国内图书分类号国际图书分类号6213工学硕士学位论文低压电力线载波通信综合实验系统的研究与应用硕士研究生李志强导师刘思久教授申请学位工学硕士学科、专业控制理论与控制工程所在单位电气工程系答辩日期2008年7月授予学位单位哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要低压电力线载波通信具有线路分布广泛、使用方便等独特优点在远程抄表、智能楼宇等方面得到了广泛应用。

然而低压电力线信道非常复杂信号衰减大、干扰强且其阻抗特性、衰减特性、噪声特性会随着地点和时间的不同发生剧烈的变化。这种恶劣的信道环境不仅对数据传输造成很大影响也给低压电力线载波通信产品的开发和评价带来很多困难。本文将在全面分析低压电力线信道特性的基础上建立一套集仿真软件与硬件设备于一体的低压电力线载波通信综合实验系统从而为低压电力线载波通信产品的研究与测试提供了一个可信的模拟现场。本文在深入研究低压电力线载波通信信道的基础上提出了基于多径传输模型理论的低压电力线载波通信信道模拟方法。系统通过底层微处理器控制的继电器组可以自由地将各种信道模拟单元与净化电源连接起来建立典型模拟信道拓扑结构。基于虚拟仪器的设计思想本文利用支持VISA标准的通用测试设备建立了对系统模拟信道特性的自动测试软件其测试结果验证了信道模拟的有效性。本文开发了载波通信的模拟传输实验软件结合测试设备和专门设计的测试单元实现了载波信号在实验系统提供的模拟信道中的传输从而为通信产品的开发提供了重要的依据电力抄表论文。为了评价通信产品的数据传输性能本文提出了极端信道条件下的通信产品数据传输测试方法并开发了通信产品误码率测试软件为用户本系统提供了示范。

为了实现系统的网络共享本文利用套接字技术开发了基于TCPIP协议的系统远程网络操作软件使互联网上的用户能够在远端利用该系统进行自研载波通信信号的传输试验。针对项目验收中专家提出的推广系统的建议本文还提出了系统的改进构想介绍了基于USB总线的控制系统以及基于混沌序列的噪声发生器设计原理。关键词低压电力线载波通信信道模拟TCPIP哈尔滨工业大学工学硕士学位论文’’ duct’ ’ 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 III ique al ’ e TCP IP哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 IV 目录摘要 II第1章绪论 11 1课题背景与意义 11 2相关领域研究现状综述 21 1电力线载波通信研究现状综述21 2低压电力线载波通信信道模拟研究现状61 3本文主要研究内容 6第2章低压电力线载波通信综合实验系统组建 82 1基于多径传输模型的低压电力线通信信道模拟 82 1低压电力线载波通信信道研究82 2多径传输信道模型102 3通信信道总体模型112 4基于多径传输模型的信道模拟实现112 2系统总体构成 122 3系统上位机软件 132 4系统硬件构成 142 1净化电源142 2信道模拟单元152 3模拟信道拓扑结构控制单元162 4测试单元202 5噪声发生器202 6支持VISA标准的测试设备222 5本章小结 23第3章系统在载波通信研究中的应用功能开发 243 1模拟信道特性测试 243 1输入阻抗特性测试243 2传输衰减特性测试273 3测试点自动切换功能的实现29哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2底层通信信号传输试验343 1底层通信信号传输试验功能的实现343 2底层通信信号传输试验举例353 3系统的远程网络使用功能 383 1设计思路383 2远程网络数据传输的实现393 3系统的远程网络使用功能应用举例423 4上层数据传输试验 423 1上层数据传输试验功能的实现433 2上层数据传输试验举例443 5本章小结 46第4章系统在通信产品性能测试中的应用功能开发 474 1通信产品数据传输测试 474 2极端信道条件下通信产品数据传输测试 494 1极端信道结构下的数据传输测试494 2噪声条件下的数据传输测试514 3通信产品数据传输性能对比 524 4通信产品误码率测试 544 1伪随机码序列的产生554 2误码率测试软件实现及应用564 5本章小结 57第5章系统的改进构想与设计 595 1系统结构改进 595 1改进的系统总体结构595 2基于USB总线的控制系统设计605 3基于SOC控制核心的模拟信道拓扑结构控制单元设计605 2基于混沌序列的噪声发生器设计 615 1混沌噪声硬件设计615 2基于混沌序列的噪声产生原理625 3本章小结 64结论 65参考文献 66攻读学位期间发表的学术论文 70哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 VI 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 71哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 71致谢 72哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章绪论11课题背景与意义随着科技的进步和经济的发展 人们的生产、生活都对通信提出了更高、更新的要求 五花八门的通信形式层出不穷。

电力线载波通信 是目前比较热门的一种通信技术 作为电力系统特有的通信方式 它利用电力线通过载波方式将模拟或数字信号进行传输 是颇具特色的通信方式 。电力线载波通信主要分为两种即高压输电线路上的载波通信和低压线路上的载波通信。利用10kV以上中高压电力线载波进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟 在远程大数据量传输方面获得广泛使用。低压电力线载波通信则是在220 380V低压电力线上进行信号传输。由于低压电力线载波通信信道——电力线无处不在 因此使用极其方便 而且不需要铺设新的通信网络 在网络建设投资成本上具有明显的优势 在信息家电、楼宇智能化等应用中一直受到极大的关注 许多科研单位和机构致力于低压电力线载波方面的研究 。由于低压电力线载波通信是利用以电力传输为主要目的低压电力线网络作为通信信道进行信号传输因此存在线路阻抗情况复杂、信号衰减强、工作环境恶劣、干扰大且时变性强等不利因素 要在其上实现可靠、安全的数据传输是相当困难的 。要实现任何一种通信形式首先要对其信道有准确的了解建立起相应的实用信道模型 并据此进行相应的研究和设计工作。

由于产品成本、现场环境等方面的限制 低压电力线载波通信产品的研发设计人员并不能在设备的应用现场完成设计 而设计本身是一个根据具体情况随时调整的过程 显然完成成品的过程中如果有一个模拟应用现场的低压电力线模型 利用这个模型设计者就能够对载波通信设备进行较好的先期设计 提高设计质量。对于电力线载波通信的使用者来说 如何对不同设计方案或成品的性能进行比较也是一件十分困难的事情电力抄表论文。电力线通道的载波环境是千变万化的 即使我们将两台载波通信设备在应用环境的现场的同一地点进行测试 也存在不同时刻测试环境有较大差异的可能。因此 在当前各种通信方式残酷竞争的时代 低压电力线载波通信要取哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 得更进一步的发展获得更大的应用空间 就必须建立某种测试分析系统 以便客观地评价其性能 也为实际产品的开发提供必要的实验设计依据。为此 我们实验室曾开发过用于低压电力线载波通信研究的仿真软件和模拟实验装置 为实现这一目标进行了尝试 取得了一些经验 但同时也发现了许多问题。本文将在原有工作基础上从系统在电力线通信系统设计、研发和电力线产品性能测试的实际应用出发 建立一种集仿真软件和模拟实验设备为一体的综合实验系统 将其与产品设计、测试密切结合 全面开展低压电力线载波通信综合实验系统的研究和应用。

1 2相关领域研究现状综述1 1电力线载波通信研究现状综述电力线载波通信的设想很早就有科学家提出并做过很多不同的尝试 近年来发展非常迅速 其涉及的技术领域很宽 下面我们将就低压电力线载波通信技术本身 电力线载波通信仿真与综合实验装置 以及与此相关的其它技术的发展与研究现状进行陈述。用电力线传输信号的想法已经很古老了 早在1838年 埃德华戴维提出了用遥控电表来监测伦敦利物浦无人地点的电压等级。由于低压电力线载波通信具有网络无处不在、使用方便、支持多种应用、实施简单、无需新线节约投资等优势 逐步成为了人们一个研究热点。电力线载波通信的发展经历了三个主要阶段 萌发阶段、发展阶段、成熟阶段 。电力线载波通信的萌发阶段是指20世纪20年代起主要在发电厂与变电站之间的11kV以上的中高压电力线上进行信号传输 载波频率小于0 15MHz 代表产品是电力载波机 应用于监控、远程指示、设备保护、语音传输等领域 通信质量和性能都比较差。电力线载波通信的发展阶段是指20世纪90年代 主要在220 380V低压配电网进行信号传输 载波频率在0 15 00MHz之间代表产品是意法半导体公司的 7537等 应用于电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域 通信质量和性能一般 仍属于低速PLCC。电力线载波通信的成熟阶段是指20世纪末至今 该阶段同样也是在低压配电网进行信号传输 但载波频率已大于1MHz 代表产品有公司的系列、DS2公司系列等 应用领域转向家庭楼宇智能网络以及高速宽带多媒体数据通信 通信

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