 電力線載波通信技術的使用

電力線載波是指利用高壓、中壓或低壓配電線作為信息傳輸媒介進行語音或數據傳輸的一種特殊通信方式。該技術是把載有高頻載波信號加載于電流，然后用電力線傳輸，接收信號的適配器再把高頻載波信號從電流中分離出來以實現信息傳遞。電力線通信可以利用現有的電力基礎設施，通信可靠性高，具有等時性，能夠為電力系統管理提供傳輸通道，實現電力、數據和圖像綜合業務傳輸[2]。

本系統采用電力線載波通訊模塊來進行信息的轉換，其核心芯片采用專用電力載波集成電路，配合新形科技專門研發的通訊算法及電力線接口信號驅動電路，使得產品具有通信速率高，通訊可靠，抗雜波干擾能力強，通訊距離遠等特點，是專門為適應中國國內電力線應用環境而研發的高性能電力線載波通訊產品。其實物圖見圖1。

2.3 單片機的選擇和開發

硬件系統由于要實現電表箱報警狀態信息的傳輸，因此采用既不太簡單又不是過于復雜的單片機即可，因此選擇采用STC89C52RC，該單片機是宏晶科技推出的新一代高速低功耗超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容8051單片機，可以任意選擇6時鐘機器周期和12時鐘機器周期，其容量和速度完全滿足該監控系統對硬件的方案需求[3]。監控系統硬件實物圖如圖2所示。

單片機的開發語言采用德國Keil Software公司的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與傳統C語言的語法類似，在功能上、結構性、可讀性、可維護性上比匯編語言有明顯的優勢，易學易用，可以大大的提高工作效率和項目開發周期，還可以在關鍵的位置嵌入匯編語言，使程序達到接近于匯編的工作效率。編譯代碼高效、快速，生成的目標代碼效率非常高，在開發大型軟件時更能體現高級語言的優勢。

3 結論

對于供電企業來說，在不改變原有電力系統設備的基礎上，通過電力載波模塊和單片機實現了監控系統的硬件設計，并將信息直接利用電力線進行傳送，可以節省大量的人力、物力和財力，能夠實現遠程的監控，方便了電力系統的日常維護和管理。同時采用電力線通信解決了數據信息的采集和傳送，提高了系統的安全性，隨著電力線通信技術的不斷成熟和GPRS網絡的逐步完善，基于電力線通信的監控系統將會得到廣泛的應用[4]。

參考文獻：

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[4]孟逢逢.基于電力線通信的信息家電網絡系統[J].上海電力學院學報，2013，6：230-232.

篇10

【關鍵詞】配電自動化；電力線載波通信技術；數據庫

前言

近年來，隨著我國社會經濟的飛速發展，人們的生活水平不斷提高，在用電量日益增加的同時，也對生活的用電質量提出了更高的要求。但就我國配電網建設的現狀來說，由于資金短缺、設備落后等問題，嚴重制約了配電網的發展，甚至導致了一些配電事故的發生。鑒于此，加強對配電網系統的建設刻不容緩。當前，在科學技術的影響下，配電自動化技術作為融合計算機技術、電力系統技術以及通訊技術為一體的新型系統，能夠對配電網中的設備進行實時的監控，從而確保配電網運行的穩定性，提高了供電質量，并減少了工人的工作強度，大大降低了供電企業的運行成本。在配電自動化系統的運行過程中，通常以通信手段為基礎，一是將控制中心產生的命令傳輸至各個不同地方的遠方終端，二是將遠方設備的相關運行情況以數據信息的方式傳回控制中心，從而保證實現配電網的自動化管理。由上可見，通信技術是決定配電自動化技術高低的重要標志。

1.配電自動化通信系統的概述

所謂配電自動化，就是對配電網中各種數據信息進行集成，構成一個自動化系統，實現對配電網以及相關設備運行的實時監督，不斷優化配電網的運行方式；一旦配電網在運行時發生故障，也能夠根據相關數據及時找出故障區域，及時采取補救措施，盡量減少停電的時間和面積，保證用戶的用電需求。在這個過程中，與輸電網調度的自動化系統相同，配電自動化系統也需要以一個通信網絡為依托，實現信息數據、控制命令等在控制中心與遠方終端之間的傳輸。

1.1 配電自動化通信系統的特點

配電自動化通信具有如下特點：一是終端節點的數量非常多。配電網的遠方終端包括變電站、配電變壓器以及線路負荷開關等多種設備，要想實現對這些設備的實時監控，就需要大量的終端節點。二是通信節點比較分散。配電設備的分布區域比較廣泛，在安裝配電自動化終端時，其節點的分布比較分散。三是通信距離很短。配電網所覆蓋的一個區域相對比較小，各個配電自動化通信節點間的距離短。當在配電自動化通信網中將主通道與小區的分支通信網結合的時候，配電自動化終端設備之間的通信距離只有二到三公里。四是通信數據的量很小。由于配電自動化遠方終端的控制對象主要是線路開關以及配電變壓器等設備，監控的數量有限，配電自動化通信系統所傳輸的信息量小。

1.2 配電自動化通信系統的基本要求

在配電自動化通信系統的構建過程中，需要注意以下要求：首先，配電自動化通信系統的運行條件是非常苛刻的，對可靠性的要求非常高。這主要是因為大多數的配電自動化通信裝置都處于戶外環境，容易受到溫度、降水等惡劣自然條件的影響。在通信設備的安全過程中需要進行防雨、防潮等保護措施，尤其是對于安裝在電力線柱上的設備來說，要保證其具有很強的抗干擾能力，避免受到高電壓、雷電等不良條件的破壞。其次，要確保在配電線路發生故障時，通信系統能夠正常進行通信功能，這樣就可以保證配電自動化系統仍具有故障定位的能力。特別是對使用電力線載波的通信方式來說，還需要考慮當線路開關打開后的信號通道問題。再者，配電自動化通信系統還應該具有雙向通信、可靠性高以及操作維護方面等特性。

2.配電自動化系統的通信網

2.1 配電自動化中的電力線載波通信系統的研究

2.1.1 配電自動化中的電力線載波通信系統的概述

就當前的配電自動化系統的通信方式來說，按照信道的不同，主要分為光纖、無線、微波以及電力線載波等多種方式。其中，電力線載波作為電力自動化通信的重要方式之一，是通信高速公路中的重要組成部分。電力線載波分為輸電線載波和配電線載波，相比較光纖通信方式來說，具有很多優點。比如說，電力線載波在通信過程中不需要再鋪設通道，通常與功率通道為一體，因而在通信中不易受到網絡變化的影響；通信通道設備的操作維護也是非常方便。相對的，這種通信方式也具有一些缺陷，首先，電力線載波在通信過程中會產生較大的噪聲，尤其是在高壓電力線路中，游離放電電暈和開關操作等過程都會產生較大的噪聲；此外，電力線路上的阻抗變化也是很大，一般高壓電力線的阻抗在300～400Ω 左右，而且呈現波動的狀態，這樣就會嚴重影響載波通道的衰減。當通道的加工不完善或是存在容性的負載，這就會使載波通道的阻抗加劇變化，嚴重時會導致通信的中斷。

2.1.2 低壓電力線載波通信的應用

電力線載波通信可以依據高壓電力線、中壓電力線、低壓配電線三種電力線進行信息傳輸。其中高壓的電力線載波主要用于地、市級或是以下的供電部門的調度通信管理；中壓電力線載波可以作為配電網自動化的應用傳輸通道；而低壓電力線載波則能夠為用戶提供網絡接入以及智能家居等服務。就中壓電力線載波的應用現狀來說，主要用于10 kV的配電網自動化系統當中，通過作為數據的傳輸通道，為實現配電網的自動化管理作依托。10 kV的配電網傳輸具有非常復雜的特性，只能夠通過測試來得到數據在傳輸過程中的特性。在對配電網自動化中的電力線載波通信進行研究的過程中，應當充分分析具體應用的現狀。對于電力線載波的數據傳輸設備應用中，一旦因傳輸距離過長而不能夠及時送達時，要根據不同的調制方法采取不同的中繼方式，并對現場進行驗證。再者，面對突發的噪聲干擾現象，并不只是簡單的進行校驗，要采取恰當的解決措施。在大型的、多用戶的配電網自動化系統中，電力線載波在傳輸數據過程中，往往缺少實際的第一手資料，所以為了快速的響應這個問題，就需要不斷完善現有的傳輸設備和數據庫，有效的實現電力系統的自動化管理。

2.2 配電自動化中的數據庫設計

配電網自動化具有信息量大、結構復雜的特點，無論是從計算機硬件系統還是軟件體系來說，都應該不斷滿足配電自動化系統的發展。在配電自動化中的數據庫設計時，要不斷滿足實時高效的要求，然而當前大型的商用關系數據庫很難滿足這個需求，可以與專用的實時數據庫相結合，從而形成集網絡功能與透明傳輸功能于一體的全網實時數據庫，這樣不僅方便了相關程序的開發過程，也使得整個系統具有良好的擴充性。

3.結束語

綜上所述，配電自動化中的電力線載波通信作為一種以電力線為傳輸媒介的信息傳遞方式，廣泛的應用于我國的配電網系統當中。但與此同時，面對電力線噪聲大、阻抗變化大的缺點，還需要對其進行進一步的研究，從而保證配電自動化系統的平穩運行，不斷提高配電自動化通信的可靠性。

【參考文獻】

[1]孫海翠，張金波.低壓電力線載波通信技術研究與應用[J].電測與儀表， 2006，9（08）：48-50.