利用伪随机调制在电力配电线路中的通信.doc

利用伪噪声调制在电力配电线路中的通信作者: PETER DER FRACHT ,会员, IEEE ; ROBERT , 高级会员, IEEE 摘要——用于办公自动化,安全防卫监控,楼宇的环境管理,计算机通信和其他应用的本地化的通信网络的需求正在每日益增长。本文认为针对这类应用的数据和模拟讯号在配电线路中的通信可使用伪噪声( PN )调制。配电电路的优点包括通过标准的墙上插头能合理的普遍覆盖以及方便的接入使用。缺点包括有限的通信带宽,相对高的噪声电平,以及阻抗、噪声和衰减的不确定性。扩频信号能提供抵抗窄带信号衰减和随意窃听的能力,复用能力,寻址能力, 并轻松实现误码率与传输速率的优化平衡。它的主要缺点是同步延迟和硬件成本通常与接收器的伪随机码的同步相关联。我们的原型调制解调器使用 60 赫兹电源线频率的载波,代码和数据位同步,从而避免了这些困难。设计所需讨论的问题,包括处理增益优化,调制解调器阻抗规格,载波频率选择和伪随机码的选择。按描述,原型调制解调器电路成本低于 美元。实际配电线路测量表明,当给单个用户使用、传输速率 BR =6 千比特/ 秒或 M =2 2 多用户同时使用、 BR =60 千比特/秒时,误码概率 410 ??p 或更低。其中,对模拟讯号的性能计算也被包括在内。一、简介用于办公自动化,安全防卫监控,楼宇的环境管理,计算机通信和其他应用程序本地通信网络的需求不断增加[1] - [9] 。网络利用物理链路,这往往涉及大量的安装成本,外观的妥协到建筑物内部的不便或限制设备的位置。替代物理链路可选择无线电或红外线通道;但是,无线电意味着许可和干扰,而红外线要求视距传输。配电电路将墙壁插座插头作为简单的标准接口,提供了合理的通用渠道。它的缺点包括与电缆或光纤链路相比下的有限的带宽,高噪音电平,以及阻抗、衰减和噪声的不确定性。我们认为伪噪声( PN )调制采用简单的直接序列( DS ) 的 PN 调制解调器来克服这些障碍并使得性能达到目前的初步评估的水平。在本地化的电力配电网络中通信是重点。这项工作也适用于电力公司的应用,包括自动抄表和负荷控制。[10] - [13] 。电力公司所使用的信令方案的多样性表明缺乏“最佳系统的共识”,并暗示着所有现有的系统都存在一些缺陷[13] - [18] 。大多数系统是窄带,因此受频率选择性衰落和干扰影响[19]-[20] 。 PN 信令所采用的伪随机码来传播的窄带数据信号在很宽的传输带宽上,从而遏制频率选择性降解[21] - [24] 。这相同的代码接于收到的信号相关联以便恢复原始数据信号。独特的用户代码使复用,寻址和免疫随意窃听成为可能。并且很容易作出的误码率和数据传输速率之间的权衡, 而不改变所传输的信号的带宽。 PN 信令的主要缺点是码捕获延迟和同步硬件成本[23] - [26] 。虽然配电线路用于通讯,但是 60 赫兹过零点的电源频率也可能用于代码同步。调制解调器硬件将非常简化,同步延迟几乎能完全消除。还有一个附加的好处,如语音,生物医学信号,或数据已调信号以及数据等连续的模拟信息信号可以被发送。另一个作者[20] 曾建议 PN 扩频信号也应该在配电线路中工作良好。然而,我们似乎是最早提出的 60 赫兹过零点同步,并率先提出的设计标准,设计出一个可工作的原型调制解调器以及给出已经在电源线上 PN 通信的实际测试结果。第二部分总结了电力线的通信信道特性。第三节建立设计需解决问题,包括扩频处理增益的优化、适当的调制解调器阻抗水平、载波频率选择、 PN 码的选择。从 60 赫兹过零抖动带来的性能损伤进行检查。第四部分简要描述了一个简单的原型调制解调器。第五部分介绍了在实际配电线路上的测试结果。该同步方案的工作情况非常出色。所测量得到的误码率随信号电平的增加而以指数形式降低。结果及其影响在第六节讨论。当错码率 410 ??p 且只有一个处于活动状态的用户,意味着至少 6 千比特/ 秒的数据传输速率。当错码率 410 ??p 且约 22 用户可以同时处于活动状态时,数据传输速率为 60位/秒(这足够为许多应用所使用了)。对于在 3千赫兹频率的语音传输,其隐含着 20分贝左右的输出信号噪声比( SNR )。另外,包括脉冲噪声消除电路以及过零平均都可以拟提高性能。二、电力线作为通信通道电力线传输和分配电能。高电压线传输三相功率从发电机到变电站,从那里电力经由配电线[12] , [27]-[29] ,然后发送到配电变压器。从建筑物内部的变压器,电源发送到电路板,从这里,分支电路将电能发送到所需的位置。在北美的一个单一家庭住宅中,例如,通用分支电路给电源开关和插电式插座提供电能。特殊的电路提供重型设备,包括洗衣机、干衣机、热水器、冰箱、电灶。分割单