低壓電力載波通信恢復技術研究

金 釗，董永樂，張理放

(內蒙古電力(集團)有限責任公司電力科學研究院，內蒙古 呼和浩特 010020)

隨著電網信息化時代來臨，我國電網覆蓋面積越來越廣闊，同時也帶來了巨大的機遇和挑戰。由于供電網絡系統傳輸信道情況復雜，載波信號長距離傳輸時會造成信號損耗及波形失真等問題，對接收信號端造成較大影響[1-2]。此外，低壓電力線并非通信數據傳輸專用線，因此其拓撲結構、物理特性及傳輸介質均會對通信信號造成強噪聲干擾、信道衰減、信息傳輸高延時等問題[3-5]。為解決這些缺陷，本文以COSTAS環為基礎來提升載波恢復精確度。

COSTAS環因其鎖相環形結構可以很好地對波形進行提取處理，故具有較高的可靠性，且因體積小、易于調試、靈活性強等優點而廣泛應用于載波恢復領域[6-7]，但同時COSTAS環形結構其自身結構同相正交不平衡性及零點漂移，使在進行波形處理時性能易受環境因素干擾導致魯棒性差[8]。為解決此類問題，本文主要通過正反切鑒相法對算法進行改進，提高算法精度來準確進行載波恢復，并通過仿真驗證算法可靠性。

1 COSTAS環理論基礎

同相正交環法COSTAS環因結構簡單、運算準確度高，被廣泛應用于載波恢復領域[9]。其主要部件包含壓控振蕩器(VCO)、乘法器、鑒相器(PD)、環路濾波器(LP)、環路濾波器(LF)等。其原理如圖1所示。

圖1 COSTAS環原理框圖

為簡單了解載波恢復原理，本文從理論出發闡述COSTSAS環的工作進程。設輸入調制信號為m(t)coswct，則：

V3=m(t)coswctcos(wct+θ)=1/2m(t)

[cosθ+cos(2wct+θ)]

(1)

V4=m(t)coswctsin(wct+θ)=1/2m(t)

[sinθ+sin(2wct+θ)]

(2)

式中：wc為輸入信號角速度；t為時鐘信號；θ為輸入頻率。經低通濾波器后的輸出為

V5=1/2m(t)cosθ

(3)

V6=1/2m(t)sinθ

(4)

V5，V6相乘，得到乘法鑒相法，輸出為

θc=1/8m2(t)sin2θ

(5)

而以反正切為基礎所建立鑒相方程其輸出為

θc=arctan(V5/V6)

(6)

結合式(6)與圖1，將調和波通過式(6)輸出后的頻率定義為θc，并定義在未鎖定狀態下，θc可以根據環境自適應壓控震蕩器頻率，并實時縮小相位跟蹤誤差，逐漸與輸入信號的載波頻率吻合[10]。

2 COSTAS環結構設計

2.1 低通濾波器(LPF)

通過系統搭載低通濾波器，主要用于過濾COSTAS環和正交支路信號中所存在的高頻信號分量。因濾波器是本算法提升波形準確度的主要結構，需使用一個實用性優秀的濾波器做支持。本文主要使用切比雪夫數字濾波器的II型，并設階數為10，衰減通帶系數為0.6，低通濾波器的臨界通帶頻率為150 kHz[11-12]。則濾波器的系統曲線如圖2所示。

圖2 濾波器系統曲線

2.2 壓控振蕩器(VCO)

壓控振蕩器中自由頻率wv(t)由調制電壓uv(t)控制，其特性可以表示為瞬時頻率wv(t)與控制電壓uv(t)之間的關系曲線，而由MATLAB仿真則表示為一個可控的理想正余弦波[13]。為符合低壓載波環境系統要求，本文擬產生頻率為240 kHz的本地載波信號。因此，本文可控的正余弦波為

sin=sin(2π×fc×(0:mum-1)×ts)

(7)

cos=cos(2π×fc×(0:mum-1)×ts)

(8)

令式(7)、(8)中本地晶振頻率為fc=240 kHz，數據長度mum=5000。 采樣周期ts=1/fs，且fs為采樣頻率。

2.3 環路濾波器(LP)

COSTAS環回路中，環路濾波器主要作用為線性低通濾波器，其作用為濾除瞬時相位誤差信號中的高頻信號，并影響環路參數變化調整。此外，環路濾波器為環路提供一個短期存儲，用于保證鎖相環在系統中因瞬時噪聲失鎖可以重新快速捕獲信號[14]。通常，2階、3階環路濾波器為常見線性低通濾波器。雖3階環精度較高，但結構復雜且硬件成本高，在本文搭載模擬環境下，2階結構簡單且精確度高，故選用2階環路濾波器。設2階環路濾波器方程為

(9)

(10)

式中：環路固有的擾動頻率為wn；鑒相器參數增益為Kd；NCO效率參數設為K0；積分時間為T，且wn=8ξBL/4ξ2 +1；環路等效噪聲帶寬為BL，阻尼系數為ξ=0.707。經仿真計算測試得：C1=0.049，C2=0.025，其原理框圖如圖3所示。

2.4 鑒相器(PD)

鑒相器主要作用為相位比較裝置。鑒相器通過測量反饋信號與輸入信號的差值，并輸出相位差的函數[15]。鑒相器常用的方法為乘法鑒相法，但本文為了提高鑒相進度及效率，采用反正切鑒相法，見圖4、圖5。鑒相器的輸出為

V7=θc=arctan(V5/V6)

(11)

圖3 環路濾波器原理框圖

圖4 乘法鑒相器

圖5 反正切鑒相器

式(3)、(4)表明：壓控振蕩器輸入受θ影響，環路濾波器輸出通過提供誤差控制電壓來跟蹤θ[16]。當環路處于空鎖狀態時，θc為壓控震蕩器主控參數，并通過自適應性不斷減小相位跟蹤誤差，直至與輸入信號的載波頻率相吻合。

從COSTAS環壓控振蕩器跟蹤結果可以看出，相較于乘法鑒相器結構，反正切鑒相法的相位輸出結果響應速度較快，并逐漸收斂于一精確數值，不會因輸入信號幅值變化而影響相位誤差輸出結果，提高鑒相精度。

3 COSTAS環載波恢復仿真試驗

為驗證本文COSTAS環載波恢復效果，文章通過Simulink來搭建模擬環境，并做仿真分析驗證，其搭建回路如圖6所示。

圖6 載波恢復系統結構

經試驗解析，本文取建模Scope1所示圖7及Scope2所示圖8，圖7為低通濾波器的出口波形，通過COSTAS環對其最高位代表信號信息輸出進行解調，經過鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器差分解碼后輸出載波信號。可見，環路鎖定準確，且位同步信號保持在每個碼元中心位置，最終解析出的信號與輸入的基帶信號一致。故仿真結果表明，本文設計電路實現了載波的提取。

圖7 Scope1示波器反饋結果

圖8 Scope2示波器反饋結果

4 結論

本文以電力低壓載波恢復為基礎，根據COSTAS環理論依據及作用對電力低壓載波恢復系統進行設計，通過Simulink搭建各模塊及參數的設計，并通過試驗可以看出反正切鑒相器COSTAS環相較于傳統COSTAS環具有更精確的收斂性，且COSTAS環環境自適應能力強，在低壓載波信號傳輸時COSTAS環載波同步電路相位誤差更小，同調時間短，時間一致性好，可以很好應用于電力行業載波通信恢復。