低壓電力線" title="低壓電力線">低壓電力線載波通信是指利用已有的低壓配電網作為傳輸媒介、實現數據傳遞和信息交換的技術，目前已經廣泛用于集中自動抄表系統。采用集中自動抄表對各用戶實行遠程抄表與授電控制是電力體制改革深入后，收費模式與臺區管理體現出的重要發展趨勢。眾所周知，傳統的抄表模塊目前仍沿用通用處理器（MCU）＋功能簡單的通信集成電路（載波或紅外等），設計較為復雜，外圍元器件較多。基于片上系統SoC的PL3201多功能數字抄表模塊解決方案，主要單元均集成于單芯片上，更為重要的是它首次在載波通信模塊設計中使用了碼分多址CDMA技術，很好地解決了多臺區抄表的串擾問題。
1系統設計
1．1 系統設計思想
　　本方案以多功能芯片PL3201為核心，系統設計為一個SoC。該芯片集成了載波通信直接序列擴頻單元，其優點在于：
　　(1)擴頻通信技術可以在較低信噪比下實現可靠通信；
　　(2)由于在擴頻通信中使用偽隨機碼" title="偽隨機碼">偽隨機碼作為擴頻碼，擴頻碼的一個很重要特點是其有足夠的獨立地址數實現碼分多址的要求。
　　載波通信電路主要包括載波通信集成電路、功率放大器和電力線耦合器。通信集成電路將數據信息調制成可在電力線上傳輸的高頻載波信號，其頻率一般為50k~500kHz。這些高頻載波信號通過功率放大和耦合電路與低壓電力線接口。載波通信的成功率主要取決于接收載波信號的信噪比和通信芯片的接收靈敏度。載波信號衰減和電力線路噪聲干擾決定著低壓電力線載波通道的傳輸特性。電力線的阻抗很小，因此其自身阻抗不是產生衰減的主要原因。主要原因是電力線上有大量的用電負載和電力設備，其高頻等效阻抗的變化范圍很大。實驗表明，信號的衰減是距離的函數，一般為40～100dB/km。通過以上分析，低壓電力線載波通信的客觀環境非常惡劣，要達到穩定通信的效果必須采用先進的技術手段克服這些困難。
　　所謂碼分多址，是在通信系統中分配給每個用戶一套正交碼，通過正交性，對不同用戶進行區分。PN碼一般由反饋型線性移位寄存器產生，通過調整線性移位寄存器的結構可以產生不同的偽隨機序列。本方案使用的擴頻單元偽隨機碼序列有Gold序列， Gold序列是m序列的復合碼。它由兩個碼長相等、碼時鐘速率相同的m序列優選對模2和構成，由此產生的序列碼數要遠遠多于m序列。在使用電力線載波技術進行抄表的系統中，PL3201是眾多智能電表中的一個亮點，該芯片集成了CDMA電力線載波擴頻通信內核，恰當地適應了抄表系統碼分多址的特性。通過設置PL3201的內部通信寄存器，可以選擇擴頻使用的碼地址。這樣做的好處是，在規劃集抄網絡時，同一片臺區的集中器和終端可以采用同一擴頻碼址，而相鄰臺區采用另一擴頻碼址。設置了不同擴頻碼址的設備之間的通信完全透明，彼此只相當于噪聲干擾，因此只要在安裝規劃時統一設置不同的擴頻碼，不同臺區之間就可以同時進行各自的抄收通信而無沖突影響。在進行載波通信時，必須將通信雙方的偽隨機碼序列、速率、地址設置成一致，才能正常通信。
1．2 系統硬件設計
　　該系統為典型的單片機系統，SoC產品PL3201為其提供了各種內嵌的功能模塊，其中載波通信模塊使用的擴頻單元為QDPSK直序擴頻，載波中心頻率為120kHz,使用63位擴頻碼，數據速率1kbps。其載波通信電路如圖1所示。

　　(1)圖1中，SIGIN為PL3201載波接收端，SIGOUT為PL3201載波發送端，L-220V、N-220V為電力線。載波信號發射端由PL3201內部調制擴頻電路完成，載波發送端波形大致為0～5V方波，并包含有豐富的諧波信號，經過放大和濾波整形電路后，耦合到電力線上。
　　(2)陶瓷濾波器為通頻帶，在中頻480kHz附近，載波信號接收端經過信號衰減，諧振電路完成對有用信號的帶通濾波。進入到SIGIN端為120kHz、幅值為0.7V左右的有用信號，接收信號進入芯片后進行混頻處理。芯片內部將接收到的120kHz有用信號與600kHz的內部本振信號進行混頻，得到480kHz的中頻帶寬的差頻信號。混頻信號經過陶瓷濾波器濾波后再進入芯片進行內部解擴和有效數據的還原。
1．3 系統軟件設計
　　系統軟件中載波分為兩個部分，載波接收部分和載波發射部分。其流程圖如圖2所示。

　　載波通信時，CPU使用外部中斷2，可以使用查詢和中斷兩種方式，其內部有專用的載波寄存器。載波通信采用幀同步方式，與常見的異步通信方式操作基本相同，使軟件處理復雜度大大降低。
　　載波通信發送過程：載波單元在每次置為發送狀態后，硬件會自動首先發送40個偽碼周期的全“1”序列，用于使接收端與發送端偽隨機碼同步，通過配置載波發送前導序列寄存器的值來改變發送全“1”序列的個數。將數據根據協議組織完成后，按字節方式寫入SSC_BUF寄存器后，載波單元自動發送該字節，當判斷到載波通信狀態寄存器的收發狀態指示位為“1”時（上1字節數據發送完后產生的指示標志），可以發送下1字節數據，直到全部數據發送完成。
　　載波通信接收過程：載波通信單元置為接收態后，硬件會在每次偽隨機碼同步后，開始從數據流中搜尋幀頭序列，當檢出幀頭序列后，才真正開始接收數據。通過置幀頭標志（FHF）與數據終端準備好標志（DRT）相配合，完成數據的接收和識別。在進行載波通信時，必須將通信雙方的偽隨機碼序列、速率、地址設置成一致，才能正常通信。實際應用中將使載波通信具有較高的保密性，同時可以徹底解決多臺區間的通信串擾。
2 運行結果及分析
　　2004年8月由某第三方公司在北京某大型住宅區將本電能表抄表模塊評估板與其他三家國內載波抄表通信產品一起做了一次通信性能對比實驗。實驗所選擇的電網區域用戶密集（同一配變下共計1 500多戶），電網分叉復雜，供電覆蓋范圍大（共計23棟100多個單元），是典型的惡劣通信信道環境。圖3是在該小區現場采集的電力線上傳輸信號的波形，注意兩處高聳的部分是家用電器及其開關電源引起的周期性噪聲，中間平坦的波形是通信信號。該模塊在這樣的干擾情況下仍然可以穩定正常地傳輸數據。

　　其現場部分樓體示意圖如圖4所示。實驗中將四家產品的評估板統一設置為接收狀態并置于圖示中①號樓位置，而將設置為發送狀態的各評估板放到其他位置逐一測試。如果位置①的相應接收設備正確接收到數據包則顯示成功信息。在位置②，由于距離較近，所有通信產品均順利通過。在位置③，PL3201評估板首先順利通過，而其他三家通信產品接收成功率最高為50%。接下來PL3201 還繼續在④號位置、⑤號位置相繼通過了測試，顯示出絕對的性能優勢。后經過單獨誤碼及誤包率測試，不同位置PL3201 的通信情況如表1所示。通過PL系列芯片的自身通信對比試驗，由于PL3201 采用了全新的數字信號處理及CDMA技術，因而在低信噪比情況下的誤包率遠遠低于前幾代產品，表現出極強的抗干擾能力。

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