【正文】 及綜合成績 答 辯 情 況 提 出 問 題 回 答 問 題 正 確 基本 正確 有一般性錯誤 有原則性錯誤 沒有 回答 答辯委員會評語及建議成績： 答辯委員會主任簽字： 年 月 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 電力線通信 (Power Line Communication， PLC)是指以電力線作為媒質(zhì)進(jìn)行數(shù)據(jù)、信息的傳輸和交換。 論文主要完成的工作有：對電力線信道特性做了詳細(xì)的分析，包括多徑干擾特性、 阻抗特性、背景噪聲等 ； OFDM 技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速 PLC 的關(guān)鍵技術(shù)， 論文對OFDM 技術(shù)的原理、實(shí)現(xiàn)以及關(guān)鍵技術(shù)做了分析與研究，最后對基于電力線信道OFDM 的 PLC 做了 MATLAB 仿真研究；基于 MAXIM 公司的 MAX2986 和 MAX2980的 PLC 解決方案，論文對 PLC 調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行了硬件的設(shè)計(jì)與制作 ；論 文將基于MAX2986 和 MAX2980 的 PLC 調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用于電力線抄表系統(tǒng)，在抄表之余，同時實(shí)現(xiàn) Inter 接入功能。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和信息技術(shù)迅猛發(fā)展，國內(nèi)外開展利用低壓電力線傳輸速率在 1Mbps 信息的高速電力線載波技術(shù)，該技術(shù)在現(xiàn)有電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)，語音和視頻等多業(yè)務(wù)的承載。在 電力 線路上電壓高、電流大、噪聲大、負(fù)載種類多，要在電力線上傳輸信號，就是對技術(shù)設(shè)備抗干擾性和穩(wěn)定性提出的挑戰(zhàn)。國際各大公司紛紛推出 PLC 調(diào)制解調(diào)芯片。 國內(nèi)發(fā)展 在高速 PLC 研究和推廣方面，我國進(jìn)步較晚。 20xx 年 3 月引進(jìn)歐洲 PLC 產(chǎn)品進(jìn)行語音傳輸試驗(yàn)，在我國第一次實(shí)現(xiàn)了利用電力線同時上網(wǎng)和打電話。隨著 PLC 技術(shù)的突破以及應(yīng)用的深入， PLC 在國內(nèi)商業(yè)化只是遲早的事。 電力線載波優(yōu)點(diǎn)： (1)電力線載波通信利用的是現(xiàn)有的電力基礎(chǔ)設(shè)施 ——電網(wǎng)，這個傳輸媒介是全球覆蓋最大的網(wǎng)絡(luò)，用電力線做接入無需新布線就可以用到有電的地方就有寬帶接入，不受地形、地貌的影響，投資少，施工期短，設(shè)備簡單，可以同其他通信手段一起實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。 不過，我們也要看見載波電力線的不足，由于受電網(wǎng)的影響， PLC 的傳播距離有限，在低壓配電網(wǎng)中無中繼的傳輸距離一般在 250m 以下。 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 電力線載波 通信 原理 圖 電力線載波通信的原理框圖 上圖所示為實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的原理框圖。經(jīng)實(shí)踐證明，把 1 路 ～ 的語音信號，通過變頻將語音信號頻譜搬移到高頻頻段，如40kHz 以上的高頻信號在電力線上傳輸，在接收段用濾波器就比較容易選出。它由耦合電容 C 和結(jié)合濾波器 F 組成。阻波器 T 是一個調(diào)諧電路，其電感線圈能通過很大 50Hz 電流的強(qiáng)流線圈，保證 50Hz 電流的傳送，而整個調(diào)諧電路諧振在高頻信號的頻率附近，阻止高頻信號通過，能起到防止發(fā)電廠或者變電所母線對高頻信號的 旁路作用。中心頻率為 f1 的收信帶通濾波器濾出 f1+(0． 3—3． 4)kHz 的高頻信號，經(jīng)過放大、解調(diào)以后得到 A 端的語音信號。實(shí)際上，電力線路設(shè)備中的阻波器和耦合電容器、結(jié)合電容器的作用，同通信線載波設(shè)備中的線路濾波器的作用完全相同。在實(shí)際選擇頻帶時，還必須考慮無線電廣播和無線電通信的影響。這樣，在一條電力線上開設(shè)電力線載波，它的信號雖被阻波器阻塞，但還會串?dāng)_到同一母線的其他相電力線上去。 電力線載波通道基本特性分析 電力線載波信號是在傳送 50Hz 輸電線上進(jìn)行傳輸?shù)?。采用相地耦合方式的電力線高頻通道的衰減特性常用下面經(jīng)驗(yàn)公式表示 式中 Ｌ ——電力線的長度， km； ?——高頻信號的頻率， kHz： Ｋ ——系數(shù)，對 35kV 線路取 103， 110kV 線路取 103， 220kV 線路取 103， 400～ 500kV 線路取 103； n——電力線路的端數(shù)，一般取 n=2； ——高頻電纜每千米的衰減， dB／ km； Cl ——兩端高頻電纜的總長度， km； 電力線的衰減頻率特性，從上式可以得出頻率越高衰減越大，另外，同一線路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰減要大。衰減的主要原因并不在于電力線本身的阻抗，而是電力線上并連著的許多負(fù)載，尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容。由于負(fù)載情況隨著時間發(fā)生變化，因此在任何給定的頻率點(diǎn)上，衰減也會隨著時間變化，其變化范圍 可高達(dá) 20dB。由于信號在每條路徑上經(jīng)歷的時間 不同，延遲信號在接收端與原始信號疊加產(chǎn)生干擾，即多徑干擾。與其它通信信道不同，電力線信道不是加性高斯白噪聲信道。這種噪聲主要由中短波發(fā)射的廣播臺的介入引起，并且它的幅度通常隨著時間變化。這種噪聲主要由與電源同步工作的電力設(shè)備引起。如圖 所示。在這樣的噪聲發(fā)生的情況下，可以很明顯地看到噪聲功率譜密度較大，這會引起數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍劐e誤或突發(fā)錯誤 。另外考慮到延時 τi，信道長度 di。 傳輸信號隨著長度和頻率的增加而衰減，長度為 L 的傳輸線的頻率響應(yīng)可以用復(fù)傳輸常數(shù)表示為： ???? jCjGLjRr ????? ))(( 39。 式中參數(shù) R’、 L’、 G’和 C’分別表示導(dǎo)線的電阻、電感、電導(dǎo)及電容是由主傳輸線決定的。 LR ??? ， 39。傳輸常數(shù)的實(shí)部用 a 表示，代表衰減因子，隨著頻率的增加而增加。 OFDM 采用 FFT 和IFFT 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，可以方便地使用數(shù)字信號處理器件來實(shí)現(xiàn)，采用保護(hù)間隔和循環(huán)前綴來抗多徑，從而有效地降低 ISI(碼間干擾 )和 ICI(信道間干擾 )。 OFDM 調(diào)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?shù)淖虞d波，子 載波的幅頻響應(yīng)相互重疊和正交。 圖 OFDM 子信道頻譜 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 在 OFDM 系統(tǒng)中，各子載波在整個符號周期上是正交的，即加于符號周期上的任何兩個子載波的乘積等于零，因此各子載波信號頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。 當(dāng) OFDM 所有子載波的頻譜疊加在一起，信號頻譜接近于矩形頻譜，因而其頻譜利用率在理論上可以達(dá)到香農(nóng)信號傳輸?shù)臉O限。 首先將發(fā)送端的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后變?yōu)?N 路并行信號，然后將各路信號分別進(jìn)行基帶調(diào)制，各路可選用相同或不同的調(diào)制方式，然后通過快速傅立葉反 變換，將基帶信號調(diào)制到各個子載波上，為了消除碼間干擾，在 OFDM 信號中加入保護(hù)間隔，使得保護(hù)時間大于信道的多徑時延，通常是將 OFDM 符號尾部長度為 L 的樣品復(fù)制到本符號的前面，作為循環(huán)前綴 (CyclicPrefix， CP)用以間隔各符號?？梢?， 將基帶信號分別調(diào)制到 N 個正交的子載波上就相當(dāng)于對 {Xk}作 IDFT 運(yùn)算，相應(yīng)的，解調(diào)就相當(dāng)于對接收到的信號作 DFT 運(yùn)算，而DFT、 IDFT 可用 FFT 算法快速高效地實(shí)現(xiàn)。 OFDM 的抗干擾性能分析 抗符號間干擾 (ISI) OFDM 基帶信號輸入的 N 個調(diào)制符號經(jīng)過 N 點(diǎn)的 IFFT 后所得到的 N 個信號 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 就是所需的 OFDM 合成信號的 N 個時域采樣點(diǎn)，在經(jīng)過 D／ A 變換后，就得到了OFDM 信號波形。保護(hù)間隔內(nèi)的信號是由 OFDM 信號進(jìn)行周期延伸生成的，相當(dāng)于將 OFDM信號的尾部復(fù)制到前面。當(dāng) ISI 的持續(xù)時間長度與傳輸符號的周期處于同一數(shù)量級時， ISI 的影響會非常嚴(yán)重。然而，實(shí)際信道中存在的各種噪聲、多徑失真、衰減等都會對信號產(chǎn)生影響。在保護(hù)間隔中填入符號的循環(huán)前綴能夠保證在一個 FFT 周期內(nèi)每個子載波都有完整的波形周期，從而避免子載波之間的串?dāng)_。先將發(fā)送端輸入的串行數(shù)據(jù)經(jīng)過串并變換器變成 N 路并行信號，然后將各路信號分別進(jìn)行基帶調(diào)制，通過快速傅立葉反變換，將基帶信號調(diào)制到各個子載波上，在實(shí)際應(yīng)用中，為了消除碼間干擾，在 OFDM 信號中加入保護(hù)間隔，使得保護(hù)時間大于信道的多徑時延，通常是將OFDM 符號尾部長度為 L 的樣品復(fù)制到本符號的前面，作為循環(huán)前綴 (CyclicPrefix，CP)用以間隔各符號。 關(guān)閉某些子信道最初發(fā)送所有子載波 衰落后采取自適應(yīng)措施信噪比門限 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 4 電力線應(yīng)用 OFDM 載波技術(shù) 由于傳統(tǒng)的窄帶通信不太適宜在低壓電力網(wǎng)上應(yīng)用，而利用擴(kuò)頻技術(shù)占用頻帶寬利用率 低，所以我們將 OFDM 技術(shù)引入低壓電力線載波通信，為低壓電力線載波提供了一條可行的途徑。雖然每一路信號的傳輸速率不高，但是 84 路信號合在一起就能得到很高的傳輸速度。 是一種通過家中 的電力線完成設(shè)備互連的技術(shù)規(guī)格。人們以往研究的電力線調(diào)制解調(diào)器，多數(shù)因?yàn)閿?shù)據(jù)傳輸速率太低，而不符合寬帶通信的要求。 本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是 PNT 模塊，即電力線調(diào)制解調(diào)器。 針對 OFDM 調(diào)制解調(diào)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，世界各大芯片廠商都推出了各自的OFDM 處理核心芯片。 選用 MAX2986 和 MAX2980 的主要出于以下幾點(diǎn)： (1)MAX2986 電力線集成收發(fā)器采用 OFDM 調(diào)制方法，與 協(xié)議相兼容，選用該芯片設(shè)計(jì)的電力線 MODEM 可以更好地實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的兼容。 圖 調(diào)制解調(diào)器組成 OFDM 基帶信號處理模塊 系統(tǒng)采用 MAX2986 作為電力線數(shù)字收發(fā)器， MAX2986 數(shù)字收發(fā)器采用MAXIM 先進(jìn)的 OFDM 電力線引擎，提供高達(dá) 14Mbps 的自適應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸速率，傳輸頻帶為 至 ，具有先進(jìn)的窄帶干擾抑制電路，并帶有 56 位DES 密鑰管理，實(shí)現(xiàn)安全通信。 PC接口電路L 80225OFDM 處理模塊M AX 2986前級 AFEM AX 2980耦合模塊電源模塊電力線調(diào)制解調(diào)器電力線 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 MAX2986 結(jié)構(gòu)圖 這款高性能的集成 MAX2986 電力線 收發(fā)器芯片內(nèi)部包含了內(nèi)體訪問控制層(MAC)和物理層 (PHY)，其中 MII/rMII/FIFO 單元是 MAX2986 收發(fā)器的接口層。具有密鑰管理的 56 位 DES 加密電路提供安全保障。 圖 MAX2986 基帶處理模塊設(shè)計(jì) 整個系統(tǒng)采用了三種不同頻率的時鐘，分別是 30MHz、 50MHz、 25MHz。 圖 時鐘電路 50． 0MHz 的時鐘頻率由 MAX2986 的 AFECLK 輸出，供 MAX2980 的工作使用，MAX2986 的 AFECLK 接 MAX2980 的 CLK。它高度集成的設(shè)計(jì)包括了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (A/D)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (D/A)、濾波器以及線路驅(qū)動器、自動增益控制 (AGC)等等，具有高性能和低成本的特點(diǎn)。 模擬前端的信號接收部分包括了 LNA(10wnoiseamplifier)、商通濾波器 (HPA)、低通濾波器 (LPA)、自動增益控制放大器 (AGC)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。在電路設(shè)計(jì)上不必再設(shè)計(jì)放大電路和帶通濾波電路等外圍電路。在電路設(shè)計(jì)上可以不用再添加額外的放大器和緩沖器。最后經(jīng)線路驅(qū)動后的信號由輸出 (Output)口發(fā)送上電力線，電力線傳來的信號又經(jīng)輸入 (Input)送入 MAX2980濾波整形。 Ether 接口電路見圖 。 發(fā)光二極管 LED1～ 3 組成了 Ether 工作狀態(tài)的指示電路。 L80225 工作頻率為 25MHz，由 25MHz 生成電路提供。 圖 網(wǎng)口接線圖 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 當(dāng)外部主機(jī)準(zhǔn)備發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，并且 MIICRS 不是高電 (前次發(fā)送已完成 )，外部主機(jī)發(fā)出 MIITXEN，同時數(shù)據(jù)出現(xiàn)在 MIIDAT[3:0]上。 MII 接口的發(fā)送如圖 所示 圖 MII 接口發(fā)送 當(dāng) MAX2986 準(zhǔn)備發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給外部主機(jī)時，如果沒有正在進(jìn)行中的發(fā)送會話，等待一個 IFG 之后 (相對于 MIICRS，約 )， MAX2986 發(fā)出 MIIRXDV信號。它的主要作用如下： a)使系統(tǒng)與電網(wǎng)電隔離； b)從電力線上提取高頻通信信號到 MAX2980 模擬前； c)將MAX2980 處理好的高頻信號注入電力線網(wǎng)絡(luò)； d)電力線調(diào)制解調(diào)器使用中需要三相問的異相信號傳 輸，耦合電路還起到高頻信號的相間耦合。 D D2 為兩個二極管，防止高壓進(jìn)入。接收時，電力線上的高頻有用信號通過去耦合后，先經(jīng)過高通濾波器 (HPF)，進(jìn)一步濾除高頻干擾信號，再送入 MAX2980；發(fā)送時 MAX2980 通過耦合后，直接將信號送入電網(wǎng)。 TNY266 電路如圖 所示 。 LTV817