基于直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)的電力載波通信方案

基于直接序列擴(kuò)展頻譜技術(shù)的電力載波通信方案

隨著internet技術(shù)的快速發(fā)展，220v低能束能源網(wǎng)絡(luò)傳輸高速數(shù)據(jù)的價(jià)值越來(lái)越受到重視。因?yàn)樗哂袩o(wú)需連接線、覆蓋范圍廣、連接方便等特點(diǎn)。電力載荷波通信被認(rèn)為是解決方案中最有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。該方案可在智能小區(qū)等的監(jiān)測(cè)控制中得到較好的應(yīng)用。1擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用下一階段系數(shù)和擴(kuò)頻回收技術(shù)在Shannon和Hartley信道容量定理中可以看出頻譜擴(kuò)展的作用:式(1)中:C是信道容量,單位bit/s,它是在理論上可接受的誤碼率下所允許的最大數(shù)據(jù)速率;W是要求的信道帶寬,單位是Hz;S/N是信噪比。C表示通信信道所允許的信息量,也表示了所希望得到的性能;W則是付出的代價(jià),因?yàn)轭l率是一種有限的資源;S/N表示周圍的環(huán)境或者物理特性。用于惡劣環(huán)境時(shí),從式(1)可以看出:需要提高信號(hào)帶寬W來(lái)維持或提高通信的性能,甚至于信號(hào)的功率可以低于噪聲基底。修改上述公式的對(duì)數(shù)底數(shù)可得:應(yīng)用級(jí)數(shù)展開:在擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用中,信噪比較低(正如以上所提到的,信號(hào)功率甚至可以低于噪聲基底)。假定較大的噪聲使信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1(即S/N<<1),則Shannon表示式近似為:C/W≈1.433×S/N,可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為:在信道中對(duì)于給定的信噪比要無(wú)差錯(cuò)發(fā)射信息,僅僅需要提高發(fā)射的帶寬(即提高W的值)。這個(gè)原理似乎簡(jiǎn)單明了,但是由于對(duì)基帶擴(kuò)頻(擴(kuò)展到一個(gè)非常大的量級(jí))的同時(shí)還需要相應(yīng)的解擴(kuò)處理,具體實(shí)現(xiàn)起來(lái)將非常復(fù)雜。目前應(yīng)用在電力線載波通信中的擴(kuò)頻方式主要有兩種:直接序列擴(kuò)頻和線性調(diào)頻,其中直接序列擴(kuò)頻在多數(shù)電力載波芯片中都有采用。直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)又稱“平均”系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)。所謂直接序列擴(kuò)頻,就是直接利用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò),把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原為原始的信號(hào)。一般情況下,直接序列均采用PSK調(diào)制,而較少使用FSK或OOK。由通信原理可知,在PSK,FSK,OOK三種調(diào)制中,PSK信號(hào)是最佳調(diào)制信號(hào),在其他條件相同情況下,PSK誤碼率最小。為節(jié)省發(fā)射功率和提高發(fā)射機(jī)工作效率,通常使用抑制載波的雙向平衡調(diào)制。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。2片或st656系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示,通信部分用串口通信(RS232)實(shí)現(xiàn)。目前現(xiàn)在用的電力載波通信芯片有:XR2210/XR2206套片或LM1893、ST7536、SSCP300、PLT-22、SC1128。建議使用SC1128芯片,它有較強(qiáng)的抗干擾及抗衰減性能,并且芯片內(nèi)部集成了擴(kuò)頻/解擴(kuò)、調(diào)制/解調(diào)、D/A和A/D轉(zhuǎn)換、內(nèi)置電子表、輸出驅(qū)動(dòng)、輸入信號(hào)放大、看門狗、工作電壓檢測(cè)以及與單片機(jī)(MCU)串口通信等功能。2.1抗壓電路設(shè)計(jì)耦合電路是載波信號(hào)的輸出和輸入通路,并起隔離220V50Hz的工頻作用。該電路在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮220V線路側(cè)的阻抗特性,信號(hào)耦合變壓器,經(jīng)過(guò)主變壓器分壓之后的又一變壓器,220V線路側(cè)一般幾匝就可以了。輸入通道接一個(gè)壓敏電阻,經(jīng)熱敏電阻隔離后接二極管箝位電路輸出給前級(jí)濾波電路。2.2濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)濾波電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,要根據(jù)芯片初始化設(shè)置的要求進(jìn)行設(shè)計(jì),還要考慮阻抗匹配的問(wèn)題。建議濾波器設(shè)計(jì)時(shí)使用三級(jí)濾波,這樣效果更好。具體設(shè)計(jì)的參數(shù)有載波頻率fc、帶寬Bw,帶通濾波器中心頻率及頻率范圍等參數(shù)可參考北京智源利和的使用說(shuō)明書。設(shè)計(jì)的時(shí)候可以用Matlab或者Pspice仿真來(lái)確定各個(gè)電感和電容的參數(shù)。2.3流量大電路設(shè)計(jì)功率放大的設(shè)計(jì)可以根據(jù)信號(hào)的輸出來(lái)確定,此設(shè)計(jì)以芯片的方波輸出為依據(jù),功率放大是工作在開關(guān)狀態(tài),因此用若干個(gè)三極管就可實(shí)現(xiàn)。2.4級(jí)增益:10db以上,符合以下要求本級(jí)放大的目的是將濾波后的信號(hào)不失真地放大75倍以上,以達(dá)到本級(jí)增益30dB以上的要求。特別注意的是小信號(hào)不失真。因?yàn)榇思?jí)主要是完成小信號(hào)的放大,并注意電路的噪聲干擾不能過(guò)大。2.5電源設(shè)置方案微處理芯片接口的設(shè)計(jì)如圖3所示,所用的為AT89C2051單片機(jī)。1)該方案需設(shè)計(jì)電源報(bào)警的功能,當(dāng)電源低于一定值(3V左右)會(huì)產(chǎn)生中斷。2)該方案用5045芯片作為系統(tǒng)看門狗,當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)看門狗芯片會(huì)發(fā)出信號(hào)強(qiáng)制程序重啟。3電力載荷芯片的應(yīng)用由北京智源利和公司設(shè)計(jì)開發(fā)的SC11