電力載波通信電路 1 課題研究的意義 1.1 電力載波通信的意義 電力線(xiàn)載波通信是電力系統(tǒng)通信專(zhuān)網(wǎng)特有的一種通信方式。它以電力線(xiàn)為信道，以變電站，發(fā)電廠為終端，特別適合于電力調(diào)度通信的需要，而且電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)具有投資少，施工期短，設(shè)備簡(jiǎn)單，通信安全，實(shí)時(shí)性好，無(wú)中繼，距離長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前我國(guó) 110KV 以上電力線(xiàn)載波通信電路已超過(guò) 65 萬(wàn)話(huà)路公里 4。 1.2 電力載波通信的發(fā)展前景 在以數(shù)字微波通信、衛(wèi)星通信為主干線(xiàn)的覆蓋全國(guó)的電力通信網(wǎng)絡(luò)已初步形成、多種通信手段竟相發(fā)展的今天，電力線(xiàn)載波通信仍然是 地區(qū)網(wǎng)、省網(wǎng)乃至網(wǎng)局網(wǎng)的主要通信手段之一，仍是電力系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域最廣泛的通信方式，仍是電力通信網(wǎng)的重要的基本通信手段 。 從理論研究，到運(yùn)行實(shí)踐，我們都取得了可喜的成效。 (1) 電力線(xiàn)載波無(wú)論是在所具有的規(guī)模范圍、裝機(jī)數(shù)量還是在從事人員數(shù)量上，都是空前的。在應(yīng)用上，上至 500KV 線(xiàn)路，下至 35KV 乃至 10KV 線(xiàn)路，都開(kāi)通了電力線(xiàn)載波機(jī)。到 “ 八五 ” 初期，全國(guó) 110KV 及以上電力線(xiàn)載波話(huà)路公里數(shù)目前已達(dá) 65 萬(wàn)。電力線(xiàn)載波名附其實(shí)地成為電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的通信手段。 (2) 電力線(xiàn)載波通信綜合業(yè)務(wù)能力有 了很大的發(fā)展，由過(guò)去單獨(dú)的調(diào)度電話(huà)業(yè)務(wù)發(fā)展到為開(kāi)放電話(huà)、遠(yuǎn)動(dòng)、傳真、保護(hù)、計(jì)算機(jī)信息等綜合業(yè)務(wù)。如葛滬 500KV 直流輸電系統(tǒng)中，兩換流站的運(yùn)行數(shù)據(jù)的控制信息通過(guò)長(zhǎng)達(dá) 1053Km 的載波電路傳送，實(shí)現(xiàn)了兩站間的相互自動(dòng)控制。 (3) 載波技術(shù)裝備水平有了很大提高，從五六十年代雙邊帶電子管 ZDD-I/2、 ZS-3等發(fā)展到今天的 ESB500、 ZDD-27/36 等全集成化單邊帶載波機(jī)，并推出了數(shù)字式載波機(jī)。在一些重大工程中還陸續(xù)引進(jìn)了一些具有國(guó)際先進(jìn)水平的載波設(shè)備，解決了實(shí)際應(yīng)用中一些國(guó)產(chǎn)機(jī)暫時(shí)無(wú)法解決的問(wèn)題 ，也為國(guó)產(chǎn)機(jī)的改進(jìn)和提高提供了可貴的借鑒。 (4) 理論研究成果卓著。如在頻譜管理上，采用了圖論、地圖色理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)，提出了分段設(shè)計(jì)、頻譜分組、電網(wǎng)分段或分區(qū)、頻率重復(fù)使用等，并開(kāi)發(fā)出了軟件包，可實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)備管理、頻率管理、新通道設(shè)計(jì)和舊通道改造、插空安排設(shè)備等。為適應(yīng)現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式電力線(xiàn)載波機(jī)的開(kāi)發(fā)研制也取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。此外，傳輸理論、組網(wǎng)技術(shù)等方面的研究也不斷有新的進(jìn)展 1。 2 課題設(shè)計(jì)的主題 這次設(shè)計(jì)的主要目的是設(shè)計(jì)相應(yīng)的電力線(xiàn)發(fā)送，接收耦合電路，濾波器以及自動(dòng)增益控制電路系統(tǒng)。電力線(xiàn)載波通信系統(tǒng)分為接收通道和發(fā)送通道兩部分。接收通道通過(guò)耦合電路，接收來(lái)自電力線(xiàn)的載波信號(hào)。信號(hào)經(jīng)濾波、放大后，被送到芯片進(jìn)行解擴(kuò)頻。發(fā)送通道則把調(diào)相信號(hào)（擴(kuò)頻信號(hào)）經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)放大，送入耦合電路，耦合到電力線(xiàn)上。 2.1 載波頻率分配使用中的問(wèn)題 我國(guó)電力線(xiàn)載波頻率使用范圍為 40 500KHZ，載波頻帶帶寬為 4KHZ，所以在整個(gè)載波頻率范圍內(nèi)只能不重復(fù)安排 57 套載波機(jī)；而我們要使用的載波機(jī)要遠(yuǎn)大于這個(gè)數(shù)目。實(shí)際上，即使在這個(gè)頻段內(nèi)的頻率，要完全利用也非常困難。在低頻段，存在著阻波器制作上的困 難；高頻段，易受廣播信號(hào)的干擾，而且還要考慮線(xiàn)路對(duì)信號(hào)衰減的不均勻性等因素。而我們?cè)趯?duì)這有限的頻率安排使用上，可以說(shuō)不少地方做得并不好，造成了一方面是頻譜緊張，一方面又浪費(fèi)頻率資源。 (1) 在頻率的安排上 ,有些地區(qū)安排頻率帶有很大的隨意性 ， 沒(méi)有長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，以致于干擾嚴(yán)重，不斷改頻；有些則只注意本地區(qū)頻率規(guī)劃，結(jié)果即影響了別人，又影響了自己。甚至一些上級(jí)頻率主管部門(mén)，對(duì)頻率的管理也不夠重視，在分配頻率時(shí)也沒(méi)有嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)的方法。 (2) 沒(méi)有全局觀念、統(tǒng)籌意識(shí)，往往就事論事，就頻率考慮頻 率。如現(xiàn)在比較普遍的情況是高頻保護(hù)占據(jù)單獨(dú)一相 (A 相 )；如果改為與載波復(fù)用，則可節(jié)省下保護(hù)占用的頻帶。再有，現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，通道占用多，利用率低，如改組成調(diào)度程控交換網(wǎng)，也可節(jié)省通道，并能達(dá)到靈活、可靠的效果 6、 7。 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始考慮使用基于 FSK 的窄帶電力線(xiàn)載波通信方式，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)在此原理上的雙機(jī)串行演示系統(tǒng)。 FSK 的抗干擾性和抗衰減性，使通信能順利進(jìn)行。這次設(shè)計(jì)主要針對(duì)電力線(xiàn)模型中的干擾特性和衰減特性，討論電力線(xiàn)衰減特性的測(cè)試方法，尋求克服衰減和干擾的 幾種途徑 3。 2.2 耦合電路的設(shè)計(jì) 耦合電路的設(shè)計(jì)目的是 為了利用電力線(xiàn)實(shí)現(xiàn)可靠的載波通信， 其 分析與設(shè)計(jì)是問(wèn)題的關(guān)鍵。其難點(diǎn)在于：一方面，要求載波信號(hào)的加載效率高；另一方面，要求電力網(wǎng) 50Hz的工頻信號(hào)不能給載波通信系統(tǒng)帶來(lái)太大的干擾。設(shè)計(jì)了一個(gè)能有效減小低壓電力線(xiàn)的低阻抗影響的功率匹配和增益平衡電路，用來(lái)將信號(hào)耦合到電力線(xiàn)上，其傳輸頻帶為0.1MHz-30.0MHz。該設(shè)計(jì)的首要目的是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的最大功率傳輸。 該電路在設(shè)計(jì)須考慮 220V 線(xiàn)路側(cè)的阻抗特性， T100 為信號(hào)耦合變壓器， 220V 線(xiàn)路側(cè)阻抗一 般取 30 歐左右。然后確定線(xiàn)圈初級(jí)的匝數(shù)比或阻抗比。最后設(shè)計(jì)功率放大器的輸出匹配電阻。 輸入通道應(yīng)接一個(gè)浪涌保護(hù)二極管 5KP18C，經(jīng)電阻隔離后接二極管箝位電路輸出給前級(jí)濾波電路。由于電力線(xiàn)上負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，電力線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生較大噪聲甚至幅值很大的尖峰脈沖，該脈沖經(jīng)耦合后，會(huì)給后級(jí)電路帶來(lái)較大危害。因此加入一個(gè)浪涌保護(hù)二極管后，可以很好的濾除這種噪聲，保護(hù)后級(jí)電路 5。 濾波器的功能是將耦合電路送來(lái)的載波信號(hào)做濾波處理，在濾除帶外雜波信號(hào)的同時(shí)，保證前后級(jí)的阻抗匹配，以達(dá)到順利傳遞本級(jí)信號(hào)的目的。由于主晶振的工作 頻率不同，載頻也不同；調(diào)制的周波數(shù)不同時(shí)，帶寬也不同。因此設(shè)計(jì)濾波器的時(shí)候，必須考慮系統(tǒng)工作的實(shí)際參數(shù) 7。 2.3 AGC 的設(shè)計(jì) 自動(dòng)增益控制電路習(xí)慣上稱(chēng)為 AGC.對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō) ,收到的外來(lái)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)并非恒定不變 ,為了保證接收機(jī)終端得到相同的電壓 ,通常采用改變放大器增益來(lái)實(shí)現(xiàn) .AGC 電路就能夠在信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化情況下 ,保證接收機(jī)的輸出電壓基本不變。 AGC 電路的作用是 ,當(dāng)輸出信號(hào)電壓變化很大時(shí) ,保持接收機(jī)輸出電壓幾乎不變。高頻放大器和中頻放大器是直接受控的增益可控的放大器 .高頻放大器和中頻放大器是 AGC 控制環(huán)路 的對(duì)象 .檢波器 ,低通濾波器和直流放大器組成反饋控制器。 為了將濾波器輸出的 mV 級(jí)信號(hào)放大 40dB 左右，需要特別注意的是小信號(hào)的不失真放大。由于系統(tǒng)輸出的信號(hào)問(wèn) DPSK 調(diào)制信號(hào)，因此前后碼元的相對(duì)相位信息不能出錯(cuò)。因此需保證放大器不會(huì)因飽和失真導(dǎo)致前后碼元相對(duì)相位錯(cuò)位。 AGC 主要完成小信號(hào)的放大，需額外注意電路本身的噪聲干擾不能過(guò)大。同時(shí)為了保證輸入信號(hào)幅值過(guò)大時(shí)，放大器不會(huì)飽和失真，此級(jí)應(yīng)該具有自動(dòng)增益控制能力 3。 3 EWB 的使用介紹 EWB 的使用， Electronics Work bench(簡(jiǎn)稱(chēng) EWB)，中文又稱(chēng)電子工程師仿真工作室。該軟件是加拿大交換圖像技術(shù)有限公司在 90 年代初推出的 EDA 軟件。而在國(guó)內(nèi)應(yīng)用 EWB軟件，卻是近幾年的事。目前應(yīng)用較普遍的 EWB 軟件是在 Windows95/98 環(huán)境下工作的Electronics Work bench5.12(簡(jiǎn)稱(chēng) EWB5.12)，該公司近期又推出了最新電子電路設(shè)計(jì)仿真軟件 EWB6.0 版本。 在眾多的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)上的電路模擬 EDA 軟件中， EWB5.12 軟件就像一個(gè)方便的實(shí)驗(yàn)室。相對(duì)其它 EDA 軟件而言，它是一個(gè)只有幾兆的小巧 EDA 軟件。而且功能也較單一、似乎 不太可能成為主流的 EDA 軟件形象，也就是用于進(jìn)行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真。 電子工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)工作區(qū)好像一塊 面包板 ，在上面可建立各種電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。電子工作平臺(tái)的器件庫(kù)可為用戶(hù)提供 350 多種常用模擬和數(shù)字器件， 設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)可任意調(diào)用。虛擬器件在仿真時(shí)可設(shè)定為理想模式和實(shí)模式，有的虛擬器件還可直觀顯示，如發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍(lán)光，邏輯探頭像邏輯筆那樣可直接顯示電路節(jié)點(diǎn)的高低電平，繼電器和開(kāi)關(guān)的觸點(diǎn)可以分合動(dòng)作，熔斷器可以燒斷，燈泡可以燒毀，蜂鳴器可以發(fā)出不同音調(diào)的聲音，電位器的觸點(diǎn)可以按比例 移動(dòng)改變阻值。電子工作平臺(tái)的虛擬儀器庫(kù)存放著數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、數(shù)字萬(wàn)用表、雙通道 1000MHz 數(shù)字存儲(chǔ)示波器、 999MHz數(shù)字函數(shù)發(fā)生器、可直接顯示電路頻率響應(yīng)的波特圖儀、 16 路數(shù)字信號(hào)邏輯分析儀、 16位數(shù)字信號(hào)發(fā)生器等，這些虛擬儀器隨時(shí)可以拖放到工作區(qū)對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試，并直接顯示有關(guān)數(shù)據(jù)或波形。電子工作平臺(tái)還具有強(qiáng)大的分析功能， 可進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析， 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，高版本的 EWB 還可以進(jìn)行傅立葉變換分析、噪聲及失真度分析、零極點(diǎn)和蒙特卡羅等多項(xiàng)分析 12。 4 總結(jié) 綜上所述 ，這次設(shè)計(jì)主要設(shè) 計(jì)相應(yīng)的電力線(xiàn)發(fā)送、接收耦合電路及自動(dòng)增益放大電路。利用 EDA 仿真工具測(cè)試驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。以上的文獻(xiàn)綜述也是基于此而論述的，對(duì)于這次設(shè)計(jì)的完成有具體的參考作用。 5 參考文獻(xiàn) 1 王贊基，郭靜波，等 .電力線(xiàn)擴(kuò)頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用 .哈爾濱工業(yè)出版社， 2000 年 4 月 2 陸春榮 .通信原理與技術(shù) .上海大學(xué)出版社， 1989 年八月 3 趙云峰 .低壓電力線(xiàn)噪聲分析與建模 .中國(guó)人民出版社， 2005 4 曹寧，胡宏莽，等 .電網(wǎng)通信技術(shù) .中國(guó)水利水電出版社， 2003 5 陳淑榮 .電力通信網(wǎng)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) .中國(guó)電力出版社， 1995 6 盧武彬 .電力系統(tǒng)通信網(wǎng)信號(hào)系統(tǒng)和接口技術(shù) .中國(guó)電力出版社， 1997 年十月 7 王金保，王治平，等 .電力線(xiàn)載波機(jī)及電力線(xiàn)載波通道測(cè)試技術(shù) .中國(guó)電力出版社， 1995 8 陳維纖 .電力線(xiàn)載波通信 .水利電力出版社， 1989 9 謝飛，熊力翔，等 .低壓電力網(wǎng)載波通信 .電子技術(shù)應(yīng)用， 1998 10 馬學(xué)文 ， 朱名日 ，等 .X10 在智能家居應(yīng)用中干擾問(wèn)題的研究 .今日電子，