【文章內(nèi)容簡介】 時變性，不同時刻的測量值超過 20DB，白天和晚上表現(xiàn)出很大是差異。在工廠辦公室內(nèi)白天的衰減比晚上打，而在居民小區(qū)，晚上 6 到 10 點反而是衰減最大的時候，因為這段時間是居民用電即負載最重的時候。在設(shè)計通信方案時要充分考慮到這些因素。 （ 4） 電力線衰減在頻域上呈現(xiàn)出強烈的變化，從總的趨勢上來說隨著頻率的升高衰減越來越多，單遠非單調(diào)遞增，而是表現(xiàn)為劇烈的波動，在幅頻曲線上產(chǎn)低壓電力線載波通信系統(tǒng) 5 生大大小小的下陷。當電力線里有大的電容時，在某些特定的頻點上會造成諧振，此時負載會近似為短路。造成接收信號急速降低，形成窄帶衰減。在選用通信頻率時應(yīng)該盡量避開這些頻點。 （ 5） 一般同相衰減小于垮相衰減，單在一定頻率點上可能會例外，這可能是電阻負載、反射、多徑傳播或駐波等現(xiàn)象造成的影響。 （ 6） 高頻信號在低壓電力線上傳輸時，還有一個顯著的現(xiàn)象去其衰減隨工頻電源的相位而變化，有時高頻信號在工頻電源的某個相位范圍內(nèi)會產(chǎn)生較大的衰減變化。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，可能是因為一些工作于開關(guān)狀態(tài)的設(shè)備，如開關(guān)電源燈在工頻交流 電的一定相位時打開開關(guān)器件，于是就將電力線接到了后面的電路上。這些電路上通常含有大量的電容器或大功率的負載，所以引起高頻信號衰減的劇烈變化。除此之外，開關(guān)電源會向電力線上釋放大量的高頻干擾，從而影響通信系統(tǒng)的工作。隨著負載的在電力線上的連接或者斷開，在不同的時刻，信號衰減都會表現(xiàn)出不同的特點。有時這種變化的程度會很大。由于負載的變化是隨機的，所以信號衰減也會隨機的發(fā)生變化。但是，從統(tǒng)計上看，這種變化還是有一定的規(guī)律可尋的。另外，接收機所處的位置不同，信號的衰減不同。在某些負載如彩色電視機、計算機等的旁邊，高 頻信號的衰減往往會增大許多。 噪聲特性分析 噪聲特性是電力線的又一重要特性，電力線屏蔽性差，易引起外界的干擾，用電器種類又繁多，因此室內(nèi)電力線上存在許多強時變性的噪聲干擾。 （ 1） 從時域上看，室內(nèi)電力線上的噪聲表現(xiàn)出一定的周期性，主要頻率為電力系統(tǒng)頻率的兩倍，這是與工頻有關(guān)的可控硅的工作造成的。從頻域上看，一般而言，噪聲的功率譜隨頻率的升高而降低，但有時又有很多的變化，存在許多突變。 （ 2） 電力線上的噪聲也表現(xiàn)出很明顯的時變性，在不同的時刻，噪聲干擾的頻率和強度都不相同，但想要了解某個環(huán)境中電力 線噪聲特性就要多次測量不同時刻的頻率譜曲線，再研究統(tǒng)計平均后的頻率譜密度曲線。 （ 3） 噪聲的強度還依賴于噪聲源離接收機的遠近，因為噪聲在電力線上的傳輸也會像通信信號一樣被衰減，傳輸距離越遠衰減越大。若在接收機附近有一強的噪聲源，且其功率譜密度在通信所有的頻帶范圍內(nèi)較強，則最有可能影響通信低壓電力線載波通信系統(tǒng) 6 信號的正確傳輸，這種情況應(yīng)是電力線通信所極力避免的。 （ 4） 因為電力線上存在多種性質(zhì)各異的噪聲，要想減小噪聲，降低通信誤碼率就需要對這些噪聲的性質(zhì)、來源、頻譜特性進行研究。低壓電力線的傳輸環(huán)境不同于其他信道，它的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連 接的負載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化，因此作用于它的噪聲不能簡單的歸結(jié)為加性高斯白噪聲，而應(yīng)根據(jù)不同噪聲源進行具體分析。通常將電力線的噪聲分為 5 類。各類噪聲的特性參數(shù)見下圖： 圖 21 各類噪聲特性圖 （ 1） 有色背景噪聲：這種噪聲隨頻率而發(fā)生變化，具有相對低的頻率譜密度（ PSD）。它主要是由各種低壓功率的噪聲源產(chǎn)生的，它的功率譜密度隨時間的變化而發(fā)生簡單的變化。 （ 2） 窄帶噪聲：一般由中、短波廣播 所引發(fā)，它隨時間而發(fā)生變化。 （ 3） 與工頻異步的周期性脈沖噪聲：這種噪聲的重復(fù)頻率一般為 50200Hz，由電視機或電腦顯示器干擾所造成，它的重復(fù)頻率與電視屏幕或電腦顯示器的掃描頻率同步。 （ 4） 與工頻同步的噪聲周期性脈沖噪聲：脈沖的重復(fù)頻率為工頻或工頻的整數(shù)倍。脈沖的持續(xù)時間很短，頻率覆蓋范圍大，功率大，功率譜密度隨頻率的升高而下降。它的主要作用是由可控硅整流器件造成的。 （ 5） 異步脈沖噪聲：閃電或網(wǎng)絡(luò)上負載（如電容器組，自動調(diào)溫器，冰箱，空氣調(diào)節(jié)器等）的開關(guān)操作會產(chǎn)生脈沖噪聲，每個脈沖噪聲都會影響很寬的 頻帶。它的到達時間是隨機的，持續(xù)時間從幾 s? 到幾 ms。脈沖噪聲的功率譜密度有時psd f 有色背景噪聲 psd psd f f 窄帶噪聲 與工頻異步的 周期性脈沖噪聲 psd f 與工頻 同步的 周期性脈沖噪聲 psd f 異步脈沖噪聲 低壓電力線載波通信系統(tǒng) 7 會比背景噪聲高出 50db。這類噪聲是電力線的最大障礙。 通常，前三類噪聲隨時間變化緩慢，常歸結(jié)為背景噪聲。后兩種噪聲的時變性強，當出現(xiàn)這些噪聲時，功率譜密度會突然上升，數(shù)據(jù)傳輸會造成很大的差異。噪聲很難直接定量的表示，但也有一定的規(guī)律性，比如噪聲隨頻率的增高有下降的趨勢，并且無論噪聲所復(fù)雜，都是由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成。 系統(tǒng)干擾特性分析 在低壓電力線上進行數(shù)據(jù)通信時的另 一個需要研究的重要問題是電力線上干擾特性性質(zhì)。電力線上的干擾可分為非人為干擾和人為干擾。非人為干擾指的是一些自然現(xiàn)象，如雷電在電力線上引起的干擾。人為干擾則是由連接在電力線上的用電設(shè)備產(chǎn)生的，并對數(shù)據(jù)通信有更嚴重的影響。為了表示這種干擾的復(fù)雜特性并簡化分析，我們可以近似的將其分為 4 類：周期性連續(xù)干擾、周期性的脈沖干擾、時不變的連續(xù)干擾和隨機產(chǎn)生的突發(fā)性干擾。通常情況下，前兩類干擾占主導(dǎo)地位。 (1)低壓電力線上干擾的周期性。 產(chǎn)生這種周期性干擾的原因是由于許多用電設(shè)備會在工頻交流電擊波的某個固定相位上釋放出 干擾。在實際情況中，由于有大量的用電設(shè)備同時釋放干擾，而這些干擾的瞬時功率、周期、相位等又變化很大，各不相同，因此最終會在電力線上產(chǎn)生時不變的連續(xù)干擾。由于信號在電力線上傳輸?shù)乃p非常大且富于變化，而且干擾頻譜有可能部分或完全覆蓋信號頻譜，因此，在通信過程中的信噪比可能會變的很低，通信誤碼率增加。 (2)低壓電力線上干擾的隨機性。 除了上述的周期性和連續(xù)性的干擾外，電力線上還存在許多隨機發(fā)生的干擾。這些種隨機干擾通常是由于高壓開關(guān)的操作、雷電、較大的負荷變化、電力線上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脈沖 干擾或脈沖干擾群持續(xù)時間較短，但能量很集中，頻譜也很寬。高壓的斷開和閉合在電力線路上導(dǎo)致的暫態(tài)過程會產(chǎn)生一系列的電磁脈沖（脈沖群），而這一暫態(tài)過程受多種因素影響，分散性極大。另外，低壓電力線路上的各種大功率負載的突然開關(guān)、大功率電機的啟停過程、功率因數(shù)補償電容器的投切以及短路、故障切除和重合閘等都會引起電壓、電流的突變和和頻譜分量的增加。而在離接收機近距離的范圍內(nèi)，某些中小低壓電力線載波通信系統(tǒng) 8 功率的負載，如日光燈、計算機等的開關(guān)也會產(chǎn)生較大的突發(fā)脈沖干擾而影響通信。通信過程中，由于其高能量、寬頻譜的特性，通常會使所傳數(shù)據(jù)的若干 各位甚至整個數(shù)據(jù)傳輸過程發(fā)生錯誤。在一個完善的低壓電力線載波通信系統(tǒng)中，可以通過前向糾錯碼、自動重發(fā)機制、數(shù)據(jù)預(yù)取機制等措施加以克服。 (3)低壓電力線上干擾的多變性 出于與信號衰減多變性同樣的原因，低壓電力線上的干擾也存在多樣性。這種多樣性表現(xiàn)在兩個方面。首先是因時而變，即在不同時刻，干擾的頻率、強度都各不相同。其次是因地而變，即在不同的低壓電力網(wǎng)之間，干擾的情況各不相同；而在同一個低壓電網(wǎng)之內(nèi)，不同地點的干擾情況也不相同。電力線上干擾的因地而變的特性對低壓電力線載波通信系統(tǒng)也會產(chǎn)生很大的影響。 第 3 章 擴頻通信的相關(guān)研究 擴頻通信基本原理 隨著人們的需求以及通信技術(shù)不斷的發(fā)展， 通信正朝著高速率、寬頻帶、大容量方向發(fā)展。就理論研究而言，低壓電力線載波通信已從傳統(tǒng)的頻帶傳輸（幅頻鍵控 ASK，頻移鍵控 FSK，相移鍵控 PSK）發(fā)展到擴頻通信（ SSC）技術(shù)、多載波正交頻分多址（ OFDM）技術(shù)以及使用高速光纖的光波分復(fù)用（ WDM）技術(shù)等。 所謂擴展頻譜通信，可簡單表述如下： “擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個獨立的碼序列來完成 ，用編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)；在接收端則用同樣的碼進行相關(guān)同步接收、解擴及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù) ”。 其基本原理如下圖所示： 低壓電力線載波通信系統(tǒng) 9 圖 31 擴頻通信基本原理圖 香農(nóng)公式 C=W )/1(log 2 NP? (C 為信道容量， W 為頻帶寬度， P/N 為信噪比 )指出在信道容量 C 一定的情況下，頻帶寬度 W 和信噪比 P/N 是可以互換的，這意味著如果增加頻帶寬度，就可以在較低的信噪比下用相同的信 息率以任意小的差錯頻率來傳輸信息。這就是用擴頻通信的核心好處。 擴頻通信系統(tǒng)分類 就擴展頻譜的不同，擴展通信系統(tǒng)可分為：直接序列擴頻，調(diào)頻，跳時，線性調(diào)頻以及以上各種基本方式的組合。 (1) 直接序列擴頻（ DS），簡稱直擴，即采用高碼速率的直接序列偽隨機碼在發(fā)端擴展信號頻譜，在收端采用相同的偽碼進行相關(guān)解擴，得到原始信息數(shù)據(jù)。 （ 2） 跳頻擴頻系統(tǒng)（ FH），即采用跳頻方式進行擴頻，相當于采用特定偽隨機碼控制的多頻率移頻鍵控。在發(fā)送端，采用一組高速變化的偽隨機碼控制載波頻率的變化，在接收端，接收機的 頻率合成器也受偽隨機碼的控制，并保持與發(fā)送端一致的變化規(guī)律，使其輸出的跳頻信號能夠在混頻器中與接收到的跳頻信號差頻出一個固定的中頻信號，經(jīng)解調(diào)在輸出端恢復(fù)出原信號。根據(jù)跳頻速率的快慢，又可把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻?？焯l是指一次發(fā)射信號期間有不止一個頻率跳變，即跳頻速率大與信息速率；反之稱為慢跳頻。 （ 3） 跳時擴頻系統(tǒng)（ TH），即采用跳時方式進行擴頻，就是把傳輸一個原始信息位的 時間分成許多片段，在哪個時片發(fā)射信號由擴頻碼序列去進行控制，相當于采用特定偽碼控制的多時片時移鍵控。由于采用了比原始信息位所占 時間信源 數(shù)據(jù)調(diào)制 擴頻調(diào)制 擴頻編碼發(fā)生器 信息接收 數(shù)據(jù)解調(diào) 擴頻解調(diào) 擴頻解調(diào)發(fā)生器 傳輸媒介 同步電路 低壓電力線載波通信系統(tǒng) 10 窄的多的時片發(fā)送信號，所以信號的頻譜展寬了。 （ 4） 線性跳頻系統(tǒng)（ CHIRP），其發(fā)射信號的載波頻率在信息脈沖持續(xù)周期內(nèi)做線性變化，由于這種線性調(diào)頻信號占用的頻帶寬度與大于信息寬度，所以這種通信系統(tǒng)也是一種擴頻調(diào)制系統(tǒng)。 （ 5） 混合系統(tǒng)即為上述幾種基本的擴頻方式組合而構(gòu)成的擴頻系統(tǒng)，如直擴，跳擴和時擴三種方式的組合即 DS/FH/TH 混合系統(tǒng)?；旌蠑U頻方式實現(xiàn)比較復(fù)雜，但它能融合幾種方式的優(yōu)點，可以滿足更高要求的抗干擾指標。 直接序列擴頻系統(tǒng) 直接序列擴頻系統(tǒng)又稱 “平均 ”系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)，它是 目前應(yīng)用較廣泛的一種擴展頻譜系統(tǒng)。 直接序列擴頻信號的產(chǎn)生 直接序列擴頻就是用高速率的偽隨機碼序列與信息碼序列模二加后（波形相乘）的復(fù)合碼序列去控制載波的相位而獲得直接序列擴頻信號。一般情況下均采用 PSK 信號，而較少采用 FSK 或 OOK。由通信原理可知，在 PSK、 FSK、 OOK三種調(diào)制中， FSK 信號是最佳調(diào)制信號，所謂最佳是指在其他條件相同的情況下，PSK 誤碼率最小，為了節(jié)省發(fā)射功率和提高發(fā)射機工作功率，通常使用抑制載波的雙相平衡機制。 下圖為直接系統(tǒng)擴頻的組成原理框圖。由信源輸出的信號 a(t)是碼元持續(xù)時間 aT 的信息流，偽隨機碼產(chǎn)生器生產(chǎn)的偽隨機碼 c(t)，每一偽隨機碼碼元寬度或切普（ chip）寬度為 cT 。將碼元 a(t)與偽隨機碼 c(t)進行模二加，產(chǎn)生一速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用擴頻序列去調(diào)制載波，這樣就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。在接收端，接收到的擴頻信號經(jīng)高放和混頻后，用與發(fā)射端同步的偽隨機序列對中頻的擴頻調(diào)制信號相關(guān)解擴，將信號的頻帶恢復(fù)為信息序列 a(t)的頻帶，即為中頻調(diào)制信號。然后再進行解調(diào)，恢復(fù)出所傳送的信息 a(t)，從而完成信息的傳輸。對于干擾信號和噪聲而言，由于與偽隨機序列不相關(guān)，在相關(guān)解擴器的作用下，相當于進行了一次擴頻。干擾信號和噪聲頻譜被擴展后，其頻譜密度降低，這樣就大大降低了進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率，使解調(diào)器的低壓電力線載波通信系統(tǒng) 11 輸入信噪比和信干比提高，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。 圖 32 直擴系統(tǒng)組成框圖 偽隨機信號的調(diào)制與混頻 擴頻頻譜系統(tǒng)信息的傳輸，是把信號調(diào)制 在偽隨機碼序列中再通過偽碼序列對載波調(diào)制后來實現(xiàn)傳輸?shù)?。因此在擴頻通信中，常常需要對偽隨機碼進行調(diào)制、變頻等各種處理，因此，有必要對這些問題作簡要的概述。 設(shè)載波為 tA 0cos? ，偽隨機信號為 c(u,t)，則平衡調(diào)制波為 ttuActf 0co s),()( ?? 式中： A 為載波幅度； 0? 是載波的角頻率。 如果作二相移鍵控調(diào)制時，則調(diào)相波可為 )],(c o s [)( 0 tuctAtf ?? ?? 式中 ),( tuc? 是已調(diào)相位變化， ? 是調(diào)制指數(shù)（即對應(yīng)載波的最大相位偏移）。 信源 PN碼 振蕩器 擴頻