基于甚低频技术的一种免打扰户表对应校核装置的研制

基于甚低频技术的一种免打扰户表对应校核装置的研制

郭增为

国网安徽省电力有限公司阜阳供电公司 安徽省阜阳市 236017

1. 总体设计

装置的设计目的是使用在居民楼里，通过给供电线路加载超低频信号于供电线缆中，使用无线接收机在线缆沿途和线缆入户处，接收到发射机发送的经过编码的信号，由接收机解调出有效信号。完成确定发射机与接收机一一对应的线缆关系，从而达到快速准确判定串户与共零现象是否存在，和发生串户的具体位置。

装置由甚低频无线电发射机与接收机组成。

装置实现方案图：

1.软件总体设计方案

发射机软件部分的主要任务是根据设置的载波频率、信道，确定发送的数据，并对数据进行编码，同时控制信号的传输频率、工作时间、间歇时间。

按照软件开发步骤，首先根据发射机的功能特点，将其分为以下几个模块：

1）发射机初始化模块。负责设置ARM各外设功能模块的初始值，装置在上电后的默认状态等。

2）数据接收解析模块。CPU根据接收到的设置参数进行解析，按照装置工作方式进行解析，确定载波中心频率，调制信号，工作、间歇时间等参数。

3）编码模块。负责将读取的数据进行适当的编码。

4）定时模块。根据设定的参数，确定装置工作与间歇时间。

微控制器的设计是整个项目的重点之一，它不单是数据传输控制模块，也是接收机数据测量分析模块。微控制器通过预先编制好的协议，从输入设备接收到设定值，然后把数据编好码，送到乘法器的一个输入端，与载波信号相乘，再控制功放的输出。这就是基本的程序运行流程。

2.装置的发射机硬件系统设计：

发射机硬件电路总的说来分为数字电路模块，和模拟电路模块。

数字电路模块按照经典的Nano102小型系统来设计，设计简洁，性能稳定，误码率低，符合整机设计要求。

模拟电路模块又分为，将编码信号于载波信号相乘调制电路；D类功率放大器；电源；保护电路和天线。

编码信号由ARM直接输出，载波信号由石英晶体振荡器经分频器产生，分频控制由用户通过人机接口设置，CPU解析，GPIO控制。

调制完的信号送入功率放大器，放大器工作在D类状体。在所有功放形式中，D类效率最高，非常适合电池供电系统。

输出保护在本装置中也是非常重要的一环，现场试用环境复杂，在不正常的接线方式条件下，如果不加以保护，将直接导致装置的损坏。装置设置了输出检测电路，一旦检测到异常，立即启动输出保护，并且在设定的周期内，检测到异常消失，装置又能自动启动正常信号的输出。

电源。发射装置电源采用14Ah锂离子电池，充电器外界，采用标准的miniUSB接口，可以跟普通手机充电器呼唤。标准品，维修更换简单。逆变器为自行设计，并带有充放电保护。

天线。装置天线采用电力线缆，长度范围1米~5000米。

3.装置的接收机硬件系统设计：

装置的接收机完成的主要组成部分

1）天线。无法按照常规超长波接收天线的尺寸去设制作，但因为接收机距离天线（本系统中，发射天线为电缆）非常接近，所以用特高频天线来接收到超低频电磁信号。

2)前置放大器。我们所使用的载波频率在超低频频段，前置放大器带宽选择在直流~20KHz之间，也就是选用音频放大器就能满足设计要求。

3)带通滤波器采用集成8阶巴特沃兹10倍频程的芯片，带宽±3Hz，将输入音频信号中的设定超低频载波信号滤波出来。

4)超低频放大器。将带通滤波器输出信号进行放大，放大到CPU的AD能采样的信号。

5)微控制器。CPU采用发射机相同的nuvoton公司的专门针对电池供电系统的M0型ARM—Nano102.接收机中的CPU接收频道、信道，通过GPIO控制带通滤波器中心频率，对超低频放大器的输出进行采样，然后计算信号强度，并且实现解码，显示器显示。

6)显示器。显示信号强度。

7)电源。采用14Ah锂离子电池，充电器外界，采用标准的miniUSB接口，可以跟普通手机充电器呼唤。标准品，维修更换简单。逆变器为自行设计，并带有充放电保护。

从天线中感应到的电磁场信号，送入前置放大器。前置放大器只是需要工作在音频范围，对放大器本身的要求不高，但对输入阻抗要求尽可能高，我们选择了JFET输入型运放，NE5532。

带通滤波器：

带通滤波器是本系统中一个重要部分，其性能直接影响到装置通信误码率与准确度。其功能是，将中心频率以外分量全部滤除，只保留载波频率所含有的频率分量。

带通滤波器要求的增益频率特性(以中心频率为1KHz为例)：

在带宽范围内，H（s）增益接近1，在带宽范围外，应迅速衰减为零。

我们在接收机中选择的带宽滤波器为集成的8阶10倍频程巴特沃兹滤波器LTC1164-8.效果比较理想。

微控制器所选用的芯片与发射机一致，在此不再赘述。

不同之处在于接收机还需要用AD，对输入信号进行采样，根据采样结果，计算电磁场强度，同时对输入信号进行解码。并驱动显示器显示测量与分析结果。

电源。与发射机相同，不再赘述。

2. 主要技术问题及解决方法

该方案主要技术问题是数字功率放大器的失真问题。D类功放自然有其他类型放大器所不具备的优点，但是，D类放大器也有其自身的缺点，由于开关变换器本身具有的非线性，开关放大器失真通常大于传统的线性放大器。开关放大器的失真通常有一下两种形式。

1. 纹波

由于低通滤波器不能完全衰减高频载波，在放大器输出端残留有纹波。主要包括开关频率信号及其谐波、信号谐波，以及开关频率和信号、开关频率谐波和信号谐波相互作用形成的边带信号。

2. 交越失真

为了防止开关放大器同一桥臂的两只开关管出现直通现象，通常需要设置死区时间。以及由于开关管导通压降以及二极管正向压降不为零，都会导致开关放大器产生类似乙类放大器中的交越失真现象。这在本系统中低电压工作、开关管导通压降又较高时，显得特别突出。

在面对这种情况时，我们需要做以下几项工作

1. 改善输出滤波器。

输出滤波器在开关放大器中有很重要的作用，它将PWM波形解调，滤除高频纹波，防止信号出现失真。增加输出滤波器的阶数可以更有效地滤除高频纹波。虽然这样会增加设计难度，增大放大器的体积，增加成本等。

2. 提高开关频率。

在开关放大器输出的PWM信号频谱中，包含了输入信号，输入信号谐波，载波信号，载波信号谐波及输入信号谐波相互作用得到的边带信号，这些信号有可能落入信号频带范围内，造成信号失真。

因此提高开关放大器的工作频率，可有效减少边带信号失真。同时提高开关频率可简化滤波器体积。但是提高开关频率要收到功率器件非理想特性的限制；同时随着开关频率的提高，损耗也会增大，为了降低开关损耗，软开关技术称为目前研究的热点。

3. 改进控制方法

开关放大技术采用PWM控制技术，放大器输出信号的频谱等于PWM信号通过低通滤波器后的频谱，PWM调制器的性能将直接影响到开关放大器的保真度。

此方案基本参照英国雷迪公司“地下管线探测装置”设计思路。针对居民楼电缆特殊性，做相应修改。能满足不入户免打扰户表对应关系核对功能。

参考文献：

1.《地表下甚低频耦合通信系统及关键技术研究》----刘亚军，2017年发表于《北京科技大学》

2.《甚低频发射天线辐射性能计算与测量研究》----李云红等，2017年发表于《无线电工程》