1、高压线上实现电力系统扩频通信高压线上实现电力系统通信是电力系统的重要组成部分,电力通信在协调电力系统发,送,变,配,用电等组成部分的联合运转及保证电网安全,经济,稳定,可靠地运行方面发挥了应有的作用,并有力地保障了电力生产,基建,电力调度,继电保护,安全自动装置,远动,计算机通信,电网调度自动化等通信需要.现在电力通信向着综合数据通信为主的方向发展,通信媒体又增加了光纤和卫星数字通信,但高压电力线载波通信在整个电力线通信网中仍占到 12%的比重.电力线载波通信具有较高的可靠性,经济性,及时性等优点,但是电力线载波通信也存在一定的局限性.受线路噪声影响较大,电路信噪比比较低,线路呈容性,对载波衰
2、减很大,从容量方面来说,受到载波传输频率的限制,我国规定为 4o500kHz,频带范围较窄,加上发送功率在满足信噪比的情况下必须较高,一般为 10100W,因此信道数量有限.所以必须寻求一种通信制式,以适应电力通信的发展.电力线路通信中主要存在四种干扰因素,即线路阻抗的多变性,阻抗调制,脉冲噪声和连续波形阻塞,因此对数据通信的应用造成一定的困难.而扩频通信具有抗干扰能力强,保密性好,抗衰落能力强等特点,扩频信号占据的信号频带很宽且功率较低,相关检测的数据接收方式也为小信号检测和抗多径干扰提供了保证.本文主要介绍利用可编程的直接序列扩频芯片 STEL 一 2000A 来完成扩频解扩功能.芯片介绍
3、一般的扩频通信系统都要进行三次扩频通信?王艳琦田远富?调制和相应的解调.一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,以及相应的信息解调,解扩和射频解调.STEL 一 2000A 芯片实现了信息调制和扩频调制,而射频部分的调制和解调不在该芯片中进行.STEL 一 2000A 是完全直接序列扩频突发收发机,集成在一个 CMOSIC 中,采用全双工/半双工复用系统,可以采用不同的编码,以全数字处理的方式完成一个直扩系统的收信/发信.STEL 一2000A 具有很灵活的工作方式,可由单片机通过设置内部地址的高,低来控制.在发送和接收模式支持 11 兆码/秒以上的 PN 码速.采用数字
4、PN 匹配滤波器,可以在一个字符持续时问实现捕获两个独立的 PN 码序列,每个都可达 64 码长,可以有区别地处理捕获字符和数据字符.sTEL-2oo0A+20 系列,最大时钟频率为 20MHz,STEL 一 2000A+45 系列,最大时钟频率为 45.056MHz.STEL-2000A 发送模块包括一个BPSK/QPSK 编码器,PN 调制器(扩频器)及 BPSK/QPSK 调制器.这些收发功能已经被设计集成化,用于扩频突发数据的发送和接收.扩频 PN 码由单片机编程写入,存储在 STEL 一 2000A 内的发射 PN 码寄存器中.PN 匹配滤波器有两个不同的PN 系数寄存器,可以加速和
5、提高信号捕获能力.地址 07H 到 16H 包含 64 个 2bit位的捕获 PN 码系数值,地址 17H 到 26H包括 64 个 2bit 位的数据字符 PN 码系数值,二者相互独立,可以分别由单片机编程写入.长的 PN 码具有较高的处理增益,可用于捕获字符,而较短的 PN 码?56?电子世界 2004 年 7 期可用于高速数据速率.在接收端 STEL 一 2000A 将数字下变频器,PN 匹配滤波器和 DPSK 解调器集成到一个单一的接收器.输入模拟信号通过移相功放,宽带放大,高速 MD 采样转换为两路正交信号,分别通过芯片的 RXIIN70,RXQIN70 引脚输入,之后进入下变频器中
6、,在此,8bit 的接收机输入信号和 NCO(数控振荡器)产生的数字正弦和余弦信号在复乘器中相乘.采用复正交取样模式,由四个复乘器真正完成单边带下变频到基带的转换.在 STEL-2000A里,采用双信道(I 和 Q)匹配滤波器来实现解扩.匹配滤波器由两个 PN 码寄存器独立支持.PN 码寄存器中的 PN 码与发射来的信号所使用的 PN 码一致,与数据信号在匹配滤波器中作相关积分运算,由于所选择的 PN 码的自相关系数高,互相关系数很低,所以可以获得相关积分的峰值,完成成功的解扩.之后信号被依次送到字符跟踪处理器,解调器进行解调.射频部分的调制和解调不在 STEL-2000A中进行.系统设计电力
7、线扩频实现流程信号由发送端进入到数据流接口电路,经过调制,上线处理.上下线的主要工作就是使频带和功率达到电力线载波的要求,使得扩频信号能够利用原有设备顺利加工结合到输电线路上.在发送端要把低压的高频信号接到高压电力线上,要防止高压强电进入低压设备,所以采用互补推挽功率放大器,功放的输出级采用变压器耦合(耦合变压器是将已调制的信号耦合到电力线上,并接收电力线的数据),在变压器的次级经高通滤波器(HPF)将高频信号送到电力线上.高压电力线信道十分复杂,为了将低压线路和高压强电隔离,还要实现负载阻抗匹配,使尽量多的高频信号能够上线.在接收端,通过耦合单元从高压线接收信号,由于外界干扰信号使信号幅度不
8、断改变,而扩频通信系统要求较稳定的信号幅度,因此要实现接收放大器的自动增益控制.由于电力线上只有 40500kHz 的频带.所以设置 PN 码速率不能太高.STEL 一2000A 的最高时钟速率为 45.0565MHz,PN 码速最高可达 11.264MHz,如果选用N=64 码长的 PN 码时,采用 QPSK 调制,K=2,贝数据速率 R=KPN 码率,N=211.264/64=352kbit,可以在电力线上传输.反之,如果需要 2.4kbps 的速率时,22.464=307.2kbps,则需通过使用TXMCHP(发送手动码脉冲)由用户自己从外部提供 PN 码速率时钟脉冲源.由于发送数据已占
9、据电力线上全部带宽,所以在载波信道上不能采用 FDM(频分复用)和 TDM(时分复用 ),而利用扩频技术可以较容易地实现 CDMA(码分多址).不同的收发方具有不同的 PN 码,由于 PN 码的自相关系数很高,互相关系数几乎为0,所以在同一信道内的互干扰很小.当到达接收端,STEL 一 2000 利用 643 的数字匹配滤波器来完成解扩和同步.同时在数字匹配滤波器的输入端采用了前端处理,可以很好的消去部分加性噪声.高压电力线通信系统方框图如图 1所示.本系统主要用到的芯片 STEL 一的接口控制单元,以便对内部寄存器编程设置.其数据线,地址线,写信号可直接与计算机或单片机上对应的总线连接,使用
10、灵活方便.AT89S52 单片机是一种低功耗,高性能,含 8K 字节闪电存储器的 8 位 CMOS微控制器,其片内闪电存储器的编程与擦除完全用电实现,数据不易挥发,编程/擦除速度快.256 字节 RAM.32 根 I/O 口线,全双工的串行口,片内晶体振荡器和时钟电路.系统结构在本高压载波通信的应用中,上位机主要完成两个功能.其一是模拟实际工程中的数据采集单元或控制中心,利用它的 RS232 接口 (RS232 是目前常用的串行接口标准)与 89S52 通信,完成信号的同步解扩和解调,获得所需的信息,同理,从站亦可向主站发送信息.程序流程(1)将要编程的存储单元地址放到地址线上.STEL 一
11、2000A 的地址线 ADDR06 连接到单片机 89S52 的地址线 P1.01.7 上.(2)将编程数据字节STEL 的 DATA07 线输入至单片机 89S52的数据线 Po 上,进行数据传送 .(3)启动 89S52 的一组编程控制信号.设置STEL 的地址 40H 的 bitO 位为低,发送机采用 QPSK 模式.并对芯片 STEL 一 2000进行发送机 PN 码等设置.(4)通过上位机实现对单片机的控制.系统结构图如图 2 所示.提供或接收数据(由于 89S52 与 RS232 接口电平不同,所以中间要添加 MX232 来进行电平转换);另一个功能就是用作将来在现场调整一些参数的
12、设置,包括扩频码长度的选择,对应的扩频码,数据率,功率等.其中对扩频码及其长度,通信的数据率这几个参数的调整,通过上位机发送命令给单片机 AT89S52,单片机执行不同的命令对 STEL 一 2000A 进行致据流 L 一调制 L 一上线下线 L_一解调数据流接口电路 Il 电路 lI 处理 II 电力线 lI 处理 ll 电路 II 接口电 I图 12000A 芯片内部设置了 86 个寄存器用来对芯片的功能选择进行编程控制,使用时对这组寄存器设置所需的初始数据,以选择不同功能和工作方式.STEL 一 2000A芯片提供了可直接与计算机或外设连接设置和控制.本系统采用 89S52,主要是其支持
13、在线编程(ISP),这对软件调试及以后的软件升级带来极大的方便.本系统完成的是点对多点的通信,因此从站 1,2,3分别设置 PN1,PN2,PN3作为系统的接收 PN 码,而作为主站如果需向从站 1发送信号时,即将发送 PN 码设置为 PN1,由前面叙述可知,只有从站 1 可以成功地?57?电子世界 2004 年 7 期图 2总结本设计中我们充分利用 STEL 一 2000的可编程性来实现点对多点的通信,充分利用了电力线上有限的频谱资源.同时采用扩频技术,辐射很小,对其它通信设备的干扰很小,大大降低了电磁对环境的干扰,具有很强的抗干扰能力.STEL 一 2000A 具有高性能和高可信赖性,较低的电力消耗,支持数据速率最高可达 2.048Mbps.它的可编程性允许它用于各种数据的捕获,遥测和处理系统.STEL 一 2000A 扩频技术提供了通信所要求的同步速率,在最不利的环境中可以处理丢失的符号和插入适当的检测脉冲,以获得正确的符号检测,充分保证了电力系统通信对稳定性和可靠性的要求.
