電力載波通信信道特性研究

張高境

摘要：電力線信道是電力載波通信中安全、可靠傳輸信息載體，因此關(guān)于阻抗特性、衰減特性、噪聲特性方面的分析是電力載波通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的前提。最后提出了PLC與Wi-Fi等多種網(wǎng)絡(luò)融合是未來發(fā)展的趨勢。

關(guān)鍵詞：電力載波通信；信道特性；網(wǎng)絡(luò)融合

1 引言

電力線通信（Power Line Communication）技術(shù)是通過載波的方式信號傳輸?shù)囊环N通信方式。由于該技術(shù)不需重新布線，電源插座式調(diào)制解調(diào)器靈活方便，其本身的供電可靠性要求高，眾多優(yōu)勢致使PLC技術(shù)與其他局域網(wǎng)技術(shù)如圖1所示，相媲美且具有相對強的抗自然災(zāi)害能力并得以廣泛應(yīng)用：智能遠程抄表系統(tǒng)，遠程路燈監(jiān)控系統(tǒng)，基于PLC的油井通信，艦舶照明電網(wǎng)的PLC應(yīng)用等。

從頻率帶寬角度來看，電力線通信可分為窄帶PLC（NBPLC）和寬帶PLC（BB-PLC）。當(dāng)然不同國家對窄帶和寬帶PLC的定義是不同的。就窄帶PLC的載波頻率范圍而言，美國為50450kHz，歐洲為3-149.5kHz（95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于戶內(nèi)In-House通信），中國為40-500kHz。從通信速率來看，分為低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HsPLC）。從電壓等級角度看，可分為高壓電力線載波（3SKV）、中壓電力線載波（10kV）和低壓電力線載波（380，220V）。由于電力線不是專門的通信線路，在整個電力載波通信系統(tǒng)中存在著大量干擾，嚴(yán)重的影響了通信系統(tǒng)的性能。

2 電力線載波通信信道干擾特性分析

電力線載波通信系統(tǒng)主要由電力線載波機、電力線和耦合設(shè)備構(gòu)成。載波機是PLC系統(tǒng)的主要部分，主要實現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，完成頻率搬移，實現(xiàn)信息傳輸。耦合裝置不僅阻止電力線上的工頻信號和工頻電流進入載波設(shè)備，而且阻止高頻載波信號進入變壓器及電路線分支路線等電力設(shè)備，是PLC系統(tǒng)不可缺少的一部分。電力線是信號傳輸?shù)妮d體，我們只有將其進行信道特性分析，才能更好的抑制干擾。電力線、負(fù)載、載波機、耦合裝置、變壓器等都影響著整個系統(tǒng)的性能，阻抗特性、衰減特性、噪聲特性進行分析顯得十分有必要。

2.1 阻抗特性

電力線上的阻抗不僅和傳輸信號的頻率有關(guān)，而且和負(fù)載有關(guān)。電力線上負(fù)載的數(shù)量、類型不同，不同頻率的阻抗變化也不同，變壓器及導(dǎo)線特性阻抗的變化導(dǎo)致阻抗的變化多端，阻抗匹配問題顯得十分復(fù)雜。電纜線型號、配電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等因素，阻抗的變化不一定隨著頻率的增大而減小單調(diào)變化，甚至與之相反。負(fù)載與電力線本身構(gòu)成諧振回路，形成阻抗低估區(qū)；動態(tài)的負(fù)載阻抗變化與線路的特征阻抗不匹配，引起反射，駐波，輻射干擾等，導(dǎo)致能量傳不過去，損壞設(shè)備。

2.2 信道衰減特性

PLC信道有很強的時變性，信號隨著傳輸距離和頻率的變化而變化，并且頻率越高傳輸線的效應(yīng)就越明顯，發(fā)生諧波導(dǎo)致某一頻率下衰減會急速增加。PLC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及負(fù)載的不同很難找到適應(yīng)所有線路的數(shù)學(xué)模型。電力線上的信號傳輸不僅發(fā)生在發(fā)射端與接收端可見的信道中，反射形成的路徑也考慮在內(nèi)，這樣的話，電力線信道可以考慮成具有頻率選擇性衰落的多徑傳輸信道。多徑傳輸模型如圖2所示。

每一個路徑都有一個加權(quán)系數(shù)g_i，表示沿著這個路徑的反射和傳輸因子，電力線上這個因子小于或者等于1，即

|g_i|≤1 （1）

一條路徑上的轉(zhuǎn)移和反射越多，加權(quán)因子g_i就越小。路徑越長，衰減就越大，通過這條路徑到達接受端的信號能量就越少。

2.3 信道噪聲特性

電力線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備種類繁多，性質(zhì)各異，將噪聲按照起因，持續(xù)時間，頻譜和強度分成五類，信道噪聲是這五類的疊加，是PLC中最大的干擾源。

（1）有色背景噪聲。主要是由低強度噪聲源的疊加而成。功率譜密度（PSD）較低，并且隨著頻率的增加而減小。

（2）窄帶噪聲。主要是短波或者中波廣播進入介質(zhì)造成的，大部分是幅度調(diào)制的正弦波。其窄帶相對窄，功率譜密度卻很高。窄帶干擾多產(chǎn)生于電臺及電力線上的駐波等。

（3）同電網(wǎng)頻率不同步的周期脈沖噪聲。主要由開關(guān)電源產(chǎn)生，頻率是50-200MHz的脈沖。頻率空間表現(xiàn)為離散的頻譜，并且頻帶較窄。

（4）與電網(wǎng)頻率同步的周期脈沖噪聲。主要是電力設(shè)備50Hz頻率產(chǎn)生的脈沖，重復(fù)率為50H或100Hz的脈沖。

（5）非同步脈沖噪聲。主要是電網(wǎng)切換暫態(tài)信號造成的，持續(xù)時間短，隨機性強，能量集中，是電力載波通信系統(tǒng)最棘手的問題，如電器開關(guān)的斷開，雷擊等。

經(jīng)過測量表明有色背景噪聲、窄帶噪聲、同電網(wǎng)頻率不同步的周期脈沖噪聲通常平均功率較小，有可能在相對較長的時間內(nèi)保持穩(wěn)定，很有可能全部覆蓋信號頻譜。我們可以歸為一類，稱為PLC的背景噪聲。其中同電網(wǎng)頻率不同步的周期脈沖噪聲占用的頻帶與窄帶噪聲的非常接近，在頻譜密度模型中可以看做PSD非常低的窄帶噪聲。

對于一般性背景噪聲模型的PSD可以寫成：

N_GBN（f）=N_CBN（f）+N_N（f） （2）

其中N_CBN（f）是有色背景噪聲的PSD，N_NN（f）是窄帶噪聲的PSD，N^（k）_NN（f）是窄帶噪聲干擾k引起的干擾分量k的PSD。

脈沖噪聲主要由與電網(wǎng)頻率同步的周期脈沖噪聲和非同步脈沖噪聲構(gòu)成。但是，非同步的脈沖噪聲起著主導(dǎo)作用。這類噪聲嚴(yán)重的損害了整個PLC中信號的質(zhì)量，PLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其時變性和隨機性特別強，大量的設(shè)備和電器隨時隨地都可能打開或關(guān)閉，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的變化造成介質(zhì)阻抗很大的波動，這些阻抗的不匹配和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)致使多徑效應(yīng)更為嚴(yán)重，除此之外，如果這類噪聲的持續(xù)時間過長，超過使用糾錯碼能容忍的檢測和改正時間限度時，會產(chǎn)生嚴(yán)重的突發(fā)錯誤，我們必須研究和測量，找出噪聲的統(tǒng)計特性，進一步分析脈沖序列模型，進而抑制脈沖噪聲。特別是基于n穩(wěn)定分布的非高斯噪聲模型建立。

3 PLC的多網(wǎng)絡(luò)融合

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)很發(fā)達，當(dāng)然也存在很多網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，如wiFi、有線以太網(wǎng)、PLC、電視電纜等。很明顯各種媒介技術(shù)所提供的網(wǎng)絡(luò)容量是有限的，為了最大的發(fā)揮每種技術(shù)的優(yōu)點，就勢必要進行多網(wǎng)絡(luò)的融合。PLC安裝簡單，成本低，終端開放，及安全性等優(yōu)勢越來越突出，與Wi-Fi使用的頻段也不同，它們也能很好的發(fā)揮自己的作用。目前來看，多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的共存，尤其是以PLC為骨干網(wǎng)，Wi-Fi為基礎(chǔ)分布式網(wǎng)絡(luò)的混合網(wǎng)絡(luò)是勢必發(fā)展的趨勢。