低压电力载波通信恢复技术研究

金 钊，董永乐，张理放

(内蒙古电力(集团)有限责任公司电力科学研究院，内蒙古 呼和浩特 010020)

随着电网信息化时代来临，我国电网覆盖面积越来越广阔，同时也带来了巨大的机遇和挑战。由于供电网络系统传输信道情况复杂，载波信号长距离传输时会造成信号损耗及波形失真等问题，对接收信号端造成较大影响[1-2]。此外，低压电力线并非通信数据传输专用线，因此其拓扑结构、物理特性及传输介质均会对通信信号造成强噪声干扰、信道衰减、信息传输高延时等问题[3-5]。为解决这些缺陷，本文以COSTAS环为基础来提升载波恢复精确度。

COSTAS环因其锁相环形结构可以很好地对波形进行提取处理，故具有较高的可靠性，且因体积小、易于调试、灵活性强等优点而广泛应用于载波恢复领域[6-7]，但同时COSTAS环形结构其自身结构同相正交不平衡性及零点漂移，使在进行波形处理时性能易受环境因素干扰导致鲁棒性差[8]。为解决此类问题，本文主要通过正反切鉴相法对算法进行改进，提高算法精度来准确进行载波恢复，并通过仿真验证算法可靠性。

1 COSTAS环理论基础

同相正交环法COSTAS环因结构简单、运算准确度高，被广泛应用于载波恢复领域[9]。其主要部件包含压控振荡器(VCO)、乘法器、鉴相器(PD)、环路滤波器(LP)、环路滤波器(LF)等。其原理如图1所示。

图1 COSTAS环原理框图

为简单了解载波恢复原理，本文从理论出发阐述COSTSAS环的工作进程。设输入调制信号为m(t)coswct，则：

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为输入信号角速度；t为时钟信号；θ为输入频率。经低通滤波器后的输出为

V5=1/2m(t)cosθ

(3)

V6=1/2m(t)sinθ

(4)

V5，V6相乘，得到乘法鉴相法，输出为

θc=1/8m2(t)sin2θ

(5)

而以反正切为基础所建立鉴相方程其输出为

θc=arctan(V5/V6)

(6)

结合式(6)与图1，将调和波通过式(6)输出后的频率定义为θc，并定义在未锁定状态下，θc可以根据环境自适应压控震荡器频率，并实时缩小相位跟踪误差，逐渐与输入信号的载波频率吻合[10]。

2 COSTAS环结构设计

2.1 低通滤波器(LPF)

通过系统搭载低通滤波器，主要用于过滤COSTAS环和正交支路信号中所存在的高频信号分量。因滤波器是本算法提升波形准确度的主要结构，需使用一个实用性优秀的滤波器做支持。本文主要使用切比雪夫数字滤波器的II型，并设阶数为10，衰减通带系数为0.6，低通滤波器的临界通带频率为150 kHz[11-12]。则滤波器的系统曲线如图2所示。

图2 滤波器系统曲线

2.2 压控振荡器(VCO)

压控振荡器中自由频率wv(t)由调制电压uv(t)控制，其特性可以表示为瞬时频率wv(t)与控制电压uv(t)之间的关系曲线，而由MATLAB仿真则表示为一个可控的理想正余弦波[13]。为符合低压载波环境系统要求，本文拟产生频率为240 kHz的本地载波信号。因此，本文可控的正余弦波为

sin=sin(2π×fc×(0:mum-1)×ts)

(7)

cos=cos(2π×fc×(0:mum-1)×ts)

(8)

令式(7)、(8)中本地晶振频率为fc=240 kHz，数据长度mum=5000。 采样周期ts=1/fs，且fs为采样频率。

2.3 环路滤波器(LP)

COSTAS环回路中，环路滤波器主要作用为线性低通滤波器，其作用为滤除瞬时相位误差信号中的高频信号，并影响环路参数变化调整。此外，环路滤波器为环路提供一个短期存储，用于保证锁相环在系统中因瞬时噪声失锁可以重新快速捕获信号[14]。通常，2阶、3阶环路滤波器为常见线性低通滤波器。虽3阶环精度较高，但结构复杂且硬件成本高，在本文搭载模拟环境下，2阶结构简单且精确度高，故选用2阶环路滤波器。设2阶环路滤波器方程为

(9)

(10)

式中：环路固有的扰动频率为wn；鉴相器参数增益为Kd；NCO效率参数设为K0；积分时间为T，且wn=8ξBL/4ξ2 +1；环路等效噪声带宽为BL，阻尼系数为ξ=0.707。经仿真计算测试得：C1=0.049，C2=0.025，其原理框图如图3所示。

2.4 鉴相器(PD)

鉴相器主要作用为相位比较装置。鉴相器通过测量反馈信号与输入信号的差值，并输出相位差的函数[15]。鉴相器常用的方法为乘法鉴相法，但本文为了提高鉴相进度及效率，采用反正切鉴相法，见图4、图5。鉴相器的输出为

V7=θc=arctan(V5/V6)

(11)

图3 环路滤波器原理框图

图4 乘法鉴相器

图5 反正切鉴相器

式(3)、(4)表明：压控振荡器输入受θ影响，环路滤波器输出通过提供误差控制电压来跟踪θ[16]。当环路处于空锁状态时，θc为压控震荡器主控参数，并通过自适应性不断减小相位跟踪误差，直至与输入信号的载波频率相吻合。

从COSTAS环压控振荡器跟踪结果可以看出，相较于乘法鉴相器结构，反正切鉴相法的相位输出结果响应速度较快，并逐渐收敛于一精确数值，不会因输入信号幅值变化而影响相位误差输出结果，提高鉴相精度。

3 COSTAS环载波恢复仿真试验

为验证本文COSTAS环载波恢复效果，文章通过Simulink来搭建模拟环境，并做仿真分析验证，其搭建回路如图6所示。

图6 载波恢复系统结构

经试验解析，本文取建模Scope1所示图7及Scope2所示图8，图7为低通滤波器的出口波形，通过COSTAS环对其最高位代表信号信息输出进行解调，经过鉴相器、环路滤波器、压控振荡器差分解码后输出载波信号。可见，环路锁定准确，且位同步信号保持在每个码元中心位置，最终解析出的信号与输入的基带信号一致。故仿真结果表明，本文设计电路实现了载波的提取。

图7 Scope1示波器反馈结果

图8 Scope2示波器反馈结果

4 结论

本文以电力低压载波恢复为基础，根据COSTAS环理论依据及作用对电力低压载波恢复系统进行设计，通过Simulink搭建各模块及参数的设计，并通过试验可以看出反正切鉴相器COSTAS环相较于传统COSTAS环具有更精确的收敛性，且COSTAS环环境自适应能力强，在低压载波信号传输时COSTAS环载波同步电路相位误差更小，同调时间短，时间一致性好，可以很好应用于电力行业载波通信恢复。