（计算机应用技术专业论文）智能家居网络的电力线通信实现方法研究.pdf

摘要 2 1 世纪是一个以网络为核心的信息时代。随着网络技术的快速发展，消费电 子产品逐渐与计算机、通信技术紧密结合在一起，从而使家电上网、构建智能家 居网络成为可能。e c h e l o n 公司提出的“b r i n gt h ei n t e r n e tt ol i f e ”，即“把 互联网带入生活”，反映了实现智能家居网络己成为计算机网络在人们生活领域发 展的一种趋势。 家电联网，用电力线作传输介质，不但可以省去布线的烦恼，同时也可实现 “即插即用”。考虑到电力线通信干扰大。传输可靠性差，传输速率低的特点， 本文设计了以d s p 芯片为核心的电力线收发器，采用正交频分复用( 0 f d m ) 宽带 通信技术实现电力线上的数字调制与解调，并采用模拟滤波和数字滤波相结合的 方法进行抗干扰。为了减少传输的差错，本系统采用卷积码和交织码相结合的方 法，可以有效的进行差错控制。本文给出了电力线收发器各个环节的硬件电路和 软件实现，并附有系统设计的实验结果。 关键词：家居网络；电力线载波，o f d m ；d s p ；滤波器 三童三些奎兰三耋堡圭兰堡丝塞 a b s t r a c t a sk n o w n ，t h e2 1 s tc e n t u r yi sa ni n f o r m a t i o ne p o c hw h o s ec o r ei s t h e n e t w o r kt e c h n o l o g i e s w i t ht h er a p i d d e v e l o p e n to ft h en e t w o r kt e c h n o l o g y c o n s m i n ge l e c t r o n i cp r o d u c t sa r eb e c o m i n gc o m b i n e dw i t hc o m p u t e ra n d c 0 眦眦n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 i e sc l o s e l y ， w h i c h 岫k e si tp o s s i b l et oc o n n e c t h o u s e h o l d a p p l i a n c e s t oi n t e r n e ta n dt o i p l e m e n ti n t e l l i g e n c eh o m e n e t w o r k s t h es l o g a nz b 啦抽e 扫芒e 埘e tt d j 如b r o u g h tf o r w a r db yt h e c o r p o r a ti o n 鼬e j 叩i n d i c a t e st h a ti ti sat r e n dt or e a li z ei n t e l1i g e n c e h o m en e t w o r k sw i t hc o r f l p u t e rn e t w o r kd e v e l o p m e n t si nt h eh o u s e h o l dl i v i n g f i e l d i ns 0 1 u ti o n st oc o n n e c th o u s e h 0 1 da p p li a n c e st oc o m p u t e rn e t w o r k s ， p o w e rl i n e sa r eu t i l i z e da st r a n s m i s s i o nm e d i 岫w i t h o u t1 a y i n g1 i n e sa n d t h ep l 酱a 疗d 口，日ri sa l s or e a li z e d c o n s i d e r i n g1 a r g e c 锄肌n i c a t i o n i n t e r f e r e n c e s ，b a dt r a n s m i s s i o n r e l i a b i l i t i e sa n d1 0 wt r a n s m i s s i o nv e l o c i t i e s ，t h et h e i sd e s i g n sap o w e r l i n et r a n s c e i v e rw h o s ec o r ei st h ed s pc h i p t h eo r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( a b b r i e v i a t e da s0 f d m )i su s e da sm o d u l a t i o n sa n d d e o d u l a t i o n so fs i g n a l si nt h ep o w e r l i n e s i nt h em e a n t i m e ， a n a l o g u e f i l t e r i n g sa n dd i g i t a lf i l t e r i n g sa r eu s e dt or e s i s ti n t e r f e r e n c e s b e s i d e s w r a p p e d p r o d u c t c o d e sa n di n t e r t e x t u r ec o d e sa r eu s e dt or e d u c e t r a n s m i s s i o ne r r o r s a f t e rt h e d e s c r i p t i o n s o ft h e d e s i g n so fh a r d w a r ec i r c u i t sa n d s o f t w a r e si n d e t a i l ， t h et h e s i ss h o w st h e e x d e r i m e n t a lr e s u l t sw i t h p r o f o u n da n a l y s i si nt h ee n d k e y w o r d s ： h o m en e t w o r k ； p o w e rl i n ec o 哪u n i c a t i o n ；o f d m ；d s p ； f i l t e r 第一章绪论 1 1 智能建筑 第一章绪论 在人类历史的发展长河中，建筑既是一门艺术，同时也是一门科学。科学是 建筑的基础，不断赋予建筑以新的血液和生命力，使建筑存满活力，不断发展， 并在不同的时期具有不同的内涵和表现形式。建筑最初用于遮阳避热和防风御寒， 发展到具有艺术性、观赏性和多功能型，直到近代的“摩天建筑”，乃至今天的“智 能建筑”( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) ，都是时代赋予建筑的烙印，是不同时代艺术 成就和科技水平的反映。 在工业时代，科技应用对建筑的影响表现为量的巨大变化。新技术、新材料 的应用使建筑犹如雨后春笋拔地而起，此时最为突出表现是建筑规模的增大和构 造技艺的精湛。“摩天大楼”就是大工业时代的科技带给建筑的最显著特征。 在信息化时代，科技应用对建筑的影响是质的飞跃。在信息化的今天，通过 利用先进的信息技术( i t ) 可以使建筑具有“智能”，充分发挥建筑的功能，实现人 与建筑的和谐，并最优化地利用各种自然资源，达到“可持续发展”的境界。因 此现代信息技术赋予建筑以“灵魂”，实现的是具有高效能和生态平衡能力的智能 建筑。目前，智能建筑已是一个迅速成长的新兴产业，兴建智能建筑已成为当今 经济开发的热点。 智能建筑是信息时代的必然产物，是建筑技术与现代信息技术的有机结合。 目前，北美、欧洲、亚太等许多国家和地区已把智能建筑纳入可持续发展战略来 考虑，并制定出了相应的发展规划、方针、政策和策略。在我国，尽管智能建筑 起源于“七五”计划初期，但发展态势迅猛，在北京、上海、广州、深圳等已建 成了许多具有代表性的智能建筑。2 0 0 0 年1 0 月1 日开始实施的智能建筑设计 标准g b t 5 0 3 1 4 2 0 0 0 标志着我国智能建筑进入了一个新的发展时期。 智能建筑是指这样一类建筑：( 1 ) 具有控制网络( i n f r a n e t ) 和信息网络 ( i n t r a n e t ，i n t e r n e t ) 基础设施；( 2 ) 在控制网络和信息网络集成的基础上，具 有获取、处理、理解、再生和运用建筑内外信息的“人工智能”；( 3 ) 提供一个投 资合理、高效率、舒适、温馨、便利的生活、娱乐和工作环境；( 4 ) 具有可持续 广东工业大学工学硕士学位论文 发展的能力。 上述定义指出了控制网络和信息网络是智能建筑实现其“智能”的物质基础， 给出了智能建筑的硬件构成；说明了智能建筑的“智能”本质是对智能建筑内外 信息综合处理的“人工智能”，强调了智能建筑实现其“智能”的关键是综合处理 信息的硬件和软件系统集成：指出了智能建筑应具有时代特征。 智能建筑是高科技建筑，实现的目标是维持生态平衡和效益最大化，以及建 筑内部环境的人性化。智能建筑内部环境的人性化表现为：智能建筑内部的温、 湿度不仅应根据不同人的生活习性进行调整和定制，保持空气新鲜。而且建筑内 的所有设备应与使用者友好。 为了实现上述目标，智能建筑必须具有一个先进的集成管理系统，对建筑内 的所有设备进行监控和管理，对所有的业务流程进行控制和管理。建筑内的设备 可以分为楼宇设备、通信设备、办公设备以及其他类型设备四大类；业务可以分 为办公业务和物业管理业务两大类。其中，楼宇设备包括空调、供热、给排水、 变配电、照明、电梯、消防和安全设备( 包括防盗报警设备，智能识别设备，电 视监控设备) 等；通信设备主要包括语音通信、视频通信和数据通信等；办公设 备包括计算机终端、打印机、复印机和传真机等；而其他类型设备主要指具有特 定用途的智能设备和将来出现的智能设备，如智能卡，智能玩具，智能微波炉等。 对上述各种设备的监控和管理以及对利用这些设备发生的业务流程进行管理就构 成了智能建筑的基本功能。 对设备的监控和管理可以实现设备的人性化，与人友好。智能建筑要实现其 目标，对上述各种设备的监控和管理并不是孤立的，而是在系统工程的层次上， 强调各种设备或子系统的沟通和协调，以达到和谐的状态，求得最优的结果。 2 l 世纪是信息高度发达和生态文明的时代，要实现可持续发展的目标，除新 型环保和节能设备的广泛使用外，就必须将现代信息技术与具有悠久历史的建筑 相结合，给建筑以灵性，使建筑具有“感知、判断、推理和决策”的能力，并表 现出相应的良好行为，从而成为智能建筑。也就是说，智能建筑利用控制和管理 信息协调建筑与人的关系，达到建筑与人的和谐；利用推理和决策信息优化其动 作和行为，降低功耗，达到循环再生，并持续发展。因此智能建筑是运用高新技 术人格化、人性化且具有生态平衡能力的可持续发展建筑，它具有良好综合性、 持久性的环境质量和生态质量，以及宽松的人文社会环境，并能产生良好的社会 弟一罩绪论 和经济效益m 。 1 2 智能家居网络 当家用电器在千家万户普及时，人们对家用电器的功能和智能化的需求越来 越高。家电行业的发展己初步适应了这种需求。步入2 1 世纪，随着计算机技术， 通讯技术，网络技术的快速发展，消费电子产品正逐渐与计算机、通讯技术密切 结合在一起，成为目前所统称的3 c 产品。单个家用电子电器产品的自动化已经不 太能满足人们对自动化和智能化的需求，人们希望将全部家电联网，即成为协调 一致的自动化智能化系统，使家用电子电器产品步向家庭自动化的方向，进而实 现家居网络m 。而目前的计算机网络已从单一的信息管理网或控制网走向信息管 理和控制综合网络，并且计算机网络的作用已经不仅局限于办公或工业控制，而 且开始进入人们的生活领域。国际上，学术界已意识到互联网不能停留在信息管 理这种单一层面，而必须深入到控制及家庭之中，所以美国著名的网络公司 e c h e l o n 提出了“b r i n g i n gt h ei n t e r n e tt ol i f e ”，即“把互联网带入生活中” 的口号。这个口号反映了这种强烈的趋向。 智能建筑、家用电器、计算机网络三者的发展和结合最终导致智能家居网的 形成。智能家居网络( 删s ) 是指在集成协同工作环境中把计算机、音频设备、视 频设备，以及家居自动子系统( 包括能量管理、保险、安全、加热、通讯等) 连 接起来，以实现家居资源的共享和管理，同时实现更舒适和全新的服务。家居网 络和一般网络有很大的不同，主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 一般网络中联网的对象是结构一致的微型机系统，而家居网络中连接的 对象是结构和特性完全相异的各种家用电器。 ( 2 ) 一般网络中信息量大，但对实时性要求不高；家居网络中家用电器信息 量小，但对实时性要求较高。 ( 3 ) 一般网络的微机系统往往处于办公环境，较少有外界干扰，而家居网络 中的家用电器处于各种差别较大的环境，受到各种干扰较多。 ( 4 ) 一般网络的物理结构价格较贵，在家居网络中需要较低位的价格，才能 被广大家庭认可和接收w 。 ( 5 ) 家居设备的联动和互操作功能，可以使家居设备处于一种协调的和谐状 广隶工业大学工学颈士学位论文 态。 ( 6 ) 远程遥控和诊断功能。 在智能家居网络的发展过程中，美国一直处于世界领先水平。目前，美国有 7 0 0 0 万家庭依靠智能化家庭网络设备生活。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉 公司等为首的一批国际知名企业也先后进入智能家庭网络的研究及开发领域，分 别开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家庭网络设备。 3 c o m 公司研发出家用无线网关等网络产品，并与m i c r o s o f t 联手开发通用式 即插即用的家庭网络系统。该系统方便地连接家电与网络，可以高速传输文字、 语音、视听等资讯。这套产品也适合小型办公室。 i n t e l 推出了a 1 1 y p o i n t 家庭网络系统可以通过电话线或无线方式将p c 机与 住户家中的各种设备连接起来，该公司还准备在适当的时候推出家用网关等网络 设备。 日本松下电器等一批大公司联手推出了无线连接和电力线连接并用的 e c h o n e t 系统，该系统支持即插即用、且能兼容不同厂家的家庭电器设备。 新加坡科技电子公司的胜德s t 8 卜9 0 0 家庭智能化系统，在系统产品设计上具 有独创性。与其他类似产品不同的是，这套系统在系统性能方面具有思考性的逻 辑判断和人格化的语言能力，因此具有了新一代智能化产品在人机交互方面的某 些特征。该产品采用r s 一4 8 5 家庭总线结构，具有与a t m 和h f d 网络的接口，还具 有红外线自学习能力，可通过红外对采用红外控制方式的各种品牌的空调机，音 像，电视机等电器进行远程调节控制，实现三表数据采集与抄送、安防报警等功 能。该产品在美国家庭很受欢遮，并在新加坡近5 0 个家庭用户安装，在全世界 2 0 多个国家和地区被采纳和运用。 韩国三星公司开发的基于p c 平台的智能家居控制系统也十分引人注目，并推 出业界第一个家庭网络解决方案。该方案为连接家用电器及i n t e r n e t 设备的多种 家用电器及i n t e r n e t 设备的多种家庭网络提供连接及控制方法。该方案是一个用 户界面友好的方案，可利用基于w e b 的i n t e n l e t 标准h t t p 协议来公开访问。 国内厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生产，一些大型i t 企业利用 自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上已占据了相当重要的地位a 清华同方在智能化家庭网络领域与建设部智能建筑化专家委员会共同设立了 智能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的 4 第一章绪论 总代理资格。该公司推出了经济性的智能化家庭网络设备“e _ h o m e 数字家园”网 络系统，还专门成立控制工程公司承接住宅小区的智能化工程业务，其建设的望 京a 5 康居小区是全国首家通过建设部住宅智能化性能认定的住宅小区。 北京德达创先科技集团先后开发了l d 骼一2 0 0 0 、智能家居控制器、h o e n e t 网 络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务网提供智能化建筑的在线咨询与在 线技术支持，该网站己成为国内建筑智能化领域的权威网站。 目前在国内从事智能化家庭网络产品的企业中还有近几年从从事安防产品转 移过来的一些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、t c l 、科龙、海信 也开始进入智能化家庭网络产品市场m 。 1 3 电力线载波通信技术的发展状况 智能家居网络目前面临三大问题：线路如何方便地接入到用户的家中，如何 进一步提高数据的传输速率和如何降低投资费用。为此，有远见的电力公司和通 信公司都希望将遍及千家万户的低压配电网开发成为信息接入网。利用电力网传 输语音、数据、图像，可以节省大量人力物力，给用户提供经济、方便的通信媒 体。 1 9 9 3 年英国s w e b 公司成功架设了一条远方测量载波通信电力线，采用中低 压配电网双向数字载波通信，将电度表、水表、天然气表连接起来，实现了地区 范围内远方抄表、自动收费、系统能源管理，在中低压电力线网络通信上迈出了 可喜的一步。 北方电讯( r t e lt e l e c o m ) 和英国联合公用事业公司( r w e b ) 于1 9 9 7 年1 0 月8 日在英国h a r l o w 宣布，经三年努力，他们成功的开发了一项在电力线 上传输数据的技术，该技术能通过电力配电线将数据送到用户家中，传输速率已 超过1 i b i t s ，比现行的i s d n 快十倍，是目前可采用的技术中传输速率最快的。 1 9 9 3 年3 月1 1 日，德国r w e 能源股份有限公司和瑞士阿斯克姆( a s c o m ) 公 司在德国莱锡林根向公司展示了利用公用电网传输电话和数据的技术。这项技术， 使用户可以通过低压电网，以高于目前i s d n 技术2 0 倍的速度在互联网上浏览、发 送数据，在有电源插座的地方都可以用有线电话或计算机上网。 在国内，随着人们生活水平的提高，人们对生活质量要求更高，智能化小区、 广东工业大学工学硕士学位论文 智能化家庭开始出现并成为今后的发展趋势。智能家居网络需要大量复杂的布线， 这些布线不但占用了网络的大量成本，还增加了大量的工作量。由于电力线在小 区、建筑中无处不在，利用电力线作为传输通道的载波通信是一种合理、有效、 廉价的方法，同时可以保证家用电器实现即插上网。 在智能家居网络中，电力线作为传输媒介有着非常明显的优点：( 1 ) 不会对 空间造成污染( 2 ) 家用电器及仪器可以灵活地实现“即插即用”( 3 ) 可以较长距 离传递( 4 ) 能实现远程控制( 5 ) 电力线作为通信信道，几乎不需要维护或维护 量极小m 。 在这种情况下，低压电力线载波通信技术收到人们的重视，对于低压电力线 载波的研究也越来越多，但是由于低压电力线固有的通信缺点，要实现高质量的 电力网络通信还有相当大的困难。如何有效的利用低压电力传输通道，开展基于 低压电力传输线的信息服务功能，已成为电力行业和通信业研究的重点。 1 4 本课题研究的主要内容 现今存在的交流电力线网对于数据传输来说，是一个很不理想的环境，连接 在电力线上的电器多种多样，电器的打开和关闭给电力网带来冲击噪声，致使电 力线在传输信息时受到的干扰大，传输的可靠性也比较差。本文借助d s p 芯片， 采用多载波正交频分多址( 0 f d m ) 技术，实现电力线上的载波通信。主要研究内 容有： ( 1 ) 以d s p 芯片为核心的电力线收发器的硬件设计及实现 ( 2 ) 用o f d m 技术实现电力线上的载波通信及滤波的软件实现 ( 3 ) 网络信息在家庭电力线中传送时的干扰信号抑止技术 本文在设计电力线收发器上借鉴软件无线电技术，对数字信号的差错控制、 调制方式、抗干扰和同步问题进行了详细论述，并给出了硬件电路和软件实现及 实验结果。 6 第二章电力线收发器硬件设计 2 1 l o n 节点在智能家居网络中的位置 l o n w o i l ( s 是美国e c h e l o n 公司推出的一种综合的测控网络，它可以解决在控 制网络的设计、构成、安装和维护中出现的大量问题。智能家居网络就是利用 l o n w o r k s 技术进行组网的。智能家居网络上的每个控制点我们称之为l o n 节点或 l o n w o r k s 智能设备，它是家用电器用于发送和接收网络信息的部件，网络上的信 息就是通过l o n 节点进入到家用电器中的。它包括一片u r o n 芯片、传感和控制 设备、电力线收发器( 用于建立n e u r o n 芯片与传输之间的物理连接) 和电源。l o n 节点体积小，它可以嵌入到家用电器内部，成为家用电器的一部分，从而使家用 电器实现插上电源即连接到网络的效果，也即实现了“即插上网”。 l o n 节点在智能家居网络中的位置如图2 1 所示。 图2 一ll o n 节点在智能家居网络中的位置 典型的l o n 节点方框图如图2 2 所示。 电力缓 图2 2 典型l o n 节点方框图 一 百 一 百占占 f | j 广东工业大学工学硕士学位论文 从图2 2 可以看出，l o n 节点的核心部分是ne u r o n 芯片和电力线收发器。 n e u r o n 芯片包括一套完整的通信协议，即l o n t a l k 协议( l o n t a l k 协议已经固化 在n c 芯片的r o m 中) ，l o n t a l k 协议是遵循0 s i 参考模式的完整的7 层协议，从 而确保节点间使用可靠的通信标准进行互操作。l o n t a l k 协议以数据包的形式发 送数据，每个包由可变数目的字节构成，长度不变，并且包含应用层( 第7 层) 的信息以及寻址和其他信息。l o n t a l k 使用类似以太网所用的“载波监听多路访 问( c s 】i l a ) ”算法进行冲突检测，从而减少发生冲突的可能性，提高整个系统的吞 吐量。因为n e u r o n 芯片可直接与它所监视的传感器和控制设备连接，所以一个 n e u r o n 芯片可以传输传感器或控制设备的状态，执行控制算法，和其它n e u r o n 芯片进行数据交换等。 n e u r o n 芯片在制造后即有一个4 8 比特的比特串，用来唯一且永久的标识每 个芯片，用n e u r o ni d 表示，从而使每一个l o n 节点都可以被唯一寻址。 2 2 电力线收发器工作原理 电力线收发器由d s p 芯片和外围接口电路组成，其收、发数据的原理分别如 图2 3 、2 4 所示。 电力线 图2 3电力线收发器发送端原理框图 电力线收发器发送端原理框图如图2 3 所示。c p u 首先对欲发送的串行数据 进行基带调制，然后进行信道编码，将得到的二进制串进行i d f t ( 离散傅立叶逆 变换) 运算，并将结果的实部经d a 转换器发送出去。平滑低通滤波( l p f ) 起插 值滤波的作用，调频是把要发送的模拟信号调制到指定的高频范围，带通滤波 8 。 耋三要塞窒丝丝垄! ! ! 墼兰兰 ( b p f ) 滤除频带以外的成分，耦合电路用于隔离电力线上的高压，过滤5 0 h z 工 频干扰。 电力琏 图2 4 电力线收发器接收端原理框图 电力线收发器接收端原理框图如图2 4 所示。接收过程是发送过程的逆过 程，利用d f t ( 傅立叶变换) 还原电力线收发器发送端发送的串行数据，这里不 再赘述。 2 3 电力线收发器硬件设计 电力线收发器完成信息的发送与接收，它的硬件设计包括如下几个部分：选 用的数字处理芯片、j t a g 接口、a d 和d a 转换电路、滤波部分、放大电路、耦 合电路和电源模块部分，下面绘出其电路结构框图若详细介绍其各个组成部分， 其具体原理图见本文附录。 圃阑 i 图2 5 电力线收发器电路结构框图 2 3 1 数字处理芯片 本文采用的数字处理芯片为t i 公司的1 6 位定点芯片n i s 3 2 0 v c 5 4 0 9 。d s p 芯 片又称为数字信号处理器，是一种特别适用于进行实时数字信号处理的微处理器， 有如下几个特点： ( 1 ) 哈佛结构 d s p 内部采用的是程序空间和数据空间分开的哈佛结构，允许同时取指令( 来 自程序存储器) 和取操作数( 来自数据存储器) ，并且允许在程序空间和数据空间 之间相互传送数据，所以可以进行高速运算。 ( 2 ) 多总线结构 d s p 芯片内部采用多总线结构，可以保证在一个机器周期内可以多次访问程 序空间和数据空间，大大提高了d s p 的运行速度，也使d s p 能够完成更加复杂的 功能。 ( 3 ) 流水线结构 d s p 采用流水线结构，再加上执行重复操作，就能保证数字信号处理中用的 最多的乘法累加运算y = q 而可以在单个指令周期内完成 i 1 ( 4 ) 多处理单元 d s p 内部一般都包括有多个处理单元，d s p 的这种多处理单元结构，使得它可 以在一个指令周期内同时进行乘、加运算，特别适用于f i r 和i i r 滤波器。此外， 许多d s p 的多处理单元结构还可以将一些特殊的算法，例如f f t 的位码倒置寻址 和取模运算等，在芯片内部用硬件实现以提高运行速度。 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 为了更好地满足数字信号处理应用的需要，在d s p 的指令系统中，设计了一 些特殊的d s p 指令，例如f i r s 和l m s 指令，专门用于系数对称的f i r 滤波器和 l m s 算法。 ( 6 ) 指令周期短 随着集成电路工艺的发展，d s p 广泛采用亚微米c m o s 制造工艺，其运行速度 越来越快。以t m s 3 2 0 c 5 4 x 为例，其运行速度可达l o o m i p s 。 ( 7 ) 运行精度高 1 0 第二章电力线收发器硬件设计 本文选用的d s p 的字长为1 6 位，累加器为4 0 位，可以有效防止运算过程中 的溢出。 ( 8 ) 硬件配置强 本文采用的d s p 芯片接口功能强，片内具有串行口、主机接口( 咿i ) 、d m a 控制器、软件控制的等待状态发生器、锁相环时钟产生器以及实现在片仿真符合 i e e e l l 4 9 1 标准的测试访问口，更易于完成系统设计。该d s p 芯片还可以工作在 省电方式，使系统功耗降低。 2 3 2j t a g 仿真口的连接 j t a g 是j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 的简称，j t a g 口连接需要和仿真器上给出 的引脚一致。在大多数的情况下，只要目标板和仿真器之间的连接电缆不超过6 英寸，就可以采用图2 6 所示接法，这也是本系统的接法。 ll | lllil ：c iiill li # 琳# 丰 j iljll | li ： 1l il | ll h“* u 十- if | illll l f iliill 一| l + + if 一一 1 | fl il ；l l v：c ji i ll 雷肺船p i b珊啊，d l j i 瑶彻 麟1 l仃嫩帅i i娜帅l i烈帅i r 西0啪【o i lt c k鳓【j ， 托k 舯 t， lllllil i i l ll 阱d 图2 6d s p 与仿真口连接图 2 3 3a d 和d a 转换器 由于电力线收发器发送到电力线上的载波信号频率为1 4 0 k ，根据采样定理， a d 采样率与载波信号的频率f c 之间应满足f ，2 f 。，才可以保证采样信号不失真。 但考虑到载波信号的频谱不是锐截止的，最高截止频率以上还有较小的高频分量， 为此可选工2 正，本文选用的a d 转换器的采样频率满足此要求a 本文采用的a d 转换器为t i 公司的t l v l 5 7 0 ，它是一个1 0 位高速模数转换器，拥有8 通道输入多 童三些奎兰三差璺圭耋竺芝兰 路复用器( m u x ) ，一个高速串行接口。该器件包括一个控制寄存器，用于进行通 道选择、转换开始、参考电压级别的选择等。t l v l 5 7 0 的工作电压可以选3 v 或5 v ， 其可接收的模拟量输入范围为0 v 到a v d d ，采样率( s p s ) 可达1 2 5 m s p s 。其功耗 为8 m w ，通过d s p 的串行口与d s p 进行通信。 本文采用的d a 转换器为t i 公司的t l c 5 6 1 5 i d 。t l c 5 6 1 5 i d 是一个1 0 位电压 输出数模转换器，它输出的电压范围是参考电压的两倍，工作电压是5 v ，功耗为 1 3 m w 。它可以在一4 0 8 5 的范围内工作，其数据转换最大更新速率可达 l - 2 1 删z ，可以很好的与t l v l 5 7 0 进行匹配。 2 3 4 滤波部分 本文选用的模拟滤波器件为可由微处理器编程的通用开关电容滤波器 m a ) 【2 6 2 ，它可由微处理器精确控制滤波功能。它的中心频率为1 4 0 k h z ，翻铂q 可单 独编程。工作电压为+ 5 v 和一5 v 。 2 3 5 放大电路 由于要发送的数字信号经d a 转换后电压很低，考虑到传输过程中的衰减和 接收端的检测能力，应当将其放大。本文采用的放大器为程控放大器a d 5 2 6 ，通 过软件编程改变ao 、a1 、a 2 控制端电位，即可设置其放大倍数分别为1 、2 、 4 、8 、1 6 。 2 3 6 电源模块 本文采用的电源模块为m “6 2 9 ，它是d c d c 转换器，其输入电压为5 伏， 其输出电压的范围为2 8 v 。可以满足系统需要的所有等级的电压。 2 3 7 耦合电路 电力线耦合电路系统完成与电网隔离及过滤5 0 h z 工频信号。在电力线通信 中，如何有效地把噪音滤去是通信成败的关键，我们可以采用一个电容器和一个 电感器组成高通滤波器。该高通滤波器可以使处于5 0 h z 的交流电噪音大大衰减， 而使处于高频的传输信号通过。耦合电路的基本框架如图2 7 所示。其中，我们 第二章电力线收发器硬件设计 所选用的电容器电容值必须适当大，以使其阻抗在通信载波频率下小到可以令通 信信号通过。同时，其阻抗又必须大到让处于交流电工作频率的噪音无法通过。 c 1 0 2 图2 7 电力线耦合电路图 变压器t 1 0 1 对l o l 【h z 2 0 k h z 的载波信号提供了一个线性的传输功能；电容 c 1 0 2 限制了变压器电流以避免变压器铁心的饱和；电阻r 1 0 2 在c 1 0 2 与电力线断 开后，可对其进行放电，因而减轻了由于c 1 0 2 种储存的高压而带来的损坏或破坏 设备的可能性； 下面计算不同频率的电压在电容c 1 0 2 和变压器t l o l 上的比例，设变压器的 阻抗为z t ，电容的阻抗为z c ，电压的频率为f ，电容上的电压为u c ，变压器上的 电压为u t ，电流为i ，贝4 有 ，= 尝= 罢，乃= 去，乃= 础，国观矿 长= 罢一胁2 ， 对于2 2 0 v 的市电，有u c + u t = 2 2 0 ，f = 5 0h z ，计算得 阱阱砌2 _ ( 2 p ”y ( 3 3 叩5 0 ) 2 _ 8 ”4 又u c + u t = 2 2 0 ，得u c = 2 1 9 8 2 l o ( v ) ，u t = 0 1 7 9 ( v ) 。 对于l o k 2 0 l ( l z 频率的计算，如果信号电压为2 0 v ，即u c + u t = 2 0 ，得 1 0 k 时，u c = 2 6 4 7 8 ( v ) ，u t = 1 7 3 5 2 2 ( v ) 。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 0 k 时，u c = o 1 5 2 3 ( v ) ，u t = 1 9 8 4 7 7 ( v ) 。 可以看出，5 0 h z 的电网工频几乎都加在电容上，而l o k l 2 0 i ( f i z 的载波信号加 在变压器上。实现了工频与信号的分离。 1 4 第三章电力线信道上的数字调制与解调 第三章电力线信道上的数字调制与解调 利用电力线作为信息传送信道具有其他信道所不具备的优越性经济性。 在现代社会，电力线作为最主要的能源传输媒体，几乎无处不在，而电力线所传 输的交流电流只占了5 0 h z 的频率，因此，电力线中还有很宽的频带可以利用。充 分利用电力线的高频段资源，将其作为通信信道来传输数据、图像等信息，将无 处不在的电网进一步发展成为数据通信网，可以避免重复铺设通信信道，从而大 大节约成本。 3 1 电力线载波信道的传输特性 虽然利用电力线载波通信可以大量减少投资和对线路的维护成本，但须提高 载波通信的信息传输速率，降低误码率，实现信息传输网络化等。而且要在干扰 严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事。如何选择调制解调方式及采 用何种通信协议，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。低压电力线 载波信道的传输特性的特点是：具有时变性，衰减较大( 尤其是电力负载为容性 时，对载波通信信号近似短路) ，各种干扰噪声复杂。下面先分析一下电力线信道 的传输特性。 3 1 。1 时变- 陛 由于低压电力网上的负载不断切除、投入，电器的开、关等随机事件的影响， 使表现出来的信道特性具有很强的时变性。在1 秒内某一频率的信号衰耗变化可 达到2 0 d b m ，因此不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。同时，在1 秒 内信噪比的变化也可达到1 0 d b 左右。： 3 1 2 信号衰减 低压电力线一般由铜或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小( 视导 线的电导率和截面积不同而不同) 。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳 定。因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。但是，电力线上并联 广东工业大学工学硕士学位论文 的多种多样的负载对信号造成的衰耗影响很大m 。尤其是那些用于调整电网功率 【司数的大电容。对几百k h z 的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小 时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。 可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我 们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定干线路的衰减。实验表 明，信号的衰减是距离的函数，一般为4 0 1 0 0d b k m 。在农村的衰减最大，5 0 0 m 就达到5 0 d b ；在城市，2 5 0 m 大约2 0 d b ：在郊区，2 5 0 m 亦能达到2 5 d b ：但在工业 区衰减较小，7 5 0 m 长的线路仅为3 0 d b m 。 3 1 3 干扰噪声 对于低压电力网的干扰特性，人们分别对不同的地域( 城市、工业区、乡村) 作了大量试验，结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力 线的基本参考模型。 室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在1 0 l 【 i z 1 0 0 删z 的频 率内，噪声功率谱密度以2 9 曲d e c a d e 幅度衰减。各种干扰噪声主要来源于4 个方面：( 1 ) 可控硅( s c r ) 器件和一些电源电路产生的5 0h z 的倍频谐波；( 2 ) 由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电动机产生的干扰； ( 3 ) 开关电子设备产生的单脉冲噪声：( 4 ) 非同步周期的噪声，如电视机的1 0 0 h z 行扫描频率。 背景噪声是典型离散高斯型的，它对通信系统的影响很好理解。其余就是脉 冲噪声，它对通信系统有着重要的影响，可以产生突发性干扰引起瞬间的高误码 率。研究表明：( 1 ) 脉冲噪声的强度般比背景噪声高1 0 d b ，有时可达4 0 d b ， 这种干扰与干扰源至接收器的距离有关。( 2 ) 主要的脉冲干扰频率为1 2 0 h z ，且 和电源电压的正或负半周期同步。( 3 ) 脉冲宽度约有百分之几的变化1 2 0 h z 脉冲 噪声) 。( 4 ) 脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时脉宽减少。 ( 5 ) 干扰噪声和信号一样都会衰减的，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪声源 影响最大。( 6 ) 有的噪声源增加了背景噪声的功率，有的增加了脉冲噪声的功率， 有的都增加了。 对于室外电力线的传输特性，入们也作了研究，并且仍以带干扰的时变线性 1 6 第三章电力线信道上的数字调制与解调 滤波模型来描述电力线的特性。我们将干扰分为4 种类型：a 型是具有平滑功率 谱的背景噪声，这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数。其中k 和时间及发 送接收的位置有关，在白天，k 一般数秒到数分钟保持不变，夜晚甚至可达数小 时不变。b 型为单脉冲噪声，由开关操作引起，一般持续时间远小于1 2 5 m s ：9 8 以上的这种干扰脉冲和人们的活动关系很大，白天脉冲干扰相对多得多，尤其在 7 ：0 0 9 ：o oh 和1 9 ：o o o ：0 0h 时。c 型为与电网频率同步的噪声，主要由可控 硅( s c r ) 器件产生；在6 0 9 5k h z 的频率段内，其功率谱密度大约为一7 0 d b w k h z 。 d 型为和电网频率无关的窄带干扰，主要由其它电器辐射引起，测量表明，其功 率密度一般为一6 0 9 0 d b w k h z 。 3 1 4 相移特性 有关机构就电力线传输信号对相位的影响作了测量，结果表明，通过2 5 0 m 的电力线，正弦波的相移小于土1 0 。 以上参考国外的最新资料介绍了低压电力线的传输特性。由于我国电器上网 的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此我国电力网的干扰要比欧美严重得多， 电力线的通信环境也更加恶劣。这就对本课题的设计提出了更加严峻的挑战。 3 2 低压电力线载波通信方案 在低压电力线上进行载波通信有传统的窄带通信方式和近几年迅速发展起来 的o f d m ( 正交频分复用) 调制技术，由于o f d m 技术具有抗干扰、抗衰落特性， 故本文采用0 f d m 技术进行低压电力线上的载波通信。 3 2 1 传统的窄带通信方式 过去，人们利用常见的窄带通信方式如频率调制( f m ) 、频移键控( f s k ) 、正 交相移键控( q p s k ) 等进行载波调制，但由于电力线的时变通道特性，在任何频 率、任意时间都可能有衰减和干扰的存在，通信效果并不理想。目前有 s s g t h o m s o n 公司的s t 7 5 3 6 ，美国国家半导体公司的l m l 8 9 3 的载波芯片，最远通 信距离仅达到3 0 0 m 。 上面两个问题的出现，是由低压电力线的特性所决定的。研究表明。1 ，低压 1 7 ：奎士些奎兰三兰堡圭耋堡鎏塞 电力线通道的高频特性不具有一般性，不同线路的特性差异很大，即使是同一条 线路，其特性亦有时变性。特别是近年来家用电器的日益增多，高频开关电源的 使用，电力线的通信特性更加恶劣，一般的通信方式很难取得良好的通信效果。 扩展频谱和o f d m ( 正交频分复用) 调制技术，是近几年迅速发展起来的数字通信技 术，最早应用于无线通信系统。由于这两种技术都具有一定的抗干扰和抗多径效应 能力，因此被认为是电力线通信中比较理想的调制方式，国外许多厂家宣称采用 这两种技术研制了高速电力线通信产品。而在国内还没有厂家进行较为深入的研 究开发。本文利用0 f d m 技术，在低压电力线上实现高速数据传输。 传统的多载波并行传输的方法各个子载波的频谱是互不重叠的，如图3 1 所 示，因而需要使用大量的发送滤波器和接收滤波器，并采用频率合成的方法得到 很多高精度的频率。当并行的路数比较多时，发送和接收设备十分复杂，难以实 现。 f 1f 2f 3 图3 1f 删频谱分配方法 此外，传统的多载波并行传输的方法为了减少各个子载波的相互串扰，各个 子载波之间必须保持足够的频率间隔，这样做会降低系统的频带利用率，而采用 数字信号处理技术的o f 删系统，各子载波的产生和接收都由数字信号处理算法来 完成，极大地简化了系统结构。例如o f d m 发射机可同时生成载波和数据信号，从 而节省了大量的收发射机用的高精度振荡器。同时，由于充分利用了信号的时频 正交性而允许各子信道频谱有1 2 重叠，使得频谱利用率相对于单载波串行系统提 高近一倍，在正交性得以维持的条件下可以有效地减少子载波之间的相互干扰信 息，这样在接收端就能保证无失真地恢复原有的信息。 1 8 塞三兰皇奎鉴笪垄圭墼鍪兰望型皇堡堡 3 2 2 电力线上数字信号的载波传输 调制是数字通信系统中重要组成部分，调制是把数字信息变换成适合在信道 中传输的波形，以便是该信息能够在信道中传输，因此，每个数字通信系统都包 含一个调制器来完成这个任务。与调制密切相关的是与之相反的过程解调， 接收机通过解调来恢复传输的数字信息。 对于带通调制，就是将信息信号变换成射频( r f ) 载波，这些载波承载了数 字信息。由于射频载波是正弦波，其三个突出的特性是幅度、相位和频率，因此 数字带通调制可以定义为这样一个过程，即r f 载波的幅度、相位或频率，或者是 三者的任意组合，是随被传输的数字信号而变化的，复数r f 载波的一般表达式是 j ( f ) = 彳( f ) e x p ( ，眈f + 口( f ) ) ，其中，吐是载波的角频率，目( f ) 是时变的相位，r f 载波的角频率与其频率的关系是啡= 2 矾。 在接收机中需要恢复加载在r f 载波中的传输信息，当接收机利用载波的相位 信息来检测信号时，这个过程称为相干检测，否则称为非相干检测，非相干检测 比相干检测具有这样的优点，即以增加符号误差概率( p e ) 的代价获得较小的复 杂性。 由于本文采用o f d