（电路与系统专业论文）低压电力线载波通信技术的研究.pdf

摘要 【iiiiiiiii i i ii ii i ii ii iii 、t17 3 4 4 8 5 电力线载波通信把电力线作为数据传输和信息交换的媒介，具有覆盖范围广、连接 方便、无需专业布线等优点，被认为是最具竞争力的宽带接入方式。随着信号传输和调 制技术的发展，以及新型信号处理芯片的出现，电力线载波通信进入快速发展时期。 电力线载波通信信道具有噪声干扰大、频率选择性衰落和多径传播等特性，大人降 低了其通信性能。而i f 交频分多路复用( o f d m ) 技术，由于具有较强的抗频率选择性衰落 和多径传播能力，常被用r 电力线载波通信中。我们知道，o f d m 是一种高效的多载波调 制技术，它将信息信号调制存多个子载波卜，这样不仅能够克服信道的频率选择性衰落 和多径传播，还能够有效提高频带利用率。所以从某种程度上讲，o f d m 作为关键调制方 法实现了电力线载波信号的高速传输。 这篇文章首先介绍了电力线载波通信( p l c ) 的概念及其信道特征，并在研究分析信 道特性的基础卜给出了电力线载波通信的信道模型。介绍了o f d m 技术的基本原理及调制 过程，并对其优缺点进行了剖析和研究。( ) f d m 应用于p i 。c 系统存在峰值平均功率比( p a p r ) 较大的问题，这将降 氐p l c 通信系统的性能，该i u j 题匾待解决。本文提出了一种新方法 一改进的次优迭代法，以降低0 m m 的峰均功率比。仿真结果表明，陔方法能够有效改善 o f d m 的峰均功牢特性。 关键词：正交频分复用( o f d m ) ，信道特性，峰值平均功牢比( p a p r ) ，部分传输序列( p t s ) a b s tr a c t p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ( p l c ) u s e sp o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nm e d i af o rd a t at r a n s m i s s i o na n d i n f o r m a t i o ne x c h a n g e t h ep l c ，f o rt h ea d v a n t a g e so fw i d ec o v e r ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，a n dn on e e d a d d e dw i r e ，i sc o n s i d e r e dt h em o s tc o m p e t i t i v em e t h o do fb r o a d b a n di n t e m e ta c c e s s f o rt h ed e v e l o p m e n t o fs i g n a lt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g ya n dm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt h ee m e r g e n c eo fn e wt y p es i g n a l p r o c e s s i n gc h i p ，p l ct e c h n o l o g yh a sg o t t e ni n t oh i g hs p e e dd e v e l o p m e n tp e r i o d a st h ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e lh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hn o i s ei n t e r f e r e n c e f r e q u e n c y s e l e c t i v ef a d i n ga n dm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，i t sc o m m u n i c a t i o np e r f o r m a n c ei s g r e a t l yr e d u c e d t h e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ( o f d m ) t e c h n o l o g y ，f o ri t si m m u n i t yt of r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n ga n dm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，i so f t e nu s e di nt h ep l cs y s t e m a sw e l lk n o w n ，o f d mi sa ne f f e c t i v e m u l t i c a r r i e rm o d u l a t i o n t e c h n o l o g y b ym o d u l a t i n g t h ei n f o r m a t i o ns i g n a lo nt o m a n yo r t h o g o n a i s u b - c a r r i e r s ，i tn o to n l yc a no v e r c o m et h ef r e q u e n c ys e l e c t i v el a d i n ga n dm u l t i p a t hp r o p a g a t i o n ，b u ta l s o c a l li m p r o v et h eb a n d w i d t he f f i c i e n c ye f f e c t i v e l y s o ，a st h ek e ym o d u l a t i o nm e t h o d ，o f d mr e a l i z e dt h e h i g hs p e e ds i g n a lt r a n s m i s s i o ni np l cs y s t e mt os o m ee x t e n t i n t h i s p a p e r ，t h ep l ci si n t r o d u c e df i r s t l y ，a n dt h e nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep o w e rl i n e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e la r es t u d i e d b a s e do nt h ea n a l y s e so fc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h i sp a p e rg i v e sp l c c h a n n e lm o d e l s e c o n d l y ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dm o d u l a t i o np r o c e s so fo f d ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， a n di t s a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ed i s s e c t e da n ds t u d i e da l s o b e i n ga p p l i e di nt h ep l cs y s t e m ， o f d mh a sal a r g e rp a p r ( p e a kt oa v e r a g ep o w e rr a t i o ) t h el a r g ep a p rw i l lr e d u c et h ec o m m u n i c a t i o n p e r f o n n a n c eo ft h ep l cs y s t e m t h i si sas e r i o u sp r o b l e mw h i c hm u s tb eo v e r c o m e s ot h i sp a p e rp r o p o s e d an e wm e t h o d - - i m p r o v e ds u b o p t i m a li t e r a t i v ea l g o r i t h mt or e d u c et h ep a p ro ft h eo f d ms y s t e m t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e t h o dc a ni m p r o v et h ep a p rp e r f o r m a n c eo ft h eo f d m s y s t e m k e y w o r d s ：o f d m ( o r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) ， c h a r a c t e r i s t i co f c h a n n e l ， p a p r ( p e a k t o a v e r a g ep o w e rr a t i o ) ，p t s ( p a r t i a lt r a n s m i ts e q u e n c e s ) 目录 摘要i a b s t r a c t 。il l 目录v 第一章绪论1 1 1 课题背景及研究意义l 1 2 电力线载波通信发展状况2 1 2 1 国外发展状况3 1 2 2 困内发展状况4 1 3 本文的主要研究内容及结构安排4 第二章低压电力线载波通信信道的特性分析及建模。7 2 1 低压电力线传输信道的特性分析7 2 1 1 低j | i 电力线传输的衰减特性一7 2 1 2 低压电力线传输的阻抗特性一9 2 1 3 低压电力线传输的十扰特性10 2 1 4 低瓜电力线传输的多径丁扰1 2 2 2 电力线通信信道的模型建立1 2 2 2 1 电j 线通信信道多径效应模型1 2 2 2 2 噪声模掣的建矗：及仿真1 4 2 3 小结l6 第三章电力线载波的调制解调技术的研究17 3 1 单载波与多载波通信系统1 7 3 2 币交频分复川( 0 f d m ) 的基本概念18 3 2 1o f d m 的发展18 3 2 2o f d m 的基本原理l8 3 2 3o f d m 的数学模型18 v 3 3o f d m 的实现过程1 9 3 4o f d m 的优点2 0 3 5o f d m 技术与扩频技术的比较2l 3 6o f d m 的关键技术2 2 3 6 1 同步技术2 2 3 6 2 峰均功率比2 3 3 6 3 信道编码和交织2 3 3 6 4 信道估计技术2 4 3 6 5 均衡技术2 4 3 7 小结2 4 第四章0 f d m 系统存在的p a p r 问题，2 5 4 1p a p r 过高的u j 题2 5 4 2p a p r 的定义及概率分布2 6 4 2 1p a p r 的定义2 6 4 2 2p a p r 的概率分伟一2 9 4 3 降低o f d m 系统峰平功率比的概率类方法3 l 4 3 1 选择性映射( s l m ) 方法3 2 4 3 2 部分传输序列( p t s ) 力法3 3 4 3 3+ 种基于p t s 方法的改进算法3 7 4 3 。4 仿真结果分析3 8 4 4 小结4 0 结束语4 1 参考文献4 3 致谢。4 5 攻读硕士学位期间的研究成果。4 7 独创性声明4 9 关于论文使用授权的说明。4 9 v l 第章绪论 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n p l c ) 技术是一种建立在电力配电网基础 上进行通信的一种信息传输方式，引，它利用配电网低j - i i 线路传输图形、图像、声音、文 字、视频、动画等多媒体信号。电力线通信r ，j 以实现电力线通信网络内部各节点之f n j 以 及与其他通信网络之问的通信。 利用中高压电力网络的电力线作为通信介质进行数据和语音的传输己经有几十年 的历史，而在高压线路上用载频进行语音传输则可追溯到1 9 2 0 年。”，那时的电力线通信 方式仪仅局限于传输话音、远动控制信号等，应用范闻窄，传输速率较低。随着技术的 发展进步，电力线载波通信技术不仅能够用于传输信号而且还叮以十分方便地对电网的 实际操作实现远程控制，f h 足由于传统的电力线载波通信技术速率低、功效差和成本高， 使得人们从未认真地把它作为一种通信方式。 随着社会的现代化和经济的快速发展，人lj x 1 供配电自动化程度提出更高的要求。 通信自动化水平是配电自动化程度的承要概i 忐。完善的信息与控制系统l l j 。以使操作人员 全面掌握、了解配电网的运行情况，r i j 以提高配电网运行的可靠性和效率，提高服务质 量，提高配电网络的管理水平，并提高氽业的经济效益。传统的电力线载波通信的应用 范闯窄，传输速率低，而f 1 前信息传输一在向大容量、高速率方向发展，传统的p l c 已 经不能满足要求，而完全依赖其它的通信手段又会增加巨额的安装、维护成本。冈此， 这就要求我们提高p l c 技术的信息传输速率，使其满足现代信息传输的要求，这也是现 代电力系统实现自动化的必然要求。 一方面，人类己经进入到信息时代，人们的h 常f 卜活中越来越多的使用网络，上网 已经成为许多人必不町少的需求。用何种通信方式将用户终端连接到最近的宽带网络连 接设备，成为当前困扰人们的难点，即宽带网络接入“最后一公早”问题。在现实生活 中居民家艰准都离不j i ：低j i i 电力线，既存的电力线是最大舰模的网络，可以为i ：网服务 提供的巨大物质基础。p l c 可以充分利川现有的低压配电网络罐础设施，足一种“n on e w w i r e s ”技术，它不需要铺设任何新的线路，肖省了制造线路和架设线路的成本，从而 f t , u t i 电力线载波通信技术的研究 也就避免了由j ：架i 殳线路对建筑物和公刚设施造成的破坏，节省人力、财力。利用低压 电力线实现上网的技术可以使用户十分方便的七网。近年来居民小区及大楼朝智能化发 展，在家单实现家居白动化是社会发展趋势的必然，在家中利用了低压电力线实现i i 网 后就i 叮以通过遍和各个房f f i j 的墙上捅座将智能家电联网，实现家居自动化，使用户充分 享用数字化家庭的舒适耵i 便利。理沦上，p l c 能够提供高速的数据传输，远远高于拨号 上网和 s d n ，比a d s i 。也要快。冈此，很多研究者认为利用低压电f 线传输高速数据足 最具自j 优势的解决宽带网络接入“最后一公咀”这一关键问题的方法。 另一方面，随着科技的进步，特别是讵交频分复用( o f d mo r t h o g o n a f r e q u e n c y d j v is i o nl v l u l t i p l e x ) 技术的发展和成熟，使宽带电力线通信的实现成为町能。电力线 信道由二j 二存在较强的噪声，高频信号衰减大，多径十扰也很严重，数字调频义称移频键 控( f s k 调制) 只能应用于低速率的电力线数据传输，在较高速率卜，就很难保证可靠 的电力线通信。而扩频技术的特点是传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽，凶此需 要较高的扩展频谱增益，在所使用的频率范围内，扩频技术刁、= 能满足传输更高速率电力 线通信的要求。o f d m 足将信道分成若干币交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速 子数据流，调制到在每个子信道上进行传输的一。种特殊的多载波传输方案。它在窄带带 宽下也能够发出大量的数据，同时利用循环前缀信号町消除码问干扰和子载波信道i i i j 十 扰，具有频谱利用率高、抗频率选择性衰减、纠错力强，信道均衡技术简单、信号调制 解凋易j 二实现等优点，因此被广泛j j 于高速数据接入系统中。把o f d m 技术j 澎用于电力 线通信领域，为p l c 向高速化发展奠定了基础。 1 2 电力线载波通信发展状况 p l c 技术是在上l i = 纪十年代初期出现的，是一种建立在电力配电网鉴础 ：进行通 信的种信息传输方式，发展初期主要是利用高压电力线( 3 5 千伏以上) 进行信息传输， 传递的信号主要是语音信号，j 邂用范i 翻窄，传输速率较低，其传输频带受限，传输容量 相对较小。在现有低压配电线路( 2 2 0 v ) 进行信息传输的技术m 现于九f f 。年代后期，它 首先被用于负荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1 2 0 0 b it s ，称为低 速p i 。c 。随着高速上网愈来愈普及，利用低f k 电力线上网要求的传输速率较高，低速p i ，c 无法满足用户对i 二网速率的要求，冈此近几年来，国内外j 1 ：展了利用f i , r cj - i 巾力线将传输 速率提升至i m b it s 以上的技术研究，也就是现在我们所蜕的高速p l ，c 。 第一章绪论 1 2 1 国外发展状况 在国外对高速p l c 技术的研究开始的相对比较早，英国n o r w e b 通信公司早在二十 世纪初期就j j ：始了高速p c i 。技术的研究工作，经过长时问的研究于1 9 9 7 年1 0 月和北方 电讯联合宣布，可以在电力线上达到1 m b p s 的通信速率。在英困，i ：展高速p c i 。技术的研 究工作的l 司时，西班牙、瑞士、美国、以色列等多家公司也先后启动了高速p l c 研发项 目。几年后，随着各项技术的不断完善和进步，多家公司取得了关键技术的突破，并逐 步形成了各自的系统和芯片。p l c 的专用芯片的研究在很大程度上影响着高速p l c 技术 的发展，n - - 十一世纪初期，p l c 专用：醛片的制造技术已经取得可喜进展，目f j 订，比较 完善的p l c 专用芯片主要有以下几种：美围i n t e l i o n 公司f ：发的1 4 、8 5 、2 0 0 m p b s ，”t 3 , 片，韩困x e li n e 公司研制j ：发的3 2 m b p s 芯片以及两班牙d s 2 公司研制的4 5 、2 0 0 m p b s j 落片等等。其中美国i n t e l l o n 公司最早推出的1 4 m p b s ，u q - 片是现在被广泛的应刖于电力 线载波通信系统的一种芯片，目前主要针对家庭联网应用，许多p l c 系统的，r 发都是基 于这一款芯片的；由于d s 2 公司研制的芯片具有网络功能和例管功能，冈此使川这种芯 片能够使网络运营商更好地对系统进行运营维护。 近几年来，欧洲对高速p l c 的研究处于比较领先的地位，为了使p l 。c 能够人规模的 应用，欧龃联合欧洲的辛要p l c 研究丌发力量启动了o p e r a 计划，该计划的最终目标是 将利用完善的p l c 技术实现整个欧洲的信息化，i 叮制定p l c 统技术卡，j i 准足实现p l c 技 术普及和整个欧洲信息化的第一。步。美固、同本、以色列等卜j 家的许多大新电力企、j p 也 纷纷丌展低爪配电嗍通信的研究和试验。到目d ，j - 为i ：，p i 。c 的试验网络已绛遍御l 址界许 多地方，p l c 技术实现商业化是必然趋势。 随着低压p c l 芯片和系统的出现，蝗高速p l c 试验网络也桐继在两方国家建市起 来，并日取得良好的效果。在电力线通信技术取得裎著进步的情形f ，世界些知名的 大公刊也逐步，i ：始看好宽带电力线接入技术。宽带电力线接入技术就是利川现有的电力 线实现宽带网络的接入，充分发挥p l c 技术的潜力将会实现数据、语音、视频、电力的 传输为一线的“四网合一”。g o o g l e 于2 0 0 5 年与高盛集川和h e a r s t 媒体集川共同投资 c u r r e n t c o m m u n ic a tio n s 公司。其目的主要是研究利用高速p l c 技术实跳高速网络传输， 这利一建膏：在电力系统皋础上的l ：网技术将会使用户上网变得方便快捷。紧接管，i b m 宣 椎与美幽c e n t e rp o jn t 能源公司携手测试电力线宽带业务。这将意味着电力线通信技 术会自雄厚的发展皋础和广阔的市场，电力线载波系统将会成为应j t j 最为广泛的通信手 低压i u 力线载波通信技术的研究 段。 1 2 2 国内发展状况 在幽内早在二十世纪四十年代时就已有门本t 卜产的载波机在东北运行，做为长距离 电力调度的通信手段，我因大规模地，i ：展用户配电网载波应用技术的研究是在2 0 0 0 年。 2 0 0 1 年困电通信中心在原吲家电力公司的纣l 织f ，丌始实施低压配电网电力线宽带接入 技术的实验及推广应用。国家高度重视高速p l c 技术的研发，多次设立p l c 专项科技项 目，此外国电通信中心成寺了p l c 领导小组，确矗：了推动电力线通信技术研究、试验及 推广应用的策m a i n 思路，引进了困内外多家企、l k 的产品在北京进行实验，为p l c 技术的 发展打下了l 簪实的基础。短短的三年多时问内，在研究电磁兼容特性测试、网络性能测 试和工程探索等理论内容的基础上，结合我幽电网的实际情况提出并实践了具有中国特 色的电力线通信技术应用模式，进行了大鼍的人规模的低j l i 配电网电力线宽带接入的实 验，建市了世界上最大规模的电力线宽带接入试验运行网络。实际测试结果表明，即使 在信道环境十分恶劣的条件下，采用性能较好的芯片，上f 行数掂传输速率均町达到理 想的速度。目前已有北京意科、深圳l ：目电、福建亿力、上海元利等企业生产基f 外凼芯 片的电力调制解凋器( 电力猫) ，并已投入实际使用。剑2 0 0 5 年，电力线通信宽带接入 用户达到近6 0 万，构建了世界上最大的p l c 宽带接入用户试验运营网络。 f j 时我们应该看到p i 。c 技术在我幽的应用还f i 是很完善，困内电力线通信的研发和 应用与h 外还有一定距离，丰要的原闪是决定h ( ：技术的关键在于p l c 专用调制解调：卷 一扎我国采用的芯片基本来源j ：幽外，然而f 日内 u 网与h 外的情况有很大不同，从幽外 引进的芯片刁i 能完全适应幽内的实际情况。为了利崩周外的芯片在我翻成功实现p l c 技 术，要求我们要根据我困的实践情况选择适当的芯片，并根据实际情况设计合理的耦合 接口。 l - 3 本文的主要研究内容及结构安排 在电力线 ：进行信息通信，不仅要求我们要对载波通信信道特性允分了解，克服电 力线作为通信信道所具有的f 利冈素，还要建讧合适的信道数学模型；要求我们选择合 适的信号渊制解调方法，以便于信号传输。本文内容的主要安排如下：首先研究和分析 了低j 1 i 电力线传输的信道特性，包括其噪声特性，阻抗特性：和衰减特性，尝试建。遗合理 的信道模型，并对噪卢模型进行仿真；其次，对比和分析了i 乜力线载波的传统调制技术， 4 第一章绪论 结合低压电力线通信的特点选择适合于电力线通信的调制技术；再次，详细分析了o f d m 调制解调技术的特点，对其关键技术进行讨论；针对o f d m 技术存在的p a p r 过高问题， 提出了种p t s 新的迭代算法，并通过仿真验证其结果。 本文内容安排如下： 第。章：为绪论部分，首先详细的介绍了研究电力线载波通信的目的、意义和优势， 其次对国内外研究现状进行分析，最后列出了本课题的丰要研究内容及结构安排。 第二章：研究和分析了低压电力线传输信道的特性，从传输线干扰特性、传输线阻 抗特性、信道噪声和信道衰减等方面进行了分析，并给出了低压电力线传输的数学模型。 并进行仿真分析。 第三章：对低j = i i 电力线载波的o f d m 调制技术的基本原理、实现过程和关键技术进 行分析，指出其在信号调制解调方面的优越性，而临的问题及解决方案。 第 q 章：针对p a p r 过高的问题进行详细分析，在部分传输序列( p t s ) 方法的基础 上，提出一种改进的迭代算法来降低系统的复杂度并改善系统的p a p r 性能，并进行仿 真验证。 结束语：总结提 n 今后的研究方向。 第二章低爪i u 力线载波通信信道的特性分析及建模 第二章低压电力线载波通信信道的特性分析及建模 信道的阻抗特性、衰减特性和干扰特性是影响通信信道性能的关键因素。因此，在 使用电力线作为信号传输媒介之前，需要对它的信道特性进行分析。上个世纪六七十年 代以米，对于中高压电力线作为信号传输信道的研究与心用已经很成熟，例如电力线载 波电话的广泛应用。但对于低压电力线载波通信技术的研究还不是很深，如通信信道的 特性以及信道数学建模等方嘶的问题，我们还要进行具体分析研究。 2 1 低压电力线传输信道的特性分析 对于电力线载波通信来说，将低压电力线用作通信信道具有其特有的优势，但是电 力线是用米传输电能的，即传送5 0 h zj ：频信号，并f i 是理想的传输媒介，它作为通信 信道有很多弊端。一般来说，通信电缆传输f i 抗均匀，信道特性平坩，受外界干扰小， 而低乐电力线载波通信信道环境非常恶劣，线上存在大节噪声，负载多，配置情况复杂， 而且负载工作状态的随时叟化还会引起电力线传输特，陀和阻抗的随时变化。皋一r 这些特 点，有必要对电力线进 n 羊尽的分析，尽t ，j 能建谚个符合信道特点的合理的数学模型。 2 1 1 低压电力线传输的衰减特性 任何信号在传输的过程中都会产生f i l 1 1 7 - - 度的衰减。信号的衰减与传输信号的通信 信道有关。首先考虑信号发送装置信道1 l j 的耦合衰减特性，它与信道本身的输入阻抗 有很大关系。另一种t 要的衰减特性足信号在信道中传输时的衰减特性。在理论上耦合 器的内阻可以做的相当小，凶此，衰减特p f 就主要取决于线j i ! 上的衰减。电力线本身的 阻抗很小，对于刁i 司的频率变化，其陲l 抗会有所变化但相对稳定，但对于高频信号来 兑， 电力线一f ：由各种不同性质的负载仟崽的连接和断丌引起的阻抗变化，将直接影响到信号 的传输质量。 信号频率与信号哀减存在直接的天系。图2 1 是在。个 ：业建筑内测m 的信号哀减 l j f , j i 率之间的关系n 1 。a ) 和b ) 分别足同一一点的白大和晚上的数据。 低乐i u 力线载波通信技术f r c j _ f , ) r 究 雹 鬣 牲 频率k h z ： a ) 白天 翟 键 褂 频徘h z b ) 晚上 图2 1 衰减与频率变化关系 图a ) 中，曲线is 是近距离传输( 大约1 0 米) 的衰减特性，随频率变化比较缓慢， 两点问的负载对信号衷减影响较小。曲线i 是在较长距离( 估计在2 0 一3 0 0 米) 测得的 衰减和频率的梢。瓦天系，与曲线i s 相比衰减随频率变化比较大。由此可知传输拦扛离是 影响衰减的一个重要闪素。对丁曲线l ，频率为4 0 k h z 时，衰减为2 0 d b ，当频率为2 2 5 k l l z 时，衰减达到6 0 d b ，衰减变化几乎达到4 0 d b 。再从曲线a l 巾我们可以看到，对于频率 低于5 0 k i l z 的信号，哀减在2 0 - 3 0 d b 之问变化，哀减1 j 频率成反比；对于频率高于8 0 k h z 的信号，哀减与频率成i f 比。曲线a 1 和a 2 表示较长距离但不同柏的信号哀减。比较曲 线i ，a 1 和a 2 以发脱，高频信号l ：跨柏f 擘橘时，哀减般都比h 相传播要大，町以达 到l0 d b 以上。 图b ) 足在晚上同+ 地点测得的哀减曲线。| | | l 线【s 与图a ) 中i s 几乎完全柏| 一。通 过比较两图巾的曲线i ，我们发现在定的频率段内，同一地点晚上同相传输的哀减比 白天要小，存某螳频二棼，量甚爷可以小 一几d b 。造成这种自天和仪间衰减不同的卡要原例 是晚i 日j 电力线负载较轻。分别比较两幅图中的曲线a l 和a 2 我们可以得到晚上跨相传输 的哀减变化较大，在某螳频率的哀减比白天还要大2 0 d b ，这可能足阻抗性负钱、多径传 播或驻波等造成的。 总的水浼，信i - 1f 0 输的距离越远，信号衰减就越厉害。另外，电力线负载不断变化， 阻抗的f i 匹配会导致反射和驻波等复杂情况的混合发，卜，使信号的衰减随拦巨离的变化关 系变得更加复杂，有时甚至现棚反的结沦。中困 乜网一t - 乡) - 复杂，析j 线的f i 规范，分支 和迁h 过多以及不刷舰格电缆的使用等凶素增力了信号的反射衰耗。凶此，信号在中固 电网中传输衰减严晕，有报道称其衰减深度l 叮达1 3 0 d b 。 第二章低压i u 力线载波通信信道的特性分析及建模 由f 低压电网环境十分复杂，低，瓦电j 线上的影响【大l 素廿常多，衰减的分析计算极 端困难，人们只能根据试验结果进行定性分析比较。 2 1 2 低压电力线传输的阻抗特性 低压电力线的输入阻抗是体现低压电力线传输特性的一个重要参数哺1 。输入阻抗受 外界影响发生的变化会导致阻抗不匹配，直接影响信号的耦合。 图2 2 中，z 。表示发送端阻抗，z ，表示接收端并联的负载，z 。为从接收端看输入 的等效附抗。其可以看出，低压电力线输入阻抗主要山三部分组成：l 、变电站的变压器 产q - 的阻抗；2 、导线的特性阻抗；3 、接在电力线上的负载阻抗m3 。 么s i l i卜_ i 电 i 信 力 口 线 可 源 网 | 络厂 z g 图2 2 低压电力线网络模型 低爪电力线上的输入阻抗是传输信号频率的函数。舀硼! 想情况卜，巳j 没有负载时， 电力线相当于一根均匀分和的传输线；当电力线上有负载时，由r 分布电感和分布电容 的影响，输入阻抗会随着频率的增人而减小。由于不同的负载旱现不同的频率变化，当 多种负载同时发牛作用时，输入| 5 且抗会变的无法预测。 现有的研究结果表明，低压配电网的输入阻抗般为儿欧姆到几卜欧姆，并t ：4 和频 率成i f 比。低脏配电网的输入阻抗在1 0 0 k h z 频率f 一般较小， 般用户的输入瞰【抗在 l o h z 、l o o k t l z 内i 叮降至2 欧姆。根据文献 7 ，图2 - 3 用对数绘出了实测出的输入阻抗与 频率的关系数据。 从图2 3 中町以看出，电力线上的输入阻抗随传输信号频率的叟化而变化着，变化 范恫较大，几乎达到了1 0 0 0 倍。在该图所示的频率范围内，输入阻抗随频率的变化呈 现多样性。这是凶为：将电力线看作接仃各种负载的传输线，负载和电力线s 叮能组成许 多共振咆路，在共振频牢及其附近就形成了图中的f k 乇l ；t t 抗区。另外，网络负载随机地连 接或断丌，导敏电力线输入阻抗发e 较大i 幅度的改变，从而造成电网中不同通信节点上 9 低压i u j 线钱波通信技术的研究 输入阻抗的改变。 爨 疑 1 0 0 1 0 1 0 02 0 0 4 0 0 6 0 08 0 0 1 0 0 0 频- - 瓤h z 图2 3 输入阻抗一频率关系图 由上面分析可知，外界环境的f 扰和内部产生的七振使输入| ；h 抗变得无法预知，阻 抗变成了时j 和空i 日j 的函数。由图2 31 1 p j l l ，在低频段，阻抗随频率变化呈现无规律性 变化；采用高频载波是有利的，它可以使低j - k 配电网的输入阻抗相对稳定，但同时也带 来了一些弊端如产生谐振现象和火信号的衰减。 2 1 3 低压电力线传输的干扰特性 电力线的噪声干扰是影响低压电力线进ij ：数叛e 通信的一个关键指标。电力线噪卢分 为非人为噪卢和人为噪声。非人为噪卢足自然现象，如电力线老化现象所引起的噪声； 人为噪声则主要是指各种电器，如电脑， u 视等及l 乜力线本身的所产牛的，它刈数据通 信产生尤为重要的影响。低压电力网的噪声水半墩决j ：居民家中用的电器改备，以及在 同一台配电变压器f 其它居民使用的设备。为了简化分析干二扰特。 ，# ，我们将 ! l 力线载波 信道噪声从不同角度大致划分为以f “人类n ： 1 0 第二章低爪i u 力线载波通信信道的特性分析及建模 图2 4 电力线噪声图 1 有色背景噪卢是一种随机干扰，是关于时问的函数，其功牢谱密度( p s i ) ) s t ：i x , l - 较低，与频率成反比。对普通家用电器，如，：关电源或空调，它町以造成频率范闭高 达3 0 m i i z 的干扰。背景噪声很少能够达到最高功率水平，而且它们将与传输信号一一样 被用，、配电嘲络所衰减。它的平均功率谱为： ，：l o l 一3 9 5 。1 旷，_ j( 2 1 ) 式中：参数k 随时l 、日j 缓慢地变化；而r 为频率( i z ) 。 2 窄带噪声【 j 。 i 短波，。播信号的干扰而产生，主要足一些经过幅度凋制的i f 弦 信号。窄带噪声的值随着环境的，叟化会有所变化，通常夜晚比白灭幅度高。 3 异步于工频的剧期脉冲噪卢它是l j 电网中瞬时的电气，j i ：断引起的种噪声， 通常卜b 大功率电器设备周期，阽的，r 闭动作产生，其功率谱为离散的谱线。这类噪声的功 率谱密度自时比背景噪声高5 0 d b 。 4 同步于j ：频的周期脉冲噪声是瞬间发生的，功率酱幅度和频牢成反比。主要 是电力设备按5 0 h z 频二簪：作广：生的脉冲，重复率为5 0 1 i z 或5 0 h z 的倍频。 5 随机脉冲噪声通常是指具自高能量的脉冲- t 扰。例如高压丌关的突然跳闸， 雷电的突然袭击，还有人为岗素造成的短路。具有不确定性，但能量很集中，频谱也很 宽，功率谱密度有时会高 h 背景噪声5 0 d b 。 通常，前t 种噪声都是时1 1 l j 的函数，常归结为背景噪声，这些噪声都存在平均功率 小，频谱宽，持续存存的特点，有可l - t v _ _ t f 1 1 分或全部覆盖信号频淆，因此，通信过程中的 信噪比一一j 能变差，导敛误码率增加。后两种噪声都是的瞬川发生的，具有f i 确定性，功 率谱密度突然卜升，造成很大的误差。 低几电力线载波通信技术f 内研究 2 1 4 低压电力线传输的多径干扰 多径效应( m u lt i p a t h ) 足电力线通信的干扰因素之一，信号通过不同的通路所 j 的 时间1 i 同，而延迟信号住接收机端与原始信号替力产- 干扰，即多径干扰。 多径干扰及山此引起的频率选择性衰减是电力线信道的一个重要特征，严格地说， 这种衰减属j 二线路衰减的一种。造成多径干扰的主要原因是电力例用r 乜设备与网络阻抗 不匹配。电力线所连接的电力设备数最巨大、干叶，类众多，整个网络的| 5 l 抗处于动态叟化 之中。电力负载的多样性导致了电力线阻抗的不匹配，这样会造成通信信道中的阻抗不 连续，产生f 同程度的断点，从而发生了多径干扰现象。在某一。时刻传输信号时， i 于 传输信道中阻抗的不一致，在阻抗断点处会发，卜不同程度的反射现象，信号会通过不同 的路径到达接受点，而f 、= 是直接由发射端传输到接收端，这样就卣接导致忖一时川发出 的信号，山于传输路径的4 、= 同发生信号的延迟，接收信号变成了原发射信号以及经过反 射延时后的信号之和。 多径干扰使信号旱现周期性的衰落，这在通信中称为“频率选拌性衰落”，这种现 象会使某：唔频率点卜信道的频响曲线突然i q j 现很深的州陷，呈现很大的哀减。多路反射 信号到达接收，_ 的时| 日j 、相位不同，在接收端卺加后对有用信号形成干扰。存带宽一定 的情况下，数据传输速牢越高符号宽度越窄，多径信号与自2 接f 冬输的符号之问的时延4 1 1 对于载波周期较长，当多径时延较为严再时，女l l 存接收端日，【f l i 符号的多径信号与后l f i 符 号同时到达，这样，就会造成多径信号与传输信号的码f h j 串扰，严囊时各拔波信号叠j j 【1 后总信号值接近于零，使接收系统完伞丧失判决能力。 2 2 电力线通信信道的模型建立 m ：i 血i 的分析- j 知，对十低压电力线信号来说，阻抗、噪声、多径十扰的多重影响 导致信号的研究异常复杂，多变的环境变化告诉我们要找剑一个同定的模，弘来解析它的 变化非常凼难。实际情况下，我们只是定性的进 i 分析，或者通过实验数 ；l i ：木进彳j ：分析。 存实际的计算机仿真中我们往往只能取一个较为简币的模型对它进行分析，这也是 前 对电力线信道分析的辛要手段。 2 2 1 电力线通信信道多径效应模型 电力线网络具有众多的节点和分支，这种类型的拓扑结构决定了信号的多路传输特 第一：章低昧l b 力线载波通信信道的特性分析及建模 性。电力线信道模型足lc ! 力线随频率和距离衰减的特性，而且是多条线路反射组成的多 径模型。当电力线信号受电缆外层绝缘材料的影u 向时，它的衰减与频率和距离都成正比 变化。 将n 个反射波合并，传输信道呵以用冲激函数来描述： 删= c i t 岁( t f ，) ( 2 2 ) 扛l 因子c ，用来表示反射波的衰减情况：系数r ，表示第i 路反射波的纯延迟时问： 铲争等 3 ， d ，是指电力线的长度，为r 乜磁波在电力线媒介中的传输速率，c 。是指光速，s ， 为电力线媒介常数。埘式( 2 - 2 ) 进行傅驰叶变换得到下式： ， h ( j ) = c ，p 。2 加 在现实条件下，系数c j 取决f 电j j 线的k 度和信号频率。 ( 2 4 ) 通过对信道特性的测试分析，得到如。f 的表达式： c ( 厂，d ) = g ，p 础 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中，权衡防i 子g j 代表第i 条路径的反射和传输冈子的乘积。山式( 2 - 4 ) 与 式( 2 - 5 ) 合并得： m ) = 善n 叩x p ( 珈诎x p h 州，毒) ( n _ 6 ) 对条指定的电缆线，衰减系数a 和f 之i h j 的确切天系可以表示为f 式： a ( 厂) = a 。+ a 。厂 ( 2 7 ) 其中a 。、a 。和k 足衰耗参数，k ( 0 5 ，i ) 。 由式( 2 - 7 ) 可知，当r 发生变化时，町以商接计算出衰减系数a 的变化。因此， 对- j ：