低压电力线" title="低压电力线">低压电力线载波通信是指利用已有的低压配电网作为传输媒介、实现数据传递和信息交换的技术，目前已经广泛用于集中自动抄表系统。采用集中自动抄表对各用户实行远程抄表与授电控制是电力体制改革深入后，收费模式与台区管理体现出的重要发展趋势。众所周知，传统的抄表模块目前仍沿用通用处理器（MCU）＋功能简单的通信集成电路（载波或红外等），设计较为复杂，外围元器件较多。基于片上系统SoC的PL3201多功能数字抄表模块解决方案，主要单元均集成于单芯片上，更为重要的是它首次在载波通信模块设计中使用了码分多址CDMA技术，很好地解决了多台区抄表的串扰问题。
1系统设计
1．1 系统设计思想
　　本方案以多功能芯片PL3201为核心，系统设计为一个SoC。该芯片集成了载波通信直接序列扩频单元，其优点在于：
　　(1)扩频通信技术可以在较低信噪比下实现可靠通信；
　　(2)由于在扩频通信中使用伪随机码" title="伪随机码">伪随机码作为扩频码，扩频码的一个很重要特点是其有足够的独立地址数实现码分多址的要求。
　　载波通信电路主要包括载波通信集成电路、功率放大器和电力线耦合器。通信集成电路将数据信息调制成可在电力线上传输的高频载波信号，其频率一般为50k~500kHz。这些高频载波信号通过功率放大和耦合电路与低压电力线接口。载波通信的成功率主要取决于接收载波信号的信噪比和通信芯片的接收灵敏度。载波信号衰减和电力线路噪声干扰决定着低压电力线载波通道的传输特性。电力线的阻抗很小，因此其自身阻抗不是产生衰减的主要原因。主要原因是电力线上有大量的用电负载和电力设备，其高频等效阻抗的变化范围很大。实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40～100dB/km。通过以上分析，低压电力线载波通信的客观环境非常恶劣，要达到稳定通信的效果必须采用先进的技术手段克服这些困难。
　　所谓码分多址，是在通信系统中分配给每个用户一套正交码，通过正交性，对不同用户进行区分。PN码一般由反馈型线性移位寄存器产生，通过调整线性移位寄存器的结构可以产生不同的伪随机序列。本方案使用的扩频单元伪随机码序列有Gold序列， Gold序列是m序列的复合码。它由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对模2和构成，由此产生的序列码数要远远多于m序列。在使用电力线载波技术进行抄表的系统中，PL3201是众多智能电表中的一个亮点，该芯片集成了CDMA电力线载波扩频通信内核，恰当地适应了抄表系统码分多址的特性。通过设置PL3201的内部通信寄存器，可以选择扩频使用的码地址。这样做的好处是，在规划集抄网络时，同一片台区的集中器和终端可以采用同一扩频码址，而相邻台区采用另一扩频码址。设置了不同扩频码址的设备之间的通信完全透明，彼此只相当于噪声干扰，因此只要在安装规划时统一设置不同的扩频码，不同台区之间就可以同时进行各自的抄收通信而无冲突影响。在进行载波通信时，必须将通信双方的伪随机码序列、速率、地址设置成一致，才能正常通信。
1．2 系统硬件设计
　　该系统为典型的单片机系统，SoC产品PL3201为其提供了各种内嵌的功能模块，其中载波通信模块使用的扩频单元为QDPSK直序扩频，载波中心频率为120kHz,使用63位扩频码，数据速率1kbps。其载波通信电路如图1所示。

　　(1)图1中，SIGIN为PL3201载波接收端，SIGOUT为PL3201载波发送端，L-220V、N-220V为电力线。载波信号发射端由PL3201内部调制扩频电路完成，载波发送端波形大致为0～5V方波，并包含有丰富的谐波信号，经过放大和滤波整形电路后，耦合到电力线上。
　　(2)陶瓷滤波器为通频带，在中频480kHz附近，载波信号接收端经过信号衰减，谐振电路完成对有用信号的带通滤波。进入到SIGIN端为120kHz、幅值为0.7V左右的有用信号，接收信号进入芯片后进行混频处理。芯片内部将接收到的120kHz有用信号与600kHz的内部本振信号进行混频，得到480kHz的中频带宽的差频信号。混频信号经过陶瓷滤波器滤波后再进入芯片进行内部解扩和有效数据的还原。
1．3 系统软件设计
　　系统软件中载波分为两个部分，载波接收部分和载波发射部分。其流程图如图2所示。

　　载波通信时，CPU使用外部中断2，可以使用查询和中断两种方式，其内部有专用的载波寄存器。载波通信采用帧同步方式，与常见的异步通信方式操作基本相同，使软件处理复杂度大大降低。
　　载波通信发送过程：载波单元在每次置为发送状态后，硬件会自动首先发送40个伪码周期的全“1”序列，用于使接收端与发送端伪随机码同步，通过配置载波发送前导序列寄存器的值来改变发送全“1”序列的个数。将数据根据协议组织完成后，按字节方式写入SSC_BUF寄存器后，载波单元自动发送该字节，当判断到载波通信状态寄存器的收发状态指示位为“1”时（上1字节数据发送完后产生的指示标志），可以发送下1字节数据，直到全部数据发送完成。
　　载波通信接收过程：载波通信单元置为接收态后，硬件会在每次伪随机码同步后，开始从数据流中搜寻帧头序列，当检出帧头序列后，才真正开始接收数据。通过置帧头标志（FHF）与数据终端准备好标志（DRT）相配合，完成数据的接收和识别。在进行载波通信时，必须将通信双方的伪随机码序列、速率、地址设置成一致，才能正常通信。实际应用中将使载波通信具有较高的保密性，同时可以彻底解决多台区间的通信串扰。
2 运行结果及分析
　　2004年8月由某第三方公司在北京某大型住宅区将本电能表抄表模块评估板与其他三家国内载波抄表通信产品一起做了一次通信性能对比实验。实验所选择的电网区域用户密集（同一配变下共计1 500多户），电网分叉复杂，供电覆盖范围大（共计23栋100多个单元），是典型的恶劣通信信道环境。图3是在该小区现场采集的电力线上传输信号的波形，注意两处高耸的部分是家用电器及其开关电源引起的周期性噪声，中间平坦的波形是通信信号。该模块在这样的干扰情况下仍然可以稳定正常地传输数据。

　　其现场部分楼体示意图如图4所示。实验中将四家产品的评估板统一设置为接收状态并置于图示中①号楼位置，而将设置为发送状态的各评估板放到其他位置逐一测试。如果位置①的相应接收设备正确接收到数据包则显示成功信息。在位置②，由于距离较近，所有通信产品均顺利通过。在位置③，PL3201评估板首先顺利通过，而其他三家通信产品接收成功率最高为50%。接下来PL3201 还继续在④号位置、⑤号位置相继通过了测试，显示出绝对的性能优势。后经过单独误码及误包率测试，不同位置PL3201 的通信情况如表1所示。通过PL系列芯片的自身通信对比试验，由于PL3201 采用了全新的数字信号处理及CDMA技术，因而在低信噪比情况下的误包率远远低于前几代产品，表现出极强的抗干扰能力。