電力載波通信電路文獻綜述

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 電力線載波通信是電力系統(tǒng)通信專網(wǎng)特有的一種通信方式。它以電力線為信道，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，而且電力線載波通信系統(tǒng)具有投資少，施工期短，設(shè)備簡單，通信安全，實時性好，無中繼，距離長等一系列優(yōu)點。目前我國 110KV 以上電力線載波通信電路已超過 65 萬話路公里 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)星通信為主干線的覆蓋全國的電力通信網(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，到運行實踐，我們都取得了可喜的成效。 (1) 電力線載波無論是在所具有的規(guī)模范圍、裝機數(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 線路，下至 35KV 乃至 10KV 線路，都開通了電力線載波機。到 “ 八五 ” 初期，全國 110KV 及以上電力線載波話路公里數(shù)目前已達 65 萬。電力線載波名附其實地成為電力系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛的通信手段。 (2) 電力線載波通信綜合業(yè)務(wù)能力有 了很大的發(fā)展，由過去單獨的調(diào)度電話業(yè)務(wù)發(fā)展到為開放電話、遠動、傳真、保護、計算機信息等綜合業(yè)務(wù)。如葛滬 500KV 直流輸電系統(tǒng)中，兩換流站的運行數(shù)據(jù)的控制信息通過長達 1053Km 的載波電路傳送，實現(xiàn)了兩站間的相互自動控制。 (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，并推出了數(shù)字式載波機。在一些重大工程中還陸續(xù)引進了一些具有國際先進水平的載波設(shè)備，解決了實際應(yīng)用中一些國產(chǎn)機暫時無法解決的問題 ，也為國產(chǎn)機的改進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、地圖色理論和計算機技術(shù)，提出了分段設(shè)計、頻譜分組、電網(wǎng)分段或分區(qū)、頻率重復(fù)使用等，并開發(fā)出了軟件包，可實現(xiàn)用計算機進行設(shè)備管理、頻率管理、新通道設(shè)計和舊通道改造、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)字式電力線載波機的開發(fā)研制也取得了實質(zhì)性的進展。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展 1。 2 課題設(shè)計的主題 這次設(shè)計的主要目的是設(shè)計相應(yīng)的電力線發(fā)送，接收耦合電路，濾波器以及自動增益控制電路系統(tǒng)。電力線載波通信系統(tǒng)分為接收通道和發(fā)送通道兩部分。接收通道通過耦合電路，接收來自電力線的載波信號。信號經(jīng)濾波、放大后，被送到芯片進行解擴頻。發(fā)送通道則把調(diào)相信號（擴頻信號）經(jīng)過驅(qū)動放大，送入耦合電路，耦合到電力線上。 2.1 載波頻率分配使用中的問題 我國電力線載波頻率使用范圍為 40 500KHZ，載波頻帶帶寬為 4KHZ，所以在整個載波頻率范圍內(nèi)只能不重復(fù)安排 57 套載波機；而我們要使用的載波機要遠大于這個數(shù)目。實際上，即使在這個頻段內(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，易受廣播信號的干擾，而且還要考慮線路對信號衰減的不均勻性等因素。而我們在對這有限的頻率安排使用上，可以說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 ， 沒有長遠的計劃，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。甚至一些上級頻率主管部門，對頻率的管理也不夠重視，在分配頻率時也沒有嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)的方法。 (2) 沒有全局觀念、統(tǒng)籌意識，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占據(jù)單獨一相 (A 相 )；如果改為與載波復(fù)用，則可節(jié)省下保護占用的頻帶。再有，現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般是點對點結(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，并能達到靈活、可靠的效果 6、 7。 隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)外開始考慮使用基于 FSK 的窄帶電力線載波通信方式，并開發(fā)了一個在此原理上的雙機串行演示系統(tǒng)。 FSK 的抗干擾性和抗衰減性，使通信能順利進行。這次設(shè)計主要針對電力線模型中的干擾特性和衰減特性，討論電力線衰減特性的測試方法，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 耦合電路的設(shè)計目的是 為了利用電力線實現(xiàn)可靠的載波通信， 其 分析與設(shè)計是問題的關(guān)鍵。其難點在于：一方面，要求載波信號的加載效率高；另一方面，要求電力網(wǎng) 50Hz的工頻信號不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾。設(shè)計了一個能有效減小低壓電力線的低阻抗影響的功率匹配和增益平衡電路，用來將信號耦合到電力線上，其傳輸頻帶為0.1MHz-30.0MHz。該設(shè)計的首要目的是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號的最大功率傳輸。 該電路在設(shè)計須考慮 220V 線路側(cè)的阻抗特性， T100 為信號耦合變壓器， 220V 線路側(cè)阻抗一 般取 30 歐左右。然后確定線圈初級的匝數(shù)比或阻抗比。最后設(shè)計功率放大器的輸出匹配電阻。 輸入通道應(yīng)接一個浪涌保護二極管 5KP18C，經(jīng)電阻隔離后接二極管箝位電路輸出給前級濾波電路。由于電力線上負(fù)載發(fā)生變化時，電力線會產(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，會給后級電路帶來較大危害。因此加入一個浪涌保護二極管后，可以很好的濾除這種噪聲，保護后級電路 5。 濾波器的功能是將耦合電路送來的載波信號做濾波處理，在濾除帶外雜波信號的同時，保證前后級的阻抗匹配，以達到順利傳遞本級信號的目的。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，帶寬也不同。因此設(shè)計濾波器的時候，必須考慮系統(tǒng)工作的實際參數(shù) 7。 2.3 AGC 的設(shè)計 自動增益控制電路習(xí)慣上稱為 AGC.對于接收機來說 ,收到的外來信號場強并非恒定不變 ,為了保證接收機終端得到相同的電壓 ,通常采用改變放大器增益來實現(xiàn) .AGC 電路就能夠在信號場強變化情況下 ,保證接收機的輸出電壓基本不變。 AGC 電路的作用是 ,當(dāng)輸出信號電壓變化很大時 ,保持接收機輸出電壓幾乎不變。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 級信號放大 40dB 左右，需要特別注意的是小信號的不失真放大。由于系統(tǒng)輸出的信號問 DPSK 調(diào)制信號，因此前后碼元的相對相位信息不能出錯。因此需保證放大器不會因飽和失真導(dǎo)致前后碼元相對相位錯位。 AGC 主要完成小信號的放大，需額外注意電路本身的噪聲干擾不能過大。同時為了保證輸入信號幅值過大時，放大器不會飽和失真，此級應(yīng)該具有自動增益控制能力 3。 3 EWB 的使用介紹 EWB 的使用， Electronics Work bench(簡稱 EWB)，中文又稱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(簡稱 EWB5.12)，該公司近期又推出了最新電子電路設(shè)計仿真軟件 EWB6.0 版本。 在眾多的應(yīng)用于計算機上的電路模擬 EDA 軟件中， EWB5.12 軟件就像一個方便的實驗室。相對其它 EDA 軟件而言，它是一個只有幾兆的小巧 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，也就是用于進行模擬電路和數(shù)字電路的混合仿真。 電子工作平臺的設(shè)計試驗工作區(qū)好像一塊 面包板 ，在上面可建立各種電路進行仿真實驗。電子工作平臺的器件庫可為用戶提供 350 多種常用模擬和數(shù)字器件， 設(shè)計和試驗時可任意調(diào)用。虛擬器件在仿真時可設(shè)定為理想模式和實模式，有的虛擬器件還可直觀顯示，如發(fā)光二極管可以發(fā)出紅綠藍光，邏輯探頭像邏輯筆那樣可直接顯示電路節(jié)點的高低電平，繼電器和開關(guān)的觸點可以分合動作，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，電位器的觸點可以按比例 移動改變阻值。電子工作平臺的虛擬儀器庫存放著數(shù)字電流表、數(shù)字電壓表、數(shù)字萬用表、雙通道 1000MHz 數(shù)字存儲示波器、 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)字信號邏輯分析儀、 16位數(shù)字信號發(fā)生器等，這些虛擬儀器隨時可以拖放到工作區(qū)對電路進行測試，并直接顯示有關(guān)數(shù)據(jù)或波形。電子工作平臺還具有強大的分析功能， 可進行直流工作點分析， 暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)分析，高版本的 EWB 還可以進行傅立葉變換分析、噪聲及失真度分析、零極點和蒙特卡羅等多項分析 12。 4 總結(jié) 綜上所述 ，這次設(shè)計主要設(shè) 計相應(yīng)的電力線發(fā)送、接收耦合電路及自動增益放大電路。利用 EDA 仿真工具測試驗證設(shè)計方案。以上的文獻綜述也是基于此而論述的，對于這次設(shè)計的完成有具體的參考作用。 5 參考文獻 1 王贊基，郭靜波，等 .電力線擴頻載波通信技術(shù)及其應(yīng)用 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