電力線信道噪聲特性分析

檀亞鳳 劉超逸 張文彧 桑川川

摘要：電力線通信實質(zhì)上是一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，其以電力線作為媒介，兼具連接方便、分布廣等方面的優(yōu)勢，因而也是目前所研究的重要內(nèi)容。然而電力線并非是理想的通信介質(zhì)，有關(guān)電力線通信的應(yīng)用也是隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展才得以實現(xiàn)。由于電力線通信信道環(huán)境的惡劣，也使得信號模型的建立顯得尤為重要，其中電力線信道噪聲干擾便是影響電力線通信的重要因素。本文則給予電力線信道通信的特性進行分析，重點就噪聲特性建立起模型，由此也論述了有關(guān)電力線通信在我國的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電力線信道通信、噪聲特性、通信模型、噪聲模擬、時域分析

一、電力線噪聲對于電力線的影響簡要分析

電力線通信作為現(xiàn)代化技術(shù)發(fā)展下大范圍應(yīng)用的一種數(shù)據(jù)傳輸通信方式，對于未來的通信發(fā)展也有著一定的積極作用，但電力線通信方式也存在著缺陷，其中以噪聲影響最為顯著。電力線噪聲很大程度上會導致電力線通信整體可靠性的下降，為了進一步提高電力線通信的可用性，必須針對電力線信道噪聲特性進行深入的分析研究，探究克服電力線信道中各種噪聲干擾的方法，由此來實現(xiàn)通信穩(wěn)定高速的運行。電力線最初并非是作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，而是被用于實現(xiàn)遠程測量，后續(xù)隨著有關(guān)電力線研究的不斷深入，逐漸開發(fā)出電力線其他方面的功用。就目前而言，人們關(guān)于電力線的研究主要集中在以下兩方面，分別是電力線的信號寬帶及其自身特性。電力線在實際運作的過程中，需要確保高頻率信號傳輸?shù)耐瑫r，能夠克服信號的比特錯誤率。一般的，諸如噪聲、頻域和時域、電力線的長度等都會對電力線系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生影響，本文的研究中則是重點分析噪聲特性所帶來的影響。

二、電力線通信信道的特性分析

有關(guān)電力線通信信道特性的分析主要在于兩方面，即信道輸入阻抗分析以及信道衰減特性分析。其中輸入阻抗是電力線傳輸特性的重要參數(shù)，其主要是影響信號耦合效率發(fā)揮作用。一般的，在理想的狀態(tài)下，可以將電力線大致看作是均勻分布的傳輸線，此時其所具有的阻抗及效率呈現(xiàn)線性關(guān)系。但實際運行過程中，由于負載過多導致變化較大，最終輸入阻抗與效率并不會呈現(xiàn)線性比例。此外，電力線阻值往往是在20-190Ω之間，因而匹配輸入阻抗的過程也比較困難。對此，需要結(jié)合應(yīng)用的實際情況進行分析，及時的調(diào)整電力線與載波機之間的阻抗，由此來較好的消除通信系統(tǒng)設(shè)計的困難。而在信道衰減特性方面，電力線信道的信號衰減情況與頻率有關(guān)，一般是隨著頻率的增加而有所增大，且傳輸頻率越高，其衰減程度也越大。由于電力線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及負載有所不同，因而其信道衰減特性之間也并未有較為突出的數(shù)學關(guān)系。具體而言，電力線的衰減特性與長度以及傳輸頻率有關(guān)，具體的探究過程就不予以詳細的介紹了。經(jīng)過多方面的總結(jié)分析后可知，電力線的主要任務(wù)是在短距離內(nèi)對電能實行分配，在信道環(huán)境方面，電力線通信信道相對較為惡劣，其主要的特點主要體現(xiàn)在以下幾點：第一，電力網(wǎng)絡(luò)上的阻抗將隨負載的變化而產(chǎn)生較大幅度的變化，該方面的特性即為時變性。第二，衰減特性，這一特性也使得電力線上各節(jié)點所表現(xiàn)出的性能大不相同。第三，會遇到干擾信號，一般的，用戶各類電器設(shè)備都會對電力線上的傳輸信號帶來巨大的干擾。其中兩點已經(jīng)具體闡述，基于噪聲電平、阻抗變化以及信號電平衰減等影響電力線可靠性的影響因素，深入的探討噪聲特性。

三、電力線信道噪聲特性及其分布探討分析

電力線信道噪聲往往不是單一來源，而是由多種噪聲組合而成，因而其體現(xiàn)出變化快、周期短的基本特性。一般的，電力線信道噪聲可以分為一些幾類，分別是有色背景噪聲、窄帶噪聲、突發(fā)性脈沖噪聲等。

3.1有色背景噪聲

有色背景噪聲的產(chǎn)生如下，即是由低功率源共同作用所引起。這類噪聲往往頻率較寬，同時功率譜密度較低，當信號頻率增加時，所對應(yīng)的密度會隨之降低。

3.2窄帶噪聲

窄帶噪聲則是由正弦調(diào)幅信號所組成，其產(chǎn)生則是經(jīng)由廣播信號連同電力線信道串接?？傮w來看，窄帶噪聲頻帶很窄，也會受時間影響而發(fā)生變化。其所對應(yīng)的頻譜一般也比較大，多數(shù)情況下更是超過了1kHz。窄帶噪聲的測量較為方便，即電力線受該噪聲干擾時，可以迅速的檢測得出結(jié)果。窄帶噪聲產(chǎn)生后持續(xù)時間往往較長，于幾小時或是幾天不等。

3.3脈沖噪聲

脈沖噪聲主要是由家用電器產(chǎn)生，本質(zhì)上也屬于隨機脈沖噪聲，諸如電冰箱等電器在開或關(guān)時都會產(chǎn)生脈沖噪聲。在不同的環(huán)境中，脈沖噪聲的分布也有所不同，其中工業(yè)環(huán)境中于白天和晚上都有噪聲分布，城市中則是分布在白天或是上午的7-9點之間。經(jīng)過具體的噪聲數(shù)據(jù)分析可知，脈沖噪聲譜通常是在100kHz以內(nèi)，即該噪聲的頻率及數(shù)據(jù)速率都相對較低，因而最終對通信傳輸系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響也比較小。

四、室內(nèi)室外典型噪聲特性分析

就目前而言，電力線通信已成為研究的重點所在，然而噪聲始終都是影響電力線通信的重要因素，且不具備規(guī)律性。為了確保電力線傳輸高速數(shù)據(jù)，需要充分掌握電力線信道的噪聲特性，在此基礎(chǔ)上，在時域上的特性進行分析，由此為電力線通信的研究提高一定的噪聲數(shù)據(jù)。

該場測數(shù)據(jù)是于沈陽小區(qū)內(nèi)所采集的噪聲數(shù)據(jù)，分析后可知，該數(shù)據(jù)為周期性的脈沖噪聲，因而最終結(jié)果也有著一定的代表性。如圖1所示為噪聲的時域波形圖，從時域波形觀察，該噪聲周期性為10ms，幅度則是在-0.6-0.6V范圍內(nèi)。

該噪聲所占用的頻帶帶寬在0-2MHz范圍內(nèi)，同時其信號強度較大的區(qū)域范圍則是在0-100KHHz。測試數(shù)據(jù)中，還有幾個部分受到了窄帶噪聲的沖擊，具體頻率分布為33KHz、34.5KHz、668.5KHz、953.8KHz以及1.0665MHz。通過對比場測噪聲和模擬噪聲可知，采用窄帶噪聲和脈沖噪聲相疊加的方式對場測噪聲進行模擬生產(chǎn)，此過程中對于脈沖噪聲而言，周期為10ms，同時每個周期內(nèi)均包括10個幅度不同的脈沖噪聲。此外，模擬噪聲與場測噪聲的相似度也比較大，因而也可知模擬噪聲基本和場測噪聲的波形相一致。

五、結(jié)束語

電力線通信技術(shù)作為目前國內(nèi)外研究的重點所在，本文的研究中具體的分析了電力線信道噪聲特性，同時也采集了室內(nèi)室外典型的噪聲數(shù)據(jù)，分析了時域，最終也是為后續(xù)的相關(guān)研究提供一定的噪聲數(shù)據(jù)研究基礎(chǔ)。

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