（通信与信息系统专业论文）plc电力线载波通信研究.pdf

摘要 摘要 电力线载波通信( p l c ) 是利用电力线作为介质传输信号一种通信手段。论文 先论述了电力线载波通信现状及写作意义，然后介绍了电力线通信、o f d m 和 c d m a 的基本原理和其中关键技术。接下来论述o f d m 、c d m a 在电力线载波通 信应用，并把o f d m 和c d m a 技术进行比较，可知o f d m 和c d m a 各有利弊。 给出了o f d m 和c d m a 结合技术，m c c d m a 在电力线载波通信中的应用。对 调制技术进行简单介绍，基于b p s k 技术进行信号在白噪声和电力线载波通信信 道下系统信噪比和误码率仿真，结果表明单载波电力线通信不适于信号传输。基 于b p s k 技术对c d m a 、o f d m 和m c c d m a 技术在电力线载波通信信道下系统 信噪比和误码率仿真，结果表明m c c d m a 性能优于o f d m 和c d m a 技术。 关键词：电力线载波通信正交频分复用码分多址多载波一码分多址 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) t e c h n o l o g yw h i c hu s e sp o w e rl i n ea st h em e d i u mt o t r a n s m i ts i g n a l si so n eo ft h ec o m m u n i c a t i o nm e t h o d s i ti sc a r e f u l l yr e s e a r c h e di nt h i s t h e s i s f i r s t l y ，t h ec u r r e n t s t a t eo fp l cc o m m u n i c a t i o n ，t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo f o f d ma n dc d m a ，a n dt h ek e yt e c h n o l o g i e si nt h e s es y s t e m sa r ed i s c u s s e d t h e nt h e a p p l i c a t i o no fo f d ma n dc d m a i nt h ep l cc o m m u n i c a t i o ni sg i v e ni nt h et h e s i s w i t ht h ec o m p a r i s o no fo f d ma n dc d m a ，w ec a ne a s i l yf i n do u tt h a tt h e yb o t hh a v e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h ep l cs y s t e m i nt h i st h e s i s ，w eg i v ea c o m b i n a t i o n t e c h n o l o g yb e t w e e no f d m a n dc d m a ，w h i c hi sm c c d m a ，a sw e l la si t sa p p l i c a t i o n i nt h ep l cc o m m u n i c a t i o n m o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e sa r ea l s ob r i e f l yd i s c u s s e di nt h e t h e s i s b a s e do nb p s k ，w eg i v eam a t l a bs i m u l a t i o nt h a tc o m p a r et h et r a n s i t i o ns n r a n db e ri ng a u s sc h a r m e la n dp l cc o m m u n i c a t i o nc h a n n e l 。f r o mt h es i m u l a t i o n r e s u l t s ，w ef i n dt h a ts i n g l ec a r d e rp l cc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sn o tg o o dt ot r a n s m i t h i g hr a t es i g n a l i no r d e rt o f i n dag o o dw a yt ot r a n s m i tb r o a d b a n ds i g n a l ，a n o t h e r m a t l a bs i m u l a t i o ni sd o n et oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e sa m o n gc d m a ，o f d m ，a n d m c c d m at e c h n o l o g i e si nt h ep l cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r o mt h er e s u l t ，w ec a n f i n dt h a tm c c d m ai st h eb e s tm e t h o di nb r o a d b a n dp l cc o m m u n i c a t i o n k e y w o r d s ：p l c o f d mc d m am c - c d m a 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任 本人签名：弛螽日期丛立孕：主：1 9 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学学校有权保 留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文i 学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在1 年解密后适用本授权书 本人签名：越是日期：兰里! 仝：兰：! 堡 导师签名 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 电力线载波通信是利用电力线这种介质来进行载波传输的一种通信方式。电 力线作为一种不用重新布线的基础设施，过去仅仅用于远程抄表、家居自动化， 传输速率很低，不适合高速信息传输。随着网络技术和信息技术迅猛发展，国内 外开展利用低压电力线传输速率在1 m b p s 信息的高速电力线载波技术，该技术在 现有电力线上实现数据，语音和视频等多业务的承载。高速电力线载波通信技术 不断进步，可以传输数据、语音、视频和电力为一线的“四网合一”，是极富诱惑力， 也充满了经济气息的一种技术。另外，电力线通信技术组网简单、成本低、可靠 性高、易于实现受到越来越多的人的关注。特别是“十一五”规划中把电力线载波通 信列入大力研究项目，其中低压电力线载波的发展对策明确把研究电线上网的技 术原理和应用技术，探讨电线上网的政策和运营方式，努力为实现全面电线上网 打好基础作为发展重点。这些也是我们研究电力线载波通信的一种动力。目前， 高速电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用，这与自身技术不完善有很 大的关系。众所周知，目前的电力线主要用来传输电能的。在线路上电压高、电 流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性 和稳定性提出的挑战。电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何 解决这个问题成为电力线载波通信作为宽带接入问题关键。 现在，国际上高速电力线载波通信采用的主要调制技术有三类：单载波类、 扩展频谱类和o f d m ( j 下交频分复用) 调制技术。本文全面系统总结低压电力线 载波通信原理及其相关技术的现有成果基础上，论述了o f d m 和c d m a 基本原理， 及其在高速低压电力线载波通信中的应用，并比较两项技术优缺点及互补性，研 究了m c c d m a 技术在电力线扩频通信中的应用。本文通过分析论述和仿真比较， 从而把m c c d m a 技术作为电力线载波通信得到推广的关键技术。 1 2 国内外电力线载波通信技术的发展状况 1 2 1 国外发展 电力线是最普及、覆盖范围最为广阔的一种物理介质，因此，电力线载波通 信作为上一世纪2 0 年代的产物，现在利用电力线高速数据通信技术仍然是国内外 许多大公司的热点。 p l c 电力线载波通信研究 9 7 年英国的n o r w e b 通讯公司和加拿大n o r t e l ( 北电网络) 利用丌发的数字电 力线载波技术，实现了在低压配电网上进行的1 m b i t s 的速率数据传输的远程通信， 并进行了该技术市场推广。 随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产 品的传输速率也从1 m b i t s 发展到2 、1 4 、2 4 m b i t s 甚至更高。 国际各大公司纷纷推出p l c 调制解调芯片，其中主要有美国i n t e l l o n 公司的 1 4 、5 4 、8 5 和2 0 0 m b i t s 芯片，西班牙d s 2 公司4 5 和2 0 0 m b i t s 芯片等等。其中 以美国i n t e l l o n 公司的1 4m b i t s 芯片应用最为普遍，大部分电力线载波系统都是 基于该芯片开发的。 目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展， 在2 0 0 4 年启动了o p e r a ( o p e np l ce u r o p e a nr e s e a r c ha l l i a n c e ) 的计划，致力于 制定欧洲统一的p l c 技术标准，推动大规模的商业化应用，并将p l c 作为实现信 息化欧洲的重要技术手段。 美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，并发 布了第一个p l c 标准h o m e p l u 9 1 0 。 日本对p l c 的态度，经历了从初期怀疑否定、到开放试验、直至今日的积极 推动的三个阶段。 到目前为止，p l c 的试验网络已经遍及各大洲许多国家，未来p l c 商业化只是 一个时间问题。 1 2 2 国内发展 在高速p l c 研究和推广方面，我国进步较晚。从英国公司研究出高速p l c 技术 以后，我国研究机构也开始对高速p l c 研究，并取得一定的成果。国家领导高度重 视p l c 技术的研发和推广，多次设立p l c 科技项目。中国电力科学研究院采用国外 芯片先后研究出可以传输速率为2 、1 4 、4 5 、2 0 0 m b i t s 的低压p l c 产品以及1 4 、 4 5 m b i t s 的中压p l c 产品。 由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国 外已有的产品需要根据我国配电线路的实际情况进行改进才能使用。我国针对配 电网特点，研究并解决了技术上的难题，确定了多种试验方案。 并于2 0 0 1 年底开通我们第一个电力线为传输介质的p l c 宽带接入i n t e r n e t 试验 小区。2 0 0 2 年3 月引进欧洲p l c 产品进行语音传输试验，在我国第一次实现了利用 电力线同时上网和打电话。2 0 0 2 年5 月，采用国内电力系统研制的产品，开通了第 一个国内自主研发的p l c 宽带接入系统。 小规模产品试验成功之后，又在不同场合进行了大规模电力线宽带接入试验。 第一章绪论 主要研究在不同配电网结构中，p l c 产品的耦合方式和组网模式，如何建立施工 规范，并对不同国家的产品进行测试。在改进、完善扩大规模后，验证同一网络 不同制式设备的兼容性和稳定性。为组建了世界上最大的p l c 试验网络，建立了 p l c 网管、计费运营系统，研究其盈利模式，探索p l c 在中国商业化运营的可行性。 随着p l c 技术的突破以及应用的深入，p l c 在国内商业化只是迟早的事。 1 3 论文的主题和工作安排 本论文介绍了电力线载波通信( p l c ) 、正交频分复用( 0 f d m ) 及扩频通信 ( c d m a 为主) 技术的基本原理，分析了o f d m 和c d m a 技术在p l c 中应用， 对m c c d m a 技术进行了探讨，并以仿真对性能进行了分析。论文的具体内容安 排如下： 第二章：对电力线载波通信优缺点、原理进行比较系统的介绍、并分析了电 力线信道传输特性等。 第三章：对电力线载波通信中关键调制方式o f d m 原理进行了介绍。 第四章：对另一种电力线载波通信调制方式扩频通信( c d m a ) 技术进行了 比较系统的介绍。 第五章：把o f d m 、c d m a 技术在p l c 中应用进行分析，并比较两种技术优 缺点，给出了m c c d m a 技术在p l c 中的应用原理。 第六章：介绍了电力线载波通信的调制技术，并用b p s k 调制技术对单载波、 o f d m 、c d m a 和m c c d m a 技术进行仿真。比较这几种技术的优 劣，得出单载波电力线载波技术不适合电力线通信，m c c d m a 比 o f d m 和c d m a 更有利于在p l c 载波电力线中对信号传输。 结束语：对本论文以上各章做了概括，并对工作中不足做了小结。 第_ 二章电力线载波通信 第二章电力线载波通信 2 1 电力线载波通信的优点及发展方向 电力线载波通信是以电力网作为信息传送信道，实现数据有效传输的，若能 以电力网为信道，进入p s t n 和i n t e m e t 网等通信领域，那么其应用前景更广泛。 但也要看到随着现代通信技术的迅猛发展，各种先进的通信手段如光纤、微波通 信等迅速崛起，出现了载波电力线通信和光纤、微波等等通信技术共同分通信行 业这块大蛋糕的局面。电力线载波通信要推广和发展就一定有优势才行，那么电 力线载波通信有哪些优点? 载波电力线优点： ( 1 ) 电力线载波通信利用的是现有的电力基础设施电网，这个传输媒介是全 球覆盖最大的网络，用电力线做接入无需新布线就可以用到有电的地方就有 宽带接入。 ( 2 ) 安装简单、设置灵活，为用户实现宽带互联带来很多方便，能实现智能家庭 自动化。 ( 3 ) 现有技术已经可以满足对带宽要求较高的用户需求。 ( 4 ) p l c 网络建设灵活，可根据用户需要按照小区甚至用户安装，投资小见效快， 同时运行费用低，用户花费较小。 ( 5 ) 能够为电力公司电力管理提供传输通道，实现电力、数据、话音和图像综合 业务传输的通信技术。 在电力线设计方面： ( 1 ) 电力线载波通信不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可 以同其他通信手段一起实现网络互联。 ( 2 ) 电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构略固，高压输电线安全设计系数 比光纤的安全设计系数高。 ( 3 ) 具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了，输电线架设到哪 里，载波通信线路就可以延伸到那里，目前我国1 1 0 k v 输电线路上和3 5 k v 的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电 网内调度电话远动，远方保护信息的传输，对电力线系统的安全，稳定，经 济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统都有的信道资源不应轻 易放弃，应加以合理的发展和利用，使之与高速，宽带技术长期并存，互为 补充。 不过，我们也要看见载波电力线的不足，由于受电网的影响，p l c 的传播距 p l c 电力线载波通信研究 离有限，在低旭配电网卜无中继的传输距离一般在2 5 0 m 以f 要实现自配电变压 器至用户插座的全f “力线接入需要借助中继技术这势必要增加系统的造价。电 力负荷的波动对p l c 接入网络的吞吐最也有一定影响由于多个用户兆享信道带 宽，当用户增加到一定程度时，网络性能和用户可用带宽有所下降，但这些问题 可以通过合理的组网方式得到解决。 单载波电力线通信由于频谱利用牢低，传输距离短，干扰大，不太适宜现有 用户高宽带要求。但作为研究我们要对单载波电力线通信进行介绍和原理分析。 下面章节就对电力线载波通信做个介绍。 22 电力线载波通信介绍 电力线载波通信系统是通信系统的一个具体通信方式，电力线载被通信：利用 传输电能的电力线路来传递高频电信号，这种通信方式是根据电力系统的特宵条 件发展而成只有良好的经济性和可靠性。电力线载波在原理e 和通信线路载波 相同只是电力线不川于通信线路，它为 输5 0 h z 工频电流而架设，利用它宴 现载波通信宵不少独特之处。 陵。j 帆啦 f it ill ，、 、_ 二 二。 二 厶 幽2l 电力线载波通信系统的叫络框削 目前，在高压和巾压电力线技术没有成熟之前，基本使用低压p l c 技术和其 他网络通信技术结合实现电力线网络用户上网的模式。由图2 】中可以知道用户通 过p l c 调制解调器，把电话和电能等通信终端连接到电力线上，同其他用户互联 互通，然后用别的技术手段和互联网连接从而实现整体通信。 第二章电力线载波通信 7 2 3 传统电力线载波通信 电力线最基本功能是用来传输和分配5 0 h z 交流电的，它具有很高的传输电压 和很大的传输电流。我们希望利用电力线实现电话通信，将1 路0 3 3 4 k h z 的语 音信号直接送到电力线上进行传输，但这样会受到强大的5 0 h z 谐波干扰，在接收 端难以选出语音信号而无法实现通信。所以，要在电力线上进行直接音频通信是 不可能的。 实践证明，把l 路0 3 3 4 k h z 的语音信号，通过变频将语音信号频谱搬移到 高频频段，如4 0 k h z 以上的高频信号在电力线上传输，在接收段用滤波器就比较 容易选出，所以，在电力线上进行载波通信是完全可能。如将多路语音信号分别 采用不同频率的载波进行变频，在电力线上就可以进行多路载波电话通信。这种 利用电力线来实现的载波通信称为电力线载波通信。 2 3 1 电力线载波 a 母线母线 r u f 1 图2 2电力线载波通信的原理框图 如图2 2 所示为实现电力线载波通信的原理框图。图中a 端为发电厂、b 端为 变电所，发电厂产生的5 0 h z 电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后 供给用户。利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦 合到电力线上。常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。它由耦合电容c 和结 合滤波器f 组成。耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号 顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。而对5 0 h z 电流具有极大的衰 减，防止5 0 h z 电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安全的目的。图中 电力线上很高的5 0 h z 电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合 电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全 的。阻波器t 是一个调谐电路，其电感线圈时能通过很大5 0 h z 电流的强流线圈， p l c 电力线载波通信研究 保证5 0 h z 电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信 号通过，起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。总之，利用这 些线路设备，耦合问题得到了解决。 图2 3电力线载波殴备原理框图 电力线载波通信在两个方向采用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上 来回传送，是双频带二线制双向通信。其具体过程为：a 端的语音信号( o 3 3 4 k h z ) 经差接系统，与频率为斤的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到 高频，成为f + ( o 3 3 4 ) k h z 的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分， 经结合滤波器f l 、耦合电容器c 1 送到电力线的耦合相线上。由于阻波器t l 的存 在，高频信号沿电力线传输到b 端，再经过b 端的c 2 、f 2 送入b 端载波设备。 中心频率为f 1 的收信带通滤波器滤出斤+ ( 0 3 3 4 ) k h z 的高频信号，经过放大、 解调以后得到a 端的语音信号。按照相同的方式，将b 端的语音信号通过 厶+ ( 0 3 3 4 ) k h z 的高频信号传输到a 端，这样就可以实现双向电力线载波通信。 电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。但电力线载波设备与 电力线连接时，必须通过线路设备。实际上，线路设备中的阻波器和耦合电容器、 结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。 图2 3 中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。它 所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。使用频率过高线路衰减将增得很大， 通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到5 0 h z 工频谐波的干扰，同时要求耦 合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经 济上造成困难。国际电工委员会( i e c ) 建议使用频带一般为3 0 5 0 0 k h z 。在实 际选择频带时，必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。国内统一的使用频带 第二章电力线载波通信 9 为4 0 5 0 0 k h z 。 电力线载波通信在充分利用4 0 5 0 0 k h z 之间的4 6 0 k h z 频带时，和通信线载 波通信在充分利用线路频带有着明显的不同。通信线是专门为开设载波通信而架 设的，为了充分利用这条线路，根据其传输特性的限制，在其可使用的频带内开 设多路通信，达到全频带都能合理的利用。 电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变 电所内均按电压等级连接在同一母线上。同一发电厂、变电所种不同电压等级的 电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。这样，在一条电力 线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他 相电力线上去。由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每条 电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用，使得同母线的各条电力线上只能 限制在共同使用的4 0 5 0 0 k h z 的频带。此外，在同一个电力系统中电力线是相互 连接的，要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。这就使得同母线的 各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比4 0 5 0 0 k h z 窄。 2 3 2 地线载波 电力线路为了防止三相导线直接受雷电袭击，在电力线上架设一根或者2 根 架空地线，这些架空地线在每一个杆塔上都是可靠接地。这样就能保护三相导线 免受雷击。架空地线是和高电压的相导线平行铺设，因此在架空地线是和高电压 的相导线感应而产生感应电压，从而引成架空地线经杆塔的接地线和大地之间以 及架空地线之间产生环流，这种电流可达几十安，造成很大的电能损耗，增加了 电力线路输电的线路损耗。 为了减小电力线路的线路损耗，提出架空地线不直接接地，而是各杆塔的接 地线通过火花间隔接地。实践证明，架空地线的防雷性能可以不受影响，而架空 地线的对地绝缘既可减小线路损耗，又能为利用架空地线实现载波通信提供可能。 基于上述情况，绝缘的良导体架空地线既有利于电力线路输电的运行，又为 实现载波通信提供了条件。利用绝缘地线开设的载波通信，简称为地线载波通信。 它已逐步被广泛采用，与电力线载波通信相比较有以下优点。 ( 1 ) 简化了线路设备，降低线路设备的制作困难； ( 2 )降低了线路噪声电平，减小了载波设备的发信电平； ( 3 ) 线路衰减减小，通信距离得到了延长。 1 0 p l c 电力线载波通信研究 图2 。4 地线载波通信原理图 图2 4 中架空地线g 的全线已被分段，并经过很多次放电间隙接地，在图上 没有表示出来。架空地线的两端分别经线路设备接入载波设备。架空地线的线路 设备是由放电间隙、接地排流线圈、耦合电容器和阻抗匹配变量器所组成。 放电间隙是起防雷击等保护作用；接地排流线圈将电力线正常运行时，再架 空地线上感应产生的工频电流排入大地，同时并将电力线发生事故产生的感应过 电流和雷击时的雷电流排入大地；接地排流线圈的电感还和耦合电容器构成一个 高通滤波器，以阻止工频高次谐波的干扰；阻抗匹配变量器将架空地线的特性阻 抗( 线地耦合架空地线的线路特性阻抗为5 0 f 2 ) 和高频电缆阻抗( 7 5 q ) 实现阻抗 匹配。 从上图我们可见，地线载波的线路设备不需要高频阻波器和高压耦合电容器。 因此，线路设备不会受电力线电压等级和工作电流的不断增加而使设备制造带来 困难。地线载波的工作频率范围也可以从低频8 k h z 开始，这样克服了电力线载波 无法使用4 0 k h z 以下频段的缺点。 架空地线上的线路噪声，显然比电力线上的电晕噪声弱，根据在5 0 0 k v 线路 上的测量结果来看，比电力线上的噪声低8 1 3 d b 。所以，在相同信号噪声比条件 下，对单路载波设 备来说，地线载波可大量延长通信距离，或者说提供了实现多路通信的条件。 由上述情况可知，地线载波设备一般工作频率低，采用多路载波，因此其设 备特点与明线载波设备有极大的相似性。地线载波在工作时，会产生瞬时性的中 断，这是由于雷击瞬间，地线的接地间隙会发生击穿发电，也可能是由故障电流 的感应所造成的接地间隙击穿放电所造成。这样对于载波电话和远东信号来说， 不会引起任何不满意的结果，但对远方保护信号的传输来说，地线载波是不能满 足要求的。 第二章电力线载波通信 2 3 3 分裂导线载波 电力线载波和地线载波所能使用的频段仅为8 5 0 0 k h z ，所以必须在电力线路 上寻求新的信道，并期望减小重复使用频谱的间隙，乃至能在同一条电力线路上 重复使用频谱，扩大信道容量，促使了分裂导线载波的发展。它又分为分裂相导 线载波和分裂地线载波两种，尤其是分裂地线载波有更大的潜力。 电力线路随着电压等级的升高，必须提高导线的电晕电压，减小线路损耗。 同时，考虑到导线的集肤效应和冷却问题，超高压电力线路几乎都采用相导线为 分裂导线的结构。这种分裂相导线一般采用2 根以上的导线来组成一条相导线。 分裂导线的导线之间距离为0 4 0 6 m ，它们依靠间隔5 0 7 0 m 装一个金属支架来 保持。 为了要利用分裂相导线实现载波通信，将保持分裂导线之间距离的金属支架 改为绝缘支架，这样分裂导线之间就是一对或者几对通信线路，利用它们来实现 载波通信，称为分裂相导线载波通信。这种载波通信与电力线载波通信相比，有 如下主要优点： ( 1 )线对的对称性好，对外界辐射和感应得到的干扰电平都很小，所以其 传输高频信号的频率范围可扩展到5 0 0 k h z 以上。 ( 2 )在同一条电力线上的非同名相和同名相的相邻线段上都可以重复使 用频谱，因此它能有效地增加信道的容量。 图2 5 为分裂相导线载波通信原理框图 图2 5 中，分裂相导线的阻波器可以采用1 4 波长的短路线段来代替，以简化 线路设备。在这种线路上，载波设备可以用外加功率放大器的明线多路载波设备， 以实现多路载波通信。 这三种传统电力线通信技术由于自身缺点，目前都已经不怎么利用了，不过 物理通道布线主要还是这些手段。 电力线作为信道相当于一根天线，它一方面将产生的电磁波向外辐射，另一 方面吸收来自外界的电磁波。由于电力线通信产生的电磁波同短波收音机共用频 p l c 电力线载波通信研究 段，它们之间会相互干扰，为了避免这种干扰，有必要想出一些办法和措施。 p l c 的诸多优点吸引了国际上众多的研究者投入这个领域，推动了p l c 的发 展。随着数字信号处理技术发展和成熟，o f d m 技术和c d m a 技术成熟和广泛的 应用，人们把p l c 研究热点转向这两种具有高抗干扰性的数字调制技术。当然， o f d m 和c d m a 技术本身也有缺点和不足，以及m c c d m a 就是这两项技术有 点的结合体。后面章节我们将对这些做介绍，下面我们分析下电力线载波通信信 道。 2 3 4 电力线载波通道基本特性分析 电力线载波信号是在传送5 0 h z 输电线上进行传输的。为了在电力线上传送平 高频信号，必须在电力载波设备和电力线之间加装耦合电容器、结合滤波器以及 阻断高频信号的祖伯器。电力线载波通信高频信号传送通道组成时，常用的耦合 方式有相地耦合方式和相相耦合方式两种。 电力线载波通道衰减频率特性决定于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、 地面高度、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素。 采用相地耦合方式的电力线高频通道的衰减特性常用下面经验公式表示 b = k 4 f l + 0 4 n + a 。之 ( 2 1 ) 式中i 一电力线的长度，k m ； 厂高频信号的频率，k h z ： k 系数，对3 5 k v 线路取1 2 2 1 0 一，1 1 0 k v 线路取8 7 1 0 一，2 2 0 k v 线路取6 5 1 0 一，4 0 0 5 0 0 k v 线路取7 2 x1 0 一； n 电力线路的端数，一般取n = 2 a 高频电缆每千米的衰减，d b k m ； l 两端高频电缆的总长度，k m 。 电力线的衰减频率特性，从上式可以得出频率越高衰减越大，另外，同一线 路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰减要大。电力线的线路特性阻抗与耦合 方式也有关。目前我国的电力线相地耦合情况下的输入阻抗一般选3 0 0 4 0 0 欧姆 ( 11 0 k v 的线路为4 0 0 欧姆，2 2 0 k v 的线路为3 5 0 欧姆，5 0 0 k v 的线路为3 0 0 欧姆) 。 由于电力线上存在着强大的5 0 h z 工频电流，为防止载波通信信号低频段受到 工频谐波的干扰，同时，为了防止载波通信信号高频段进入广播频段，以及避免 线路传输衰减因频率过高而增加得过大，因此，电力线载波通道的传输频带一般 规定在4 0 5 0 0 k h z 内。 第二章电力线载波通信 2 4 1 噪声分析 2 4 电力线信道噪声分析 电力线载波通信有其特殊性，其利用的信道是以传输5 0 h z 电能为目的的电力 线。所以，在电力线通信中，除了信号失真、线路上的损失和多径效应之外，噪 声是影响电力线通信的最重要的因素。与其它通信信道不同，电力线信道不是加 性高斯白噪声信道。电力线信道中频率在数百k h z 至i 2 0 m h z 范围内的噪声分为以 下五类： ( 1 ) 有色背景噪声：它的功率谱密度相对较低，并且随频率变化。这种 噪声主要由各种低功率噪声源共同引起，它的功率谱密度随时间变 化较慢，通常为几分钟，甚至几小时。 ( 2 ) 窄带噪声：绝大多数为调幅的正弦信号。这种噪声主要由中短波发 射的广播台的介入引起，并且它的幅度通常随着时间变化。 ( 3 )与主频不同步的周期性冲击噪声：绝大多数情况下，这些冲击噪声 的重复频率在5 0 k h z 到2 0 0 k h z 之间，在频域中，它们体现为以重 复频率为i 日j 隔的离散谱线。这种噪声主要由电力设备的丌关引起。 ( 4 ) 与主频同步的周期性冲击噪声：这些噪声的重复频率为5 0 k h z 或 1 0 0 k h z 并且与电源周期同步，他们持续的时间很短，通常为毫秒级， 并且功率谱密度随着频率的升高而呈下降趋势。这种噪声主要由与 电源同步工作p 的电力设备引起。 ( 5 )不同步的冲击噪声：这种噪声主要由电力线上连接的设备的瞬时开 关引起。这些冲击的持续时间从几毫秒到几微秒不等，并且它们的 到达时间是随机的。这种噪声的功率谱密度有时候能达到比背景噪 声高出5 0 d b 以上。 其中噪声( 1 ) 、( 2 ) 和( 3 ) 通常在几秒到几分钟，甚至几小时都保持不变， 可以统称为背景噪声。而噪声( 4 ) 和( 5 ) 通常是随时间变化的，几微秒或几毫 米就会变化。在这样的噪声发生的情况下，可以很明显地看到噪声功率谱密度较 大，这会引起数据传输的比特错误或突发错误。 2 4 2 噪声模型 为了通过仿真对传输模式的好坏进行衡量，通过一些特征参数对噪声建立适 当的模型是非常有必要的。噪声模型的建立是基于噪声的基本分类进行的。 1 4 p l c 电力线载波通信研究 2 4 2 1 背景噪声 噪声成形 背景噪声 滤波器 2 6 背景噪声 由图2 6 中可以知道背景噪声可以用一个滤波器对自噪声进行滤波得到，噪 声成形滤波器可以用它的传递函数h ( z ) 表示为： 酢) = 卷= i + e a , z 一。 型一 ( 2 2 ) 1 + 口，z 。 这个传递函数由分子b ( z ) 中的移动平均数部分( m a ) 和分母a ( z ) 中的自 回归部分( a r ) 组成。这个模型的参数是噪声源的方差和滤波器的系数。在m a t l a b 仿真中通过使用自回归过程( a r - p r o c e s s ) 模型，也就是说b ( z ) = 1 ，这些参数 可以通过a r 谱估计其对一个实测噪声进行估计得到。由于背景噪声的功率谱密度 随时间变化慢慢，这个模型的参数在一次仿真中可以保持不变。 在这里设定a r 参数= 1 4 ，i 4 ，1 4 ，1 4 ，那么用m a t l a b 仿真出来的白噪声 和有色噪声分别为：图2 7 和图2 8 所示 高斯门噪声 图2 7 高斯白噪声 第二章电力线载波通信 有色噪声 图2 8 有色噪声( 即背景噪卢) 2 4 2 2 窄带干扰 为了对窄带噪声进行仿真，应该建立一个确定的窄带噪声模型。窄带噪声 傩静f ：扰( t ) 可以由n 个独立的正弦信号叠加而成： _ 胛窄带f ：扰( t ) - - - 4 ( f ) s i n ( 2 万彳f + 仍) ( 2 3 ) f = i 每个载波由频率厂、幅度4 ( f ) 和相位仍表征。幅度4 ( f ) 可以是常数4 ( 0 = 4 ， 也可以是经过调制的，以更好地逼近a m 广播信号。载波相位仍可以在 0 ，2 万 内 任意选择，并且不随时间变化。 忽略幅度调制，窄带干扰的幅度只随时间缓慢变化，这说明对同一个窄带噪 声而言，它的参数可以视为不变。 现在令n = 6 ， b 是有4 ( t ) = 4 f 、f 、够为向量组成的矩阵 b = 51 0 1 52 0 3 03 ： 2 06 08 59 4 2 64 5 ： 0 5 * p i0 2 5 , p i0 1 , p i l 5 * p i 0 9 * p i1 2 * p i ： 那么由这样个矩阵在t = o ：0 0 1 ：1 0 情况下产生的窄带噪声就是图2 9 所示 1 6 p l c 电力线载波通信研究 8 0 6 0 4 0 2 0 重 。 - 2 0 4 0 6 0 - 8 0 窄带噪声 01z 3 4 5 67891 0 t s 图2 9 窄带噪声 2 4 2 3 冲击噪声 正如前面所说，信道的时变是由冲击噪声引起的，冲击噪声会引起许多比特 的突发错误，对通信系统的性能产生较大的影响。鉴于冲击噪声是随机事件这一 事实，它的特性由随机变量来表征并且应被建立为一个随机模型。这里将其表征 为一个贝努利一高斯( b e r n o u l l i - g a u s s i a n ) 随机模型。 脉冲干扰的随机出现被表征为一个贝努利过程b ( k ) ，其中，k 代表时间点，6 ( 尼) 代表相应时间点上的二进制数o 或1 ，并且取1 的概率为o t ，取0 的概率为卜口。脉 冲干扰的幅度表征为一个均值为0 ，方差为2 盯：的高斯随机过程g ( k ) 。这样一个贝 努利一高斯随机模型的形成过程，如图2 1 0 所示： 图2 1 0 冲击噪声 图中通过改变脉冲成形滤波器的冲击响应函数，就可以改变脉冲噪声的持续 时间，以及整个随机过程的时间相关性等参数。这样形成脉冲的干扰可以表示为： 第二章电力线载波通信 1 7 饰p 击f 扰( 七) = h ( i ) g ( k i ) b ( k d i = o 式中，p 是脉冲成形滤波器频率响应的长度。 对我们所建立的贝努n - 高斯( b e r n o u l l i g a u s s i a n ) 随机模型而言， 以冲击干扰( 后) 的概率密度函数可以表示为： p d f 霰篇( x ) = ( 1 一口) 8 ( x ) + c t p d f a 冲干扰( x ) 其中，是8 ( x ) 是k r o n e c k e r 万函数，并且 ( 2 4 ) 脉冲噪声 ( 2 5 ) 哦冲干“x ) 2 丽1e x “一互1 商】) ( 2 - 6 ) 是均值为o 的高斯过程。参数口的度量的是冲击干扰的强弱。冲击干扰出现 的越强，它的干扰强度就越大。 由于冲击干扰是对电力线信道产生影响最严重的噪声，我们有必要对它的这 种影响进行研究，并且想办法来抑制这种干扰的影响，以使整个通行系统的性能 得到改善。大量的研究表明，对于通信速率要求较高的频率选择性衰减信道而言 o f d m 是一种很有效的调制方式。它把串行数据转换成并行数据，并且把这些并且 数据调制到不同的频率上进行传输，具体的o f d m 的原理将在第二章中o f d m 原理和 关键技术中作详细介绍。由于串行数据并行传输，衰落的负面影响就会散播到许 多比特中。这样，衰落信道中出现的，相邻比特被恶劣的信道特性影响，以至于 彻底不能恢复的情况就转化为更多的比特收到影响，但是，对每个比特而言，影 响减弱，因此在接收端可以恢复。另外，o f d m 的频率利用率高的特性也是它得以 被广泛重视的原因之一。o f d m 作为一种非常适合于应用在电力线信道中的调制方 式，也将作为本文的主要研究对象在下面章节中进行讨论。 2 4 3 信号的多径效应 电力线上的信号传输不仅仅发生在发射机和接收机之间的可见的直接信道 中，其它由发射形成的路径也应该考虑在内。那么，电力线信道就应该被考虑成 具有频率选择性衰落的多径传输信道。每一条路径i 都有一个加权因子吕，代表这 条路径的发射和传输因子，电力线上的发射和传输因子都大于等于一l 切小于等于 1 。 一1 g f 1 ( 2 - 7 ) 一条路径上的转移和发射越多，加权因子就越小。而且，路径越长，衰减 p l c 电力线载波通信研究 越大，通过这条路径传到接收端的信号能量就越少。我们在这里只考虑有限n 条主 要路径，并且使n 尽量小。 那么第i 条路径的延时时间t 可以表示为： 一厂一 f 。：d i 、e r ( 2 8 ) c o 可以由绝缘材料的介电常数8 r ，光速c o ，以及电缆的长度d a 求得。同时，电 力线上的损耗引起了衰减a ( f ，d ) ，随路径的长度和频率的增加而增加，接收端的 信号应该是各条路径上信号的叠加。因此，传输线路的频率响应可以表示为： 日( 厂) = g i a ( f ，谚) e 川。n ( 2 - 9 ) f = l 有更多分支的更复杂的信道上的信号传输可以用类似的方法分成各个不同的 传输路径进行分析。 2 4 4 信道损耗 传输信号随着长度和频率的增加而衰减，长度为z 的传输线的频率响应可以用 复传输常数表示为： y = ( r 。+ 缈) ( g + j o c ) = 口+ j p ( 2 - l o ) 式中参数r 、g 和c 分别表示导线的电阻、电感、电导及电容是由主传 输线决定的。线路参数c 和l 可以由几何维数和一些材料特性粗略估计，考虑兆赫 兹的频率范围，单位长度的阻抗与厂成正比；单位长度的导电率g 主要受绝缘材 料的损耗因子影响，因此它与厂成正比。对典型的几何结构和材料的线路来说， 通常在兆赫兹的频率范围内有r o j 乖ng 国c ，这样，线路可以看作为是具有 实数特征阻抗z ，的低损耗信道。那么，复传输常数可以简化为： 7 = k , 4 f + k 2 f + 地厂 ( 2 - 1 1 ) 这罩常数七，( i = 1 ，2 ，3 ) 体现的是材料和几何参数。传输常数的实部用口表 示，代表衰减因子，随着频率的增加而增加。而对于一条特定的信道，a 和厂的 确切关系，是和厂成正比，还是和成正比，还是和两者都有关系，要决定于是 k 还是屯起主导作用。基于这些推导和对测量的频率响应的更进一步的分析，可 以得出对衰减因子的近似方程为： 口( 力= a o + q ( 2 - 1 2 ) 这样，仅用三个参数就可以表征典型电力线信道的特征，而这三个参数可以 第二章电力线载波通信 1 9 很容易地从测得的传递函数中得到。 线信道的衰减可以由下式表征： a ( f ，d ) = e - a ( f ) 一= p 一( + q 。，) d 2 4 5 信道模型 通过式( 2 - 1 2 ) 带入( 2 - 9 ) ，可以得到电力 ( 2 1 3 ) e h 上面给出的多径传输日( 厂) 和频率和长度有关的衰减特性a ( f ，d ) ，最终可以 得到信道的频率响应函数为： h ( 厂) ：羔i g ，( f ) e - y g a f ) e - ( a 。+ a j f * ) d e - j 2 z n ( 2 - 1 4 ) 式子有三部分组成，分别为i 邑( 厂) l p u 加权因子、p - ”叫4 j 衰减因子