（通信与信息系统专业论文）基于电力线载波通信的数据传输系统研究与实现.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 电力线载波通信( p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s ，p l c ) 是利用电力线作为 介质传输信号的一种新通信技术，它充分利用了现有的电力网络资源，在不影响 电力线路传输电能的同时，实现数据、语音、视频等多媒体传输。p l c 具有不需 要重新布线、数据通信网络建设速度快和投资少的特点，可以实现传输速度高于 现有无线技术的通信。而且由于电力线网络分布广泛，p l c 数据通信网络和宽带 接入具有其他技术难以比拟的优势。 然而，电力线是为电能输送设计的，p l c 需要克服电力线信道的恶劣环境。 因此，本文从电力线信道的输入阻抗特性、信道衰落特性、噪声特性和时变特性 等几个方面进行了分析讨论。电力线信道的输入阻抗总体上随频率增加而增加， 在某些频率上有剧烈波动；电力线上信道衰落正比于通信距离和通信速率，会出 现频率选择性衰落；信道噪声来源复杂，包括有色噪声、窄带噪声、周期噪声和 随机噪声等；因不同时间电力线上的用电设备不同，电力线的噪声及其他参量具 有时变性。在p l c 中采用了各种不同的调制技术( f s k 、扩频通信和o f d m ) 来 克服这些不利因素，本文对它们的工作原理和特点进行了探讨。论文主要工作如 下： ( 1 ) 设计并实现了基于p l c 芯片s t 7 5 3 8 低压窄带数据传输系统。包括电力 线载波自动抄表系统和p l c 公共照明等用电设备监控系统。 ( 2 ) 设计了树形结构的三相电力线数据通信网络。通过中继实现远距离传输， 克服了p l c 传输距离相对短的问题。考虑电力线信道特点，通信采用应答方式和 超时重发机制，根据信道的时变特性完成数据通信。 ( 3 ) 设计并实现了具有串行通信接口的基于s t 7 5 3 8 的p l c 模块，制定了用 于数据传输的通信协议，具备中继传输功能，可扩展性、通用性好。 ( 4 ) 在自动抄表系统中，对数据终端站的硬件设计、数据采集、存储、查询 和读取的软件设计、以及数据通信协议的软件实现方法等几个方面进行了详细介 绍。在公共照明设备自动监控系统中，对控制终端的硬件设计及其工作原理进行 山东大学硕士学位论文 了分析说明，并对软件编程方法进行了介绍。 ( 5 ) 研制了p l c 自动抄表系统样机，并通过了实验测试。 关键词：电力线载波通信；调制技术：通信协议；终端；自动抄表系统 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s ( p l c ) i san e wt e c h n i q u ew h i c hu t i l i z e st h e p o w e rl i n ea sm e d i u mt ot r a n s f e rs i g n a l s i tt a k e sf u l la d v a n t a g eo fp o w e rn e t w o r k r e s o u r c e st or e a l i z em u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n ( d a t a , s p e e c ha n dv i d e o ) ，a n dd o e sn o t a f f e c tt r a n s m i s s i o no fe l e c t r i ce n e r g y p l ch a st h ea d v a n t a g eo fw i t h o u tr e w i r i n g ， h i - s p e e dd a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb u i l d i n ga n ds m a l li n v e s t m e n t i tc a nt r a n s f e r s i g n a l sf a s t e rt h a nt h ee x i s t i n gw i r e l e s st e c h n i q u e s s i n c et h ew i d ed i s t r i b u t i o no fp o w e r l i n en e t w o r k ，t h ed a t ac o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n db r o a d b a n da c c e s so fp l ch a v em o r e s u p e r i o r i t yt h a no t h e rt e c h n i q u e s h o w e v e r p o w e rl i n ew a sd e s i g n e df o re l e c t r i ce n e r g yt r a n s m i s s i o n ，p l ch a sb a d c o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n ti nt h ep o w e rl i n ec h a n n e l s s o ，w ea n a l y s i st h ec h a r a c t e r s o fp o w e rl i n ec h a n n e l sw h i c hi n c l u d ei n p u ti m p e d a n c e ，c h a n n e lf a d i n g ，n o i s ea n dt i m e v a r y i n g t h ei n p u ti m p e d a n c ei n c r e a s e w i t hc o m m u n i c a t i o nf r e q u e n c yi n c r e a s i n g g e n e r a l l y , a n d w i l lf l u c t u a t e w i l d l y a ts o m ef r e q u e n c y t h ec h a n n e l f a d i n gi s p r o p o r t i o n a lt oc o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ea n df r e q u e n c y t h e r ea r em a n yn o i s es o u r c e s ， s u c ha sc o l o r e dn o i s e ，n a r r o w - b a n dn o i s e ，p e r i o d i cn o i s e ，s t o c h a s t i cn o i s e ，e ta 1 b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n te q u i p m e n to ft h ep o w e rl i n eu s i n gi nd i f f e r e n tt i m e ，t h en o i s e a n do t h e rp a r a m e t e r sa r et i m ev a r y i n g t oo v e r c o m et h e s ea d v e r s ef a c t o r s ，w ea d o p t v a r i o u sm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ( f s k ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o na n do f d m ) t h em a i nc o n t e n t so fp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( i ) d e s i g na n dr e a l i z eal o wt e n s i o nn a r r o w - b a n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s e do np l cc h i p s t 7 5 38 ，w h i c hi n c l u d e sa u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e ma n d m o n i t o r i n gs y s t e mo fp u b l i cl i g h t i n ge q u i p m e n t ( 2 ) d e s i g nt h et r e es t r u c t u r eo ft h r e ep h a s ep o w e rl i n ed a t ac o m m u n i c a t i o n n e t w o r k o v e r c o m et h ep l ct r a n s m i s s i o nd i s t a n c ep r o b l e mb yr e l a y i n ga p p r o a c h c o n s i d e r i n gt h ep o w e r l i n ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s ，w ea d o p ta n s w e rm o d ea n do v e r t i m e r e t r a n s m i s s i o nt oa c h i e v ec o m m u n i c a t i n g ( 3 ) d e s i g na n dr e a l i z eap l cm o d u l eb a s e do ns t 7 5 3 8w i t hs e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e d e v e l o p ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o lw i t ht h e p r o p e r t i e s o fr e l a y i n g t r a n s m i s s i o n ，e x p a n d a b i l i t ya n dg e n e r a l i t y ( 4 ) ad e t a i l e di n t r o d u c t i o no fh a r d w a r ed e s i g n ，d a t ap r o c e s s i n g ( a c q u i s i t i o n ， i i i 山东大学硕士学位论文 s t o r a g e ，i n q u i r ya n dr e a d i n g ) ，a n dt h es o f t w a r er e a l i z a t i o no fc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li s g i v e ni ns e c t i o n4 1 i ns e c t i o n4 2 ，a l la n a l y s i so ft h eh a r d w a r ed e s i g na n dw o r k i n g p r i n c i p l eo fc o n t r o lt e r m i n a li sg i v e n ，a n dt h ep r o g r a m m i n gm e t h o di ni n t r o d u c e d ( 5 ) d e v e l o pa m o d e lm a c h i n eo fp l ca u t o m a t i cr e a d i n gm e t e rs y s t e mw h i c hp a s s t h ee x p e r i m e n tt e s t i n g k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec a r d e rc 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 i q u e s ，c o m m u n i c a t i o n i v p r o t o c o l ，t e r m i n a l ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i e n g l s i h a b s t r a c t i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f p l c 1 1 2d e v e l o p m e m sa n da p p l i c a t i o n so fp l c 2 1 3a r r a n g e m e n to f t h ep a p e r 4 c h a p t e r 2c h a n n e lc h a r a c t e r so fp l c 6 2 1p o w e rg r i dt o p o l o g y 6 2 2t r a n s m i s s i o np r o p e r t i e so f l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l 8 2 2 1i n p u ti m p e d a n c e 8 2 2 2c h a n n e lf a d i n g s 9 2 2 3t u n ev a r y i n gt r a n s m i s s i o n 9 2 3n o i s ep r o p e r t yo f l o wv o l t a g ep o w e rl i n ec h a n n e l 1 0 2 4c o n c l u d i n gr e m a r k s 11 c h a p t e r3p l c t r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 2 3 1p l ct e c h n o l o g ya n dc l a s s i f i c a t i o n 1 2 3 2t h ec o m p o s i t i o no f d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m 1 3 3 2 1w o r k i n gp r i n c i p l eo f p l c 1 3 3 2 2s i n g l ep h a s ep l cn e t w o r k 1 4 3 2 3t f i p h a s ep l cn e t w o r k 1 4 3 3m o d u l a t i o nt e c h n i q u e si np l c l5 3 3 1c o n v e n t i o n a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s 1 6 3 3 2s p r e a ds p e c t r u mt e c h n i q u e s 17 3 3 3o f d m 2 1 3 3 4b r i e fs u m m a r y 2 3 3 4s t a n d a r d so f p l c 2 4 3 5c o n c l u d i n gr e m a r k s 2 5 c h a p t e r 4d e s i g na n dr e a l i z a t i o no fl o w v o l t a g en a r r o wb a n d d a t at r a n s m i s s i o n s y s t e m 2 6 4 1d e s i g no f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e mb a s e do np l c 2 6 山东大学硕士学位论文 4 1 1s y s t e md e s i g n 2 6 4 1 2s n u c t u r eo f d a t at r a n s m i s s i o nn e t w o r k 2 8 4 1 3d e s i g no f d a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 2 9 4 1 2d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e 3 6 4 1 3d e s i g no fs y s t e ms o t t w a r e 4 2 4 1 4s y s t e mm o d e l m a c h i n ea n de x p e r i e m e n t a lt e s t 4 9 4 2d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f p u b l i cl i g h t i n ge q u i p m e n tm o n i t o r i n gs y s t e m 5 2 4 2 1s y s t e mc o m p o s i t i o n 5 3 4 2 2d e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e 5 3 4 2 3d e s i g no fs y s t e ms o f t w a r e 5 6 4 3c o n c l u d i n gr e m a r k s 5 8 c h a p t e r 5c o n c l u d e sa n d p r o s p e e t i v e s 5 9 r e f e r e n c e s 6 1 a c k n o w l e d g m e n t s 6 5 r e l a t e ds c i e n t i f i cr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s 6 6 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力线载波通信技术的研究意义 电力线载波通信也称作电力线通信，简称p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ， 是利用电力线作为通信介质来进行载波传输的一种通信方式，该技术将载有信息 的通信信号通过耦合电路耦合到电力线上，高频的载波信号与电力线上的5 0 i - i z 交 流电信号占用不同的频段，实现共用电力线网络进行数据传输。电力线载波通信 数据传输系统借助电力线进行数据传输，不需要重新布线，利用现有的电力线网 络资源，在不影响电能传输的基础上，可以实现数据、语音、图像等信息的传输， 简化了数据传输系统的设计。 基于电力线载波通信技术的数据传输系统，目前已在很多个领域得到应用， 如电力系统供电设备的远程监控，远程智能抄表系统，智能家电远程监控，互联 网接入等。但是电力线主要是用来传输电能的，利用电力线作为通信信道也有很 多缺点，主要表现在电力线网络中各种用电设备的接入和断开并不固定，具有随 机性，对数据传输中的发送端设备的输出阻抗和接收端设备的输入阻抗很难和线 路的阻抗匹配，造成通信信号在传输过程中衰减严重，同时电力线上也存在用电 设备带来的多种较大噪声干扰，要在电力线上实现高速、可靠的数据传输还需要 开展进一步的研究，这也是基于电力线载波通信技术的数据传输系统没有得到大 规模应用的重要原因之一，电力线载波通信技术目前仍然是一个重要的研究领域。 电力线载波通信技术具有着广阔的应用前景和潜在的巨大市场。在国家电网 公司制定的“十一五”通信规划中，已经把电力线载波通信技术的研究列入了重大研 究课题，反映出了我国电力系统的发展对电力线载波通信技术和相关通信设备的 需求，这将大大促进电力线载波通信技术的研究和在各个领域的应用。电力线载 波通信数据传输系统的研究可以帮助我们了解电力线载波通信系统的构成和相关 技术，掌握数据传输系统的实现方法，为将电力线载波技术应用到某些具体课题 中积累研究基础和经验。 山东大学硕士学位论文 1 2 电力线载波通信技术的发展及应用 基于电力线载波通信技术的数据传输系统的研究最早可以追溯到2 0 世纪2 0 年代，主要产品是电力线载波机，应用在1 1 0 k v 以上的高压远距离输电线路上， 采用频分复用，单边带调制技术，工作频率在1 5 0 k h z 以下，能够实现语音传输， 为电力系统的变电站和电站之间提供了一条双向的语音信道，在电话网还没有广 泛覆盖的初期，对供电系统的管理和监视起到了重要的作用。随着技术的发展， 到2 0 世纪5 0 年代，高压电力线载波通信除了可以实现语音传输功能外，还能实 现低速率数字信息传输，应用范围和领域逐渐扩大，在电力输电系统中可以实现 对输电设备的远程监控和保护控制等。利用高压电力线进行载波通信，线路上的 噪声干扰对通信性能影响相对较小，其通信距离能够满足人们的要求，通过提高 发射机的发射功率，传输距离可以达到9 0 0 k m 1 1 。 与高压供电线路相比，中压、低压电力线作为通信信道，其信道特性与高压 电力线信道特性相比要复杂一些，特别是低压供电线路，由于用电设备的多样性 和随机性，在供电线路上产生大量的噪声和随机性的信道损耗。因此电力线载波 通信在中压、低压供电线上的应用要稍晚些。从5 0 世纪5 0 年代后期开始，通过 近3 0 年的研究，到9 0 年代早期，利用中压和低压电力线进行载波通信的技术开 始出现，其应用主要包括电力线自动抄表、电网负载控制和其他用电设备的监控 等窄带数据通信系统，应用领域开始进入人们的日常生活所涉及的范围。低压电 力线载波数据通信是目前电力线通信技术主要研究的领域。 随着技术的不断发展，电力线载波通信技术的研究领域开始从窄带通信进入 到宽带通信，从低速数据传输发展到高速数据传输，应用的领域也更加广泛，能 够实现的功能也越来越强大。在i n t e m e t 网络接入技术方面，各种宽带接入方式和 技术在该领域展开竞争，利用电力线上网，通过电力线载波通信技术将用户的计 算机连接至宽带网络设备上，成为很多科研工作者研究的内容。凭借电力线网络 资源的优势，使用低压配电网和家用电力网进行宽带通信的研究在二十世纪9 0 年代兴起，并在电力线信道特性、调制技术的研究和通信协议的研究中所做的工 作和取得的进展，促进了宽带电力线通信集成电路的研制和电力线通信系统的开 发，得到了国内外许多大公司的青睐。 2 山东大学硕士学位论文 国外对于电力线载波通信技术研究比较早，技术相对比较成熟，在电力线载 波通信应用领域取得了较快的发展。在高速电力线载波通信方面，英国联合电力 公司的子公司n o r w e b 通讯公司与加拿大n o r t e l ( 北电网络) 公司联手，在1 9 9 7 年1 0 月l 利用低压配电网实现了传输速率达1 m b i t s 的数据传输。随后，美国、西 班牙、以色列、意大利、德国、瑞士、韩国等国家的研究机构也纷纷开展了高速 电力线通信技术的研究和开发，研制出的相关产品传输速率不断提高，目前已有 传输速率达2 0 0 m b i t s 、5 0 0 m b i t s 的相关产品出现。在宽带接入系统商用化运营方 面也取得了很大进展，很多个国家都建立了宽带接入实验网。 我国是世界上较早开展电力线载波通信技术研究和宽带接入应用的国家，但 与欧美相比，在技术上还存在一定差距，主要体现在独立设计开发的电力线载波 通信芯片还比较少。通过跟踪国外电力线载波技术的发展，我国在此领域也取得 了一定的成果。中国电力科学研究院是我国研究电力线载波通信技术的主要科研 机构，从1 9 9 7 年开始成立专门研究电力线载波通信技术的研究机构，在低压电力 线载波通信技术的应用方面开展了研究工作，研制了基于低压电力线网络的自动 抄表系统产品样机，并于1 9 9 9 通过现场试运行，取得了产品登记许可。同时针对 我国低压配电网络的传输特性进行了研究，取得了一些我国低压配电网传输特性 和参数，为进行数据传输的深入研究和应用开发提供了参照和依据。我国在p l c 调制解调芯片的研制方面的技术相对比较落后，最初是在引进国外的芯片的基础 上研制自己的产品。2 0 0 3 年进行了低压配电网电力线载波高速通信技术研究，2 0 0 5 年完善了电力线载波通信宽带接入系统，并在北京建立了覆盖5 0 0 多个居民小区， 用户超过4 0 0 0 0 户的宽带接入实验网。另外北京中电飞华通信股份有限公司、深 圳国电科技公司、青岛东软载波科技有限公司和深圳市力合微电子有限公司等多 家科研机构也进行了电力线载波通信技术、产品的研究与开发，利用自主研发的 电力线载波通信芯片，或采用国外芯片，研制出多种传输速率的低压和中压电力 线通信产品。 电力线载波通信技术是一种无新线( n on e ww ) 概念的通信方式，不需要 布线的特点和分布最广的电力线网络，使得电力线载波通信技术可以作为网络通 信的有效手段，是未来国家四网融合的技术支持，可以有效地补充和完善我国现 有的通信平台，同时也会促进物联网技术的发展。 山东大学硕士学位论文 基于电力线载波通信技术的通信系统的应用在我国已经有相对比较成熟的产 品和应用，但还没有大规模地使用，除了技术上的原因外，我国低压配电网的网 络布局结构特点、用电设备的电气特性和供电方式，以及供电线路的设计、安装 的规范性要求等方面，与国外都有很大不同，依据国外电力线环境研制的的产品 可能不能适合我国配电线路的实际情况，需要根据我国配电线路的结构特点，对 产品进行改进，研究并解决技术上的难题以适应我国电网的实际情况。但是随着 国家智能电网建设的开展和国家电网“十一五”通信规划的具体实施，给电力线载波 通信技术的应用创造了更加有力的条件，相信随着国家投资力度的加大和科研实 力的厚积薄发，电力线载波通信技术一定会广泛应用到各个数据通信领域。 1 3 论文内容安排 论文主要从电力线载波通信技术的特点、基于电力线载波通信系统的构成、 相关技术和低压窄带通信系统的实现三个方面对电力线载波通信系统进行论述和 研究。 论文内容分为五章，具体安排如下： 第一章绪论 第二章电力线载波通信信道特性 第三章电力线载波数据传输系统 第四章低压窄带数据传输系统的设计与实现 第五章总结与展望 论文首先介绍了电力线载波技术的特点、发展及其应用。对电力线作为电力 线载波通信信道的特性进行了分析，从电力线通信信道的阻抗特性、衰减特性、 噪声特性和时变性等几个方面做了具体分析和讨论，说明电力线信道对数据通信 造成的影响和特点。针对电力线通信信道的恶劣环境，要设计适合在电力线上进 行载波通信的调制解调模块，需使用对应的调制解调技术。论文对电力线载波通 信中使用的f s k 、扩频通信、o f d m 技术等相关技术内容进行了讨论，并分析了 其在电力线通信中应用的特点。针对低压电力线载波通信系统，从电力配电网络 特点对数据传输系统的网络结构和系统中各个通信节点的位置和关系进行了分 4 山东大学硕士学位论文 析。 在理论分析研究的基础上，设计完成了基于低压窄带数据技术的实际应用系 统：电力线载波自动抄表系统和公共照明等用电设备的自动监控系统。通过对系 统总体设计、硬件设计和软件设计的论述，给出了一种低压电力线载波数据通信 系统设计的基本思路和实现方法。 最后对论文工作进行了总结，对未来的研究工作进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章 电力线载波通信利用输电网络中的电力线作为通信信道，而输电线路的功能 是输送电能，不是为通信而设计的。供电网的网络布局是满足供电线路的需要， 同时电力线上有多种形式的供电设备和用电设备，而且用电设备的接入和关闭也 不确定。因此电力线作为通信信道进行数据传输，供电网络的自身特性会给数据 通信造成很大影响，其信道特性非常不理想。电力线载波通信技术只能适应供电 线路本身所具有的特性，通过相关通信技术研究来克服或避免给通信带来的影响。 输电线路根据电压的等级可以分为高压配电线( 3 5 k v 以上) 、中压配电线( 1 0 k v 。 3 0 k v ) 和低压配电线( 2 2 0 3 8 0 v ) ，高压、中压配电线路和低压配电线路对电力线 载波数据通信的影响不同，相比较而言，低压电力线的通信信道环境更为恶劣。 目前电力线载波通信的技术研究和产品开发，主要集中在市场更为广阔的低压电 力线载波通信领域，本章主要针对低压电力线的通信信道特点进行分析。 2 1 电力线网络的拓扑结构 电力输电系统将发电厂的电能输送到用户的输电线路示意图如图2 1 所示，发 电厂输出的电能通过升压输送到高压或超高压输电线路上，通过架空高压电力线 将电能输送到不同的地区，不同的地区通过降压变电站进行降压，从高压输电线 路上获取电能，再通过高压或中压配电线路输送到用户具体所在地，最后经过变 压器得到线电压3 8 0 v 、相电压2 2 0 v 的低电压，并通过三相四线制的低压配电线 路输送到用户。 高压输电线路将各个电厂的升压变电站和不同地方的降压变电站连接起来， 可以借助输电线路进行数据传输；降压变电站通过配电线路、变压器、低压配电 线路与周边一定范围内的用户相连，从某种意义上可以说输电线路和配电线路可 以把所有的用电用户连接在一起，因此可以形成一个巨大的有线通信网络。但是 这个庞大的通信网络实施起来在技术上目前还存在很多限制，另外这样的庞大系 统工程只有国家电网公司的智能电网建设中才能实施。利用低压配电线路进行数 据通信的电力线载波通信系统是目前一个重要的研究领域，下面具体分析一下低 6 山东大学硕士学位论文 压配电线路的网络拓扑结构。 核能发i 乜j 燕， 夯 寺 q 高压 萋飙，赢 赢 强辍 i i l j i i 蚋 若i3 。vv 住宅小区 。、妻降压变i 瞄中：低压配办路 冬瑟 输电线路 一”一 一、器1 7 慕” 其他 一 图2 1 供电系统输电线路不蒽图 低压配电线路可能位于不同的位置，如居民住宅区、工业区或商业区，因此 其网络组成形式及规模各不相同，没有固定的典型结构，但是整个配电网络和它 的分支都具有树形的拓扑机构，如图2 2 所示。变压器输出的是三相电，每个用户 多数都连接在其中的一相( 部分用电设备连接在三相电上) ，各个区域的用户密 度各不相同，与变压器之间的距离也各不相同，但是每相上的用户通过电力线构 成一个树形的网络拓扑结构，整个网络通过变压器形成一个大的树形拓扑结构。 口a 相用户 囹b 相用户 囫c 相用户 图2 2 低压配电网的拓扑结构示意图 供电线路的网络拓扑结构形式，决定了电力线载波通信系统的网络拓扑结构。 低压配电线路的树形拓扑结构中网络分支数的多少、各分支上的用户数量和密度 以及用户距离变压器的距离都是由具体用户所分布的具体位置确定的，但这些因 素都会影响电力线载波通信的传输性能，在系统设计中都要考虑。 山东大学硕士学位论文 2 2 低压电力线信道的传输特性 电力线的设计功能是用来输送电能的，不是用来进行数据传输的，利用电力 线作为通信信道进行载波数据传输，首先要考虑电力线自身的固有特性和特点对 数据通信的影响。低压电力线作为通信信道，对数据传输产生较大影响，主要表 现在信道干扰性复杂、高频信号衰减较大，而且具有随机性和时变性1 2 】。 2 2 1 输入阻抗特性 电力线的输入阻抗特性直接影响电力线载波通信发射机信号的发射效率，对 传输距离影响较大。根据功率传输时的阻抗匹配原理，发射机的输出阻抗应该与 耦合电路端的电力线输入阻抗相匹配。但是由于电力线上连接的用电设备众多， 用电设备的电力线接口特性也各不相同，随信号频率变化会呈现不同的阻抗特性， 同时家用电器等用电设备的接入和关闭也具有随机性，使得电力线的阻抗特性具 有随时间、频率变化而变的动态特性。一般来说居民家庭用电设备在白天使用较 多，夜晚使用较少，使得电力线呈现的阻抗特性在白天较低，夜晚相对较高。 i i ) o2 0 04 0 06 0 08 0 01 0 0 0 频i k h z 两曲线是在同一个氍压电力线同的不同地点潮得的 图2 3 输入阻抗随频率变化曲线图 图2 3 给出了一个根据实测数据绘制的输入阻抗与信号发射频率之间的关系 曲线【3 】。从图中可以看出，输入阻抗随频率的变化而剧烈变化，变化没有规律，变 化范围也很大，相差近1 0 0 0 倍，在从最小0 1 d 到最大1 0 0 f l 之间发生变化。由于 电力线以及负载可能形成许多共振电路，在许多频率点上阻抗非常小。图中两条 曲线也反映出即使在同一个配电网中，不同地点的变化情况也不相同，这和不同 地点电力线上负载不同相一致。 研究表明，虽然输入阻抗随频率的变化有波动，但是从总体上来看随频率的 升高有上升的趋势，意法半导体( s t ) 公司在其s t 7 5 3 8 应用文档中给出的由i b m 山东大学硕士学位论文 电磁兼容实验室在多个国家实际测量的数据结果反映了这个变化趋势【4 】。 2 2 2 信道衰减特性 通信信号在电力线信道传输中的衰减复杂性，给电力线载波通信带来了困难【5 】。 衰减主要来源于发射机和电力线信道的耦合衰减和在电力线信道上传输产生的线 路衰减，耦合衰减与电力线的输入阻抗与耦合关系有关，线路衰减是指信号在电 力线及电力线所接各种负载上的能量损耗，线路衰减对电力线载波通信的影响更 为显著。 低压电力线一般都是铜、铝等金属导线，对于电的良导体其阻抗较小，而且 阻抗特性与工作信号频率的关系不大，相对比较稳定。因此电力线上的线路衰减 特性主要来源于电力线上连接的各种负载的特性，同时与通信节点所处电力线上 的地理位置和电力线配电网络的连接方式和分布有很大关系。不同性质的负载对 信号的衰减产生不同的影响，同时由于电力线网络有多个分支，通信信号在电力 线上会产生多径传播，在电力线上某些节点处会产生频率选择性衰减。 从整体而言，信道衰减与通信距离和通信信号的频率有关，通信距离越远衰 减越严重，同时信号的衰减随频率的增加而逐渐加强。文献 6 】对信号衰减与频率 之间的关系进行了研究，并在同一个工业建筑内，在不同时间和不同通信距离点 进行了实际测量。结果表明，在l o r e 左右的短距离电力线上，信号衰减较小，而 且衰减基本上不随频率的变化而改变。在长距离测试中，衰减随频率的变化非常 明显，衰减随频率的增加而增强，同时在某些频率点上有波动，衰减很大。对比 相同的线路在白天和晚上的不同测试结果，可以看出晚上的衰减基本上比白天要 小，这与电力线上负载的变化有很大关系。 2 2 3 时变传输特性 电力线上的负载很多，负载的通断具有随机性，网络的拓扑结构也不是恒定 不变的，这造成了电力线信道传输特性的时变性，但这种时变性并不是很强【7 8 】。 文献【7 】和文献【8 】分别在不同的低压电力线网络进行的电力线信道特性测试实验， 测量结果表明，电力线传输特性曲线具有某种内在的不变性，在相对较短的时间 内传输特性随时间变量是一个平稳随机过程，当系统通信速率大于1m b s 时，信道 在相当长的码元时间里都可以按照时不变信道来处理；在几十分钟或几小时的较 9 山东大学硕士学位论文 长时间内，信道传输特性呈现时变性，信号衰减幅度波动较大，发射机的发射功 率要有一定的裕量来适应可能出现的较大衰减突变。 2 3 低压电力线信道的噪声特性 信道噪声特性是通信信道的重要参数，电力线网络连接着不同的用电设备， 他们会产生各种各样的噪声，同时由于用电设备接入的随机性，即使在同一地点， 不同时间的噪声特性变化也很大【9 】，形成了噪声源比较复杂的低压电力线信道噪声 特性。低压电力线信道的噪声特性与不同区域特点和不同通信频段有关，不同地 区电力线网络上的噪声特性、不同频段上的噪声分布，在类型上和程度上呈现不 同的特点。同国外电力线路相比，我国低压电力线上的噪声要严重得多，一般来 说晚上电力线上的噪声功率谱分布比较平滑，居民区的低频噪声主要集中在 2 0 0 k h z 以下，从噪声的整体频谱分布来看，2 5 v i i i z 以上的背景噪声十分平坦【l o 】。 电力线信道上的噪声按照噪声幅度随时间的变化规律可以分为背景噪声和冲 激噪纠1 1 j ，背景噪声持续时间较长，其幅度均方根值随时间的变化相对较慢，冲 激噪声持续的时间非常短，一般为微秒级，周期性或随机性瞬时出现。 根据噪声的频谱分布特性将背景噪声可以分为有色背景噪声和窄带噪声。有 色背景噪声是一种电力线上多种噪声源产生的组合干扰，噪声频谱几乎占据了整 个通信带宽，其功率谱密度相对比较低，并且随频率变化，但功率谱密度随时间 的变化比较慢，可以在几分钟甚至几个小时的时间内没有明显变化。有色噪声的 主要来源有两个方面，一个是低功率负载中电阻、导线等分立元件的电子热运动 产生的热噪声，另外一个是电钻、电吹风和搅拌器等小型电动机工作时产生的谐 波信号。窄带噪声的频谱只分布在某些特殊频率上，主要来源于周围环境中的广 播通信信号，多为调幅的正弦信号。虽然频带比较窄，但是它的干扰持续时间很 长。与一般干扰源不同，晚上的干扰强度一般要比在白天强。 背景噪声中还存在周期性重复出现的脉冲噪声，但重复频率与5 0 h z 的工频并 不同步，取决于负载工作时存在的周期性信号的频率。比如电视机或计算机显示 器工作时都存在不同频率的扫描信号，它们会在电力线上产生周期性脉冲噪声， 重复频率一般为5 0 2 0 0 h z 。 i o 山东大学硕士学位论文 冲激噪声包括与工频同步的周期性脉冲噪声和随机脉冲噪声。电力线上的负 载中存在与电源同步工作的用电设备，比如电源中的整流二极管，其开关频率为 5 0 h z 或i o o h e ，这种开关会产生同频率或更高谐波频率的脉冲噪声。另外电力线 上的电力设备的瞬时开关动作也会产生脉冲噪声，这种噪声是认为因素造成的， 是随机出现的，但白天发生的概率更大。这两种冲激脉冲噪声出现时持续的时间 都比较短，一般在几个微妙。 背景噪声虽然持续时间比较长，可以保持几秒钟或几分钟，有的甚至能够达 到几小时，但其功率较低，可以通过增加发射机发射功率或缩短通信距离来克服。 冲激脉冲噪声持续时间非常短，但是其噪声功率较高，在数据传输中可能会引起 数据的位误码或者是突发性误码，需要通过不同的数据编码方式来克服。 2 4 本章小结 从输电线路和配电线路两个方面，对电力线网络总体拓扑结构进行了说明， 在此基础上，依据不同电力线网络的功能和分布特点，分析了利用高压、中压和 低压电力线进行电力线载波数据传输时的不同特点。重点分析了低压配电线路的 拓扑关系和特点，目的是在理论上找到在低压电力线网中设计数据传输网络结构 的理论依据。对电力线信道特性的已有研究成果，从电力线信道的传输特性和电 力线信道的噪声特性两个方面进行了总结。电力线信道传输特性包括信道输入阻 抗特性、信道的信号衰减特性和信道的时变传输特性等几个方面。通过理论分析 和总结，对电力线通信信道的恶劣通信环境有了更进一步的了解。电力线信道特 性对数据传输会产生很大影响，在系统设计和实现时均需要考虑这些因素的影响， 选择适合系统数据传输要求的调制技术，并设计合理的数据传输网络和传输方式。 山东大学硕士学位论文 第三章电力线载波数据传输系统 3 1 电力线载波通信技术及其分类 电力线