基于低压电力信道衰减特性的建模仿真研究.pdf

第 50 卷 第 3 期 2017 年 3 月 通信技术 Communications Technology Vol.50 No.3 Mar.2017 421 doi:10.3969/j.issn.1002-0802.2017.03.006 基于低压电力信道衰减特性的建模仿真研究 * 张秀秀，冯晋军 （长治学院 电子信息与物理系，山西 长治 046011） 摘 要：现在许多机构都在探索研发自动抄表系统，利用它来取代陈旧的人工抄表工作。把电力 线作为自动抄表系统的通信媒介是研发人员的首选。电力线作为数据传输通道，路线已经存在， 不用重新铺设通信线路，但其连接很多用电设备，随机的接入和断开，使得把电力线作为抄表数据 通道很困难。因此，要在电力线上通信，必须先分析建立低压信道模型，将低压电力线等效成 FIR 滤波器模型，并进行仿真。仿真结果表明，它能够很好地反映低压电力信道的衰减特性。 关键词：自动抄表系统；电力线；信道模型；FIR 滤波器 中图分类号：TN911 文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2017)-03-0421-04 Modeling and Simulation based Attenuation Characteristics of Low-Voltage Power Channel ZHANG Xiu-xiu, FENG Jin-jun (Department of Electronic powerline; channel model; FIR filter 0 引 言 分析设计一个实际的通信系统，或者检测某通 信系统的预想状态，再或者要对某系统实现最优的 控制，必须先用模型模拟实际信道，研究通信系统 的前后关系，即必须对信道建模 1。对于电力线， 要把它作为通信环境，就必须把它作为通信系统建 模研究。建模目的就是把电力线作为通信信道的特 点体现出来，在模型仿真分析中和实际情况尽可能 吻合。实现理想数据通信距离，不仅需要理论上分 析信道衰减对通信信号的影响，还需要理论建立低 压信道衰减的数学模型。本文就是对信道衰减进行 了 MATLAB 模块化的建模。 1 概 述 在通信系统中，对信道的衰减特性进行数学建 模，即电力线系统作为通信环境把它看成一个黑匣 * 收稿日期：2016-11-21；修回日期：2017-02-20 Received date:2016-11-21;Revised date:2017-02-20 万方数据 422 通信技术 2017 年 子来研究 2，通过输入和输出之间的结果，分析信 道对信号的影响程度及如何想办法来解决。这种建 模过程的优点是能够成功反映信道对系统的影响结 果及其产生的原因。 典型的通信系统信道模型如图 1 所示，信道的 时域特性用冲激响应h(t)表示， 频域特性为H( f )3， n(t) 为电力线上的噪声。 图 1 通信系统信道模型 本文用 FIR 滤波器作为信道模型来反映信道的 频域传输特性。信号通过滤波器前后的对比，反映 电力信道对信号的影响。在 matlab 中对幅频响应做 IFFT 运算，就能得到系统的时域特性h(t)。 2 电力信道衰减模型的构建过程 根据电力信道的衰减特性，本文用 FIR 滤波 器模型进行建模模拟，即把电力信道看成一个 FIR 滤波器。在信号与系统里，连续时间系统即信道用 h(t) 表示，离散时间系统即信道用h(k) 表示。数字 系统中，对输入的响应为： 1 0 ( )( ) () N k y nh k x nk = = （1） 其中，N表示 FIR 滤波器的长度。FIR 滤波器 作为系统也可以用式（1）表示，FIR 滤波器的幅频 响应用H(k) 表示。图 2 为横向 FIR 滤波器的结构。 其中，Z -1表示单位时间的延迟。 图 2 FIR 滤波器结构 利用测量的数据，在 matlab 环境中可以得到 信道的幅频响应H(k)。H(k) 在 matlab 中用逆运算 IFFT，得到系统的冲激响应，从而建立电力信道的 衰减模型。通过所建立的信道衰减模型FIR 滤 波器模型发现，它能够很好地模拟低压电力信道。 具体地，在 matlab 中选用 SIMULINK 模块进行 仿真。FIR 滤波器选用 90 210 阶，根据实际的电 力网络 4， 在matlab中构建一个128阶的FIR滤波器， 如图 3 所示。这个横向滤波器通过仿真能很好地反 映出低压信道的衰减特性。需要说明的是，在横向 滤波器后加入高斯白噪声，可将其作为电力信道的 背景噪声。 图 3 低压电力线信道仿真模型 128 阶 FIR 滤 波 器 中 的 子 模 块， 如 图 4 所 示。在 matlab 中，“Unit Delay”的参数项“Initial conditions”设置为 1。 图 5 为 FIR 滤波器的幅频特性图，反映了低压信 道的衰减特性，即信号经过它后，幅度有明显的衰减。 图 5 信道的幅频响应 图 6 和图 7 是载波包络信号经过加有背景噪 声的信道模型后的波形图。 图 6 当背景噪声平均功率为 0.000 1 W 时， 信号经信道模型后的波形 图 7 当背景噪声平均功率为 0.002 W 时， 信号经信道模型后的波形 万方数据 423 第 50 卷第 3 期张秀秀，冯晋军：基于低压电力信道衰减特性的建模仿真研究 图 4 低压电力线信道横向滤波器的一部分 万方数据 424 通信技术 2017 年 从图 6 可知，当背景噪声平均功率为 0.000 1 W 时，信号经信道模型后的幅度虽然衰减到 0.3 V 左 右，但包络信号还能识别；当背景噪声平均功率增 加到 0.002 W 时，从图 7 可以清楚地看出，包络信 号基本淹没在背景噪声中。可见，所建模型基本反 映了低压电力线作为通信环境时信号受电力线干扰 大这一显著特点。 3 结 语 通过仿真电力信道的衰减特性模型，发现所建 立的 FIR 横向滤波器能够很好地模拟现实的电力网 络信道对载波信号的衰减影响。载波信号受电力信 道的干扰很大，为了能够正确恢复原始信号，需采 用合理的调制解调技术、编码技术等，降低外界干 扰对信号传输的影响。 参考文献： 1 姜启源.数学模型M.北京:高等教育出版社,1993:66-69. JIANG Qi-yuan.Mathematical ModelingM.Bei Jing:Higher Education Press,1993:66-69. 2 姜霞 ,J.NGUIMBIS, 程时杰 . 低压配电网载波通信噪 声特性研究 J. 中国电机工程学报 ,2000,20(11):30- 35. JIANG Xia,J.NGUIMBIS,CHENG Shi-jie.Study on Noise Characteristics of Carrier Communication in Low Voltage Distribution NetworkJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2000,20(11):30-35. 3 胡广书.数字信号处理M.北京:清华大学出版社 ,2002: 35- 37. HU Guang-shu.Digital Signal ProcessingM.Bei Jing:Tsinghua University Press,2002:35-37. 4 Zimmermann M,Dostert K.A Multi-Path Signal Propagation Model for the Power Line Channel in the High Frequency RangeC.Proceedings of 3rd International Sym