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1)载波通信单元的发射机性能测试。 将载波通信单元(CCO/STA)放置在主节点屏蔽箱内,设置信号分析仪触发方式、起始频率、分辨率带宽 [8]; 上位机连接测试底板和透明收发单元,下发测试命令; 读取信号分析仪占用带宽、带内功率谱密度以及带外功率谱密度。
2)载波通信单元接收机性能抗衰减测试。 将一对 CCO 和 STA 分别放置在主节点屏蔽箱和子节点屏蔽箱内,下发子节点表地址启动组网; 连续抄读表,统计成功率; 调节开关矩阵的 2 个衰减器的值,直至抄表成功率到达指定限值 90%,读取 2 个衰减器的衰减值,通过软件补偿中间路径插入损耗,得到CCO 和 STA 抗衰减值。
3)抗噪声性能测试。 将 CCO 和 STA 分别放置在主节点和子节点屏蔽箱内,设置噪声类型分别为脉冲噪声、窄带噪声以及加性高斯白噪声,测试载波通信单元的抗噪声性能。
4)协议测试。 将 CCO/STA 放置在主节点箱体内,上位机连接透明收发单元,模拟 STA/CCO 遍历各场景及类型数据帧,验证数据链路和应用层数据帧格式及内容是否符合技术规范要求。
5)通信组网及路由变更试验。 将主节点 CCO放置在主节点屏蔽箱体内,透明收发单元设置为侦听模式,将子节点单元放置在 1-15 号箱体内,调节各级衰减值,读取中继路由表,验证中继层级是否满足15 级; 启动组网命令,读取组网标志位,获得组网完成时间和中继路由表; 启动抄表,统计抄表时间和成功率。
6)多网络协调和通信抗串扰测试。分别将CCO 放置在不同箱体内,模拟 CCO 之间强干扰、STA 之间强干扰、多网络之间的协调共存机制; 启动载波侦听单元,侦听各网络时隙和信标是否满足协议规范要求,以及冲突避让机制是否合理; 启动组网和抄表流程,统计组网成功率和时间,以及抄表成功率和时间。
2关键技术
2.1信号耦合采样
载波信号使用电力线传输,不能直接接入精密仪器进行测量 [9],需要通过信号耦合取样的方式将工频信号和电力线载波信号分离。 本文设计的耦合采样单元可将工频信号和载波信号分离,通过耦合电压滤波器的方式耦合取样 2~30 MHz 载波信号,并将电力线阻抗转换成标准 50 Ω 阻抗,解决载波信号依附于强电无法定值准确测量的问题。 电力线信号转射频信号电路如图 2 所示。
2.2载波信号隔离与辐射屏蔽
载波信号使用 2~30 MHz 频带进行传输,调制方式为 OFDM[4],在距离较近的情况下载波辐射功率较大,在无屏蔽条件和隔离条件下互相串扰,无法准确测量。 在载波节点自由组网条件下,网络拓扑时变且不可控,为准确评价载波通信路由及收发性能,需要纯净的电力线隔离和无线屏蔽环境,各节点之间完全隔离,互不干扰。 本文设计的隔离屏蔽装置使用了低频屏蔽箱和电力线滤波器,箱体内既引入了 220 V 强电解决宽带载波过零检测的问题,又可隔离外界电力线上的载波信号传导串扰和空中辐射 [10] 信号。 屏蔽箱电力线隔离和辐射屏蔽结构如图 3 所示。
2.3开关矩阵
在性能测试中,需要接入信号分析仪来分析载波通信信号的占用带宽和功率谱密度,在抗衰减性能测试中 [11] 需要主节点 CCO 和子节点 STA 之间增加衰减,在抗频偏测试中透明收发单元的参考时钟偏移需使用信号源提供的高精度时钟。 同时,通信组网测试需要主节点 CCO 接入信号矩阵和 15 级子节点 STA 通信。 需要将各部分组合连接成一个通信链路,通过射频控制开关实现信号源在噪声测试和频偏测试中的切换 [12]。 由于接入的设备众多,不可避免地需要引入分支器,分支器的损耗可以通过矢量网络分析仪准确测出,通过耦合插损和分支器损耗补偿可精确测试宽带载波信号。 开关矩阵原理如图 4 所示。
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