擴(kuò)頻通信技術(shù)在哈二局電力線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用研究碩士畢業(yè)論文

擴(kuò)頻通信技術(shù)在哈二局電力線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用研究 汝石 東北電力大學(xué)工程碩士學(xué)位論文工學(xué)碩士學(xué)位論文擴(kuò)頻通信技術(shù)在哈二局電力線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用研究 二一年十二月圖書(shū)分類(lèi)號(hào)：U.D.C.:工學(xué)碩士學(xué)位論文擴(kuò)頻通信技術(shù)在哈二局電力線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的應(yīng)用研究碩士研究生： 導(dǎo) 師： 企 業(yè) 導(dǎo) 師： 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：工程碩士學(xué) 科、專(zhuān) 業(yè)：電氣工程所 在 單 位：哈爾濱第二電業(yè)局答 辯 日 期：2010年12月授予學(xué)位單位：東北電力大學(xué)Classified Index:U.D.C.Dissertation for the Masters Degree in EngineeringThe spread spectrum technique is living the application in the power systemCandidate： Supervisor：Prof. Nie HongzhanAssociate Supervisor：S.E. Leng JieAcademic Degree Applied for：Master of EngineeringSpeciality：Electrical EngineeringAffiliation：Harbin second electric power bureauDate of Oral Examination：Dec. 2010University：Northeast Dianli University論文原創(chuàng)性聲明本人聲明，所呈交的學(xué)位論文系在導(dǎo)師指導(dǎo)下本人獨(dú)立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明確標(biāo)注或得到許可。論文內(nèi)容未包含法律意義上已屬于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。本人如違反上述聲明，愿意承擔(dān)以下責(zé)任和后果：1. 交回學(xué)校授予的學(xué)位證書(shū)；2. 學(xué)?？稍谙嚓P(guān)媒體上對(duì)作者本人的行為進(jìn)行通報(bào)；3. 本人按照學(xué)校規(guī)定的方式，對(duì)因不當(dāng)取得學(xué)位給學(xué)校造成的名譽(yù)損害，進(jìn)行公開(kāi)道歉；4. 本人負(fù)責(zé)因論文成果不實(shí)產(chǎn)生的法律糾紛。論文作者簽名： 日期： 年 月 日論文知識(shí)產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬東北電力大學(xué)。學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開(kāi)閱覽、借閱以及申請(qǐng)專(zhuān)利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，署名單位仍然為東北電力大學(xué)。論文作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日摘 要隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和電力事業(yè)的迅速發(fā)展，絕大部分地區(qū)的用電已沒(méi)有限制，一戶(hù)一表制已基本普及。企業(yè)級(jí)力負(fù)荷監(jiān)測(cè)、控制系統(tǒng)已在一些地區(qū)投入使用，取得了較好的效果。但低壓電力用戶(hù)由于數(shù)量多，地域分布廣，電力公司的抄表工作量相當(dāng)大，因此采用新的技術(shù)手段，利用本地和遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表技術(shù)，完成自動(dòng)抄表并達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控電能表計(jì)的目的；同時(shí)減少人工抄表、數(shù)據(jù)輸入等繁雜以容易出錯(cuò)的勞動(dòng)，提高工作效率，真正做用電管理自動(dòng)化，自動(dòng)抄表系統(tǒng)就成為電力公司解決抄表問(wèn)題的一種選擇。目前，遠(yuǎn)程自抄表技術(shù)（Automatic Meter Reading System SMRS）主要有專(zhuān)線通信技術(shù)和電力線載波通信技術(shù)。專(zhuān)線通信技術(shù)作為常規(guī)方法，其特點(diǎn)是通信穩(wěn)定性好；但是需鋪設(shè)專(zhuān)用通信線路，存在施工量大、綜合成本高、維護(hù)費(fèi)用高舊城區(qū)施工難度大等問(wèn)題，難以大規(guī)模應(yīng)用。電力線載波通信技術(shù)采用電力線作為通信介質(zhì)，具有充分利用現(xiàn)用資源、易施工、綜合成本低、不受環(huán)境條件限制等優(yōu)點(diǎn)。但是，電力線通信信道存在間歇性噪聲大、阻抗、隨負(fù)載變化大信號(hào)減小等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了它的有效利用。本文根據(jù)電力線上信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，分析了擴(kuò)展頻譜通信的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、系統(tǒng)模型、通信原理和偽隨機(jī)編碼原理，并對(duì)常用的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（本設(shè)計(jì)也正是使用這種系統(tǒng)）的調(diào)制解調(diào)以及同步技術(shù)進(jìn)行了討論。闡述了電力線自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通信部分的電路設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。設(shè)計(jì)了利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)以電力線為傳輸載體的自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信方式及通信過(guò)程，后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)做出了結(jié)論并提出了建議。關(guān)鍵詞：擴(kuò)展頻譜；自動(dòng)抄表；直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)；電力線載波AbstractNowadays the power industry is reformed deeply all over the world. Power line is most widely network, so using the existing power line to communicate can save most invest of line. But there is much disturb and cacophony on power line, using commonly communications mode is difficult to attain reliabilitys demand. But using spread spectrum communication on power line can attain reliabilitys demand.Spread spectrum communication is paid more attention to the advantage of good message privacy, antijamming and multiple access in the word, it shows strong vitality on the side of measuring distance, antenna measure, mine communication tactics communication mutiaccess application, mobile communication and so on.In this paper, introduce firstly the characteristic of signal transferring on power line, and design communications process and mode using spread spectrum communication achieve automatic meter readings data transferring system using power ling as communications media. Explain the base of mathematic, the modeo communications f system, the principle of communication and the principle of PN code, and go along analysis off mathematic. Discuss the modem technology and synchronization of direct sequence spread spectrum system (the design in this paper also use this system). Set forth the communications circuit and debugging of power line automatic meter readings data transferring system. Draw a conclusion of the circuit, then table a proposal.Key words：Spread spectrum；PN code automatic meter reading；Direct sequence spread spectrum system；Power line carrier目 錄目錄摘要IAbstractII目錄III第1章緒 論11.1研究目的和意義11.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.3課題研究的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)3第2章擴(kuò)展頻譜技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用42.1電力線上的信號(hào)傳輸特性42.2研究的主要內(nèi)容及方案設(shè)計(jì)52.2.1 自動(dòng)抄表系統(tǒng)62.2.2 電度表脈沖轉(zhuǎn)換器8第3章擴(kuò)展頻譜通信原理及偽隨機(jī)編碼93.1 擴(kuò)展頻譜技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)93.2 擴(kuò)頻通信的基本原理及數(shù)學(xué)模型93.2.1 擴(kuò)頻通信的基本原理103.2.2 擴(kuò)頻通信的數(shù)學(xué)模型103.3 擴(kuò)頻增益123.4 擴(kuò)頻系統(tǒng)的分類(lèi)133.5 擴(kuò)頻通信的抗干擾性能分析143.5.1 抗廣義平穩(wěn)干擾和單頻正弦干擾能力的分析143.5.2 抗多徑干擾能力的分析153.6 擴(kuò)頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn)163.7 偽隨機(jī)編碼基礎(chǔ)原理173.8 m序列的構(gòu)造原理183.8.1 m序列的定義183.8.2 m序列的性質(zhì)18第4章直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)224.1 直接序列信號(hào)的產(chǎn)生224.2 偽隨機(jī)信號(hào)的調(diào)制與混頻234.3 直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜特性254.4 直接序列系統(tǒng)中射頻帶的考慮264.5 直接序列的擴(kuò)頻增益274.6 直接序列抗頻通信系統(tǒng)的解擴(kuò)274.6.1 單用戶(hù)檢測(cè)284.6.2 多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)304.7 基帶解調(diào)(基帶恢復(fù))與載波同步324.8 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的同步跟蹤與捕獲354.8.1 同步不確定性的來(lái)源354.8.2 實(shí)現(xiàn)同步的幾種方法354.8.3 初始同步(捕獲)的方法364.8.4 同步的方法37第5章 實(shí)用電路設(shè)計(jì)395.1 芯片選擇395.2 電路工作原理415.2.1 電路框圖415.2.2 芯片介紹425.3 電力線擴(kuò)頻載波電路505.4 程序流程圖515.4.1 同步接收及發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程515.5 電力線擴(kuò)頻載波在實(shí)際中的應(yīng)用及發(fā)展515.5.1 電力線擴(kuò)頻載波應(yīng)用舉例515.5.2 應(yīng)用前景52結(jié)論54參考文獻(xiàn)55攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文57致謝58III第1章 緒 論第1章緒 論1.1研究目的和意義從貝爾發(fā)明電話到今天信息高速公路的建設(shè)，一百多年來(lái)，通信技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是近年來(lái)，隨著微電子機(jī)術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，通信技術(shù)更是日新月異 1 。迅速發(fā)展的通信技術(shù)已經(jīng)成人們生活中不可缺少的一部分。當(dāng)今世界，作為能源輸送的電力線鋪設(shè)遍布全球，比任何通信線路的范圍都廣。因此，人們希望利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行傳輸信息。這樣，便省下建設(shè)一個(gè)通信網(wǎng)的線路投資 1 。通常情況下，建設(shè)一個(gè)民用通信網(wǎng)的線路投資占總投資的50%以上。因此，利用電力線傳輸信息可以節(jié)省大量的人力、物力、財(cái)務(wù)。隨著城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造的深入和電力市場(chǎng)改革的深化，擴(kuò)展頻譜通信（Spread Spectrum Communication）技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域已經(jīng)廣為應(yīng)用。例如：無(wú)線局域網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)傳系統(tǒng)、個(gè)人通信系統(tǒng)等。同時(shí)在導(dǎo)航和測(cè)量系統(tǒng)中也受到日益廣泛的重視和應(yīng)用 2 。擴(kuò)展頻譜通信相對(duì)于窄帶通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)有一定的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在擴(kuò)展通信具有優(yōu)越的抗干擾性能上。擴(kuò)展信號(hào)具有較寬的頻譜，因而分散了噪聲功率，使干擾程度減小，提高了通信的可靠性。由于擴(kuò)展技術(shù)有優(yōu)越的抗干擾性能及抗多徑衰落能力，而且有極強(qiáng)的隱蔽性，因此，使用擴(kuò)頻通信具有誘人的前景 3 。所以，將擴(kuò)頻通信技術(shù)應(yīng)用到電力線遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中，可以有效的解決電力線通信信道中干擾嚴(yán)重的問(wèn)題，進(jìn)一步把遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)推向?qū)嵱没?。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)不僅可以用于對(duì)電能表的遠(yuǎn)程抄表，也可以用于水表，煤氣表等的遠(yuǎn)程抄表。遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)使管理更加科學(xué)化、規(guī)范化，提高了工作效率和管理水平 4 。管理部門(mén)在自己的計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行讀表、控制、顯示、打印等操作，真正實(shí)現(xiàn)了抄表的自動(dòng)化，因此，遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)必將得到廣泛的應(yīng)用。1.2國(guó)內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著全球范圍內(nèi)電力經(jīng)營(yíng)市場(chǎng)化的發(fā)展，自動(dòng)抄表技術(shù)（AMR）的應(yīng)用愈加廣泛。自動(dòng)抄表成為新的產(chǎn)業(yè)部門(mén)，國(guó)外已有不少著名廠商生產(chǎn)出AMR系列產(chǎn)品，而且對(duì)AMR的研究越來(lái)越深入 5 。美國(guó)于1986年建立了自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)（AMRA），近年來(lái)以成立了歐洲自動(dòng)抄表技術(shù)協(xié)會(huì)（EUROAMRA）。自動(dòng)抄表可以從用多種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如，電能表的數(shù)據(jù)可以措助電話線，電力線載波、微波或無(wú)線電傳送。目前，國(guó)內(nèi)已有一些公司在致力于研究適合于國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的電力線載波調(diào)制解調(diào)芯片，并已有一些產(chǎn)品。但目前還未制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍。也有一些公司已推出自動(dòng)抄表系統(tǒng)，但使用情況不盡如人意。用電數(shù)據(jù)的抄收方式在國(guó)內(nèi)一直沒(méi)有什么改變，這在計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用的今天幾乎是不可思議的，快到月底的時(shí)候，供電局總要派出許多人到各個(gè)居民小區(qū)里抄表，每人一天最多也只能抄上三五百戶(hù)。伴隨著城市住宅建設(shè)日益發(fā)展，居民數(shù)和獨(dú)立電能表數(shù)迅速膨脹，多種電價(jià)制度開(kāi)始推行，抄表計(jì)量日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工抄表方式已難以適應(yīng)新的變化 6 。國(guó)外很早對(duì)電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對(duì)北美州地區(qū)電網(wǎng)（480V/277V、208V/120AC）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9KHZ-150KHZ和針對(duì)歐州地區(qū)電網(wǎng)（400V/230AC）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9KHZ-150KHZ。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專(zhuān)有技術(shù)，設(shè)計(jì)出各自的電力線載波modem芯片(Mainelli，2001)。由于國(guó)外電力線載波modem芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)使用都難盡人意。國(guó)外由于一直認(rèn)為AC220V網(wǎng)是載波通信禁區(qū)，研究載波抄表系統(tǒng)的人不多，推廣面也很窄；而國(guó)外抄收人工費(fèi)用又比國(guó)內(nèi)高得多；近期據(jù)市場(chǎng)反饋信息，東南亞、澳大利亞、日本、臺(tái)灣等國(guó)家與地區(qū)都有推廣使用載波抄表系統(tǒng)的意向。因此，市場(chǎng)意味著很廣闊！1.3課題研究的主要內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)課題研究的主要內(nèi)容1.詳細(xì)分析電力線上信號(hào)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，然后設(shè)計(jì)了利用擴(kuò)展頻譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)以電力線為傳輸載體的自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信方式及通信過(guò)程。2.通過(guò)分析擴(kuò)展頻譜通信的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、系統(tǒng)模型、通信原理和偽隨機(jī)編碼原理，設(shè)計(jì)電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器的外圍電路、包括微控制器，輸入、輸出濾波器，輸出放大器，電力線耦合電路等。3.對(duì)常用的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)（本設(shè)計(jì)也正是使用這種系統(tǒng)）的調(diào)制解調(diào)以及同步技術(shù)進(jìn)行了分析。4.進(jìn)行電力線自動(dòng)抄表數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通信部分的電路設(shè)計(jì)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)調(diào)試，同時(shí)進(jìn)行性能分析。關(guān)鍵技術(shù)：1.在已有的工作基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化外圍電路，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，調(diào)整并確定最佳的信號(hào)發(fā)送功率及占用頻率。2.制定系統(tǒng)各部分之間的通信協(xié)議，設(shè)計(jì)電力線網(wǎng)絡(luò)接口控制器的外圍電路。- 55 -第2章 擴(kuò)展頻譜技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用第2章擴(kuò)展頻譜技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用2.1電力線上的信號(hào)傳輸特性在當(dāng)今的世界范圍內(nèi)，人們都期望著利用現(xiàn)有的電力線（PL）進(jìn)行信息的傳送，并最終能夠達(dá)到四遙（即遙測(cè)、遙迅、遙控和遙調(diào)）的水平，這樣就可以節(jié)約大量的人力、物力和財(cái)務(wù)。國(guó)內(nèi)外許多公司和研究單位都在對(duì)此進(jìn)行研究和發(fā)展，可以說(shuō)PL載波通訊方興未艾，但是應(yīng)目前的技術(shù)發(fā)展水平而言，其性能還有待進(jìn)一步加以改進(jìn)。但是，電力線并不是理想的信息傳輸通道。電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制 7 。（1）配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。（2）三相電力線間有很大信號(hào)損失（10Db-30dB）。通訊距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。（3）不同信號(hào)藕合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同，藕合方式有線地藕合和線中線藕合。線地藕合方式與線中線藕合方式相比，電力載波信號(hào)少損失十幾Db，但結(jié)-地藕合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。（4）電力線存在本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50HZ和60HZ，則周期為20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會(huì)帶來(lái)兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100HZ或120HZ脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms，固定干擾必須加以處理。有一種利用波形過(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以難以應(yīng)用。（5）電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1歐姆以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆坠?。但?dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。因此，只有進(jìn)一步提高載波信號(hào)功率來(lái)滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，提高載波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。而且，單一提高載波信號(hào)功率往往并不是有效的方法。（6）電力線上存在高噪聲。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開(kāi)閉，就會(huì)給電力線上帶來(lái)各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線上藕合下來(lái)的噪聲一般就在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)會(huì)削減到1mV，如不采用電力線專(zhuān)用modem芯片來(lái)解調(diào)數(shù)據(jù)信號(hào)，通訊距離會(huì)相當(dāng)短。（7）電力線引起數(shù)據(jù)信號(hào)變形。電力線是一個(gè)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響不一樣，民用電力線是時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化的，不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)電力線后，接收到的信號(hào)是嚴(yán)重變形、參差不齊的信號(hào)，所以必須加以特殊處理。電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成一個(gè)不理想的通訊媒介，但由于現(xiàn)代通訊技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通訊成為可能，其中數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近。電力線載波通訊的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線載波專(zhuān)用modem芯片。擴(kuò)展頻譜通信具有優(yōu)越的干擾性能，在電力線上進(jìn)行擴(kuò)頻通信可以改善信噪比從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。因此，我們利用擴(kuò)頻技術(shù)設(shè)計(jì)出一個(gè)配電線路上的信息傳輸系統(tǒng)。主要用于低壓電力載波集中抄表，另外在智能大廈以及樓宇自控、信息家電、家用電器集中監(jiān)控等方面都有應(yīng)用空間。2.2研究的主要內(nèi)容及方案設(shè)計(jì)傳統(tǒng)家庭的電費(fèi)計(jì)算，通常都是由抄表人員定期到每座大廈的電表房抄讀每個(gè)電表的讀數(shù)，這項(xiàng)工作不但效率低，而且有人為誤差，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代化用電管理的要求。使用了自動(dòng)抄表系統(tǒng)后不僅能圓滿(mǎn)地解決上述問(wèn)題，而且還能提供例如對(duì)每一用戶(hù)用電量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，未來(lái)用電量的預(yù)測(cè)，接收實(shí)時(shí)短訊息等用電的監(jiān)測(cè)及管理等功能 8 。自動(dòng)抄表系統(tǒng)是未來(lái)家庭自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。現(xiàn)在自動(dòng)抄表系統(tǒng)所存在的問(wèn)題是如何能快速而低廉地建立一個(gè)可行的通訊網(wǎng)絡(luò)及如何對(duì)現(xiàn)有大量的仿真式電表進(jìn)行改造。使用現(xiàn)有的低壓電力線作為載波通訊媒體的擴(kuò)頻通訊技術(shù)及電度表脈沖轉(zhuǎn)換器能很好地解決上述問(wèn)題。2.2.1 自動(dòng)抄表系統(tǒng)低壓電力線載波通訊技術(shù)的自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2-1。在圖2-1中由電力公司管理中心的服務(wù)器（Server）發(fā)布各種命令，如查看某一電表的數(shù)據(jù)，修改電表終端參數(shù)或要求系統(tǒng)重置等。電表的讀數(shù)定期地通過(guò)收集器中的電表脈沖轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)存在收集器的E2PROM中，而集中器的PC就將來(lái)自管理中心的命令經(jīng)電力線調(diào)制解調(diào)器送至收集器 9 。一旦集中器的電力線調(diào)制解調(diào)器從220V電力線中收到相關(guān)命令，就在收集器的E2PROM中找出相應(yīng)的數(shù)據(jù)并將其傳送回管理中心。另外，管理中心還可以利用此系統(tǒng)發(fā)送一些短信息給用戶(hù)或是廣播一些通告。圖2-1 擴(kuò)頻低壓電力線自動(dòng)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）電表至收集器收集器是由電度表脈沖轉(zhuǎn)換器再加上數(shù)據(jù)緩存器組成。首先，我們研制的電度表脈沖轉(zhuǎn)換器將傳統(tǒng)的仿真式電表轉(zhuǎn)換成數(shù)字式脈沖輸出。然后將所得電表數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)線臨時(shí)存放在數(shù)據(jù)緩存器中，緩存器由EPROM組成，負(fù)責(zé)儲(chǔ)存電表累積讀數(shù)。上層結(jié)構(gòu)即集中器可在此讀取電表的相應(yīng)讀數(shù)。（2）收集器至集中器在此階段的通訊為擴(kuò)頻低壓電力線載波通訊，利用現(xiàn)有的電力線，不需要額外的布線，但在收集器及集中器兩者間各需一個(gè)電力線調(diào)制解調(diào)器。在一般的設(shè)計(jì)中，在普通的情況下，收集器和集中的通訊關(guān)系為仆、主關(guān)系，即收集器只可以響應(yīng)集中器的要求，而不能主動(dòng)和集中器通訊。但在某一特殊情況下，出于安全性的考慮，例如有人擅自改動(dòng)電表、收集器斷電等，收集器可以主動(dòng)地向系統(tǒng)發(fā)出緊急訊號(hào)。在有些設(shè)計(jì)中，通常是由收集器定時(shí)向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)的，采用的是載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)（CSMA）協(xié)議。擴(kuò)頻低壓電力線載波通訊技術(shù)必須采取特殊的技術(shù)來(lái)克服各種開(kāi)關(guān)電源的大量窄頻干擾。而擴(kuò)頻通訊就是通過(guò)編碼及調(diào)制的方法將信號(hào)所占有的頻帶擴(kuò)展，大于所傳信息必需的最小帶寬，因此擴(kuò)展了信號(hào)的頻譜，令擴(kuò)頻通訊的抗干擾能力增強(qiáng)。此外，由于信號(hào)的功率譜很低，使竊聽(tīng)者很難截獲，隱蔽性好。根據(jù)仙農(nóng)定理，高斯信噪比與帶寬是可以互換的。利用數(shù)字編碼，增強(qiáng)量化級(jí)數(shù)，改善量化噪聲。低壓電力線載波通訊的基本原理見(jiàn)圖2-2。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送機(jī)先將數(shù)據(jù)調(diào)制在一個(gè)高頻載波上再藕合至電力線上。因?yàn)轳詈闲盘?hào)只有幾伏，其載波為幾百千赫的高頻信號(hào)，所以不會(huì)對(duì)電力線路造成不良的影響。接收方則在電力線路中通過(guò)解調(diào)電路分離出原數(shù)據(jù)。電力線調(diào)制解調(diào)器分別位于收集器及集中器近電力線一側(cè)，采用擴(kuò)頻低壓電力線載波通訊技術(shù)的調(diào)制解調(diào)器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-3（以直接序列擴(kuò)頻方式為例）。其中，耦合電路把已調(diào)制信號(hào)送到電力線并接收電力線上的數(shù)據(jù)，并隔離控制電路和220V電源，這需要較高的靈敏度和選頻能力。需要一個(gè)合適的擴(kuò)頻芯片，可以完成擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)的功能，然后進(jìn)行功率放大。微處理器如MSC-51系列芯片，通過(guò)串行或并行接口與擴(kuò)頻芯片和計(jì)算機(jī)聯(lián)接，控制整個(gè)通訊終端，發(fā)送和接收命令及數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校檢解包。（3）集中器至電力公司管理中心由集中器至電力公司管理中心的通訊通常都會(huì)超出1km-10km，出于對(duì)通訊可靠性的考慮，一般在此不會(huì)使用電力線載波通訊，而是使用技術(shù)成熟的PSTN（電話網(wǎng)絡(luò)）的調(diào)解調(diào)器撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)。使用一部微處理機(jī)或PC來(lái)控制普通撥號(hào)調(diào)制解調(diào)器和電力公司管理中心的服務(wù)器連接，在電話網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)AT指令將數(shù)據(jù)送至管理中心。圖2-2 電力線載波通信系統(tǒng)示意圖圖2-3 電力線擴(kuò)頻載波通信系統(tǒng)2.2.2 電度表脈沖轉(zhuǎn)換器電度表脈沖轉(zhuǎn)換器是自動(dòng)抄表系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，該部件可直接在現(xiàn)有的電磁式電度表上，無(wú)需對(duì)原有電度表進(jìn)行任何改動(dòng)，再配合適當(dāng)?shù)暮罄m(xù)處理裝置，即可準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便地獲得有功功率、無(wú)功功率和功率因素等參數(shù)的遙距傳送。經(jīng)上述分析可知，在電力線上使用擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)在理論上是可行的。因此我們首先介紹一下擴(kuò)頻通信的基本理論（主要以我們所設(shè)計(jì)的電路中所用的直接序列擴(kuò)頻通信方式為主）。第3章 擴(kuò)展頻譜通信原理及偽隨機(jī)編碼第3章擴(kuò)展頻譜通信原理及偽隨機(jī)編碼3.1 擴(kuò)展頻譜技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)假設(shè)連續(xù)信道的帶寬為B（HZ），信道輸出的信號(hào)功率為S（W）及輸出加性高斯白噪聲功率為N（W），則可以證明該信道的信道容量為C=Blog21+S/N (3-1)上式就是信息論中具有重要意義的香農(nóng)（Shannon）公式，它表明了在給定的信噪比S/N和沒(méi)有誤碼情況下，一個(gè)發(fā)送信息的信道的容量隨著信道帶寬，發(fā)送功率的增加而增加。這個(gè)公式同樣適用于一個(gè)射頻（RF）信道，對(duì)于給定的S/N，可以通過(guò)增加發(fā)送信息的帶寬得到較低的誤碼率。因此，擴(kuò)頻技術(shù)被廣泛地應(yīng)用于各種領(lǐng)域。擴(kuò)頻通信（spread spectrum communicaton）是將轉(zhuǎn)輸?shù)男畔?shù)據(jù)被偽隨機(jī)碼編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再轉(zhuǎn)輸；接收端采用同樣的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始的信息數(shù)據(jù)。一般所討論的擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)必須滿(mǎn)足以下兩條準(zhǔn)則：（1）轉(zhuǎn)輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被傳送的原始信息的帶寬。（2）轉(zhuǎn)輸帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)常用的是偽隨機(jī)編碼信號(hào)。顯然，這種通訊方式與一般的窄帶方式不同，它是在傳輸擴(kuò)展的寬帶信號(hào)后，再相關(guān)處理恢復(fù)窄帶信號(hào)，因而具有偽隨機(jī)編碼和信號(hào)相關(guān)處理兩大特點(diǎn)。正是這些特點(diǎn)使擴(kuò)頻通信具有抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落、保密及多址復(fù)用等能力。3.2 擴(kuò)頻通信的基本原理及數(shù)學(xué)模型使用偽隨機(jī)編碼把基帶信號(hào)（信息數(shù)據(jù)窄帶信號(hào)）的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展擴(kuò)頻通信，從利用電磁波來(lái)看，是與一般現(xiàn)有的常規(guī)通信方式完全不同的。擴(kuò)頻通，形成相當(dāng)寬帶的低功率譜密度信號(hào)發(fā)射。使用不同的偽隨機(jī)編碼，不同的通信用戶(hù)可在同一頻段、同一時(shí)間互不影響或影響極小的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。常規(guī)通信是在頻段上細(xì)分（頻分）或時(shí)間上細(xì)分（時(shí)分）給通信用戶(hù)，彼此互不干擾地分別使用。因此，擴(kuò)頻通信在調(diào)制、解調(diào)上是與眾不同。3.2.1 擴(kuò)頻通信的基本原理擴(kuò)頻通信的基本原理，以直接序列擴(kuò)頻為例。信息數(shù)據(jù)D1經(jīng)常的數(shù)據(jù)調(diào)制，變成帶寬為B1的信號(hào)，用擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列去對(duì)基帶信號(hào)做擴(kuò)頻調(diào)制，形成帶寬為B2（B2>>B1）、功率譜密度極低的擴(kuò)頻信號(hào) 10 。在發(fā)身端，眾多的通信用戶(hù)使用不同的PN碼，可以，同時(shí)使用帶為B2的同一頻帶。接收時(shí)使用同樣的偽隨機(jī)序進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，再使常的通信處理手段，解調(diào)出發(fā)來(lái)的信息數(shù)據(jù)D1。這樣，接收端對(duì)不同擴(kuò)頻信號(hào)，就可得到不同發(fā)送來(lái)一信息數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)多址通訊。3.2.2 擴(kuò)頻通信的數(shù)學(xué)模型我們以二元直接序列擴(kuò)頻為例，來(lái)討論擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在OOK、FSK、PSK三種數(shù)字載波調(diào)制中，PSK的性能最佳，現(xiàn)代直序列擴(kuò)頻統(tǒng)中載波調(diào)制一般都采用BPSK或DPSK。PSK調(diào)制信號(hào)表示為：f（t）=Acosot+m(t)+o(t) (3-2)式中： o載波； A振幅； o(t)初相； m(t)二進(jìn)制序列的數(shù)字信息所控制的相位。為運(yùn)算方便設(shè)A=1，o(t)=0。若規(guī)定二進(jìn)制序列中的“1”對(duì)應(yīng)于m(t)=0，而二進(jìn)制序列中的“-1”對(duì)應(yīng)于m(t)=。這種調(diào)制信號(hào)可等效為一個(gè)只取1的值波形，對(duì)載波實(shí)行抑制載波幅度調(diào)制后的信號(hào)為：f（t）=m(t)cosot (3-3)我們用d(u,t)表示an經(jīng)編碼后的數(shù)字信號(hào)，c(u,t)表示擴(kuò)頻碼波形。d(u,t)和c(u,t)都是二進(jìn)制波形，且滿(mǎn)足式3-4。從中可以直接寫(xiě)出發(fā)射系統(tǒng)的輸出信號(hào)s(u，t)的表達(dá)式為：s(u,t)=d(u,t)c(u,t)cosot+(u) (3-4)為了下面分析方便，設(shè)d(u,t)和c(u,t)是相互獨(dú)立的，且d(u,t)的碼元寬度Tb是c(u,t)碼元寬度Tc的整數(shù)倍。S(u,t)經(jīng)由天線輻射到空間，在傳播過(guò)程中受空間各種信號(hào)和干擾噪聲的污染。有用信號(hào)在傳輸過(guò)程中一般要產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)延l(u)和多普勒頻率d(u)以及隨機(jī)相移(u)，因而進(jìn)入接受天線的信號(hào)加噪聲為：R(u,t)=s1u,t-l(u)+n(u,t)+s1u,t-l(u) (3-5)式中：siu,t-l(u)表示同一擴(kuò)頻系統(tǒng)的多址干擾及其他無(wú)線電發(fā)出的信號(hào)，也包括有用信號(hào)本身的多徑延遲及人為干擾信號(hào)（敵方的干擾）；n(u,t)是信道中的所有加性噪聲，工業(yè)火花干擾等；s1u,t-l(u)為有用信號(hào)。射頻濾波器后的接收信號(hào)取實(shí)部，用r(u,t)表示：r(u,t)=du,t-l(u)cu,t-l(u)cos(o+d(u)+(u)+n(u,t)+siu,t-l(u) (3-6)式中：n(u,t)表示通過(guò)射頻濾波器的帶限加性噪聲；siu,t-l(u)表示落入射頻濾波器通帶內(nèi)的干擾信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后進(jìn)行與發(fā)射端相反的變換，即可恢復(fù)發(fā)射端傳送的信息。在廣頻接收機(jī)中，這個(gè)反變換就是解擴(kuò)和解調(diào)。一般都采用相關(guān)解擴(kuò)。在解擴(kuò)時(shí)我們利用式3-9和式3-10的基本關(guān)系，即： c(u,t)c(u,t)=1 (3-7)c(u,t)c*(u,t)=0 (3-8)符號(hào)“*”表示共軛，實(shí)際上c(u,t)是函數(shù)，因此c*(u,t)=c(u,t)。若載波解調(diào)用相干解調(diào)，兩個(gè)乘法器是相關(guān)解擴(kuò)和解調(diào)，c*ru,t-l(u)是與發(fā)射端同步的本地?cái)U(kuò)頻碼，l(u)為延遲鎖定環(huán)路提供的控制追蹤量，作為對(duì)信道隨機(jī)延時(shí)l(u)的同步追蹤。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號(hào)為2cos(o+d+(u)t+(u)，其振幅為2od(u)及(u)也是由鎖相環(huán)路提供的同步跟蹤量。在數(shù)學(xué)模型中兩種環(huán)路均未畫(huà)出。設(shè)基帶濾波器的沖擊響應(yīng)為h(t)，其帶寬與發(fā)射端數(shù)字信息帶寬相同，且射頻濾波器能無(wú)失真地處理R(u,t)，則基帶濾波器的輸出為： (3-9)如果圖3-1(b)中相關(guān)器是理想的（并能濾除二次諧波），且射頻濾波器和基帶濾波器都是線性的，則我們建立的模型也是線性的，于是，式3-9中的各項(xiàng)就可以利用線性疊加原理分別求出它們?cè)诨鶐V波器輸出端響應(yīng)，再求總的響應(yīng)。在本文討論數(shù)學(xué)模型時(shí)，我們先對(duì)有用信號(hào)做分析。在對(duì)有用信號(hào)分析時(shí)，我們先假設(shè)其他干擾信號(hào)和加性噪聲都為零，于是式3-6可簡(jiǎn)化為：r(u,t)=du,t-l(u)cu,t-l(u)coso+d(u)t+(u)把r(u,t)代入式3-9，并作積分變量代換后，則有：v(u,t)=2du,a-l(u)cu,a-l(u)coso+d(u)a+(u)c*ru,a-l(u)cos(o+d(u)a+(u)h(t-a)da (3-10)對(duì)于式3-10，前面曾假設(shè)相關(guān)器式理想的并能濾除二次諧波，又由于c*r(u,t-l(u)與c(u,t-l(u)共軛，這樣可利用式3-8的關(guān)系，且當(dāng) (3-11)擴(kuò)頻碼元同步、頻率鎖定、相位鎖定成立時(shí)，則基帶濾波器輸出的有用信號(hào)為： v(u,t)= (3-12)從式3-12可知，只要基帶濾波器能無(wú)失真地轉(zhuǎn)送數(shù)字信息du,t-l(u)，經(jīng)基帶數(shù)字檢測(cè)器處理后，便能恢復(fù)出發(fā)射端信源傳來(lái)的信息an。3.3 擴(kuò)頻增益一般地說(shuō)，衡量一個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)優(yōu)劣的重要條件是其抑制干擾的程度。參數(shù)擴(kuò)頻增益G描述了這一程度。典型的G值在20-60dB之間。對(duì)于一個(gè)給定用戶(hù)，輸入信噪比（S/N），輸出信噪比（S/N）。的關(guān)系為： （S/N）。=G(S/N)i G=（S/N）。/(S/N)i=B2/B1 (3-13)擴(kuò)頻解調(diào)前后的信噪比之比等于擴(kuò)頻增益G1它給出了擴(kuò)頻通信中擴(kuò)頻解調(diào)處理對(duì)信噪比的改善程度，因此，擴(kuò)頻增益G又叫擴(kuò)頻處理增益（spread process gain）。同時(shí)，G又等于頻譜擴(kuò)展后的信號(hào)帶席B2（射頻帶寬）與頻譜擴(kuò)展前的信號(hào)帶寬B1（信息帶寬）之比。在擴(kuò)頻通信中，接收機(jī)做擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為B1的信號(hào)成分，而排除掉擴(kuò)展到寬頻帶B2中的外部干擾、噪聲和其他用戶(hù)通信的影響。擴(kuò)頻增益G準(zhǔn)確地反映了擴(kuò)頻通信的這種能力。擴(kuò)頻序列的選擇也直接影響手頻系統(tǒng)的性能，我們將在后面討論偽隨機(jī)序列。3.4 擴(kuò)頻系統(tǒng)的分類(lèi)一般來(lái)說(shuō)，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)分為四種基本的工作方式：（1）直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式：直擴(kuò)方式（DS方式）。直接序列調(diào)制就是用高速率的偽隨機(jī)碼序列(PN)與信息碼序列模二加后（波形相乘）的復(fù)合碼序列法控制載波的相位而獲得直接序列擴(kuò)頻信號(hào)。接收機(jī)接收到發(fā)射信號(hào)后，首先通過(guò)同步電路捕捉發(fā)送來(lái)的PN碼的準(zhǔn)確相位，由此產(chǎn)生與發(fā)送的偽隨機(jī)編碼相位完全一致的接收用PN碼，作為護(hù)頻解調(diào)用的本地信號(hào)，以便準(zhǔn)確恢復(fù)成窄帶信號(hào)，從而完成接收 11 。直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)，又稱(chēng)“平均”系統(tǒng)或偽噪聲系統(tǒng)。這種工作方式同以下其他工作方式相比，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展方便，無(wú)論對(duì)通信、測(cè)距應(yīng)用，還是對(duì)其他應(yīng)用都很適合。它是目前應(yīng)用較為廣泛、也是最典型的一種。我所做的電力線上的擴(kuò)頻設(shè)計(jì)也正是利用這種技術(shù)。（2）跳變頻率（Frequency Hopping）工作方式：跳頻方式（FH方式）。在發(fā)送端信息碼序列與偽隨機(jī)碼序列調(diào)制后，按不同的跳頻圖案或 指令去控制頻率合成器，使輸出頻率在信道里隨機(jī)跳躍地變化。在接收端，為了對(duì)輸入信號(hào)解跳，需要由與發(fā)送端相同的本地偽碼序列發(fā)生器構(gòu)成的跳頻指令去控制本地頻率合成器，使其輸出的跳頻信號(hào)能在混頻器中與接收到的跳頻信號(hào)差頻出一個(gè)固定中頻信號(hào)來(lái)。經(jīng)中頻放大器放大及帶通濾波后，送到數(shù)字信息解調(diào)器復(fù)出原信息。（3）跳變時(shí)間（Time Hopping）工作方式：跳時(shí)方式（TH方式）。信息數(shù)據(jù)送入偽隨機(jī)編碼控制的脈沖調(diào)制發(fā)射機(jī)，發(fā)射出攜帶信息數(shù)據(jù)的偽隨機(jī)間隔射頻信號(hào)。這種工作方式，允許在隨機(jī)的時(shí)分多址通訊中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)使用同一天線。在實(shí)際系統(tǒng)中多半與其他工作方式混合使用。（4）寬帶線性調(diào)頻（Chirp Modulation）工作方式：Chirp方式。寬帶線性調(diào)頻，過(guò)去是作為雷達(dá)測(cè)距的一種工作方式使用的。發(fā)射波是一個(gè)寬脈沖，被變換成頻偏為f的寬帶調(diào)頻波（通常是線性調(diào)制）發(fā)射，接收機(jī)解調(diào)用具有高頻率范圍、延遲時(shí)間小的脈沖壓縮濾波器，其輸出為很窄的壓縮脈沖。用這種工作方式可以克服多譜勒效應(yīng)對(duì)通訊系統(tǒng)的影響。上述4種工作方式是基本的工作方式，目前最常用的是直擴(kuò)方式和跳頻方式兩種。下文將直擴(kuò)方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。在實(shí)際系統(tǒng)中，僅僅采用單一的工作方式不能達(dá)到所希望的性能時(shí)，往往采用兩種或兩種以上工作方式的混合形式。3.5 擴(kuò)頻通信的抗干擾性能分析3.5.1 抗廣義平穩(wěn)干擾和單頻正弦干擾能力的分析假定系統(tǒng)是線性的，且廣義平衡干擾及單頻正弦干擾和進(jìn)入接收機(jī)的有用信號(hào)是相互獨(dú)立的，且干擾與信號(hào)同頻同相，則這個(gè)部分可以用頻譜卷積示意圖來(lái)說(shuō)，如圖2-2所示：從頻譜圖中可以看出：擴(kuò)頻解擴(kuò)能提高抗干擾能力。接收端利用同步PN碼序列的相關(guān)性，作相關(guān)解擴(kuò)處理，有用數(shù)字信號(hào)被轉(zhuǎn)換為窄帶基帶信號(hào)。若信道中存在著干擾，這些干擾包括窄帶干擾、人為瞄準(zhǔn)式干擾、單頻干擾、多徑干擾或碼分多址信號(hào)，它們和有用信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)。由于窄帶噪聲和多和徑干擾與本地?cái)U(kuò)頻信號(hào)不相關(guān)，在相關(guān)處理中被削弱，則被本地偽碼擴(kuò)展為寬帶譜；寬帶無(wú)用信號(hào)與本地偽碼不相關(guān)，因此不能解擴(kuò)，仍為寬帶譜。由于無(wú)用的干擾信號(hào)為寬帶譜而有用信號(hào)為窄帶譜，我們可以用一個(gè)窄帶濾波器排除帶外的干擾電平，這樣，窄帶內(nèi)的信噪比就大大提高了。為了提高抗干擾性能，希望擴(kuò)展帶寬與信息帶寬的比越大越好 12 。圖3-2 擴(kuò)頻通信的抗噪聲性能3.5.2 抗多徑干擾能力的分析多徑干擾屬于乘性干擾，是由于電波傳播過(guò)程中，遇到各種反射體（如對(duì)流層、電離層、高山和建筑物等）引起反射或散射，在接收端收到的直 接路徑信號(hào)與這些群反射信號(hào)之間的隨機(jī)干涉形成的。由于多徑干擾信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑引起的傳播時(shí)延，使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和波形展寬，并導(dǎo)致信號(hào)的頻率選擇性衰落和路徑引起的傳播時(shí)延使信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真和波形展寬，并導(dǎo)致信息波形重疊，使通信系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的誤碼。在常規(guī)通信體制中，對(duì)此問(wèn)題的一般解決辦法主要有以下幾個(gè)方面：智能天線、多載波調(diào)制、RAKE接收、分集和功率控制技術(shù)，但往往都難于圓滿(mǎn)解決問(wèn)題 13 。經(jīng)分析表明，偽隨機(jī)碼尖銳的相關(guān)特性使多徑射束完全獨(dú)立。因而擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)具有抗多徑干擾的能力，即對(duì)多徑干擾不敏感。歸納其原因如下：（1）對(duì)于直接碼序列調(diào)制，由于偽碼相關(guān)函數(shù)具有尖銳的峰值，當(dāng)多徑傳播時(shí)延小于一個(gè)碼元Tc時(shí)，反射信號(hào)與直接信號(hào)疊加，看作信號(hào)的一部分，對(duì)有用數(shù)字信號(hào)略有影響，疊加在偽碼上的信號(hào)只影響其幅度，而不產(chǎn)生對(duì)偽碼信號(hào)的展寬或壓縮，故不影響系統(tǒng)的信息傳輸。但多徑時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼元寬度Tc時(shí)，由于相互關(guān)系數(shù)為零，則作為噪聲處理。（2）當(dāng)碼元Tc相當(dāng)窄，且偽碼長(zhǎng)很長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)的頻譜很寬，反射回來(lái)的多徑頻率分量不可能同相地到達(dá)接收點(diǎn)，所形成的多徑干擾信號(hào)在相關(guān)檢測(cè)中被削弱。（3）在跳頻系統(tǒng)中，其瞬時(shí)帶寬一般均能滿(mǎn)足相關(guān)帶寬的要求。故干擾信號(hào)不影響跳頻系統(tǒng)接收有用信號(hào)。因此在一般常規(guī)通信中，被認(rèn)為極難以對(duì)付的多徑干擾，在擴(kuò)展頻譜碼分多址方式中得到解決。3.6 擴(kuò)頻系統(tǒng)的主要特點(diǎn)擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種具有優(yōu)異抗干擾性能的新技術(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是 14 ：（1）抗干擾性能好。它具有極為強(qiáng)大的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對(duì)抗。DS-SS、FH-SS、DS/FH、DS/TH等系統(tǒng)對(duì)多徑干擾不敏感（相對(duì)于常規(guī)體制而言），如果再采用自適應(yīng)對(duì)銷(xiāo)、自適應(yīng)天線、自適應(yīng)濾波，可以消除多徑干擾，這對(duì)軍用和民用移動(dòng)通信是很有利的。（2）由于擴(kuò)頻系統(tǒng)使用碼周期很長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼，在一個(gè)碼周期中具有隨機(jī)特性，經(jīng)它調(diào)制后的數(shù)字信息類(lèi)似于隨機(jī)噪聲，因而將其用于保密通信中，敵方采用普通偵察手段和破譯方法不易發(fā)現(xiàn)和識(shí)別信號(hào)。在接收端，只有當(dāng)本地碼和發(fā)射的偽碼完全一致時(shí)，才能有效地恢復(fù)信息。所以不易被敵人破密。若要破密，就必須準(zhǔn)確地知道所用偽隨機(jī)碼的種類(lèi)、碼長(zhǎng)和初相，這顯然是比較困難的。因?yàn)椴煌L(zhǎng)度的偽隨機(jī)碼有無(wú)數(shù)種，同一長(zhǎng)度的m序列又有數(shù)個(gè)不同序列，況且同一個(gè)碼長(zhǎng)P的偽碼，又有P個(gè)不同的初期。對(duì)非線性碼情況更為復(fù)雜，所以竊聽(tīng)者要獲得基帶數(shù)字信息是很困難的。還可和常規(guī)通信一樣，在基帶數(shù)字調(diào)制時(shí)采用加密編碼。這樣對(duì)傳送的保密信息，就相當(dāng)于加了“雙保險(xiǎn)”，故提高了保密可靠性。（3）擴(kuò)頻通信技術(shù)把被傳送的信號(hào)帶寬展寬，從而降低了系統(tǒng)在單位頻寬內(nèi)的電波“通量密度”，這對(duì)空間通信大有好處。國(guó)際無(wú)線電咨詢(xún)委員會(huì)及國(guó)際電信聯(lián)盟規(guī)定了空間通信系統(tǒng)在地面上產(chǎn)生“通量密度”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以防止對(duì)地面通信的干擾。利用擴(kuò)頻技術(shù)可將電波“通量密度”限制在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值允許的范圍內(nèi)。對(duì)于無(wú)線電波運(yùn)載的各種信息充滿(mǎn)了有限“時(shí)頻空間”的大城市，使用擴(kuò)展頻譜碼分多址通信技術(shù)，可以解決常規(guī)通信中存在的大難題電波擁擠的缺點(diǎn)，故擴(kuò)頻碼分多址通信在城市移動(dòng)通信中有著廣闊的應(yīng)用前景。（4）當(dāng)它組成多址通信網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)同步比常規(guī)通信體制易于實(shí)現(xiàn)，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活的隨機(jī)接入，便于采用計(jì)算機(jī)或微處理機(jī)進(jìn)行信息的控制與交換。（5）擴(kuò)頻系統(tǒng)為數(shù)字系統(tǒng)，采用新型器件，可以做到低功耗、小體積。注：擴(kuò)頻技術(shù)中各種帶寬使用了下述規(guī)定：（1）直接序列帶寬 所有直接序列信號(hào)帶寬都假設(shè)等于sinx/x2功率譜中的主瓣寬度，即直接序列系統(tǒng)的射頻帶寬在二元調(diào)制下，B=2Rc，這里Rc是偽碼的時(shí)鐘速率。(2)跳頻帶寬 跳頻系統(tǒng)的射頻帶寬B=Nb，其中，b是頻率跳變的最小間隔，N為跳頻頻率合成器能提供的跳變頻率效。（3）后相關(guān)帶寬 在接收機(jī)相關(guān)處理后的信號(hào)帶寬是由基帶調(diào)制信號(hào)或跳頻載波產(chǎn)生的雙邊帶信息帶寬。3.7 偽隨機(jī)編碼基礎(chǔ)原理香農(nóng)編碼定理指出：只要信息速率Rb小于信道容量C，則總可以找到某種編碼方法，在碼周期相當(dāng)長(zhǎng)的條件下，能夠幾乎無(wú)差錯(cuò)地從受到高斯噪聲干擾的信號(hào)中復(fù)制出原發(fā)信息。這里有兩個(gè)條件，一是RbC，二是編碼的碼周期足夠長(zhǎng)。同時(shí)香農(nóng)在證明編碼定理的時(shí)候，提出用具有統(tǒng)計(jì)特性的信號(hào)來(lái)編碼。白噪聲是一種隨機(jī)過(guò)程，它的瞬時(shí)值服從正態(tài)分布，功率譜在很寬的頻帶內(nèi)都是均勻的。它具有極其優(yōu)良的相關(guān)特性。但是至今無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)白噪聲放大、調(diào)制、檢測(cè)、同步及控制等，而只能用具有類(lèi)似于帶限白噪聲統(tǒng)計(jì)特性的偽隨機(jī)序列來(lái)逼近它，并作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼 15 。在工程上常用二元0，1序列來(lái)產(chǎn)生偽噪聲碼，它們都有如下的共同特點(diǎn)：（1）在每一周期內(nèi)，0和1出現(xiàn)的次數(shù)近似相等。（2）在每一周期內(nèi)，長(zhǎng)度為n比特的游程出現(xiàn)的次數(shù)比長(zhǎng)度為n+1比特的游程次數(shù)多一倍（游程是指相同碼元的碼元串）。（3）如果一個(gè)PN序列被任意非零的元素移位，得到的序列與原始序列相比，一致的位數(shù)和不一致的位數(shù)相等。3.8 m序列的構(gòu)造原理偽隨機(jī)序列又叫偽噪聲序列（PN碼），這種序列由數(shù)字電路產(chǎn)生，具有周期性。通常產(chǎn)生偽隨機(jī)序列的電路為一反饋移存器。它又分為線性反饋移存器和非線性反饋移存器兩種。由線性反饋移存器產(chǎn)生的周期最長(zhǎng)的二進(jìn)制數(shù)字序列稱(chēng)為最大長(zhǎng)度線性反饋移存器序列，即m序列，這是最典型的PN序列，另外常用的還有M序列，Walsh序列以及Gold序列，我們?cè)谶@里將要介紹m序列。3.8.1 m序列的定義我們這樣定義：假設(shè)以GF（2）上的n次多項(xiàng)式（式2-14）為聯(lián)接多項(xiàng)式的n級(jí)線性移位寄存器所產(chǎn)生的非零序列a之周期為2n-1，我們稱(chēng)序列a是n級(jí)最大周期線性移位寄存器序列，簡(jiǎn)稱(chēng)m序列（又稱(chēng)最長(zhǎng)n級(jí)線性移位寄存器序列）。 f(x)=co+c1x+c2x2+cnxn co=cn=1 (3-14)可以證明：n級(jí)線性移位寄存器的聯(lián)接多項(xiàng)式是能產(chǎn)生周期為2n-1的非零序列的不可約多項(xiàng)式。3.8.2 m序列的性質(zhì)我們知道一個(gè)隨機(jī)序列具有兩方面的特點(diǎn)：一是預(yù)先不可確定，并且是不可重復(fù)實(shí)現(xiàn)的；二是它具有某種統(tǒng)計(jì)特性，這種統(tǒng)計(jì)特性稱(chēng)為隨機(jī)特性。其主要表現(xiàn)在：序列中兩種不同元素出現(xiàn)的次數(shù)大致相等；序列種長(zhǎng)度為k的元素游程比長(zhǎng)度為k+1元素的游程數(shù)量多1倍；序列具有某種類(lèi)似于白噪聲的自相關(guān)函數(shù)（即函數(shù)）。m序列作為一種偽隨機(jī)序列，它滿(mǎn)足如下3個(gè)特性：（1）在每一周期p=2n-1內(nèi)，0出現(xiàn)2n-1-1次，1出現(xiàn)2n-1次，1比0多出現(xiàn)一次。（2）在每一周期p=2n-1內(nèi),共有2n-1個(gè)元素游程，其中0的游程和1的游程數(shù)目各點(diǎn)一半。并且，對(duì)n2，當(dāng)1kn-2時(shí)，長(zhǎng)為k的游程占游程總數(shù)的1/2k，其中0的游程和1的游程數(shù)目各占一半。長(zhǎng)為n-1的游程只有一個(gè)，為0的游程；長(zhǎng)為n的游程也只有一個(gè)，為1的游程。（3）m序列ak與其位移序列ak-t的模2和仍是m序列的另一位移序列ak-t,即ak+ak-t=ak-t或Ak+Ak-t=Ak-t。根據(jù)序列自相關(guān)函數(shù)定義以及m序列性質(zhì)，不難求出其自相關(guān)函數(shù)。由同一聯(lián)接多項(xiàng)式f(x)產(chǎn)生的m序列平移等價(jià)和移位相加可知，序列Ak及其t次位移(t0，mod p)移位所得序列Ak-t之和序列Ak-t與Ak平移等價(jià)，即Ak+Ak-t=Ak-t。AK-與Ak平移等價(jià)。由隨機(jī)特性（1）可知，AK-中1比0多一個(gè)，由序列自相關(guān)函數(shù)定義： (3-15)m序列具有雙值自相關(guān)函數(shù)特性，其自相關(guān)函數(shù)曲線見(jiàn)圖3-3所示。圖3-3 m序列自相關(guān)函數(shù)曲線構(gòu)造一個(gè)產(chǎn)生m序列的線性移位寄存器，首先要確定本原多項(xiàng)式，根據(jù)不可約多項(xiàng)式表查找。其次，根據(jù)本原多項(xiàng)式構(gòu)造出m序列移位寄存器邏輯圖。下面一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明：n=4，p=24-1=15，從不可約多項(xiàng)式表中查出一個(gè)本原多項(xiàng)式為f(x)=x4+x+1，其邏輯圖見(jiàn)圖3-4所示：圖3-4 m序列的原理框圖設(shè)其線性移位寄存器初始狀態(tài)為（1，0，0，0），那么移位一次后，由a3、a0模2加產(chǎn)生新的輸入1，新?tīng)顟B(tài)變?yōu)椋?，1，0，0）。依次類(lèi)推移位15次后又回到初始狀態(tài)（1，0，0，0）。若初始狀態(tài)全0，移位后還是全0，所以應(yīng)盡量避免。因?yàn)?級(jí)移位寄存器共有24=16種可能的序列，除了全0序列外，有15種狀態(tài)可用，即由任何4級(jí)反饋移存器產(chǎn)生的序列周期最長(zhǎng)為15。本例的輸出序列是000111101011001。這個(gè)序列長(zhǎng)為24-1=15。依次類(lèi)推，n級(jí)移存器的周期長(zhǎng)為2n-1。m序列有一個(gè)重要性，即移位相加特性，是指一個(gè)m序列與其任意次延遲移位產(chǎn)生的另一個(gè)不同序列模2加，得到的仍然是這個(gè)序列的一個(gè)延遲移位序列，這一性質(zhì)引出了自相關(guān)的概念。另外由m序列的功率譜密度可以看出m序列具有趨于白噪聲的功率譜特性。其曲線如圖3-5示：圖3-5 m序列的功率譜特性上面簡(jiǎn)要地討論了最大線性移位寄存器序列，即m序列，指出了m序列是一雙值自相關(guān)序列，有優(yōu)良的自相關(guān)特性。但是，使用m序列作為碼分多址通信的地址碼時(shí)，其主要問(wèn)題是由m序列組成的互相關(guān)特性好的互為優(yōu)選的序列集很小。所謂m序列優(yōu)選對(duì)，是指在m序列集中其互相關(guān)函數(shù)量大值的絕對(duì)值Rmax最接近或達(dá)到互相關(guān)值下限（最小值）的一對(duì)m序列。例如：9級(jí)移位寄存器產(chǎn)生的m序列有48個(gè)，取出一序列可以找到12個(gè)m序列與其相關(guān)最大值為33（優(yōu)選對(duì)）。但找不到多于3個(gè)序列的組，其中任意兩序列之間的互相關(guān)最大值等于33。若地址要多，只有限低互相關(guān)要求。當(dāng)互相關(guān)值不超過(guò)65時(shí)，可以從48個(gè)序列挑選出幾組向6個(gè)m序列的集合，相互為優(yōu)選對(duì)。但對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其地址數(shù)實(shí)在太少了。因此又產(chǎn)生了Gold序列、M序列等，這里就不介紹了。第4章 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)第4章直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是直接擴(kuò)頻方式構(gòu)成的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為直擴(kuò)系統(tǒng)（DS-SS），是最典型的擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)。CDMA及我們所設(shè)計(jì)的電力線擴(kuò)頻電路均采用了這種通信方式 16 。直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是一個(gè)寬帶系統(tǒng)，每個(gè)用戶(hù)都可利用系統(tǒng)的整個(gè)帶寬。一個(gè)系統(tǒng)如果滿(mǎn)足以下要求，可定義為DS-SS：（1）擴(kuò)展信號(hào)的帶寬比要求發(fā)送的信息（對(duì)數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是基帶數(shù)據(jù)）所需要的最小帶寬大得多。（2）數(shù)據(jù)的擴(kuò)展通過(guò)一個(gè)通常叫偽碼的擴(kuò)展信