【正文】 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。本論文屬于原創(chuàng)。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。 指導(dǎo)教師簽字： 鄭 重 聲 明 本人所呈交的畢業(yè)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。 中國礦業(yè)大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計 論文題目： 基于 ARM 的電力線載波通信研究 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)論文任務(wù)書 專業(yè)年級 學(xué)號 學(xué)生姓名 任 務(wù) 下 達(dá) 日 期 ： 20xx 年 12月 14日 畢業(yè)論文日期 ： 20xx 年 12月 20日 至 20xx年 6 月 5 日 畢業(yè)論文題目： 基于 ARM 電力載波通信研究 畢業(yè)論文專題題目： 畢業(yè)論文主要內(nèi)容和要求： 學(xué)習(xí)、掌握電力線載波通信原理； 學(xué)習(xí) ARM 控制器使用方法，及開發(fā)平臺的使用； 完成基于 ARM 的電力載波機(jī)軟、硬件設(shè)計。 翻譯近 2 年的相關(guān)英文資料（或論文）一篇，中文字?jǐn)?shù)不少于3000 字； 完成畢業(yè)設(shè)計論文的撰寫。所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本畢業(yè)論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。隨著調(diào)制解調(diào)技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展， PLC 技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展。 PLC 應(yīng)用廣泛： Inter 的接入、智能家庭組建、自動遠(yuǎn)稃抄表等等。 關(guān)鍵字 :PLC 電力線載波通信 OFDM MAX2986 ABSTRACT Power line munication(PLC) uses power line as munication media for data transmission and information exchange ． With the advancement of the technologies of modulation and signal procession ， PLC has been developed greatly． With the technology of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) using in PLC， the reliability and speed Of PLC transmission arrive at a new height． There are many PLC applications， such as HomeBus for making the intelligent building， automatic meter reading and, so on． The work is as follows： The characteristics of the power line channel are studied, which contain multipath attenuation, impedance changes and many varying noise。 電力線作為一種不用重新布線的基礎(chǔ)設(shè)施，過去僅僅用于遠(yuǎn)程抄表、家居自動化，傳輸速率很低，不適合高速信息傳輸。高速電力線載波通信技術(shù) 不斷進(jìn)步，可以傳輸數(shù)據(jù)、語音、視頻和電力為一線的“四網(wǎng)合一”， 極富誘惑力。 目前，高速電力線載波通信技術(shù)仍然沒有得到大規(guī)模的使用，這與自身技術(shù)不完善有很大的關(guān)系。電力線中的信道噪聲是電力線通信發(fā)展的主要問題，如何解決這個問題成為電力線載波通信作為寬帶接入問題關(guān)鍵。隨后，許多國家研究機(jī)構(gòu)紛紛開展了高速電力線通信技術(shù)的研究和開發(fā)，產(chǎn)品的傳輸速率也從 1Mbit／s 發(fā)展到 1 24Mbit／ s 甚至更高。其中以美國 Intellon 公司的 14Mbit／ s 芯片應(yīng)用最為普遍，且大部分電力線載波系統(tǒng)都是基于該芯片開發(fā)的。美國也不甘示弱，在它倡導(dǎo)下成 立了“家庭插電聯(lián)盟”，致力于標(biāo)準(zhǔn)研究，并發(fā)布了第一個 PLC 標(biāo)準(zhǔn) 。從英國公司研究出高速 PLC 技術(shù)以后，我國研究機(jī)構(gòu)也開始對高速 PLC 研究，中國電力科學(xué)研究院采用國外芯片先后研究出可以傳輸速率為 1 4 200Mbit／ s 的低壓 PLC 產(chǎn)品以及 1 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 2 45Mbit／ s 的中壓 PLC 產(chǎn)品。并于 20xx 年底開通我們第一個電力線為傳輸介質(zhì)的 PLC 寬帶接入Inter 試驗(yàn)小區(qū)。 20xx 年 5 月，采用國內(nèi)電力系統(tǒng)研制的產(chǎn)品，開通了第一個國內(nèi)自主研發(fā)的 PLC 寬帶接入系統(tǒng)。主要研究在不同配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中， PLC 產(chǎn)品的耦合方式和組網(wǎng)模式，如何建立施工規(guī)范，并對不同國家的產(chǎn)品進(jìn)行測試。 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 3 2 電力線載波通信技術(shù) 電力線載波通信 電力線通信技術(shù)是指利用高壓電力線 (通常指 35KV 及以上電壓等級 )、中壓配網(wǎng)電力線 (指 10KV電壓等級 )或低壓配電線 (380/220V用戶線 )作為信息傳輸媒介進(jìn)行語音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)?一 種特殊通信方式。 電力線通信并不是新技術(shù)，已經(jīng)有著幾十年的發(fā)展歷史，在中高壓輸電網(wǎng)上通過電力線載波機(jī)利用較低的頻段 (9～ 490KHz)，以較低的速率傳送話音或遠(yuǎn)動數(shù)據(jù)，這是以往電力線載波通信的主要應(yīng)用。 (2)電力線載波通信可靠性高，高壓輸電線結(jié)構(gòu)略固，高壓輸電線安全設(shè)計系數(shù)比光纖的安全設(shè)計系數(shù)高。 (4)能夠?yàn)殡娏倦娏芾硖峁﹤鬏斖ǖ溃瑢?shí)現(xiàn)電力、數(shù)據(jù)、話音和圖像綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)。要實(shí)現(xiàn)自配電變壓器至用戶插座的全力線接入需要借助中繼技術(shù)。由于多個用戶共享信道帶寬，當(dāng)用戶增加到一定程度時，網(wǎng)絡(luò)性能和用戶可用帶寬有所下降，但這些問題可以通過合理的組網(wǎng)方式得到解決。圖中 A 端為發(fā)電廠、 B 端為變電所，發(fā)電廠產(chǎn)生的 50Hz 電流經(jīng)升壓后，通過電力線送到變電所，再經(jīng)降壓后供給用戶。所以，要在電力線上進(jìn)行直接音頻通信。如將多路語音信號分別采用不同頻率的載波進(jìn)行變頻，在電力線上就可以進(jìn)行多路載波電話通信。常用的耦合采用圖中所示的相地耦合方式。耦合電容器和結(jié)合濾波器構(gòu)成一只 高通濾波器，它使高頻信號順利通過，達(dá)到了將高頻信號耦合到電力線的目的。圖中電力線上傳輸?shù)?50Hz 電壓，由于頻率低，電壓幾乎都降落到耐壓很高的高壓耦合電容器兩端，結(jié)合濾波器的變量器線圈上所降電壓無幾，這樣的耦合是非常安全的。 電力線載波通信在兩個方向采用兩個不同的線路傳送頻帶在同一相電力線上來回傳送，是雙頻帶二線制雙向通信。由于阻波器 T1 的存在，高頻信號沿電力線傳輸?shù)?B 端，再經(jīng)過 B 端的 C F2 送入 B 端載波設(shè)備。按照相同的方式，將 B 端的語音信號通過f2+(~)kHz 的高頻信號傳輸?shù)?A 端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向電力線載波通信。但電力線載波設(shè)備與電力線連接時，必須通過線路設(shè)備。 圖 電力線載波設(shè) 備原理框圖 圖 2． 2 中可見， 電力線載波通信系統(tǒng)由電力線載波設(shè)備和高頻通道所組成。使用頻率過高線路衰減將增得很大，通信距離受到限制；而使用頻率太低，將受到 50Hz 工頻諧波的干擾，同時要求耦合電容器的電容量和阻波器的強(qiáng)流線圈電感量增大，而使線路設(shè)備在制造商和經(jīng)濟(jì)上造成困難。國內(nèi)統(tǒng)一的使用頻帶為 40～ 500kHz。同一發(fā)電廠、變電所中不同電壓等級的電力線也均在同一高壓區(qū)內(nèi)，并由電力變壓器將其相互耦合。由于同母線上的不同相電力線之間的跨越衰減不大，因此使每相語 音信 號調(diào) 制載 波濾 波 器 放 大 器 濾 波 器濾 波 器解 調(diào) 器本 地載 波放 大 器 濾 波 器f1f1f2f2AF 1 /F 2 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 電力線上開設(shè)電力線載波的頻譜不能重復(fù)使用。這就使得同母線的各條電力線上所能共同利用的頻譜，還要比 40～ 500kHz 窄。為了在電力線上傳送平高頻信號，必須在電力載波設(shè)備和電力線之間加裝耦合電容器、結(jié)合濾波器以及阻斷高頻信號的阻波器。電力線載波通道衰減頻率特性決定于電力線本身的結(jié)構(gòu)尺寸、長度、線種、地面高度、導(dǎo)線排列、有無換位和分支、大地導(dǎo)電率等因素。電力線的線路特性阻抗與耦合方式也有關(guān)。 CC lnLfKb ???? 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 電力線通信信道的傳輸特性 信號衰減 對于低壓電力線通信來說，信號衰減十分嚴(yán)重，可以達(dá)到 100dB／ km。對載波通信信號來說，調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容相當(dāng)于短路?？偟膩碚f，電力線上的信號衰減存在以下幾個特點(diǎn)：信號衰減隨著頻率的上升而增大：信號衰減隨著距離的增加而增大：在一些特定的頻率點(diǎn)上，有可能發(fā)生 窄帶衰減 ；電力網(wǎng)上的電力負(fù)載極大地影響載波信號的衰減。 多徑干擾 多徑效應(yīng)是指信號經(jīng)過不同路徑到達(dá)目的地時，由于信號的延遲而產(chǎn)生相互干擾的現(xiàn)象。這樣有些用電設(shè)備會工作在阻抗不匹配的狀態(tài)，造成信號的反射，從而使有用信號可能經(jīng)過不同的路徑到達(dá)接受點(diǎn)。 當(dāng)多徑信號延遲較短時，這種干擾可以忽略。 噪聲分析 在電力 線通信中，線路上的損失和多徑效應(yīng)之外，噪聲是影響電力線通信的最重要的因素。電力線信道中頻率在數(shù)百 KHz 至 20MHz 范圍內(nèi)的噪聲分為以下五類： (1) 有色背景噪聲：它的功率譜密度相對較低，并且隨頻率變化。 (2) 窄帶噪聲：絕大多數(shù)為調(diào)幅的正弦信號。 (3) 與主頻不同步的周期性沖擊噪聲：絕大多數(shù)情況下，這些沖擊噪聲的重 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 復(fù)頻率在 50kHz 到 200kHz 之間，在頻域中，它們體現(xiàn)為以重復(fù)頻率為隔的離散譜線。 (4) 與主頻同步的周期性沖擊噪聲：這些噪聲的重復(fù)頻率為 50kHz 或 100kHz并且與電源周期同步，他們持續(xù)的時間很短，通常為毫秒級，并且功率譜密度隨著頻率的升高而呈下降趨勢。 (5) 不同步的沖擊噪聲：這種噪聲主要由電力線上連接的設(shè)備的瞬時開關(guān)引起。這種噪聲的功率譜密度有時候能達(dá)到比背景噪聲高出 50dB 以上。 對于前面 3 種噪聲，由于第 2 種窄帶噪聲通常是隨著時間 (白天或黑夜 )的變化而變化， OFDM 系統(tǒng)考慮這類噪聲作為背景噪聲，第 3 種類型周期脈沖噪聲有高的重復(fù)率，而且很低的功率譜密度 (PSD)，所以也可以看作一種背景噪聲。 而噪聲 (4)和 (5)通常是隨時間變化的，幾微秒或幾毫秒 就會變化。在 OFDM 系統(tǒng)中對這些噪聲通常的解決辦法是或者避免使用這些頻段，或者是在這些噪聲頻段上采用低比特速率的子信道。在大多數(shù)的實(shí)際情況下，頻率相關(guān)權(quán)衡因子 gi；能被簡化成非頻率相關(guān)的復(fù)數(shù)，可以表示為路徑的權(quán)值。與相速 Vp。 所以可以把式 ()中 τi，用式 ()來代替，從而得到簡化的信道傳輸模型： ? ? ? ????? Nivdfjii piedfAgfH12, π 電力線上的損耗引起了衰減 A(f,d)，隨路徑的長度和頻率的增加而增加，接收端的信號應(yīng)該是各條路徑上信號的疊加。39。39。線路參數(shù) C’和 L’可以由幾何維數(shù)和一些材料特性粗略估計，考慮兆赫茲的頻率范圍，單位長度的阻抗與頻率開根號成正比；單位長度的導(dǎo)電率 G’主要受絕緣材料的損耗因子影響，因此它與頻率成正比。39。39。那么，復(fù)傳輸常數(shù)可以簡化為： fjkfkfkr 321 ??? 這里常數(shù) ki(i=1， 2， 3)體現(xiàn)的是材料和幾何參數(shù)。而對于一條特定的信道， a 和 f 的 確切關(guān)系，是和廠成正比，還是和頻率開根號 成正比，還是和兩者都有關(guān)系，要決定于是 k1 還是 k2 起主導(dǎo)作用。得到電力線信道衰減為： dfaadfa keedfA )()( 10),( ??? ?? 中國 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 3 OFDM 原理和關(guān)鍵技術(shù) OFDM 技術(shù)原理 目前，國際上高速電力線通信采用的調(diào)制技術(shù)重要有三類：單