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基于直序扩频的电力线载波通信系统设计

杨杰，张建飞
武汉理工大学信息工程学院，武汉（430063）
E-mail：[e-mail]
摘要:本文介绍了扩频通信原理,针对低压电力线背景噪声大、信号衰减大的缺点,提出了
将DPSK直序扩频应用于电力载波通信系统的思想并完成了总体方案的设计,并介绍了调制
解调芯片PL3105的结构及其在本系统中的工作原理。
关键词:DPSK直序扩频；电力线载波通信；PL3105
中图分类号:TN91316

1.引言
低压配电网(Low-Voltagenetwork)是一个用户最多、分布最广、用户最必不可少的动力
能源传输网络.电力线通信是低压配电网特有的一种通信方式,也是一个日益被看好的、将来
可以随时使用的高速数字通信网络[1]。近年来,基于载波通信的远程数字抄表系统发展迅速,
电力线载波抄表系统利用已有密集的电网,不必重新架设线路,而且电力线不占用现有的频
谱资源,因而这种通信方式比其他通信方式具有明显的优势。然而,低压配电网负载非常复杂,
各类噪声丰富,信道质量恶劣,通信环境变化剧烈,如何适应低压配电网通信环境,已经成为国
内外许多专家和企业研究的热点.针对低压配电网的特点，本文提出了将DPSK直序扩频应
用于电力载波通信系统的思想并完成了总体方案的设计。
2.电力线扩频载波通信
根据香农定理,在信道容量一定时,增加带宽可以以较低的信噪比获取可靠的数据传输,
这就是采用基于DPSK直序扩频方式抑制干扰的理论依据。扩展频谱技术是指用比信号带宽
宽得多的频带宽度来传输信息的技术。扩展频谱技术的理论基础是信息论中的香农定理:
S
Cw=+log2(1)
N
其中:C为信道容量(比特/秒);N为噪声功率;W为信号带宽(Hz);S为信号功率,当S
/N很小(≤0.1)时得到:
CN
W=.
1.44S
在无差错传输的信息速率C不变时,如果S/N很小,则必须使用足够大的带宽W来
传输信号。这就是说,增加信号带宽可以降低对信噪比的要求,这正是扩频通信的理论依据。
直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的伪随机序列(PN)与信号相乘来达到扩展信
号的带宽。在发送端先对信号进行扩频再进行DPSK调制,扩频载波信号经过功率放大之后
耦合到电力线上进行传输。在接收端DPSK解调后用与发送端同步的本地PN序列解扩即
可恢复信号[2]。
在本文讨论的通信方案中采用的扩频芯片PL3105就是采用了直序扩频技术.
3.直接序列扩频通信芯片PL3105
PL3105是为面向未来的开放式自动抄表，智能信息家电以及远程监控系统而设计的单
芯片片上系统(SoC)，内嵌与8051指令兼容的高速微处理器，软件易于开发；内嵌的载波通

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信控制单元使其具备了在低压电力线上组网远程通信的强大功能；可以通过配置寄存器来实
现对载波通信的控制，接口方便；扩频通信单元具有强抗带内同频干扰能力、灵敏度高的优
点；集成了完善的电压监测上电掉电复位看门狗电路，确保了工业环境下运行时系统的可靠
性[3]。

3.1PL3105的内部结构和特点
PL3105内嵌一个高速CPU，其指令周期为1T，即一个指令周期为一个机器周期。而它
的资源（如串口、定时器等）是严格的1T，这与8051一样。PL3105的外部时钟（主时钟）
在经过时钟模块后一分为二。其中一路经过2分频后得到的fosc提供给CPU和相应的资源模
块（除载波和ISP以外的资源模块）。而另一路直接供给载波和ISP模块。由于载波模块的
限定，在使用载波通讯功能的系统中。其主频晶振只能用9.6MHz，如果不用载波通讯功能，
其主频晶振可达到16MHz。PL3105结构框图如图(1)所示[3]：

图1PL3105结构框图

4.基于PL3105的硬件设计
电力线载波通信所需的直接序列扩频调制电路已在PL3105芯片内集成，外围的配置电
路主要包括功率放大电路、滤波整形电路、谐振电路及二次滤波电路。

4.1功率放大电路
功率放大电路是用来将PL3105芯片产生的载波调制信号进行功率放大后耦合到电力线
上。功率放大电路如图(2)所示，载波功能被使能后，载波信号由PSK_OUT输出，波形为

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图2功率放大电路

0～5V的方波，包含丰富的谐波；经过推挽电路进行功率放大后，PSK_OUT点的方波
信号被放大为Q1点信号。电路中D5、D6起钳位作用、吸收低压电力线上的尖峰干扰。载波
发射功率的大小与VHH电源幅值的高低以及电源电流提供能力有关，在一定范围内提高电
源幅值、增大电源功率，可以有效地加大发射功率、从而延长通信