基于ZigBee的无线低压电力数据集抄系统终端设计.pdf

总第 5 O卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n VO I 5 0 No 5 6 5 J a n 2 01 3 基 于 Z i g B e e的无线低压 电力数据集抄 系统终端设计 肖勇 ， 蔡月宏 ， 阎啸 ， 申妍华 ( 1 广东电网公 司电力科 学研 究院， 广 州 5 1 0 0 8 0 ； 2 电子科技 大学 空天科学研 究院， 成都 6 1 1 7 3 1 ； 3 华南理工大学， 广州 5 1 0 6 4 0 ) 摘要 ： 研究 了符合 Z i g B e e规定的直接序列扩频( D S S S ) 和偏移正交相移键 控( O Q P S K) 调制的无线低压 电力数 据集抄系统收发机 ， 重点分析了 Z i g B e e收发机在加性高斯 白噪声 ( A WG N) 信道 和瑞利信道 中的抗噪性能表 现。利用 M a t l a b 编程工具对直接序列扩频通信收发机系统进行仿真， 研究了扩频码片长度与通信系统抗噪性 能的关系。仿真结果表明， 信噪比为6 d B时， 3 2 位码长扩频通信系统误码率可以降低到 l 6位码长扩频通信系 统的 1 2 3 ， 即使用长扩频码片可以提高无线低压集抄系统的抗噪性能。 关键词 ： Z i g B e e ； 直接序列扩频 ； 偏移正交相移键控 中图分类号： T M 7 6 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 11 3 9 0 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 8 9 0 5 De s i g n o f W i r e l e s s Ce n t r a l i z e d El e c t r i c M e t e r Re a d i n g T e r mi n a l S y s t e m Ba s e d o n Zi g Be e XI AO Yo n g ，CAI Yu e h o n g ，YAN Xi a o ，S HEN Ya n h ua ( 1 E l e c t r i c a l P o w e r R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G u a n g d o n g P o w e r G r i d C o r p o r a t i o n ，G u a n g z h o u 5 1 0 0 8 0 ，C h i n a 2 As t r o n a u t i c s& Ae r o n a u t i c s i n s t i t u t e o f UE S T C，C h e n g d u 6 1 1 7 3 1，C h i n a 3 S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a ) A b s t r a c t ： T h i s p a p e r r e p o r t s a s t u d y o n t h e d i r e c t s e q u e n c e s p r e a d i n g s p e c t r u m( D S S S )p r o c e s s i n g a n d O f f s e t Q u a d r a t u r e P h a s e S h i r t K e y i n g ( O Q P S K)m o d u l a t i o n w i r e l e s s t r a n s c e i v e r s p e c i f i e d b y Z i g B e e s t a n d a r d T h e s t u d y f o c u s e s o n t h e p e r f o r ma n c e w i t h s t a n d i n g n o i s e i n A d d i t i v e Wh i t e G a u s s i a n N o i s e( A WG N)a n d R a y l e i g h fi a t f a d i n g c h a n n e l s A Ma t l a b b a s e d s i mu l a t o r i s d e v e l o pe d f o r DS S S t r a n s c e i v e r ，a nd t h e c o r r e l a t i o n be t we e n t h e l e ng t h o f s p e c t r u m s p r e a - d i n g c h i p a n d t h e p e r f o rm a n c e o f c o mmu n i c a t i o n s y s t e m w i t h s t a n d i n g n o i s e i s r e s e a r c h e d T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t 3 2 y a r d s l o n g s p r e a d s p e c t rum c o mmu n i c a t i o n s y s t e m b i t e r r o r r a t e c a n b e r e d u c e d t o 1 2 3 c o mp a r e d wi t h 1 6 y a r d s l o n g s p r e a d s p e c t rum c o mmu n i c a t i o n s y s t e m wh e n s i g n a l t o - n o i s e r a t i o i s 6 d BI n o t h e r wo r d s ，t h e p e r f o r ma n c e w i t h s t a n d i ng n o i s e c o u l d b e e n ha nc e d us i ng l o n g s pe c t r u m s p r e a d i n g c h i p Ke y w o r d s ： Z i g B e e ， D S S S ，O Q P S K 0 引 言 低压集 抄技 术是 建设 智能 电 网高级量 测体 系 ( A MI ) 的重要组成部分 。随着智能电网的快速发展 ， 各种低压集抄通信技术不断引入， 通信传输信道特 性也 日益复杂， 使得微功率无线通信这种拥有微功 耗、 自组网等特性 的技术成为了研究热点 J 。鉴于 Z i g B e e 的较高的安全性和可靠性， 该技术得以在低 压集抄系统中得到应用。其标准的物理层引入直接 序列扩频( D S S S ) ， 使得收发机可在低功耗的情况下 承受信道噪声。该标准规定了Z i g B e e 收发机的 P H Y 规范， 包括频段， 数据传输速率， 调制方案和序列扩 频码片等。通过研究 Z i g B e e接收机 的误差性能 ， 来 估计接收机在满足数据传输能够容忍的误码率范围 内的最低功耗 。 、 近几年 ， 已有不少研究 I 4 就传统的接收机结构 提出直接序列扩频误码率理论表达式， 对于实际工 程设计意义不大。此外 ， 国外一些著名公司提出了 一 些收发机 ， 声 称符合 I E E E 8 0 2 1 5 4标准 ( Z i g B e e 协议) ， 但无法给出事实依据。本文设计了一种 具有应用价值的D S S S 收发机， 通过 M A T L A B仿真获 一 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r ume n t a t i o n VO I 5 0 N0 5 6 5 J a n 2 0 1 3 得系统的误码率 ， 研究 D S S S收发机抗噪特性 ， 提升 低压 电力无线集抄系统的通信性能。 1 Z i g B e e协议 Z i g B e e 协议在物理层定义了 8 6 8 MH z 、 9 1 5 MH和 2 4 G Hz 三个频段。频段 上所 采用 的调制和扩频 技 术参数可归纳为表 1 I 8 1 。在第 三部分设计基 于 Z i g B e e协议的无线收发机时将会考虑这些规范。 表 1 Z i g B e e 协议的扩频和调制参数 Ta b 1 Fa c t o r s o f s p e c t r u m s pr e a d i n g a n d mo d u l a t i o n b a s e d o n Z i g Be e s t a n d a r d Z i g B e e中的基带脉 冲成 型滤波器有两种 ， 分别 是根升余弦( R R C) 和半正弦( H a l f - s i n e ) ， 与频带 的对 应关系见表 1 。本文主要研究对象为 9 1 5 MH z和 2 4 G H z 两个频段直扩 O Q P S K数字调制系统 ， 采用的是 半正弦脉冲成型滤波。 半正弦脉冲成型滤波器 ( H a l f - s i n e ) 冲激 响应 函 数为 ： )： 悫 2 T c ( 1 ) 【 0 。 t h e r wi s e 在 A WG N信道 中直接顺序扩频 ( D S S S ) 系统在 8 6 8 9 1 5 2 4 5 0 MHz 频段的 O Q P S K误码率表达式在 参考文献 中给出如式( 2 ) ： E = 8 1 差 ( 一 1 ) ( )e ( 2OSNR ( - -1 1) (2 ) 很 明显 ， 此标准认为误码率 只与信噪比有关 ， 并 没有考虑调制解调器结构 的影响。根据 Z i g B e e 协议 的物理层 规范 ， 比较 8 6 8 9 1 5 M Hz频段 与 2 4 5 0 MHz 频段直扩 O Q P S K调制结构 ， 不难发现 8 6 8 9 1 5 MHz 频段使用 1 6位扩频码 ， 而 2 4 5 0 MH z频段 使用 了 3 2 位扩频码， 那么扩频码长是否对通信系统的误码率 没有影响。本文在第 四部分通过 MA T L A B仿真证明 了误码率与扩频码长度有关， 且长扩频码降低了信 道的误码率， 有利于提高通信系统的抗噪性能。 2 Z i g B e e无线收发机架构 Z i g B e e协 议 的物 理 层 在 8 6 8 MH z 、 9 1 5 MH z和 2 4 G H z -个频段 都可以使用 O Q P S K直接序列 扩频( D S S S ) 技术， 其调制流程如图 1 所示。从图中 一 9 0 一 可 以看 出， 在调制 前 ， 需要 将数据 信号进 行转换 处 理。每一个字节( b y t e ) 信息分成两个符号( s y m b o 1 ) ， 每个符号包括 4位 ( b i t ) 。根据符号数据 ， 从 1 6个几 乎正交的伪 随机序列 ( P N序列 ) 中选取一个作 为扩 频码。根据所发送连续的数据信息， 将所选出的 P N 序列进行扩频 ， 并使用 O Q P S K的调制方法， 将这些信 息的序列调制到载波上。 图 1 物理 层调 制 F i g 1 Mo d u l a t i o n o f PHY l a y e r 基于Z i g B e e 协议的收发机主要由三部分组成： 数 字调制模块 、 数字解调模块、 捕获模块。本文重点讨论 数字调制和数字解调单元。通过对相关的扩频通信和 调制解调理论的研究_ 9 J ， 以及对 Z i g B e e协议的理解 ， 所设计的 Z i g B e e 收发机的通信系统如图2所示 。 扩频后的码元序列通过采用半正弦脉冲形成 的 O Q P S K调制方法 ， 将符 号数 据信号调 制到载 波上。 其中， 编码为偶数的码元调制到 1 分支的载波上； 编 码为奇数的码元， 调制到 Q分支的载波上。为了使 1 分支和 Q分支 的码元调制存在偏 移 ， Q分支 的码元 相对于 1 分支的码元要延迟 ( 码元速率 的倒 数) 秒 发送。t Q分支分别与半正弦脉冲成型滤波器相乘， 经过混频器混频再相加。然后混合信号 由功率放大 器( P A ) 放大， 并通过无线通道传播。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 0卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e nt& I n s t r u m e nt a t i o n V01 5 O No 5 6 5 J a n 2 O 1 3 图 2 O Q P S K直接序列扩频收发机 系统结构 F i g 2 S t r u c t u r e o f D S S S t r a n s c e i v e r u s i n g O Q P S K mo d u l a t i o n 值得注意的是， 传输数字信号时使用 O Q P S K调 制和半正弦脉冲整形， 整体调制相当于最小频移键 控( M S K ) ， 这是一个具有恒定的信号包络的频率调 制。经过半正弦波成 型的 O Q P S K与 O Q P S K的功率 谱密度如图 3所示 。 稍 她 褂 嚣 图 3 O Q P S K与半正弦波成型 O Q P S K的功率谱密度 F i g 3 O Q P S K a n d O Q P S K p o w e r d e n s i t y u s i n g Ha l f - s i n e p u l s e s h a pi n g 从图 3可以看 出， 经过成型后 ， 信号 的能量集中 在频率较高处， 且信号的功率谱密度更为集中， 即其 旁瓣下降得更快， 因此它对于相邻频道的干扰较小。 接收器通过天线接收到模拟信号， 首先通过低 噪声放大器( L N A) 过滤。过滤信号分配到 1 分支和 Q分支， 分别用于解调。在 1 分支， 信号与载波信号 C O S ( 2 ) 相乘 ， 然后通过一个带通滤波器 ( B P F ) 过 滤， 同时在 Q分支的信号与载波信号 s in ( 2 ) 相 乘 ， 然后通过一个带通滤波器 ( B P F ) 滤波。滤波后的 每一分支的信号经过模拟 一 数字转换器( A D C ) 转换 为的数字信号 ， 然后通过低通滤波器 ( L P F ) 以消除高 频成分。滤波后 的信号相加后被送到捕获器 ， 当捕 获到同步信号后 ， 对信号进行解扩 。最后 ， 经过相应 数字处理恢复原信号。 对扩频码的捕获一 直是扩 频通信 重点 研究 的 问题 ， 捕 获时 间的长 短是 衡量 扩频 通 信 系统 性 能 的一个 重要 指标 。常用 的捕 获 电路 有 串行 、 串并 组合 、 并行 三种结构。串行捕获 的性能较 差 ， 主要 表现 为捕获 时间很 长 ； 串并组 合结 构 将伪 码序 列 分 区间捕 获 ， 区间与区间之 间并行 捕获 ， 而 区间 内 串行捕获 ， 性能有所提 高 ； 由于并行结 构能在 同一 时段内搜索伪码所有相位， 因此捕获速度大大提 高 。图 2中捕获模块 采用 并行 捕获 的方法 。 。 ， 结 构如 图 4所示 ， 其 中 C( t ) 是 P N码 经 过半 正弦 脉 冲成型后 的时域信号 。实现扩频 序列 同步捕 获所 需要 的时 间就是 各相 关器 的积 分 时间 ， 而且 一 次性就可 以将接 收伪 码 的相 位穷 尽 ， 因此捕 获 时 间是最短 的。但是并行捕 获 的缺 点是接 收机要用 2 N个相关器 ， 设备量过大， 导致电路 过于复杂。 具体工程实现需要在扩频捕获时间与电路复杂度 之间做权衡 ， 选择合适的捕获方法。 一 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 5 O卷第 5 6 5期 2 0 1 3年第 1期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt I n s t r u m e n t at i o n VO 1 5 0 N0 5 6 5 J a n 2 0 1 3 图 4并行捕 获 Fi g 4 Pa r a l l e l a c q u i s i t i o n 3仿真分析 根据第二部分调制解调过程， 在 Ma t l a b中进行仿 真， 随机序列作为测试信号送入， 通过解调器解调后测 试是否符合我们设计的形式。图 5是输入的随机信号 与扩频信号的功率谱 ， 输入信号经过扩频后的功率谱被 展宽。图6是 P N码、 半正弦成型滤波器以及 O Q P S K调 制 I 相 Q相成型后波形， 完全符合 Z i g B e e协议中 8 6 8 9 1 5 2 4 5 0 MH z 频段直扩 O Q P S K调制信号要求。 对无线收发机仿真时涉及到无线信道估计的问 题， 由于无线信道中电磁波受到反射、 绕射、 散射、 多 径传播等因素的影 响 ， 接收端所接收到 的信号是各 个方向到达电磁波的叠加， 使信号在小范围内引起 剧烈的波动 ， 称之为多径衰落 ， 亦称 为小尺度衰落。 小尺度衰落直接体现了无线信道的复杂性和随机 性 ， 是影响无线通信系统性 能的因素。一般而言 ， 小 尺度衰落信道响应 的包络服从瑞利分 布。因此 ， 可 以采用瑞利衰落对无线信道建模 。瑞 利分布包络公 式如式( 3 ) ， 图 7建立 了参数 o r 分别为 0 5 、 1 、 2 、 3 、 4 等 5 个信道模型， o r 越小则信道的选择性越强。 厂 ( ) = ( o - ) e x p ( 一x ( 2 o ) ) ， 0 ( 3 ) 除了在无线信道信号会发生瑞利衰落外， 信道 中也会引入噪声。实际的噪声信号在某一频段内可 以用高斯 白噪声 的特性来进行 近似 处理， 该噪声信 号为一种便于分析的理想噪声信号。仿真时引入信 噪比可变的加性 高斯 白噪声 ， 解调后得到不 同信噪 比下系统误码率。在 信道中引入 加性高斯 白噪声 ， 噪声与扩频信号的频谱密度如图 8所示。 系统仿真时分别采用P N码长为1 6 、 3 2 的码片， 在 不同的信噪比下统计系统的误码率， 绘制的误码率曲 线如图9所示。观察图9很容易发现： 当信噪比为 6 d B时， 3 2 位扩频码直扩系统的通信误码率为 1 0 ， 此时 1 6位扩频码直扩系统的通信误码率为2 3 x 1 0一， 所以扩频码越长 ， 信道的抗噪性能越强； 1 6位扩 频码直扩系统在信噪比为7 d B时达到 Z i g B e e 协议要 褂 之 出 之 出 图 5 随机信号与扩频信号功率谱 Fi g 5 Po we r s p e c t r u ms o f r a n d o m s i g n a l a nd s p e c t r u m s p r e a di ng s i g n a l 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 ( b ) 半正弦脉冲成型滤波器波形 喜 一 l 一 。 ， 。 0 2 4 6 8 l O 1 2 1 4 1 6 ( C ) 相波形 喜 一 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 ( d ) Q相波形 时 Ih q tx s 图 6各测试 点仿 真波 形 F i g 6 Th e s i mu l a t i o n wa v e f o r m o f e a c h t e s t i n g p o i n t 工 _ 0 邑 陋 垛 槲 整 图 7 瑞利 信道模 型 F i g 7 Ra y l e i g h c h a n n e l mo d e l l 5 O 1 5 0 ( ( 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m