基于ARM的电力线载波通信研究

毕业论文 基于电力线载波通信、基于OFDM技术、应用MAXIM公司芯片做了一个电力线通信终端

中国矿业大学

本科生毕业设计

姓 名：学 院：专 业：论文题目：

专 题：指导教师： 学 号： 基于ARM的电力线载波通信研究 职 称： 副教授 2012 年 6 月 徐州

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中国矿业大学毕业论文任务书

专业年级 学号 学生姓名

任务下达日期：2011年 12月 14日

毕业论文日期：2011年 12月 20日 至 2012年 6月 5日

毕业论文题目：基于ARM电力载波通信研究

毕业论文专题题目：

毕业论文主要内容和要求：

1、学习、掌握电力线载波通信原理；

2、学习ARM控制器使用方法，及开发平台的使用；

3、完成基于ARM的电力载波机软、硬件设计。

4、翻译近2年的相关英文资料（或论文）一篇，中文字数不少于3000字；

5、完成毕业设计论文的撰写。

指导教师签字：

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郑 重 声 明

本人所呈交的毕业论文，是在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本毕业论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本论文属于原创。本毕业论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

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中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书

指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：

成 绩：

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中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书

评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；④工作量的大小；⑤取得的主要成果及创新点；⑥写作的规范程度；⑦总体评价及建议成绩；⑧存在问题；⑨是否同意答辩等）：

成 绩：

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中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩

没

回

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摘 要

电力线通信(Power Line Communication，PLC)是指以电力线作为媒质进行数据、信息的传输和交换。随着调制解调技术和信号处理技术的发展，PLC技术也得到了飞速的发展。随着正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)技术应用于PLC领域，PLC传输的可靠性和速率也达到了一个新的高度。PLC应用广泛：Internet的接入、智能家庭组建、自动远稃抄表等等。

论文主要完成的工作有：对电力线信道特性做了详细的分析，包括多径干扰特性、阻抗特性、背景噪声等；OFDM技术是实现高速PLC的关键技术，论文对OFDM技术的原理、实现以及关键技术做了分析与研究，最后对基于电力线信道OFDM的PLC做了MATLAB仿真研究；基于MAXIM公司的MAX2986和MAX2980的PLC解决方案，论文对PLC调制解调器进行了硬件的设计与制作；论文将基于MAX2986和MAX2980的PLC调制解调器应用于电力线抄表系统，在抄表之余，同时实现Internet接入功能。

关键字:PLC 电力线载波通信 OFDM MAX2986

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ABSTRACT

Power line communication(PLC) uses power line as communication media for data transmission and information exchange．With the advancement of the technologies of modulation and signal procession，PLC has been developed greatly．With the technology of Orthogonal Frequency Division Multiplexing(OFDM) using in PLC，the reliability and speed Of PLC transmission arrive at a new height．There are many PLC applications，such as Home-Bus for making the intelligent building，automatic meter reading and, so on．

The work is as follows：The characteristics of the power line channel are studied, which contain multi-path attenuation, impedance changes and many varying noise; OFDM is the key technology to realize high speed PLC．First，the theory, realization and key technology of 0FDM are analyzed and studied．Finally, the PLC based on power Line channel is simulated By MATLAB；Based on the PLC solution of MAXIM corporation’s IC which are MAX2986 and MAX2980,a PLC modem is designed and tested；The MAXIM PLC modem is applied to design a new automation metering system which can realize internet access and automation meter reading.

Key Words: PLC, Power line communication, Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MAX2986

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目 录

1 绪论 ....................................................................................................................................... 1

1.1 国外发展 ........................................................................................................................ 1

1.2 国内发展 ........................................................................................................................ 1

2 电力线载波通信技术 ........................................................................................................... 3

2.1 电力线载波通信 ............................................................................................................ 3

2.1.1 电力线载波通信原理 ............................................................................................. 4

2.1.2 电力线载波通道基本特性分析 ............................................................................. 6

2.2 电力线通信信道的传输特性 ........................................................................................ 7

2.2.1 信号衰减 ................................................................................................................. 7

2.2.2 多径干扰 ................................................................................................................. 7

2.2.3 高斯白噪声 ............................................................................................................. 7

2.3 电力线信道传输模型 .................................................................................................... 8

3 OFDM原理和关键技术 ....................................................................................................... 11

3.1 OFDM技术原理 ............................................................................................................ 11

3.2 OFDM的实现 ................................................................................................................ 12

3.2.1 OFDM的实现过程 ................................................................................................. 12

3.2.2 OFDM的数学表示 ................................................................................................. 13

3.3 OFDM的抗干扰性能分析 ............................................................................................ 13

3.3.1 抗符号间干扰(ISI) ................................................................................................. 13

3.3.2 抗载波间干扰(ICI) ................................................................................................ 14

3.3.3 抗频率选择性衰落 ............................................................................................... 14

3.3.4 抗多径效应 ........................................................................................................... 15

4电力线应用OFDM载波技术 .............................................................................................. 16

5 电力线网络通信系统终端设计 ......................................................................................... 18

5.1电力线载波通信网络系统总体结构 ........................................................................... 18

5.2 OFDM基带信号处理模块 ............................................................................................ 19

5.2.1 MAX2986芯片 ....................................................................................................... 20

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5.2.2 MAX2986基带处理模块设计 ............................................................................... 21

5.2.2 MAX2980芯片 ....................................................................................................... 22

5.2.3 MAX2980模拟前端模块设计 ............................................................................... 23

5.2.4 网络接口电路 ....................................................................................................... 24

5.2.5 耦合电路模块 ....................................................................................................... 25

5.2.6 电源电路设计 ....................................................................................................... 26

5.3 OFDM系统的性能仿真 .................................................................................................. 27

5.3.1 仿真流程 ............................................................................................................... 27

5.3.2 代码实现 ............................................................................................................... 28

6 结束语 ................................................................................................................................. 33

参考文献 ................................................................................................................................. 34

翻译部分 ................................................................................................................................. 36

英文原文 ............................................................................................................................. 36

中文译文 ............................................................................................................................. 44

致 谢 ................................................................................................................................... 49

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1 绪论

电力线载波通信（PLC）利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。电力线作为一种不用重新布线的基础设施，过去仅仅用于远程抄表、家居自动化，传输速率很低，不适合高速信息传输。随着网络技术和信息技术迅猛发展，国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mbps信息的高速电力线载波技术，该技术在现有电力线上实现数据，语音和视频等多业务的承载。高速电力线载波通信技术不断进步，可以传输数据、语音、视频和电力为一线的“四网合一”，极富诱惑力。特别是“十一五”规划中把电力线载波通信列入大力研究项目，探讨电线上网的政策和运营方式，努力为实现全面电线上网打好基础作为发展重点。

目前，高速电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用，这与自身技术不完善有很大的关系。在电力线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信作为宽带接入问题关键。

1.1 国外发展

PLC电力线载波通信研究97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nortel(北电网络)利用开发的数字电力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1Mbit／s的速率数据传输的远程通信，并进行了该技术市场推广。随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbit／s发展到2、14、24Mbit／s甚至更高。国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片。其中以美国Intellon公司的14Mbit／s芯片应用最为普遍，且大部分电力线载波系统都是基于该芯片开发的。目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展，在2004年启动了OPERA的计划。美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，并发布了第一个PLC标准HomePlug1.0。

1.2 国内发展

在高速PLC研究和推广方面，我国进步较晚。从英国公司研究出高速PLC技术以后，我国研究机构也开始对高速PLC研究，中国电力科学研究院采用国外芯片先后研究出可以传输速率为2、14、45、200Mbit／s的低压PLC产品以及14、

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45Mbit／s的中压PLC产品。由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的产品需要根据我国配电线路的实际情况进行改进才能使用。并于2001年底开通我们第一个电力线为传输介质的PLC宽带接入Internet试验小区。2002年3月引进欧洲PLC产品进行语音传输试验，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打电话。2002年5月，采用国内电力系统研制的产品，开通了第一个国内自主研发的PLC宽带接入系统。小规模产品试验成功之后，又在不同场合进行了大规模电力线宽带接入试验。主要研究在不同配电网结构中，PLC产品的耦合方式和组网模式，如何建立施工规范，并对不同国家的产品进行测试。随着PLC技术的突破以及应用的深入，PLC在国内商业化只是迟早的事。

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2 电力线载波通信技术

2.1 电力线载波通信

电力线通信技术是指利用高压电力线(通常指35KV及以上电压等级)、中压配网电力线(指10KV电压等级)或低压配电线(380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。该技术是把载有信息的高频载波信号加载于电流，然后用电力线传输，接收信息的适配器再把高频载波信号从电流中分离出来以实现信息传递。

电力线通信并不是新技术，已经有着几十年的发展历史，在中高压输电网上通过电力线载波机利用较低的频段(9～490KHz)，以较低的速率传送话音或远动数据，这是以往电力线载波通信的主要应用。

电力线载波优点：

(1)电力线载波通信利用的是现有的电力基础设施——电网，这个传输媒介是全球覆盖最大的网络，用电力线做接入无需新布线就可以用到有电的地方就有宽带接入，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。

(2)电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构略固，高压输电线安全设计系数比光纤的安全设计系数高。

(3)具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了，输电线架设到哪里，载波通信线路就可以延伸到那里，目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度电话远动，远方保护信息的传输，对电力线系统的安全，稳定，经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统都有的信道资源不应轻易放弃，应加以合理的发展和利用，使之与高速，宽带技术长期并存，互为补充。

(4)能够为电力公司电力管理提供传输通道，实现电力、数据、话音和图像综合业务传输的通信技术。

不过，我们也要看见载波电力线的不足，由于受电网的影响，PLC的传播距离有限，在低压配电网中无中继的传输距离一般在250m以下。要实现自配电变压器至用户插座的全力线接入需要借助中继技术。电力负荷的波动对PLC接入网络的吞吐最也有一定影响。由于多个用户共享信道带宽，当用户增加到一定程度时，网络性能和用户可用带宽有所下降，但这些问题可以通过合理的组网方式得到解决。

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2.1.1 电力线载波通信原理

母线母线图2.1电力线载波通信的原理框图

上图所示为实现电力线载波通信的原理框图。图中A端为发电厂、B端为变电所，发电厂产生的50Hz电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后供给用户。

例如我们利用电力线实现电话通信，将1路0.3～3.4kHz的语音信号直接送到电力线上进行传输，这样会受到强大的50Hz电流干扰，在接收端难以选出语音信号而无法实现通信。所以，要在电力线上进行直接音频通信。经实践证明，把1路0.3～3.4kHz的语音信号，通过变频将语音信号频谱搬移到高频频段，如40kHz以上的高频信号在电力线上传输，在接收段用滤波器就比较容易选出。如将多路语音信号分别采用不同频率的载波进行变频，在电力线上就可以进行多路载波电话通信。

利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线上。常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。它由耦合电容C和结合滤波器F组成。耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。而对50Hz电流具有极大的衰减，防止50Hz电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安全的目的。图中电力线上传输的50Hz电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全的。阻波器T是一个调谐电路，其电感线圈能通过很大50Hz电流的强流线圈，保证50Hz电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信号通过，能起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。

电力线载波通信在两个方向采用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上来回传送，是双频带二线制双向通信。其具体过程为：A端的语音信号(0.3~3.4)

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经差接系统，与频率为f1的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为f1+(0.3~3.4)kHz的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器F1、耦合电容器C1送到电力线的耦合相线上。由于阻波器T1的存在，高频信号沿电力线传输到B端，再经过B端的C2、F2送入B端载波设备。中心频率为f1的收信带通滤波器滤出f1+(0．3—3．4)kHz的高频信号，经过放大、解调以后得到A端的语音信号。按照相同的方式，将B端的语音信号通过f2+(0.3~3.4)kHz的高频信号传输到A端，这样就可以实现双向电力线载波通信。

电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。但电力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。实际上，电力线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。

图2.2电力线载波设备原理框图

图2．2中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到50Hz工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。在实际选择频带时，还必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。国内统一的使用频带为40～500kHz。

电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。同一发电厂、变电所中不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每相

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电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用。要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比40～500kHz窄。

2.1.2 电力线载波通道基本特性分析

电力线载波信号是在传送50Hz输电线上进行传输的。为了在电力线上传送平高频信号，必须在电力载波设备和电力线之间加装耦合电容器、结合滤波器以及阻断高频信号的阻波器。电力线载波通信高频信号传送通道组成时，常用的耦合方式有相地耦合方式和相相耦合方式两种。电力线载波通道衰减频率特性决定于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、地面高度、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素。采用相地耦合方式的电力线高频通道的衰减特性常用下面经验公式表示

b KfL 0.4n ClC

式中Ｌ——电力线的长度，km；

——高频信号的频率，kHz：

Ｋ——系数，对35kV线路取12.2×10-3，110kV线路取8.7×10-3，220kV

线路取6.5×10-3，400～500kV线路取7.2×10-3；

n——电力线路的端数，一般取n=2；

c——高频电缆每千米的衰减，dB／km；

lC——两端高频电缆的总长度，km；

电力线的衰减频率特性，从上式可以得出频率越高衰减越大，另外，同一线路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰减要大。电力线的线路特性阻抗与耦合方式也有关。目前我国的电力线相地耦合情况下的输入阻抗一般选300～400欧姆(110kV的线路为400欧姆，220kV的线路为350欧姆，500kV的线路为300欧姆)。

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2.2 电力线通信信道的传输特性

2.2.1 信号衰减

对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到100dB／km。衰减的主要原因并不在于电力线本身的阻抗，而是电力线上并连着的许多负载，尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容。对载波通信信号来说，调整电网功率因数的大电容相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也会分去相当一部分的功率。总的来说，电力线上的信号衰减存在以下几个特点：信号衰减随着频率的上升而增大：信号衰减随着距离的增加而增大：在一些特定的频率点上，有可能发生窄带衰减；电力网上的电力负载极大地影响载波信号的衰减。由于负载情况随着时间发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减也会随着时间变化，其变化范围可高达20dB。

2.2.2 多径干扰

多径效应是指信号经过不同路径到达目的地时，由于信号的延迟而产生相互干扰的现象。低压电力网由于所连接的设备数量巨大、种类繁多，整个电力网络的阻抗随时处于动态变化之中。这样有些用电设备会工作在阻抗不匹配的状态，造成信号的反射，从而使有用信号可能经过不同的路径到达接受点。由于信号在每条路径上经历的时间不同，延迟信号在接收端与原始信号叠加产生干扰，即多径干扰。当多径信号延迟较短时，这种干扰可以忽略。如果延迟较长，就会使有用信号产生严重的码间干扰。

2.2.3 噪声分析

在电力线通信中，线路上的损失和多径效应之外，噪声是影响电力线通信的最重要的因素。与其它通信信道不同，电力线信道不是加性高斯白噪声信道。电力线信道中频率在数百KHz至20MHz范围内的噪声分为以下五类：

(1) 有色背景噪声：它的功率谱密度相对较低，并且随频率变化。这种噪声主要由各种低功率噪声源共同引起，它的功率谱密度随时间变化较慢，通常为几分钟，甚至几小时。

(2) 窄带噪声：绝大多数为调幅的正弦信号。这种噪声主要由中短波发射的广播台的介入引起，并且它的幅度通常随着时间变化。

(3) 与主频不同步的周期性冲击噪声：绝大多数情况下，这些冲击噪声的重

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复频率在50kHz到200kHz之间，在频域中，它们体现为以重复频率为隔的离散谱线。这种噪声主要由电力设备的开关引起。

(4) 与主频同步的周期性冲击噪声：这些噪声的重复频率为50kHz或100kHz并且与电源周期同步，他们持续的时间很短，通常为毫秒级，并且功率谱密度随着频率的升高而呈下降趋势。这种噪声主要由与电源同步工作的电力设备引起。

(5) 不同步的冲击噪声：这种噪声主要由电力线上连接的设备的瞬时开关引起。这些冲击的持续时间从几毫秒到几微秒不等，并且它们的到达时间是随机的。这种噪声的功率谱密度有时候能达到比背景噪声高出50dB以上。如图2.3所示。

对于前面3种噪声，由于第2种窄带噪声通常是随着时间(白天或黑夜)的变化而变化，OFDM系统考虑这类噪声作为背景噪声，第3种类型周期脉冲噪声有高的重复率，而且很低的功率谱密度(PSD)，所以也可以看作一种背景噪声。这三种类型被分作背景噪声。而噪声(4)和(5)通常是随时间变化的，几微秒或几毫秒就会变化。在这样的噪声发生的情况下，可以很明显地看到噪声功率谱密度较大，这会引起数据传输的比特错误或突发错误。在OFDM系统中对这些噪声通常的解决办法是或者避免使用这些频段，或者是在这些噪声频段上采用低比特速率的子信道。

图2.3 信道五类噪声示意图 2.3 电力线信道传输模型

根据文献【2】，通用的电力线信道传输模型为：

H(f) gi(f)

i 1N gi(f)e (a0 a1fk)die j2πf i （2.1）

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其中：

i表示路径数目，延时最短时系数i=1；

a0，a1表示衰落参数；

k表示衰落因子指数；

gi表示路径i的权衡因子，通常是复数，为该路径的反射因子／传输因子； di表示路径i的长度；

τi表示路径i的时延；

信道的实时性由延时项公式第三部分来体现，随着信道长度和频率的变化而产生低通特性，信道衰落由衰落项公式第二部分来体现，而权衡因子包公式第一部分括反射因子和传输因子，一般是复数，而且是与频率相关。在大多数的实际情况下，频率相关权衡因子gi；能被简化成非频率相关的复数，可以表示为路径的权值。另外考虑到延时τi，信道长度di。，与相速Vp。之间的关系：

(2.2)

dirdi i c0vp

其中c0是在真空中的光速， r为绝缘材料的介电常数。

所以可以把式(2.1)中τi，用式(2.2)来代替，从而得到简化的信道传输模型：

H f giA f,di e

i 1N j2πfdivp

电力线上的损耗引起了衰减A(f,d)，随路径的长度和频率的增加而增加，接收端的信号应该是各条路径上信号的叠加。传输信号随着长度和频率的增加而衰减，长度为L的传输线的频率响应可以用复传输常数表示为：

r (R' j L')(G' j C') j

式中参数R’、L’、G’和C’分别表示导线的电阻、电感、电导及电容是由主传输线决定的。线路参数C’和L’可以由几何维数和一些材料特性粗略估计，考虑兆赫兹的频率范围，单位长度的阻抗与频率开根号成正比；单位长度的导电率G’主要受绝缘材料的损耗因子影响，因此它与频率成正比。对典型的几何结构和材

''料的线路来说，通常在兆赫兹的频率范围内有R L，G' C'，这样，线

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