電力線載波通信信道性能自動測量裝置的製作方法

2023-07-13 08:56:01

專利名稱：電力線載波通信信道性能自動測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種電力線載波通信信道性能自動測量裝置，廣泛應用於以電力 線為傳輸媒介的載波通信系統中，對電力線載波通信信道進行自動測量，並以文本、圖表方 式給出信道準確測量結果。
背景技術：
電力線數據通信技術(PLC)，是一種利用中、低壓配電網作為通信介質，實現數據、 話音、圖像等綜合業務傳輸的通信技術，不僅可以作為解決寬帶接入「最後1km」的有效手 段，而且可以為電力負荷監控、遠程抄表、配用電自動化、需求側管理、企業內部網絡、智能 家庭以及數位化社區提供高速數據傳輸平臺。根據國家標準規定，將3KHz 500KHZ頻帶 範圍作為電力線載波通訊的使用頻段。電力線設計的初衷是傳遞頻率為50Hz工頻電力信號，將其功能擴展到語音或者 數據信號傳輸時將面臨複雜的電磁環境，所呈現的是一種高噪聲、強衰減、負荷變化劇烈、 阻抗變化大、頻率響應不平坦等惡劣性能，因此要實現可靠的電力線數據傳輸，必須針對電 力線信道特性的研究。電力線網絡信道模型如

圖1所示，基於傳遞函數和外加幹擾和噪聲建立。通常使 用多徑傳輸模型方法，電力線上的信號衰減隨頻率增長有增加的趨勢，並且頻率越高傳輸 線效應越明顯，發生諧振的可能性越大，導致在某些頻率下衰減會迅速增加。同時，電力線 上的多徑效應類似於無線空間信道，差別在於前者的多徑傳輸的路線是有限的，因此，可以 認為電力線是一個頻率選擇性的多徑信道。在建立模型時，參照瑞利信道，並適當化簡，可 得到傳遞函數
Nι醜(/)= Σ ai exP[(-% + Vxf ] exp(-j2冗f 丄)
'=Ivp式中i為多徑分量號，Iltl和Il1為線路衰減係數；ε是衰減因子；νρ為傳播速度； Ii為第i條分徑的長度。除了因線路衰減和多路傳輸所造成的信號失真外，噪聲是影響電力線數據可靠通 信的最關鍵因素。和其他信道不同的是，電力線信道有著較為複雜的噪聲環境，它的網絡結 構複雜，連接的負載眾多且經常發生變化，因此作用於它的噪聲不能簡單歸結為加性高斯 白噪聲(AWGN)。電力線主要噪聲有①有色背景噪聲②窄帶噪聲③與工頻異步的周期性脈衝噪聲 ④與工頻同步的周期性脈衝噪聲。中壓電力線平均噪聲功率在-60 -70dBm/Hz左右。其 中，由多種低功率噪聲的疊加而成的有色背景噪聲功率一般在-60 -70dBm/Hz之間，在一 些頻段可低於-80dBm/Hz，其整體隨頻率增高而減弱，且功率譜變化較慢，一般為分鐘甚至 小時量級；主要由通信帶寬內的廣播電臺等其它無線通信信號造成的窄帶噪聲，平均佔用 2k 4kHz的帶寬，功率較高，較背景噪聲高出約30 50dBm/Hz，該類幹擾一般長時穩定存 在；對通信效果影響最大的是脈衝噪聲，該類噪聲隨機產生，持續時間很短，一般為幾十或者幾百毫秒，絕大部分功率高於背景噪聲10 30dBm/Hz，當衝激噪聲發生時，噪聲頻段內的數據傳輸將可能出現嚴重的突發性誤碼。在我國，由於電力線線路分布和負載情況更為複雜，幹擾相對較強，電力線組網通 信所面臨的物理層環境比較複雜和惡劣。因此在實際的電力線上進行載波通信時，需要對 通信信道進行具體測量，目前通常採用的測量方法如圖2所示信號發生器發出的掃頻信 號通過耦合電路進入電力線，在測量的另一端通過耦合器直接進入頻譜分析儀。在實際的電力線上進行載波通信應用時，需要對通信信道進行具體測量，但由於 電力線載波信道網絡結構複雜，噪聲環境複雜，使用傳統測量方法的缺點非常明顯當線路 網絡結構比較複雜時，測量的工作量需要大量儀器設備，測量時間較長且測量結果需要後 期人工進行大量的處理和分析。對電力線信道性能的無法進行快速、準確地測量一定程度 上限制了電力線數據通信技術的應用。
發明內容本實用新型的目的在於針對以上現有技術的不足，提供一種電力線載波通信信 道性能自動測量裝置，其使用DSP模擬信號發生器和頻譜分析儀等儀器，發送方通過耦合 設備將信號發送到電力線載波信道上，接收方通過耦合設備從載波信道上接收信號，進行 相應的分析並將分析結果以圖形、文本型式輸出。為了達到以上的目的本實用新型提供的電力線載波通信信道性能自動測量裝 置，其組成包括中央處理器、與該中央處理器通訊的模擬/數字轉換模塊、數字/模擬轉換 模塊、同步動態隨機存取存儲器、數位訊號處理器、RS232串行接口模塊，所述同步動態隨機 存取存儲器與RS232串行接口模塊通訊連接，其還包括有一個模擬前端模塊，該模擬前端 模塊具有用於同耦合設備連接的輸入輸出接口，利用耦合設備將信號加載於電力線上，其 信號輸出端與模擬/數字轉換模塊的輸入埠連接，其信號輸入端與數字/模擬轉換模塊 的信號輸出埠連接。由計算機(PC)、電力線載波通信信道性能自動測量裝置、耦合器以及相應軟體共 同完成測量工作，首先在待測線路起止端分別安裝耦合器，並連接耦合器、電力線載波通信 信道性能自動測量裝置和計算機(PC)，由計算機(PC)上安裝的數位訊號處理器(DSP)應用 軟體通過RS232串行接口模塊進行測量參數設置，設置內容包括①主、從測量裝置的選擇 設置；②測量頻率範圍設置；③測量項目內容設置；④測量結果輸出路徑設置。接著由計算機(PC)控制電力線載波通信信道性能自動測量裝置開始自動測量工 作，主測量裝置中的DSP模擬信號發生器的動作發送標準測試信號，通過CPU、數字/模擬轉 換模塊(D/A)到模擬前端模塊，模擬前端模塊對標準測試信號進行放大，經耦合器發送到 線路上，從測量裝置中的模擬前端通過耦合器檢測到主測量裝置發送的測試信號，此時該 信號就帶有了信道性能的信息，信號經模擬數字轉換(A/D)和CPU，到達DSP，DSP對該信號 進行處理分析，並將結果通過RS232串行接口傳送給PC，PC通過應用軟體將測量結果以圖 形和文本的形式輸出。本實用新型具有如下優點(1)實現了高集成度的電力線載波通信信道性能自動測量，可以方便地對電力線 載波信道進行多種性能測量。[0017](2)測量信號的發送、測量結果的分析輸出全自動進行，無需人工幹預，測量耗時 短、結果準確。(3)符合國家關於載波通信的標準，對電力線網絡中的其它設備無影響。(4)採用220伏交流電供電，取電、使用方便。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。圖1 電力線信道模型示意圖。圖2 現有電力線信道測量方法示意圖。圖3 本實用新型電力線載波通信信道性能自動測量裝置結構框圖。圖4 電力線載波通信信道性能自動測量方法示意圖。圖5 軟體運作流程示意圖。圖6 本裝置對載波通信信道噪聲平均值頻譜分析結果圖。圖7 本裝置對載波通信信道信號衰減頻譜分析的結果圖。
具體實施方式
本實施例的電力線載波通信信道性能自動測量裝置，如圖3所示，其特徵是中央 處理器(CPU)、與該中央處理器通訊的模擬/數字轉換模塊(A/D)、數字/模擬轉換模塊(D/ A)、同步動態隨機存取存儲器(SDRAM)、數位訊號處理器(DSP)、串行接口模塊(RS232)，同 步動態隨機存取存儲器SDRAM與RS232串行接口模塊通訊連接，其還包括有一個模擬前端 模塊，該模擬前端模塊具有用於同耦合設備連接的輸入輸出接口，利用耦合設備將信號加 載於電力線上，其信號輸出端與模擬/數字轉換模塊(A/D)的輸入埠連接，其信號輸入端 與數字/模擬轉換模塊(D/A)的信號輸出埠連接。本裝置中，模擬前端模塊為一個雙向 濾波、功率放大電路，也可以使用兩個獨立的單向濾波、功率放大電路替代。電力線載波通信信道性能自動測量裝置工作時，由安裝在PC上的測量軟體預先 在兩個測量點分別設定主、從裝置，主測量裝置中的數位訊號處理器(DSP)模擬信號發生 器的動作發送標準測試信號，通過中央處理器(CPU)、數字/模擬轉換模塊(D/A)到模擬前 端模塊，模擬前端模塊對標準測試信號進行放大，經耦合器發送到線路上，從測量裝置中的 模擬前端通過耦合器檢測到主測量裝置發送的測試信號，此時該信號就帶有了信道性能的 信息，信號經模擬、數字轉換模塊(A/D)和中央處理器(CPU)，到達數位訊號處理器(DSP)， DSP對該信號進行處理分析，並將結果通過RS232串行接口模塊傳送給PC。圖5是整個軟體運作的流程示意圖，上電啟動後，首先由PC中的測量軟體設定電力線載波通信信道性能自動測量裝置為主裝置或從裝置，主裝置由PC中的測量軟體設置 DSP的測量功能參數，包括噪聲分析參數、信道信噪比分析參數、標準測試信號參數等，主裝 置的DSP軟體按參數要求控制DSP發送標準測試信號。從裝置也先由PC中的測量軟體設 置相應的DSP測量功能參數，再設定測量結果在PC硬碟上的存儲路徑，接收時，從裝置接 收到主裝置發來的測試信號，DSP功能測量軟體模塊對信號進行相應的對比、頻譜分析等處 理，將處理結果交由數位訊號處理器作業系統(DSP-OS)，DSP-OS將處理結果通過RS232發 送給PC，PC測量軟體將測量結果以虛擬示波器形式顯示，並將測量結果按指定路徑存儲。[0031]圖6是本發明對載波通信信道噪聲平均值頻譜分析結果圖，圖中橫軸是頻率，單 位KHz，縱軸為噪聲大小，單位DB。電力線載波通信信道性能自動測量裝置對信道內峰值 噪聲進行多次測量，並取平均值的頻譜分析結果，由PC軟體的虛擬示波器功能顯示測量結 果，從圖中的測量結果可以驗證前面所提到電力線載波信道總體噪聲水平隨著頻率增加而 降低的特點。圖7為本發明對載波通信信道信號衰減頻譜分析的結果圖，圖中橫軸是頻率，單 位KHz，縱軸為信號衰減大小，單位DB。從裝置通過對主裝置發送來的各頻率標準測試信號 進行比較分析，並最終由PC以虛擬示波器形式顯示測量結果，從圖中可以看出電力線載波 通信信道衰減具有明顯的頻率選擇性，信道衰減較小的頻段才適合進行電力線載波通信， 這也說明了本發明所完成的信道性能測量功能的重要性。除上述實施例外，本實用新型還可以有其他實施方式。凡採用等同替換或等效變 換形式的技術方案，均落在本實用新型要求的保護範圍。
權利要求一種電力線載波通信信道性能自動測量裝置，其特徵是組成包括中央處理器、與該中央處理器通訊的模擬/數字轉換模塊、數字/模擬轉換模塊、同步動態隨機存取存儲器、數位訊號處理器、RS232串行接口模塊，所述同步動態隨機存取存儲器與RS232串行接口模塊通訊連接，其還包括有一個模擬前端模塊，該模擬前端模塊具有用於同耦合設備連接的輸入輸出接口，其信號輸出端與模擬/數字轉換模塊的輸入埠連接，其信號輸入端與數字/模擬轉換模塊的信號輸出埠連接。
2.根據權利要求1所述的電力線載波通信信道性能自動測量裝置，其特徵是所述模擬 前端模塊為一個雙向濾波、功率放大電路。
3.根據權利要求1所述的電力線載波通信信道性能自動測量裝置，其特徵是模擬前端 模塊由兩個獨立的單向濾波、功率放大電路構成。
專利摘要電力線載波通信信道性能自動測量裝置，其組成包括中央處理器、與中央處理器通訊的模數轉換模塊、數模轉換模塊、同步動態隨機存取存儲器、數位訊號處理器、RS232串行接口模塊，同步動態隨機存取存儲器與RS232串行接口模塊通訊連接，其還包括有模擬前端模塊，模擬前端模塊具有用於同耦合設備連接的輸入輸出接口，其信號輸出端與模數轉換模塊的輸入埠連接，信號輸入端與數模轉換模塊的信號輸出埠連接。本裝置實現了高集成度的電力線載波通信信道性能自動測量，方便地對電力線載波信道進行多種性能測量；測量信號的發送、測量結果的分析輸出全自動進行，無需人工幹預，測量耗時短、結果準確，並且對電力線網絡中的其它設備無影響。
文檔編號H04B3/46GK201571053SQ200920257100
公開日2010年9月1日 申請日期2009年10月28日 優先權日2009年10月28日
發明者劉柱, 易浩勇, 汪曉巖, 王坤, 許盛 申請人:國網電力科學研究院;南京南瑞集團公司