（电磁场与微波技术专业论文）高速电力载波通信信道传输特性的研究.pdf

东南大学倾1 一研究生论文 摘要 l m h z 3 0 m h z 频段是当今电力载波通信中最热门的频段，它涉及包括电器互联年高速i n t e m e t 接入等在内的极具前景的产品，国外早在9 0 年代初就开始了这方面的研究，并在近几年陆续开 发山各自的产品，国内在这方面起步较晚，目前对电网特别是家庭电网在这个频段上的信道特征 研究其少，这不利丁电力载波通信相关标准的建立以及自主产权产品的开发。电力线网络有其独 特性，该文分析了造成电力信道复杂特征的原因：地域多样性，大相对带宽和工频复用。信道特 征包括噪声特征和传输特征，文中特别针对o f d m 系统的特殊要求分别用理论和测量的方法对 信道的传输特征做了研究。针对家庭网络都是单相输电网络这个事实，以及1 - - 3 0 m h z 频段的波 k 特征，文章对家庭电网做了简化，把三芯及两芯屯线都等效为一根传输线，用长度、阻抗和传 播常数表示，同时对家庭中常见电器的负载特性按电源设计做分类，得出了一个通用的等效负载 模型，并把这些传输线及负载构成一个树状网络，用a b c d 矩阵进行计算。文中还用随机生成的 方法，分析了一种典型的在统计意义下呈周期分布的网络结构，得出其具有带阻特性的结论，接 着还进一步尝试做出了信道传输衰减的宏观统计模型，把信道衰减分解成若干更易于操作的部 分。在往后的章节中，文章对测量信道传输特性的几种常用方法做了简要分析，特别选择时域测 量作为重点，分析了常用脉冲测量波形的优劣，得出在复杂电力噪声环境下用扩频码测量传输特 性具有优势。文章继而选择p n 序列作为扩频码，设计了一个电力线传输特性测量电路，并在数 据处理过程中分析了分段平均和时域加窗对提高总体信噪比的作用，接着对方法进行了验证，并 测量了实际的电力信道。文章的最后部分还分析了在电力信道上实现o f d m 系统会面临的一些 独特问题，如多径延时在频域分布不均匀以及散布的窄带功率限制，并对解决方法做了初步探讨。 关键词：配电网，传输特性，o f d m ，时域测量 东南大学顺十研究生论文 a b s t r a c t m o r ea n dm o r ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h e r sa r ee n g a g e di nt h eb a n df r o m1m h zt o 3 0 m h zi nt h er e c e n ty e a r sa ss o m ep r o s p e c t i n gp r o d u c t ss u c ha sh o u s e h o l da p p l i a n c e si n t e r l i n k i n ga n d t h ei n t e r a c te n t e r i n ga r ei n v o l v e d s e v e r a lo v e r s e a sc o m p a n i e sb e g a nt h e i rr e s e a r c h e si nt h ee a r l y9 0 s a n db e g a nt od i s t r i b u t et h e i rp r o d u c t sn a m i n gh i g hs p e e dp o w e rl i n em o d e m sa f t e r2 0 0 0 ，i nc h i n af e w h a sb e e nd o n ei nt h i sr e g i o na n de v e nl e s sh a sb e e nd o n ec o n c e r n i n gt h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i co ft h e p o w e rd i s t r i b u t el i n e sa n dt h ei n d o o rp o w e rl i n e s i tb e c o m e sv e r yi m p o r t a n tt oe x p l o r et h ed o m e s t i c p o w e rl i n e sc h a r a c t e r i s t i ci nt h eh i g hs p e e dp o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s t h er e a s o n st h a tl e a dt ot h e c o m p l i c i t yo ft h ep o w e ri i n e s c h a r a c t e r i s t i c s w h i c hi sf i r s t l yd i s c u s s e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d e ：t h e d i v e r s i t yo fl i n ec o n s t r u c t i o n s ，ar e l a t i v e l yb r o a db a n da n dt h ec o e x i s t e n c ew i t ht h ep o w e rf r e q u e n c y t h i st h e s i st r i e st oa n a l y s i st h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s c h a n n e lt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sb yt w o m e a n s f i r s t at h e o r e t i c a le l e c t r o m a g n e r i cm o d e li sd i s c u s s e dw h i c hi sb a s e do nt h ef a c t s ：m o s ti n d o o r p o w e rn e t w o r ki ss i n g l ep h a s e d a n dm o s t d i s c o n t i n u e so ft h el i n e sc a nb eo m i t t e db e l o w3 0 m h z , a n d t h en e t w o r kc a nb ee x p r e s s e da sat r a n s m i s s i o n1 i n e sn e t w o r kw i t hl o a d s t h ee l e c t r o n i ch o u s e h o l d a p p l i a n c e s 1 0 a d sa r ec l a s s i f i e df o l l o w e db yac o m m o n 1 0 a dm o d e l t h ea b c dm a t r i xt e c h n i q u ei su s e d t oc a l c u l a t et h en e t w o r k u s i n gt h i sm o d e lat y p i c a lp o w e rl i n e sc o n s t r u c t i o ni ss t u d i e da n ds o m eb a n d s t o pc h a r a c t e r i s t i c s i sf o u n d as t a t i s t i c sm o d e lo ft h et r a n s m i s s i o na t t e n u a t i o ni st h e ns e tu pb y s e p a r a t i n gt h et o t a la t t e n u a t i o ni n t os e v e r a ls m a l la n dt r e a t a b l ep a r t s s e c o n d ，at i m ed o m a i nm e t h o d b a s e do nt h ep e r i o d i cp ns e q u e n c ej sf i n a l l ys e l e c t e d o n eo f t h em o s ti m p o r t a n tm e t h o da f t e rs e v e l a l m e t l l o d sf o rm e a s u r e m e n to ft h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa c o m p a r e dw i t he a c ho t h e r sf o ri ti ss a f e c h e a p a n di n c l u d i n gp h a s ei ni t sr e s u l t s m o v i n ga v e r a g i n ga n dt i m ed o m a i nw i n d o w i n g t e c h n i q u e sa r e u s e dt og a i nah i g l ls n ri nt h ed a t ap r o c e s s i n g e x p e r i m e n t ss h o wt h i sm e t h o dw o r k sw e l lu n d e rt h e p o w e rl i n ee n v i r o n m e n t ，l a s t ，s o m ep r o b l e m s o nt h e s y s t e md e s i g n i n ga r o u s e db yt h e c h a n n e l t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ed i s c u s s e d ，e 晷t h em u l t i p a t hd e l a yv a r y i n gw i t ht h ef r e q u e n c ya n dt h e e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y k e y w o r d ：l o wv o l t a g ep o w e rl i n e ，o f d m ，f a d i n gc h a n n e l ，p ns e q u e n c e l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意， 签名：堡熏壶笙日期：沙一歹，矽 签 名：岳蟛日 期：竺竺，矽 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：j i 掘导师签名：荨坌j ! 星二日期：础 东南大学碗i ：研究生论文 绪言 把输电网t l | ；j 丁通信的研究由米已久，即所谓的电力载波通信，最初是用于高上k 输电网的自动 监控，后米研究范围逐渐扩人到抄表等多个领域，近年来针对家庭网的电力线高速接入则是电力 载波通信的一个全新拓展。人们对电力载波通信的热衷米自于几个方面，首先，输电网是多条平 行金属线结构，理论上这种结构能在相当高的频率下保持低损耗和低噪声，而电能传输和电器噪 声只在低频r 刚很小的带宽，完全可以把多余的带宽作为电能传输的副产品用于通信，与光缆及 无线通信相比这种信道资源相当廉价；其次，电网是一个已经建成且分布极其广泛的整体网络， 绝人部分电器都能接触到这个网络，通信建立相当方便；此外，电网中的变压器和电能表对通信 频率起到阻隔作用，各级网络相互保持独立，这大大增强了电力通信的频率复用功能，也简化了 网络维护。r 表是电力通信的各种应用，可以看到电力通信具有很大的潜力。f u ，3 频率电网应用调制方式通信速率推出时间备注 n n 0 g h z 高压通信实验，线路n o o k b p s7 0 年代试验 检测 n n 0 m h z 配电网电器高速互联o f d m 或 1 n m b o s9 0 年代 家庭网和i n t e r n e t 接入扩频技术组网 1 0 0 - 4 5 0 k h z配电网抄表f s k n k b p s8 0 年代 1 0 0 4 5 0 k h z 家庭网楼宇智能扫频，直n - n 0 k b p s9 0 年代 如 扩组网c e b u s n n 0 0 k h z 高压中压电网监控 f s k n k b p s7 0 年代 广泛麻用 或加语音 n 0 0 h z n k h z 配电网抄表、分时计 t u r t l e n b p s 8 0 年代专利技术 费 表l 电力通信的各种应用“” 我们课题总的研究方向是电力线的高速互联，目的是在配电网和家庭电网上采用o f d m 技 术实现从j lm b p s 到十儿m b p s 的可靠传输j j 于i n t e r a c t 接入。对这个研究方向，国外早在9 0 年 代初就开始了研究，并在近年不断推出各自的产品，最著名的有i n t e l l o n 、n o t e l 、a b b 等 公司，井有若干电力公司成功做了i n t e m e t 接入实验 6 , 7 1 。 国内在2 0 0 0 年左右陆续有单位开始介入这方面的研究，如清华和西交等几所高校，也有若 干单位利用国外的芯片做了通信实验，但较系统的高速电力通信技术研究，仍然空白【8 ，9 1 “。与其 他通信技术相比，电力载波通信有较显著的区域特征，因为各地的生活和人居习惯差异，导致电 网结构的差异，例如在北美，人口密度较低，一个变压器支持的用户数较少，而在国内，支持的 t 【i j 户数就会多电网结构也相应更复杂，可以预计，国内的电力信道会更苛刻，这给我们带来某 些机遇，因为这样的信道需要更新更稳健的调制解调技术。研发这样的调制解调技术，第一步是 要获得国内电力网络的信道特性，包括传输特性、噪声特性和电磁兼容特性。高速电力通信使用 人约5 0 0 k h z 6 0 m h z 频段，其下限5 0 0 k h z 是为了与现有电力载波设备兼容，一般抄表和楼宇 智能已经f 用了1 0 0 k h z 5 0 0 k h z 频段，6 0 m h z 上限一般受传输距离和电磁兼容的制约，实际 上由1 ：电力线噪声分布在低端较大，及受器件处理速度的限制，一个电力线m o d e m 会使用更窄 的频段，一般通用电力线m o d e m 的工作频率小于3 0 m h z 。过去，国内对电力信道的研究主要集 中在5 0 0 k h z 以下，针对配电网或中高压电网，用户内或最后一级电能表后的网络甚少涉及， l m h z - 3 0 m h z 频段仍米见报道。本课题的目的就是分析配电网和家庭电网在1 3 0 m h z 频段上的 传输特性，井试图得出一个可以用于通信仿真的模型。 输电网最初是为了传输电能设计的，设计时并没有考虑到载波通信，使得电力信道从一开始 就具有独特性和复杂性，首先电力信道随应用地域、屯网电压变化很大，下表是各种电力网物理 东南大学硕士研究生论文 特性的简单比较。 各种输电网相应的物理特性 干线分支艮，极少，负载简单，时变很慢，三相三线，端口距离远， 城域中1 i分支多。存在环网，网络拓扑复杂，噪声较干线强， 配电网分支短，多，复杂，负载简单，时变较慢，三相四线，端口距离 1 3 0 ，在这么大的相对带宽下， 无论是传输时变性、大小和衰落等在频率低端和高端都有不同表现，所以信道在频域存在复杂的 分布模式；还有，电力信道噪声特性和传输时变性也较独特，比如与工频同步的时变性，与人活 动相关的时变性，与脉冲噪声相关的传输时变性等 1 1 , 1 2 , 1 3 】。有两种现有信道与高速电力信道相似 一种是无线l a n 信道，下表试图把高速电力信道与无线l a n 信道做简单比较”】。 内容高速电力信道无线l a n 信道 绝对带宽 1 0 0 5 多径 d ，f l m h z ，近似可得到2 3 0 ”： z o ( 0 =周孺2 j a ym y f ) vc 咧瘸 其中p = l o g d + x d _ 2 _ 一d 2 。 当f = o 时，上两式奇异，奇异性主要来自对金属导线表面电阻的计算，当f 较小时趋肤深度 人丁导线半径，公式不再适合，这时需要更复杂的形式，一般用经验公式。从式中可以看到，当 f 增加时线路衰减增加，金属导电系数d 有盯= o o ( 1 + a ( 磊一丁) ) ，所以当温度升高时，线路衰 减也会增加，假设线路的衰减很小，可对y ( f ) 做简化。 旧谢肛去巧 * j 矿顾+ 砺1 捂 后面这项就是衰减，因为z o 对衰减的贡献很小，衰减主要来自y ( f ) ，所以可以认为在频率较 高时，衰减与7 成正比。 4 负载 简单表示，所以负载是模型中最灵活多变的参数。一般电器的电源模块决定其对电网的负载特性 呵以按电源类型对常用电器分类。 变压器输入小功率电器，如音响、打印机、v c d 机、充电器、防盗报警器等 带隔离的开关电源电视机，计算机，微波炉，大功率音响，变频空调 可控硅( 功率调节)调光灯，电子整流器 可控硅( 开关)非变频空调，电子控制的热水器、恒温熨斗等 单线开关所有的墙壁开关，各种零线和火线配置不平衡的电器 l 也热器件电炉，电饭煲，电吹风 7 东南人学硕i ：研究生论文 l 电动线圈交流电动器件，微风扇等 l 插拔电器电吹风，带k = 引线的充电器，各种不用时拔f 插头的屯器 i 谁标电器所有为棒省成本简化电源设计的电器，以调光灯为首，不一而足 表1 1 常刖电器分类 分类有时重合，如电视机内一般同时存在线性电源和开关电源，电吹风有电动线圈也有电热 器仆同时率身还是插拔电器，r 面对各类电器的负载特性作简要分析。 变压器输入是最广泛的低压电器供电方式，如下图所示： 域 变地器 图1 8 变压器输入 边是变压器示意恻，为了隔离，初级和次级线罔分开，所以等效图中l 较大，c 很小，对 通信频率可等效开路。 开关电源的输入如下图所示 火蛙 零线 地绒 图1 9 开关电源电路 为减少电源噪卢对电网的干扰，良好设计的开关电源l 和c 7 都比较大，这时可认为对高频开 路，但有些电路在e m c 线圈前加一个几f 的电容，对于3 0 m h z 频率，这几乎是短路，还有些 l 乜路l 较小，情况各异。 可控硅的具体电路著异较大，最直接的接法如下： 火线 零线 地线 t 鼯m j 塑地f 麴殛：) 兰 r 一 地线 图1 一l o 可控硅电路 做功率调节或做开关h j 的可控硅电路，等效负载大体相似，区别是做功率调节时会产生与t 频同步的时变性。可控硅在开启时存在电压突变，由此带来巨大的脉冲噪声，这是通信恶化的重 要冈素，为了减少对电网的影响，一般在输入端加滤波，如加一个0 o l “f 的电容，或者再加e m c 电感，那么负载特性会改善，可控硅电路控制的负载一般是电热或电动器件，在家庭环境下功率 不人，所以可控硅引起的传输特性变化对通信的影晌远没有伴随而来的噪声大。 单线开关是对信道影响比较独特的负载，下图是一个电灯开关电路 火线一。r 诵 y 火线_ ) 卜- 厂_ ) 主i 、二；孑二i 心 f 零线 ：塾! 图1 1 1 注意到只有火线单独引到开关，电路不平衡，对3 0 m h z 波长1 0 m ，1 4 波长2 5 m ，灯与开 关距离2 5 m 在家庭环境下完全可以达到，那么当开关断开时，就构成了单极子天线( 有些变形) ， 天线辐射阻抗7 5 q 左右与信道匹配良好，如果天线接收就会给信道带来很大的噪声，如果发射就 是电磁兼容问题了，单线不平衡现象在家庭屯网中普遍存在，大量电器使用单刀单掷开关，情况 8 垫挚 鐾驾 驾 东南大学坝 ：研究生论文 比较复杂，要详细分析这个问题可能还为时尚早。右边的等效电路就是开关开启时的情形，当开 关闭合时，电路平衡，一般电灯高频阻抗较人，等效为一段开路线，集总电路用l c 串联表示。 插拔电器对信道传输的影响时常来自其电源线，例如一般电器目e 置1 5 3 m 的电源线，电长 度大约2 5 m ，超过3 0 m h z 的1 ，4 波长，这样的枝节容易引起传输零点的变化。电源线可认为 是开路线，l c 表示。 l 火线r 火线 零线1 ：一j7 地墁_ l 而而 1 叫 零线 一j 1 一 桌cz ； 图】一1 2 插拔电器 电热i 乜器和电动电器等电路的等效电路可简单地归纳为如r 电路。 火线 零线 图1 一1 3 电热电器和电动电器 其中c 一般较小，l 较火，所以很多情况也可南接等效为开路。 在输电网中除电器外，还存在其他影响传输的因素，如电能表、漏电保安器、过压保护器、 过流保护器、断路器、配电箱等，多数对5 0 0 k h z 3 0 m h z 频率影响不大。电能表要分类考虑，传 统电能表采用串联线圈耦合获取电流，串联电感很大，等效为隔离开路，但某些数字表采用小电 阻获取电流，那么内部网就直接与外部网相连，情况就复杂了，对i n t e m e t 接入米说，因为这样 的电能表可省去桥接电路，通信建立会比较方便。但内外相连使信道噪声和传输特性更加恶劣， 传输速率降低，对高速传输来说得不偿失。 此外线路中的功率因子补偿电容也是恶化信道的重要因素，在配电网上为改善功率因子，相 隔一定距离要配置容最较大的补偿电容，许多较大感性的电器一般也要求自带补偿电容，这些电 容直接并在电网上，如果不如处理，对高频几乎短路，耍精确分析对通信造成的影响需要电容的 高频参数。但可预见，在将来电力高速通信普及时，对补偿电容会做些处理。 不良的电线连接也会影响通信，由于氧化，一方面连接处有时呈现较大的串联电阻，如n 甚 至1 n n ，另一方面，金属与金属氧化物接触，有可能会带来非线性，形成如下的电路。 f 扑一 图1 1 4 不良的电线连接 这个电路串联在线路上，当有正向电流时呈小电阻，当有反向电流时电阻较大，传输特性表 现为一频同步时变，对这种非线性分析较困难，但是否普遍存在需要实验验证。 总结上述负载，在仿真中使用如下经过简化的通用电路，改变元件数值，模型可以仿真大部 分负载。( 这个模型中，r 1 和l 并联，值太小会引起数值不稳定，计算时规定r i i n ) 脚 1 0 t “h 丰c 2 。丰c 1 ；r 2 图l 一1 5 通用模型 5 负载时变性 单相供电网络的传输时变性来自两个方面：一是温度等环境因素引起网络缓慢变化，另一种 9 一一 东南大学砸l 研究生论文 是t 频或人的活动引起负载快速变化，显然负载变化要更强烈，是影响通信的首要因素。j 其他 很多通信信道不同，电力负载引起的信道变化多数是瞬变的，例如一个开关的闭合时问不会超过 1 m s ，但引起的传输变化可能会比较大，一般在电器肩闭的同时还会产生若干大的电压脉冲，可 以预计信道的传输特性总是伴随电压脉冲的到来瞬时发生，这种性质刮应用于调制解调方案。电 器负载变化多是两种状态：开和闭，有时也出现多态的情形，如电视机可能有插入电源、电源开 肩、遥控开启、平关闭四态，再如电吹风状态就更多。各种状态的概率和转换概率不同，1 种简 单的描述是用m a r k o v 链，程序中采用r 三状态的m a r k o v 链“。在一个典型环境中，负载众多， 它们的时变性也有著异，例如楼道的灯和大厅的灯行为就很不同，但如果程序考虑这些差异就需 要生成人量的n x n 的状态转移矩阵，计算黉很大，对普通的统计仿真也没有必要，所以除非针 对特定环境的精确仿真，实际程序只使用一个矩阵，即认为活动电器的变化是等概率的。普通电 器的时变一般1 秒l = | 不到1 次，但仿真的采样频率在h s 最级，所以在每个仿真步，电器发生变 化的概率极小，对应转移矩阵对角线很大，见下式。 ip 1 1 p 1 2p 1 3l m = i p 2 1p 2 2 p 2 3 j ，其中p 1 1 ，p 2 2 ，p 3 3 z l 1p 3 lp 3 2p 3 3l l j 可以对m 分离，设p = m i n ( p 1 1 ，p 2 2 ，p 3 3 ) ； m 。：上 1 一p p 1 1 一pp 1 2 p 1 3 r， p p 2 ，。1p 2 p 2 ，- ：p p 2 3 f a 如2 l t p p1-ppp33p j p 3 1p 3 2 一 l 。 11 。 程序先用m 2 矩阵确定是否可能变化，如果变化则调用m l 确定变化的方向，m 2 的计算可以 很快，同时调用m 的概率很小，这可加快程序执行。 i ：频同步时变的负载比较特殊，要单独处理。 仿真程序中，负载生成是随机的。先要确定各负载种类的出现概率、活动概率、参数分布及 与线长的相关性等，然后调用网络构造程序与电线连线同时生成。 6 网络结构 网络结构是指电网中电线的类型、长度和连接方式，对内部网它很人程度上取决于房屋结构， 对配电网则取决与小区配置。11 1 6 图是儿种典型的网络结构。 字楼 i 山i i r 1 下下1m 月 图1 1 6j l 种典型的网络结构 从图中可以发现输电网的拓扑特点：树状，所有的分支都从一个共同的根部长出，根部一般 有一段引线：各分支有相似性或服从某个概率分布，分支可以递归，但层数不多，如2 3 层； 东南人学硕士研究生论文 各分支使川的线型种类不多；最末的分支接负载。构造程序模仿同样的过程：先确定概率分布， 构造根部，然后h j 递归或不递归方式随机生成分支，各分支按干线、次干线和分枝设置电线参数， 在分支术端接负载，最后设置端口。这样生成的模型比较粗略，如果要精确分析特定环境，例如 某房型的二_ ：! = 室厅，那么实际测量就免不了了。 7 计算精度 先计算。个简单的网络，并与m w o f f i c e 计算结果比较，发现两者重合，可见计算方法完 全止确。 与m w 0 f f i c e 比较，完全重台 f m h z 图1 1 7 与m w o f f i c e 计算结果比较 再来看级联较多衰减较人的情形，这是某次计算结果。 图1 1 8 级联较多衰减较大的网络 图中衰减 1 2 0 d b 的曲线不是真实计算结果，而是因为程序判定精度损失直接赋零，右图可 蚍看得更清楚，衰减曲线在 11 0 d b 时不再平滑，这不符合物理规律。把计算结果转换成两端口 散射矩阵后发现。频率高端散射矩阵$ 2 1 s 1 2 ，i $ 2 1 ，s 1 2 1 最人达到1 0 _ 6 量级。在程序中，所有的 计算都使用双精度类型( d o u b l e ，8 字节) ，理论上双精度数可以获得2 4 2 约1 0 1 6 精度，计算这个 图使_ j3 0 阶级联，为什么只获得1 矿精度昵2 分析计算过程发现a b c d 矩阵在计算高衰减的网 络时表现不稳定，考察如下网络 图1 1 9 高衰减的网络 设r x = 1 0 6 r ，即衰减约1 2 0 d b ，容易得到a b c d 矩阵： 翠 东南人学硕十研究生论文 f x r + 1肛 1 0 0 + 11 0 “f 1 ( r x + 2 r ) r 。h r + 1 11 1 0 。+ 21 0 6 + 1 i 互易条件：a d b c = ( 1 0 6 + 1 ) 2 1 0 6 ( 1 0 6 + 2 ) ， 现两个1 0 ”数减得到1 的运算，这非常不稳定， 对d o u b l e 运算大约保持1 0 4 精度。如果有多个矩阵级联，【a b ；c d 】值会越来越犬，实际上衰减较 人时，最屙的级联结果可达到l o ”量级，这时得到的结果只能说明信道衰减较大，具体数值已没 有意义。与a b c d 矩阵相比，散射矩阵的数值在无源网络计算中能一直保持良态，用它计算隔离 可以获得更高的精度，问题是s 矩阵级联的计算量大约是a b c d 阵的2 , 5 倍，经过优化后计算量 人约也在1 5 倍以上，而且程序复杂，对一般网络，a b c d 级联的计算结果能较精确地达到1 1 0 d b ， 对通信应j ； ；j 来说这已经足够，所以如果不分析较大衰减，如相间隔离，用a b c d 矩阵还是合适的。 8 典型网络分析 信道分析本质上是统计分析，在某个物理结构模式下，用网络计算得到多个样本，通过统计 可得到这个模式的信道特征，电力信道的传输特征相当复杂，考虑到树状网络的两端口间只有 个通道，可以猜测，在人尺度下，复杂的传输特性可以分解为若干小的子模式，这些子模式会比 较简单，只反映某方面的几何特征。下图是电力线的一种常见结构，这种结构可能并不单独存在， 而是网络的一部分，我们分析了这个网络在不同端1 2 间的传输特性。 ”# 目 同网络不同端口的传输特性不同网络端口的传输特性 m h zl m h z 图1 - - 2 0 统计意义下存在周期结构的网络 从图中可以发现这些趋势：1 、衰减随距离和频率线性增加，这符合人们的直觉，由丁趋肤 效应，单根电线的传输衰减随距离和频率线性增加，可以猜测电线组合的衰减也呈线性；2 、存 在许多小的随机的起伏，这是信号在负载和各不连续处不规则反射的结果：3 、在某些频率点上 总存在有较人的衰减，这是电力信道独有的比较奇特，实际上，从结构图中可以发现，统计意 义下，这个网络存在周期结构，特别是支线分支的位置和长度，根据微波理论，周期结构容易产 生带阻和带通，较人的衰减就是这种带阻结构的反映，在现实环境中周期结构是普遍存在的，例 如酒店电网、小区的配电网以及一层大楼的电网，那么频域上较宽、较深的衰减也会普遍存在， 而且剥网络中的每对节点不论距离远近都有相似而大小不同的影响，这对o f d m 通信的b i t s 分配、 编解码、交织、组网、信道估计会产生很大的影响。周期结构衰减的实际大小和宽度与诸多因素 1 2 东南人学硕l ：研究牛论文 有笑，例如周期性、枝j 诲多少、负载的离散性等，比较复杂，需要针对特定环境做讨论。周期结 构的带通特性般来说同样也存在，但冈为对系统影响不大，可先不作分析。对频域结果反傅立 叶变换厉叮得时域响应，如r 左图，进一步分析多径能量，如下也幽。 传输响应 图1 - - 2 1 多径分析 可以看到，这个网络的多径有如下特点：- - 3 0 d b 的多径延时长度大约2 u s ，且与端v i 距离关 系不明显，多径包络可近似为分段指数包络。 分析短期时变性，电力信道的短期时变性主要由负载引起，在统计意义r ，一次短期传输时 变总是由单个负载的变化引起的，所以可以考察单个负载变化引起的信道传输变化来分析时变 性，图1 - - 2 2 仿真某网络第1 4 节点由开路变成匹配时对0 与1 5 节点间传输参数的影响。 2 0 一 图1 - - 2 2 网络节点变化对传输的影响 从结果看引起的变化呈周期性，而且幅度和相位变化都较人。 分析电线接触引起非线性对传输的影响，在某个节点上串联二极管，其正向电阻l o h m ，反 向电阻1 5 0 h m ，图2 2 2 显示二极管在不同位_ 置时，正反向电流下的传输差异。 非线性小在直达线路j 图1 - - 2 3 串联二极管后的正反向衰减 东南大学硕i 一研究生论文 分析k 期时变性，图1 - - 2 4 姓用m a r k o v 链计算某对节点间的传输随时间的变化规律，可以 看到传输特性的大致趋势保持不变，但在任意单个频点上，随时间仍有较大变化。 图1 - - 2 4 传输随时间变化 9 统计模型 利_ _ j 上述结果我们最后试图构建一个简单的经验模型，这个模型针对小规模的用户网络。因 为各项衰减是相乘关系，按处理惯例先取对数，单位改用d b l 2 6 2 7 t 2 8 2 9 】。 h ( 0 d b = a 自3 ( d ) + a # * ( 经过节点数) + a n ( 经过节点数) 十am $ ( 节点离散性) + a 自# ( 非开路 负载的概率) 其中第一项a 自# r c d ) 是指直达线路各段衰减的总和，一般线路类型比较单纯，在f l m h z 时 有a 自* ( f , d ) ：l o g l 0 ( c d 4 f ) + 2 0 ( d b ) ，其中c 是待定常数，与电线及温度有关。 第二项考虑节点反射，节点反射带米频域起伏，同时也增加总体衰减，节点对传输的影响还 利负载有关，如果匹配负载较多，衰减增人，但一般阻抗总是开路较多，设经过节点数n d ，可 估计a r ( r i d ，f ) = c f n d ( d b ) 。 第三项是节点引起的起伏，它跟经过的节点数平u 枝节的长度分布有关，同时也跟负载有关， 因为对于开路线，旯4 即谐振，而短路线要五2 ，衰减起伏和节点问的距离关系不大，一般地 衰减起伏的密度也并不随频率增加而增加，究其原因可能有；首先充满频域的起伏总是由较长的 枝竹主导，其次虽然单个枝节会在频域低端引起比在高端更深的起伏，但在高端谐振枝节会更多。 对于一个输电网络，除了两个端口之间部分外还有其他网络通过干线与之连接，这部分网络同样 对起伏产生影响，可以估计起伏间隔与整体网络的大小有关，v = ( 7 5 1 ( 4 e r l ) ( m h z ) ，l 是与端口相连网络的最长距离，而起伏的大小和通过的节点数有关，4 = c d a n d ( d b ) 。 第四项是谐振，跟端口间的枝节长度分布有关，假设枝节长度分布有明显峰值，长度撮人的 峰值设为，则对应最低阻带频率为，f m i n = 7 5 ( 4 0 1 ) ( m h z ) ，它的第二阻带频率是第一阻带的三 斤 倍，即阻带间隔是2 f m i n ，阻带宽度与长度离散性有芙，阻带f 处的宽度4 正。= c 寻，。 l 第五项是用于补偿非开路负载以及端口阻抗失配带来的衰减，可认为大小与频率无关。 时域传输函数h o ) 的模型比频域模型更难处理，目前我们所能知道的只是i h ( t ) l 符合指数包络 或分段指数包络，h ( t ) 中的各条路径有相关性，但无法把h ( 1 ) 和h ( f ) 联系起来。困难在于，h ( t ) 和 h ( o 是线性关系，但对数意义rh ( o 【d b 】与h ( 0 不是线性关系，以及h ( f ) 相位也与h ( t ) 不是线性关 系，而对o f d m 系统来说h ( o d b 和h ( o 相位都很重要。 东南人学倾 一研究生论文 1 0 多线模型 传输线模型只能分析单相供电网络，要精确分析如t 一和配屯网等三相四线制的网络就需要 多线模型。我们做简单介绍，如。卜图3 0 】 嘻 图i 2 5 多线模型 对小区配电网，引入用户的仍然是单相，即一根随机选择的相线加零线，所以一般通信也建 立在相线与零线之间。我们把4 接地( 不很精确) ，写山传输微分方程： 以及 d d z d d z u 】 c 1 l c 1 2 c 1 3 c 1 2 c 2 2 c 2 3 c 1 3 c 2 3 c 3 3 d _ 击 u u 3 m 1 2 m 1 3 l 2 2m 2 3 i 旦 m 2 3 脚i 积 ， 厶 厶 + 只lo or 2 00 其中 c 】和【m 】矩阵相互确定，知道导线的直径、距离和导电系数后上式的【c 】、 m 和【r 阵都 可以求出，从而获得与传输线方程相似的解。 一段三相四线电线对应的是一个六端1 9 网络，它的a b c d 阵数值不很稳定，所以网络不能_ l l ；j a b c d 级联解，散射矩阵的级联也不甚方便，一个折中的方法是用t 阵，它的形式与a b c d 相 似，只是用输入输出散射代替电压和电流。六端口涉及的都是6 6 的复数矩阵，计算量很大。 厶l 丌ojii且 o o 船 2 3n ，l 一 = 东南人学硕i 研究生论文 第二章传输测量 1 各种测量方法 常弛测量信道传输特性的方法有三种：用网络分析仪，用信号源和频谱仪，用波形发生器加 存储示波器。 网络分析仪是测量传输特性最便捷的仪器，又分标量网络分析仪和矢量网络分析仪，前者只 能测量幅度衰减，后者可以测晕相位，并能在一次测量中获得二端口网络散射矩阵的所有四个参 数，从而可以直接推算出端口阻抗，网络分析仅的幅频测量都比较精确，能测量较大幅度的衰减， 特别是矢量网络分析仪，由丁测量前有校准过程，一般能获得精确的频率幅相特性，把结果做反 傅立叶变换后也可得到精细的时域曲线，是信道测量的理想工具。但网络分析仪也有其缺点：首 先足方法受场所限制，网络分析仪体积庞大，两个测量臂必须同时分别接到收发端口，端口相距 不可能太远。例如3 m ，这对实际信道测量来说无法接受，如果加接射频电缆，测量距离可稍增 加，但精度受损，对有些标量网络分析仪，信号源与分析仪可以直接分开，之间只用视频电缆连 接，端口距离可以再大，但因为标网不能测量相位。而且系统显得难看，实际并不常用：其次网 络分析仪是相对比较昂贵的仪器，它的输入放大器的灵敏度要求很高，容易因输入功率过大而损 坏，例如a g i l e n t 8 7 5 3 e s 矢网的烧毁功率是2 6 d b m w 或直流3 5 v p l 】，对于电力信道，超过2 0 v 的 脉冲噪声是常见的，所以如果要使用矢网，应适当降低耦合器的带宽以降低总体输入噪声；还有， 标量网络分析仪是宽带输入，在电力信道强烈的噪声环境下，较大衰减将会测量不到，矢网输入 一般是选频的，可抑制背景噪声，无法抑制窄带噪声，其校准过程对噪声也比较敏感，但情况会 好些，可以满足信道测试要求；此外，用网络分析仪难以测量短时变特性，因为扫描时间长，瞬 态变化难以捕捉，而且外同步困难。加上矢网还有开关过程，一般同步时变也无法精确分析。总 的米说，矢网在方便性、可信度和参数完整性上比较优越，灵敏度和灵活性上有欠缺。 信号源和频谱仪是测量无线信道的首选方案，因为信号源和频谱仪可分开接在收发端口上， 测量不受距离4 硅制，频谱仪的灵敏度很高，且比矢网健壮，例如a g i l e n t 4 4 0 4 b 频谱仪，灵敏度 - 12 0 d b c h z ，抗烧毁功率3 0 d b m 5 0 v p “，这样高的灵敏度接上1 0 d b 的衰减器后，能保证精确地 测量到较大幅度的衰减，同时也能应付信道电压冲击。频谱仪的输入有多级滤波器，而且多数带 宽可控，所以能很好地抑制背景噪声。对窄带噪卢频谱仪也有许多抑制方法，例如，先关闭信号 源测量噪声功率再开信号源测量，获得噪声和信号的总功率，因为噪声和信号独立，信号功率 就是总功率残噪声功率，如果发现信号功率不够，还可调大信号源功率再次测量。信号源的输出 一般频谱很纯，如果窄带噪声相对宽时，还有另一种简单的方法，即把频谱仪的带宽选得很窄， 打散噪声功率，提高信噪比。频谱仪在分析信道时变性时也比较独到，许多频谱仪提供接口允许 直接点频输出，那么通过程序就可以观察到信道在某个频率处长时间的变化规律，如果把扫频带 宽拉窄，还可以测量到多蒋勒频偏，这在分析工频同步噪声时相当重要的。通过观察高次谐波， 州频谱仪还可以分析网络的非线性。频谱仪方案的缺点是没有相位信息，很难分析对o f d m 系 统来说相当重要的信道多径；此外频谱仪方案在扫频测量时精度很低，不能满足系统要求，而点 频测量需要与信号源人工配合，测量整个频域时，扫描速度极慢，利用两个仪器的接 2 1 自动测量 可以加快扫描速度，受制于频谱仪滤波器的响应时间和信号源的稳定时间，良好的控制程序大约 也只能获得与网络分析仪相近的速度，所以难以分析整频域的短期时变性。相对来说，频谱仪方 案有很高的幅频精度，也比网络分析仪灵活。 前两种都是频域方法，用波形发生器加存储示波器则是时域方法，这是一大类方法，很灵活， 1 i 同的测试信号能获得不同的性能，一般测量速度都很快，结果有相位信息，其缺点是精度相对 较低，信号处理比较复杂。 东南人学硕十研究生论文 2 时域测揖原理 2 1 脉冲测量波形盼3 4 。一一：脉冲发生器。一j 图2 1 时域测量框幽 如2 1 所示，在脉冲发生器的触发f ，波形发生器不断产生信号，并馈入信道，再由存储示 波器测量端口输出，通过比较确定波形经过信道后发生的变化可以反