电力线载波通信的列车信息集中监控系统的技术分析与探索

电力线载波通信的列车信息集中监控系统的技术分析与探索

摘要:提出了一种扩频载波或窄带载波数字脉冲间隔调制(C-DPIM)电力线载波通信系统。采用线性扫频扩频载波对DPIM符号进行编码,电力硕士论文范文引入脉冲前导码作为传输数据块的同步信号以防止差错传播,并采用单片机实现了该系统。研制了电力线载波通信接口收发控制器,使其在呈时变、高信号衰减特性并存在复杂干扰的电力线网络上实现理想的数字通信,已成功地用于基于列车380 V电力线载波通信的列车信息集中监控系统。

关键词:电力线通信 扩频通信 数字脉冲间隔调制 载波通信

0 引言将低压电力网络开发成为信息接入网,利用电网进行高速、可靠的数据通信,其成本低,实施方便,是目前人们研究的热点。目前,计算机、通信技术、微控制技术与消费电子产品的密切结合和渗透,使家用电气产品逐步进入家庭自动化,信息家电产品的有机集成则形成了家庭网络。在家庭网络中,其传输信号可分为两类:一类是低速信号,例如控制命令和数据量较少且实时性要求不高的水、电、气抄表信息,电灯、空调等传统家电的控制,防盗、防火报警等信息;另一类是高速信号,例如视频、音频信号等。

本文所述的数字脉冲间隔调制(DPIM——digitalpulse interval modulation)电力线载波通信技术成果主要是针对前者。由于低压电力线网络的时变和衰减较大(尤其是电力负载为容性时对载波通信信号近乎短路)及各种复杂干扰噪声的存在,使得电力线载波通信技术长期以来在国内难以推广应用。通过大量的研究与实践,在研究了电力线网络信道特性与电力线载波扩频通信技术的基础上,本文将DPIM技术与自相关性好、易于同步、易于用微机实现的线性扫频载波扩频通信(SSC)技术相结合,提出了适合于我国电力线电网特性的扩频载波数字脉冲间隔调制C-DPIM(carrier DPIM)电力线载波通信系统。采用单片机实现传输数据变换、DPIM编码、SSC或窄带信号检测、判断DPIM脉冲间隔等,基于微控制器研制了低压电力线网络通信接口收发控制器,通信效果较好,在多种低压电力线网络环境下能实现诸如数据远程采集等功能的低速信号传输,传输速率目前可达300 bit/s。该系统在基于列车380 V电力线载波通信的列车信息集中监控系统中得到了成功应用,在跨越全列车的7节车厢范围内实现了实时、可靠的数据传输。

1 C-DPIM的原理DPIM是PPM(脉冲位置调制)的一种变形,它不是通过在一个固定帧中脉冲的位置来传送信息,而是用相邻两脉冲间的时间间隔大小来传送信息,因而DPIM系统中的帧长度随传送信号的变化而改变[1,2]。C-DPIM系统采用DPIM脉冲触发并产生载波信号,并以此作为C-DPIM系统的脉冲捕获信号。C-DPIM系统信号结构如图1所示。

图1中,SSC采用CEBUS协议中的SSC信号[3]或50 kHz~535 kHz的窄带载波信号,载波信号的持续时间不大于DPIM系统中描述两脉冲之间的时间间隔的基本时隙,因而保证了现在出现的载波信号不会与前一个载波信号重叠。SSC信号在采用CEBUS的电力线载波通信物理层中应用线性调频脉冲(chirp)方式,这些线性调频脉冲覆盖了100 kHz~400 kHz的频带,并总是以200 kHz开始线性扫描到400 kHz,继而以100 kHz线性扫描到200 kHz结束,这段时间一般为100μs。考虑到电力线网络的信号衰减特性及电力线通信系统电力线信号耦合电路的特性,可以选择用于捕获C-DPIM脉冲的载波信号由若干个线性扫频脉冲组成,也可由50 kHz~535 kHz中的一个窄带信号组成。所选择的捕获载波信号的线性调频脉冲个数决定了C-DPIM的基本时隙。在采用SSC载波作为脉冲捕获信号的C-DPIM系统中,为了避免干扰的影响,每一个DPIM脉冲后附加一个基本时隙作为保护带。每一帧以一个DPIM脉冲开始,紧跟着与被发送数据十进制数相对应的基本时隙数。例如,4-DPIM帧数据符号如图2所示。

在系统发送端,首先将数据源转换成log2N,即N-DPIM帧数据符号。N为两脉冲之间的时间间隔内所含的最大基本时隙数。DPIM的每log2N个数位被映射到N个可能的符号中的一个。按照已转换的DPIM数据,DPIM编码器产生DPIM信号,DPIM帧的长度即两脉冲之间的时间间隔随着发送数据的不同而变化,错误的DPIM帧时间间隔将影响随之而来的下一个DPIM帧的时间间隔长度,而DPIM帧间隔长度代表了要传送的信息。因此,在我们的系统中,每K个DPIM帧中包含1个前导码(每一个发送数据块的起始帧),它占有1个DPIM帧,但其脉冲间隔长度固定为X。定义一个数据块由K-1个DPIM帧组成,即log2N乘以K-1个二进制数据位。

因此,一个数据块包含K-1个脉冲和1个前导码脉冲,块长度在X+NK-1和X+K-1之间变化。在系统接收端,SS-DPIM系统信号进入电力线耦合器和SSC信号相关滤波器,如果接收到与SSC信号相关滤波器模式相匹配的SSC信号,则产生一个DPIM脉冲,进而由检测器进行判断,检测前导码和数据码。在接收完一个数据块后,通过估计DPIM脉冲的位置获得DPIM系统数据解码。2 C-DPIM系统的模型在SSC-DPIM系统中,接收器通过相关器检测前导码脉冲及数据帧脉冲[4]。设长度为I+3N的发送数据块s(t),它的接收信号用r(t)表示为:

式中:n(t)为加性高斯白噪声(AWWGN)加大功率窄带干扰,AWWGN的功率谱密度为N0/2;P(t-mTs)为幅度等于1、持续时间为Ts的矩形脉冲;SSSC(t)为线性扫频扩频信号或窄带信号;P为信号功率;a(m)为随机变量的集合,其取值为0或+1,分别代表第m个时隙无脉冲出现或有脉冲出现。在接收端,通过估计SSC信号出现的位置得到DPIM数据的解调。接收端包括一个检测SSC信号的相关器和估计SSC信号出现位置的估计器。相关器由一个乘法器(完成SSC参考信号SSSC(t)与输入信号r(t)的乘积)及一个积分器(完成C-DPIM脉宽范围内的积分)组成。对应第m个时隙,相关器的输出可表示为:

式中:Ess为对应于DPIM脉冲的SSC信号能量。由于采用了C-DPIM编码通信方式,对载波信号的检测只需通过接收端的相关器检测载波信号的有无及通过单片机确定其出现的时刻,即使电力线上出现大功率窄带干扰及强脉冲干扰信号使SSC信号产生严重畸变,只要接收端检测到的SSC信号的相关检测值y(m)不超出一定的噪声容限,就可正确判断载波信号的有无,因而捕捉到C-DPIM脉冲。另一方面,扩频信号在接收端采用相关解调方式,而干扰与信号不相关,故干扰被扩频,对信号频率范围内的干扰作用得到有效抑制。因此,C-DPIM对于电力线上出现的窄带干扰及强脉冲干扰有强抑制作用。

3 C-DPIM电力线网络载波通信收发控制器结构与实验结果C-DPIM电力线载波通信收发控制器由载波信号整形、放大、滤波发送电路,载波接收信号滤波与载波检测预处理电路,单片机MCU微控制器及电力线信号耦合电路等组成,其原理框图如图3所示。

电力线信号耦合电路由一个电阻、电容并联后与耦合变压器的原边串联组成。利用该电容器限制进入变压器的母线电流,实验中电容选为470 nF。适当选取变压器的变比及电容值,可以实现较理想的阻抗匹配和低Q值滤波性能。载波接收信号滤波与载波检测预处理电路由π型低通滤波器、高通滤波器、NPN三极管放大电路、浪涌吸收电路、电平钳位电路组成。接收信号滤波电路保证100 kHz~450 kHz载波信号以外的干扰和噪声得到充分抑制。滤波发送电路由三态运算放大器构成的信号功率放大电路、交流信号耦合电路组成,以实现总线结构的数据通信。

单片机MCU微控制器(ST92141)实现传输数据变换、DPIM编码、SSC或窄带载波信号发送与检测、DPIM脉冲间隔判断、数据解码。经过放大整形的SSC信号进入单片机的中断I/O口,当检测到正确的SSC信号后,CPU在线读定时器数据,计算一个DPIM帧的时隙数,如果该时隙数与前导码规定的时隙数匹配,则启动数据块接收程序。收完一个数据块后对数据进行校验(字节校验和),数据块长度为32 bit。本文介绍的通信收发控制器规定时隙小于10 ms且大于8 ms为数据块前导码,时隙小于2 ms为数据“0”,时隙小于4 ms且大于2 ms为数据“1”。其余情况视为不合法数据。将该系统在实验大楼380 V低压电力线网络做了大量对比实验,效果明显。实验大楼380 V电力线网络SSC-DPIM系统通信实验分别在干扰较大的20 m范围内的微机室(其干扰强度与复杂度较其他环境大)、大楼一楼至五楼350 m连线范围内的两个通信点进行,连续实验时间为17 h。实验结果如表1和表2所示。20 m范围内的微机室通信实验的误码率情况见表1。实验大楼一楼至五楼350 m连线范围内两微机室之间通信实验的误码率见表2。

结果表明,在用电高峰期,电力线负载增大,信号衰减加大,干扰增加,传输误码率上升。另外,当通信距离增大时,电力线对信号产生更大的衰减和畸变,使传输误码率增大,从而导致了SSC P300通信系统几乎瘫痪。而采用本文研制的SSC-DPIM系统在恶劣的环境下仍具有较好的通信效果。另外,该系统在基于380 V电力线SSC的列车信息集中监控系统中已得到成功应用,在广深铁路列车(车厢号为10625及98137)上跨越7节车厢范围内实现了列车运行数据的实时传输。在1个月的运行实验中每隔10 s发送一个数据块,24 h内的数据传输误码率为1.02%~2.06%。而采用SS