電力線載波數(shù)字通信系統(tǒng)的實現(xiàn)

1、6科技資訊科技資訊S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O.21SCI EN CE &TECHN OLOG Y I NFOR M A TI O N信息技術(shù)電力線載波通信以低壓配電網(wǎng)絡(luò)(電力線路為傳輸通道,覆蓋面廣、不用重新布線,避免了對建筑物的破壞,并且具有接入簡單、安裝方便、投入費用少等優(yōu)點。通過高速的I P 傳輸方式,可實現(xiàn)遠(yuǎn)程水、電、氣、熱等表計數(shù)據(jù)的采集、智能大廈、智能小區(qū)以及高速I nt er net 訪問服務(wù)等,對于城市小區(qū)和農(nóng)村都有其特殊的魅力以及應(yīng)用前景。一個可行的、安全的電力線載波數(shù)字通信系統(tǒng)及其通信協(xié)議制定是其推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。1電力線通信信道

2、高頻噪聲特點及分析電力線上不僅僅有220V50Hz 的正弦波,而且還有各種原因引起的噪聲,如背景噪聲、與工頻同步的周期噪聲、突發(fā)性噪聲等。下面逐一分析這幾種噪聲。背景噪聲:由圖1可見,3kH z 95kHz 頻帶內(nèi)背景噪聲的功率譜密度隨頻率的升高而呈明顯的下降趨勢;在100kHz 450kH z 頻帶內(nèi)背景噪聲基本保持水平狀態(tài),其特性為白噪聲其功率譜密度滿足公式:N (f =C 。C 是隨時間和地點變化的隨機變量。但與kbi t /s 的數(shù)據(jù)傳輸率相比,C 的變化非常緩慢,可以認(rèn)為恒定,大量的實驗樣本分析可知,C 近似滿足=-94.10,=0.76的正態(tài)分 布。圖1表 1表1是掃頻信號峰峰值保

3、持2V,改變噪聲峰值進行實驗觀察是結(jié)果,由表中可知當(dāng)信噪比在3.79時其傳輸正確率為100%,隨著信噪比的降低,傳輸正確率下降直至通信癱瘓。實際設(shè)計中保證一定的信噪比可減少背景噪聲對通信的影響。對于周期性噪聲,可以采用間隙傳輸?shù)姆椒▉斫档陀绊?而突發(fā)性噪聲的能量主要集中在100kH z 以下,且其發(fā)生頻率和kbi t /s 的數(shù)據(jù)傳輸率相比很低,對傳輸系統(tǒng)的影響不大;其它類型的噪聲可采用擴頻載波通信消除。總體來說,噪聲功率水平隨頻率的上升呈下降趨勢,從噪聲干擾角度看,FCC 規(guī)定的電力線通信頻帶100kHz 450kHz 更適用于電力線通信。2電力線載波數(shù)字通信的實現(xiàn)2.1終端與終端間通過電力

4、線數(shù)字載波實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信終端即用戶設(shè)備,可以是PC 機、嵌入式系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)、水、電、氣熱表數(shù)據(jù)接口等等。下面以PC 機為例,實現(xiàn)終端與終端間通信。PC 機之間通過RS-232接口電路及調(diào)制解調(diào)電路連接到電力線信道,構(gòu)成基本的電力載波數(shù)字通信系統(tǒng)模型(如圖2。PC 機端用Labwi ndow s /CV I 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行發(fā)送和接收,如圖3、4為軟件界面 。圖 3圖4調(diào)制解調(diào)部分由數(shù)字信號處理單元和相應(yīng)的外圍電路組成,電力線采用的調(diào)制技術(shù)主要有OF DM (正交頻分復(fù)用、DM T(多載波調(diào)制、擴頻及常規(guī)的QFSK,電力線載波數(shù)字通信系統(tǒng)的實現(xiàn)何惠芳1唐小煜2(1.廣東工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣州51

5、0520;2.華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院廣州510006摘要:分析了在電力線這一特殊介質(zhì)中由調(diào)制解調(diào)實現(xiàn)信息傳送的可行性,改進了以太網(wǎng)CSM A /CD 協(xié)議,并在通信的尋址、傳輸過程中運用加密手法,設(shè)計一個具有一定安全性的DPLC 通信系統(tǒng)及其通信協(xié)議。關(guān)鍵詞:電力線載波信道CSM A/CD 加密通信協(xié)議中圖分類號:TM 73文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3791(200807(c-0016- 03圖2圖51C E CE EC H A科技資訊科技資訊S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON 2008NO .21SC I ENCE &TECH NO LOG Y I

6、NFOR M A TI O N 信息技術(shù) FSK 等。下面以美國NS 公司生產(chǎn)的LM 1893電力線調(diào)制解調(diào)芯片為例,實現(xiàn)電力線數(shù)字載波傳輸(如圖5。LM 1893采用抗噪聲的FSK 調(diào)制,數(shù)據(jù)率達4.8KB,載波頻率在50kHz 300kHz 間連續(xù)可調(diào)。如圖只要設(shè)定1-4腳阻容網(wǎng)絡(luò),則可鎖定載波及選頻接收網(wǎng)絡(luò);通過5腳(高電平為發(fā)送,低電平為接收可控制串行數(shù)據(jù)在12腳輸出或者17腳輸入。接口部分,選用51系統(tǒng)單片機作為RS-232接口電路控制芯片。通過電力線實現(xiàn)點對點(終端對終端的數(shù)據(jù)傳輸以及在同一配電變壓器內(nèi)實現(xiàn)廣播通信,制定一定的控制、通信協(xié)議則,則可以在電力線中實現(xiàn)數(shù)據(jù)簡單的載波傳輸

7、。2.2多機(終端通信電力線通信系統(tǒng)的構(gòu)建2.2.1多機(終端通信的尋址模式及數(shù)據(jù)封裝格式在電力線中,各終端是以并聯(lián)的形式接入電力線的,要實現(xiàn)正確的尋址并進行通信,首先必須保證每部終端的地址是唯一的。因此,所設(shè)計的系統(tǒng)中每部調(diào)制解調(diào)芯片的ROM 中都被寫入一個各自不同的地址,類似于計算機局域網(wǎng)中每一個網(wǎng)卡的M AC 地址。而數(shù)據(jù)封裝則采用以太網(wǎng)802.3。幀格式如表1。2.2.2簡單的多機(終端通信各終端以并聯(lián)的形式接入線路,則每部終端間都是平等的,都可以成為主機。這里先簡化問題,把其中的一部終端作為主機,其它的作為從機。主機主動尋址查詢其它終端,從機(子機被動應(yīng)答,從而實現(xiàn)主從機間的通信。主

8、從機通信程序流程圖如圖6、7所示。簡單多機(終端通信技術(shù)可以應(yīng)用在諸如遠(yuǎn)程抄水、電、氣、熱表數(shù)據(jù),智能小區(qū)總機查詢、控制各監(jiān)測點狀態(tài)等主從應(yīng)答、查詢式通信系統(tǒng)中。2.2.3基于CSM A/CD 的多機(終端通信當(dāng)每一部終端為獨立、無主從關(guān)系時,也就是多機通信系統(tǒng)了。此時,每部機定時掃描電力線路,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)包則提取其目的地址信號,如果該地址等于本機地址則進行解封將并接收數(shù)據(jù);如果要發(fā)送數(shù)據(jù),則先把目的地址跟本機地址封裝到數(shù)據(jù)幀中,再進行調(diào)制發(fā)送。但當(dāng)每一部機都成為自由的主機后,數(shù)據(jù)沖突的就必須解決。假如某部終端準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)時,線路中其它終端已經(jīng)在通信中,或者幾部終端同時發(fā)送了數(shù)據(jù)包,其結(jié)果必然是通

9、信失敗。解決這個問題,可以使用以太網(wǎng)802.3中的CSM A/CD(帶沖突檢測的載波偵聽多路訪問協(xié)議。該協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中,隨時檢測線路狀態(tài)。發(fā)送前,連續(xù)地監(jiān)聽線路是否有載波信號,通常由表明線路正在使用的電壓來識別。如未偵聽到載波,則認(rèn)為線路是空閑的,可以發(fā)送數(shù)據(jù)。如果在電纜傳輸?shù)男盘栯娖酵蝗蛔兏?載波升起,則其數(shù)據(jù)包在電纜上發(fā)生沖突,為了避免沖突,則必須等待。3通信的安全性和保密性同一個配電變壓器電力線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠的龐大,在這個系統(tǒng)里面進行通信,沒有充分的考慮,其安全性和保密性將無法保證,因為每一部機都可以信道上獲取數(shù)據(jù)包,只不過是服從協(xié)議的終端丟棄了不屬于自己的數(shù)據(jù)包,如果信道中介入了一

10、部不服從協(xié)議的終端,它便可以竊聽信道中的所有通信。尤其在某個終端的地址泄密以后,它更可以專門對該終端進行竊聽。 解決方案:把數(shù)據(jù)和對方的附有半個字節(jié)隨機碼的地址進行預(yù)調(diào)制,預(yù)調(diào)制后的信號再通過電力線調(diào)制解調(diào)器在電力線中進行傳播,由于第三方雖然可以獲取數(shù)據(jù)包,但由于無法獲得該隨機碼,因此無法解調(diào)信號,達到信號加密的目的,加強的通信的安全性和保密性。(隨機碼通過一次預(yù)通信獲得假設(shè)終端A 準(zhǔn)備與B 進行通信,其通信過程用框圖表示如下。 A 向B 發(fā)送請求:(此時如果C 事先把自己的地址設(shè)為B,則可以收到A 的隨機碼,見表2。 B 向A 發(fā)送隨機碼:(由于C 來不及修改自身地址為,無法解調(diào)B 的信號,

11、則無法得到隨機碼B ;如果同時向發(fā)送隨圖6主機通信流程圖圖7從機通信流程圖表1表2表3表4 17C E CE ECH A A C A科技資訊科技資訊S I N &T NOLOGY I NFORM TI ON2008N O.21SCI EN CE &TECHN OLOG Y I NFOR M A TI O N信息技術(shù)機碼C ,通信將發(fā)生沖突,通信失敗,同時,C 暴露自己身份,見表3。A 向B 發(fā)送有用信息:(由于C 得不到隨機碼B,無法解調(diào)信號,達到加密目的,見表4。4D PL C 通信系統(tǒng)協(xié)議框圖(如圖85結(jié)語盡管電力線作為通信信道相對于一些傳統(tǒng)的介質(zhì)有其自身的缺點,但因為它不用重新布線的優(yōu)點

12、,非常適應(yīng)城市小區(qū)及農(nóng)村推廣應(yīng)用。因此隨著難題的不斷攻克以及國家法律的配套,它最終將會走向?qū)嵱没a(chǎn)業(yè)化。參考文獻1王喬晨,郭靜波,王贊基.低壓配電網(wǎng)電力線高頻噪聲的測量與分析J .電力系統(tǒng)自動化,2002(1:1819.2周慶民.電力線載波通信集成電路LM 1893J .電子技術(shù),1996(8:3839.3郭成林.AT 89系列單片機與PC 機之間的串行通信接口設(shè)計J .山西電子技術(shù),2008(1:3132,75.4宋云翔.電力通信控制器的設(shè)計與實現(xiàn)D .南京理工大學(xué),2006:3 4.圖8定位技術(shù)測量模式在地籍控制測量和地籍碎部測量中的應(yīng)用。3.1GPS(RTK 技術(shù)在地籍控制測量中的應(yīng)用

13、利用GPS(RTK技術(shù)進行地籍控制測量,不要求通視,這樣避免了常規(guī)地籍控制測量點位選取的局限條件,沒有常規(guī)三角網(wǎng)(鎖布設(shè)時要求近似等邊及精度估算偏低時應(yīng)加測對角線或增設(shè)起始邊等繁鎖要求,只要使用的GPS(RTK儀器精度與地籍控制測量精度相匹配,控制點位的選取符合GPS(R TK點位選取要求,那么所布設(shè)的GPS(RTK網(wǎng)精度就完全能夠滿足地籍規(guī)程要求。由于GPS(RTK定位技術(shù)的不斷改進和完善,其測繪精度、測繪速度和經(jīng)濟效益,都大大地優(yōu)于目前的常規(guī)控制測量技術(shù),目前,常規(guī)靜態(tài)測量、快速靜態(tài)測量、RTK 技術(shù)已經(jīng)逐步取代常規(guī)的測量方式,成為地籍控制測量的主要手段。邊長在10km 15km 的GPS

14、 基線向量,如果觀測時刻的衛(wèi)星很多,外部觀測條件好,可以采用快速靜態(tài)GPS 測量模式;邊長小于5km 的一、二級地籍控制網(wǎng)的基線,優(yōu)先考慮采用RTK 測量模式。例如在大慶82.5萬畝油田用第的地籍調(diào)查中,采用常規(guī)靜態(tài)的作業(yè)方式建立了首級地籍控制網(wǎng),然后采用R TK 測量方式,加密了低級(5地籍控制點。隨著GP S(RTK定位技術(shù)的不斷完善和網(wǎng)絡(luò)RTK 系統(tǒng)的建立,我們可以看到,GPS(RTK技術(shù)可望成為地籍控制測量的方法之一。3.2GPS(R TK技術(shù)在地籍碎部測量中的應(yīng)用RTK 技術(shù)使精度、作業(yè)效率、實時性達到了最佳的融合,為地籍碎部測量提供了一種斬新的測量方式?，F(xiàn)在許多的土地勘測部門都購置

15、了具有RTK 功能的GPS 接收系統(tǒng)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理軟件,并且取得十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。例如,自2001年以來,湖北省土地勘測規(guī)劃院利用RTK 技術(shù)進行了京珠高速公路、宜都和武漢市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)等大型征地測量的工作。據(jù)初步的應(yīng)用分析,測量時間節(jié)省一半以上,測量精度和可靠性都得到了實質(zhì)性的改善。采用RTK 方式進行碎部測量,與全站儀相比,速度快,作業(yè)效率高。與全站儀一樣,RTK 測量單點的時間需要幾十秒,但是,它不要求通視,不需要頻繁換站,減少了全站儀頻繁換站所花的時間,而且可以多個流動站通時工作。在相同的時間內(nèi),一臺流動站大約是一臺全站儀工作效率的1.5倍。參考文獻劉基余,等全球定位系統(tǒng)原理及其應(yīng)用M .北京:測繪出版社,1993:7882.2徐紹銓,等.GPS 測量原理及應(yīng)用M .武漢:武漢測繪科技大學(xué)出版社,1998:2325.3王廣運,等.差分GP S 定位技術(shù)與應(yīng)用