低壓電力線載波信道特性分析
2019-11-03 09:52:49
供稿：網(wǎng)友
低壓電力線載波信道特性分析 摘要：分別從時(shí)變性、衰減特性、干擾噪聲、相移特性等四個(gè)方面論述了低壓電力線的傳輸特性，并給出了相應(yīng)的參考數(shù)據(jù)。 關(guān)鍵詞：低壓電力線；傳輸特性；通信 目前，大部分建筑物內(nèi)的防火、防盜、空調(diào)等系統(tǒng)都是基于雙絞線、同軸電纜或光纜等物理媒介進(jìn)行通信的。這些通信線路，雖然通信容量較大，但造價(jià)高、維護(hù)難，尤其對老建筑物的改造更加不易。相反我們知道，只要有建筑物就會(huì)有電力線，利用電力線載波通信可以人大地減少投資和對線路的維護(hù)成本。 然而，要在干擾嚴(yán)重的低壓電力線上實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)通信并非易事。如何選擇調(diào)制解調(diào)人式及采用何種通信協(xié)議，應(yīng)建立在對低壓電力線信道特性了解的基礎(chǔ)之上。這方面的研究及相關(guān)論文，目前國內(nèi)還較少。本文參考了國外最新研究資料，結(jié)合我們工作中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來作介紹。 總的來說，低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點(diǎn)是：具有時(shí)變性，衰減較大（尤其是電力負(fù)載為害性時(shí)，對載波通信信號近似短路），各種干擾噪聲復(fù)雜。1 時(shí)變性 對于一般的居民用戶，我國采用的是220 V交流兩線供電。由于電網(wǎng)上負(fù)載的不斷接人、切出，馬達(dá)的停止、啟動(dòng)，電器有開有關(guān)等各種隨機(jī)事件，使表現(xiàn)出來的信道特性具有很強(qiáng)的時(shí)變性。低壓電力線在1S內(nèi)可對某一頻率信號的衰減變化達(dá)到20dB，因此不能利用簡單的電壓檢測方法來確定線路信號。同時(shí)，在1S內(nèi)信噪比的變化也可達(dá)到10dB左右。2 衰減特性 低壓電力線一般由鋦或其它電的良導(dǎo)體加工而成，其本身的阻抗很小（視導(dǎo)線的電導(dǎo)率和截面積不同而不同）。對不同頻率的信號，其阻抗略有變化且相對穩(wěn)定。因此，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因。 顯然，電力線上井朕著的許多負(fù)載對信號衰落影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率團(tuán)數(shù)的大電容，對幾百kHz的載波通信信號來說，相當(dāng)于短路。另外，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視，它會(huì)分去相當(dāng)一部分的功率。 可見，信號衰減由兩部分組成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，我們可以將耦合器的內(nèi)阻做得相當(dāng)小，這樣衰減就主要決定干線路的衰減。實(shí)驗(yàn)表明，信號的衰減是距離的函數(shù)，一般為40～100 dB/Km。在農(nóng)村的衰減最大，500m就達(dá)到50dB；在城市，250m大約20dB；在郊區(qū)，250m亦能達(dá)到25dB；但在工業(yè)區(qū)衰減較小，750m長的線路僅為30dB。3 干擾噪聲 對于低壓電力網(wǎng)的干擾特性，人們分別對不同的地域（城市、工業(yè)區(qū)、鄉(xiāng)村）作了大量試驗(yàn)，結(jié)論是可以用帶加性干擾噪聲的時(shí)變線性濾波電路作為低壓電力線的基本參考模型。 在參考文獻(xiàn)中，作者認(rèn)為室內(nèi)電力線的噪聲可分為背景噪聲和脈沖干擾，并且在10kHz～100MHz的頻率內(nèi)，噪聲功率譜密度以29dB／decade幅度衰減。各種干擾噪聲主要來源于4個(gè)方面：（1）可控硅（SCR）器件和一些電源電路產(chǎn)生的60 Hz的倍頻諧波（注：美國電力線頻率為60Hz）；（2）由負(fù)載和電網(wǎng)不同步而產(chǎn)生的具有平滑功率譜的干擾，如普通電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾；（3）開關(guān)電子設(shè)備產(chǎn)生的單脈沖噪聲;（4）非同步周期的噪聲，如電視機(jī)的15.73土地的行掃描頻率。 背景噪聲是典型離散高斯型的，它對通信系統(tǒng)的影響很好理解。其余就是脈沖噪聲，它對通信系統(tǒng)有著重要的影響，可以產(chǎn)生突發(fā)性干擾引起瞬間的高誤碼率。研究表明：（1）脈沖噪聲的強(qiáng)度一一一般比背景噪聲高10dB，有時(shí)可達(dá)40dB，這種干擾與干擾源至接收器的距離有關(guān)。（2）主要的脈沖干擾頻率為120Hz，且和60比電源電壓的正或負(fù)半周期同步。（3）脈沖寬度約有百分之幾的變化120Hz脈沖噪聲）。（4）脈沖的寬度和間隔時(shí)間與脈沖幅度有關(guān)，一般幅度增加時(shí)脈寬減少。（5）干擾噪聲和信號一樣都會(huì)衰減的，尤其在衰減較大時(shí)，靠近接收機(jī)的噪聲源影響最大。（6）有的噪聲源增加了背景噪聲的功率，有的增加了脈沖噪聲的功率，有的都增加了。 對于室外電力線的傳輸特性，人們也作了研究，并且仍以帶干擾的時(shí)變線性濾波模型來描述電力線的特性。在參考文獻(xiàn)將干擾分為4種類型：A型是具有平滑功率譜的背景噪聲，這種類型噪聲的功率譜密度是頻率的減函數(shù)。 其中K和時(shí)間及發(fā)送接收的位置有關(guān)，在白天，K一般數(shù)秒到數(shù)分鐘保持不變，夜晚甚至可達(dá)數(shù)小時(shí)不變。B型為單脈沖噪聲，由開關(guān)操作引起，一般持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于12.5ms；98%以上的這種干擾脈沖和人們的活動(dòng)關(guān)系很大，白天脈沖干擾相對多得多，尤其在7：00～9:00 h和19:00～0:00 h時(shí)。C型為與電網(wǎng)頻率同步的噪聲，主要由可控硅（SCR）器件產(chǎn)生；在60～95 kHz的頻率段內(nèi)，其功率譜密度大約為一70dBW/KHz。D型為和電網(wǎng)頻率無關(guān)的窄帶干擾，主要由其它電器輻射引起，測量表明，其功率密度一般為一60～90dBw/khz。4 相移特性 文獻(xiàn)中就電力線傳輸信號對相位的影響也作了測量，結(jié)果表明，通過250m的電力線，正弦波的相移小于土10。 以上參考國外的最新資料介紹了低壓電力線的傳輸特性。由于我國電器上網(wǎng)的電磁兼容性沒有歐美控制得嚴(yán)格，因此我國電力網(wǎng)的干擾要比歐美嚴(yán)重得多，電力線的通信環(huán)境也更加惡劣。這對我國從事低壓電力線通信技術(shù)研究的工作者來說，提出了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
