组建大型PLC-NET的电力技术的特点与内容探索

组建大型PLC-NET的电力技术的特点与内容探索

摘要:在直接序列扩频机理的基础上,就其抗干扰能力给出了理论分析,并指出其优点及不足之处。针对直接序列扩频中传输速率低的问题,提出了采用多进制正交扩频技术的方案,包括多进制正交扩频的发送、接收及其特点分析等内容,以提高电力线通信(PLC)的通信容量,并进而组成基于多进制正交扩频的PLC网络(PLC-NET)。该方案有效地解决了PLC-NET发展的宽带问题,对组建大型PLC-NET具有相当的现实指导意义。

关键词:电力线通信 扩频技术 直接序列扩频 多进制正交扩频

1 扩频系统的类型信道噪声是电力线通信(PLC)发展的主要问题。文献[1]研究了OFDM技术在PLC中的应用。扩频(SS——spread spectrum)技术具有很强的抗干扰能力,也为解决PLC信道的噪声问题提供了有效的解决方法。对于扩频系统,按照扩展频谱方式的不同,可以分为:跳变频率(FH——frequency hopping)方式;直接序列扩频(DSSS——direct sequencespread spectrum)方式;跳变时间(TH——timehopping)方式;线性调频(chirp modulation)方式。所谓跳频,就是按照扩频码序列选择多频率的频移键控的技术,在调制中载波频率不断地随码序列进行跳变。如图1所示,在跳频指令的作用下,其输出载波的频率在f1,f2,f3和f4之间跳变。一般说来,由于慢跳系统的性能较差,而快跳系统的价格又高;同时,PLC有限的带宽还限制了跳频速度。因此,在实际应用中,简单的跳频技术一般不予单独采用。直接序列扩频实现比较简单,而且性能相对不错,在PLC中有着比较广泛的应用。多进制正交扩频的性能较好,可用于实现高速PLC和PLC网络(PLC-NET)的组建。

2 直接序列扩频

2.1 DSSS原理所谓直接序列扩频(DSSS),就是采用高码率的扩频码序列(伪随机(PN)码)在发送端与编码数据信号进行模2加,如是扩展发送信号的频谱,然后再予以传输。接收端利用其设定PN码序列与所接收信号的相关性,再次相加,进行解调。如图2所示,在将信号编码后,与PN码进行模2加得到A点的扩频信号,调制后发送。在接收端先与g(t)进行互相关运算,得到B点的信号,然后对其进行采样,再将该采样值与PN序列发生器输出进行模2加,即可得到解扩输出。

2.2 DSSS系统的抗干扰性PLC系统中的噪声一般分为宽带噪声、部分频带噪声、单频和多频载波干扰、脉冲干扰等。以下有针对性地分别介绍其抗干扰特性。图3中的宽带噪声在解扩中与本地PN信号相乘以后,相关输出仍然是宽带噪声,而且噪声功率谱密度不变。但是,经窄带滤波后,输出信息的信噪比增高,当DSSS有足够高的扩频增益时,对宽带噪声有很好的抗干扰作用。图4中的单频或多频载波干扰信号展宽成(sinx/x)2形状的频谱,经带通滤波器后可以大量滤除。

图3(a)和图4(a)中干扰较大,信号均淹没在噪声之中;而图3(b)和图4(b)中,信号的分量均予突出,可以有效提取。在PLC的环境中,不妨假设发送二进制线性(n,k)分组码组中的全零码,则误码率的一致上边界Pm为:

式中:(W/R)/(Jav/Pav),Rcdmin分别为处理增益、编码增益;W/R为扩频后系统的带宽与信息速率的比值,一般作为系统的带宽扩展因子;Jav/Pav为噪声功率与信号功率的比值,一般作为扩频系统的干扰容限;Rc=k/n,为线性码的码率;dmin为线性码的最小距离。从式(1)可以看出,要降低DSSS的误码率,可增大扩频系统的扩展因子,增大发送功率(或降低码流的发送速率)和降低信道的噪声;还可以采用某些具有较大dmin的线性编码,例如使用Reed-Solomon码等。一般说来,DSSS在W/R为1 000(30 dB)、Jav/Pav高达22 dB(即信噪比为-22 dB)时,其误码率远小于10-6。在目前商用的通信系统中,扩频通信是惟一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。

从以上分析可以看出,DSSS具有较好的抗宽带干扰、抗单频和多频干扰的能力。但是对于突发干扰,例如电气设备的突然开关,会产生一些持续时间短、频谱宽、功率谱密度高的脉冲噪声,DSSS抗此类干扰能力有限。假设这种噪声在信号带宽W中干扰源的平均功率为Jav,从而单位频带内的噪声功率J0=Jav/W,当干扰源在α时间内以功率J0/α发送脉冲。当噪声为0时,假定发送的比特能被无差错地接收。当背景噪声突然增大时,未编码DSSS系统的误码率为Q( 2αξb/J0),其中ξb为信息比特的能量。图5所示为误码率P和信噪比ξb/J0随α变化的关系。当要求误码率P=10-6时,α=1,0.01时的信噪比ξb/J0相差近40 dB。

为了减小脉冲干扰对系统性能的干扰,在PLC过程中应尽量减少开关的突然闭合和开启,同时还需考虑增添一些特殊的硬件设备以滤除此类突发噪声,从而确保通信的可靠进行。

2.3 扩频码序列扩频码序列是具有类似白噪声统计特性的PN序列。扩频码序列的好坏对扩频系统性能的影响很大,除了较好的自相关特性外,还要求有较好的互相关特性,特别是组建PLC-NET时,互相关特性对于区分各个用户有特别重要的作用。在DSSS中常用的扩频码序列有m序列、Gold码序列等。a. m序列m序列是至今最广为人知的二进制PN,是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的长序列码字。m级最长线性反馈移位寄存器的周期为2m-1,所能产生的最大长度的码序列为N=2m-1位。其框图如图6所示。Cn是第n级移位寄存器的初值,可以是1或0。An是第n级移位寄存器的反馈系数,An=0时表示无反馈,反馈线断开;An=1时表示有反馈,反馈线相连。采用不同的反馈逻辑,即An的不同取值,将产生不同的移位寄存器序列,但只有有限的An组合可以产生m序列。

对于一个周期性的m序列,它的周期自相关函数R(τ)为:

式中:τ为时间延迟。当m较大时,R(τ)/R(0)会变得很小。因此,可以利用它的相关性来进行解码。b. Gold码序列m序列虽然性能优良,但同样长度的m序列个数不多,而且序列之间的互相关值并不很好。m序列之间的周期互相关函数具有较大的峰值,这使得在利用PLC组建通信网络时将会有很大的串扰。R.Gold提出的一种基于m序列的码序列,称为Gold码序列。在某些长度为n的m序列对呈现出三值互相关函数,它的值是{-1,-t(m),t(m)-2},其中:

这种m序列称为优选序列。对于一对优选序列通过n次循环移位进行模2加,可构成一组长度为n的序列。这些序列的非峰值自相关函数取值于集合{-1,-t(m),t(m)-2},因此它的自相关函数的非峰值上界为t(m)。从以上分析可以看出,Gold码序列的互相关和自相关特性远远优于m序列。所以Gold码序列在PLC-NET中有着广泛的应用。

2.4 DSSS信号的抗截获性由于电力网是一个公共网,因此PLC-NET的安全问题显得非常重要。理论分析表明,信号的检测概率与信噪比成正比,与信号的频带宽度成反比,DSSS信号正好具有这两方面的优势。由于DSSS信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声内,不容易被发现,因此具有较强的抗侦察和抗截获能力。同时,该系统的PN序列的伪随机性使信息具有保密性,因为用PN序列对信息比特流进行扩展频谱,就相当于对信息加密,当不知道DSSS所采用的码型时,就难以破译。2.5 DSSS技术的应用DSSS技术以其优越的抗干扰能力在PLC中得到了广泛应用。例如,北京福星晓程电子科技股份有限公司生产的PL2101,是特别针对中国电力网恶劣的信道环境所研制开发的基于DSSS的低压电力线载波通信芯片,其中心频率为156 kHz,带宽为78 kHz,通信速率为1.2 kbit/s;发射功率为0.5 W,传输距离大于2 km,干扰容限为20 dB。PL2101除了具备基本的通信控制功能外,还内置了5种常用的功能电路:实时钟电路,32 B的SRAM,电压监测电路,“看门狗”定时器及复位电路。它们通过标准的I2C接口与外部微处理器相连,其中实时钟与SRAM在主电源掉电情况下可由3 V备用电池供电继续保持工作。此芯片可以广泛应用于那些要求数据准确传输而传输速率要求不很高的场合,例如智能住宅系统的电力线载波抄表、消防报警、楼宇照明的控制等一系列电力控制系统中。

3 多进制正交扩频技术为了获得足够大的处理增益,DSSS系统的扩频因子应尽可能大,但是由于PLC系统的带宽有限,往往会受到限制。同时,为了得到有效的抗干扰能力,信息比特的宽度必须足够长,这也限制了信息的传输速率不能太高。为了解决以上矛盾,多进制正交扩频技术[2,3]是一种有效的办法。

3.1 多进制正交扩频的发送如图7所示,多进制正交码扩频技术是利用2/M变换器把输入的二进制信息分成长度为m位的码组,形成M=2m进制的信息。每个码组在M个长度为L的码序列矩阵中选取一个惟一对应的码序列,这个码序列可以由PN序列或正交序列构成,再将这个序列发送出去。扩频因子相同的情况下,多进制正交扩频的传输带宽仅为直扩系统的1/m。

一般在实际应用过程中,如图8所示,编码矩阵中使用的是Walsh函数。使用Walsh函数序列是为了在解扩时使用快速的Hadamard变换,以减小在接收端的运算量。但是,Walsh函数序列的自相关性很差,抗多径干扰的能力很弱,因而在多径传输的情况下,如果直接使用Walsh函数序列扩频,将会带来严重的码间串扰。因此,一般在正交扩频后再乘上一个PN序列(例如Gold码序