（通信与信息系统专业论文）电力线网桥的研究与硬件实现.pdf

北京交通大学硕士学位论文电力缝同桥的研究与硬件实现 摘要 本文对一种在未来家庭网络和宽带接入中非常有应用前景的 设备电力线网桥进行了深入的研究，并讨论了其硬件设计方 案。 为建立有效地电力线通信系统，首先需要充分了解信道特性。 本文对电力线信道的衰减特性、噪声特性、阻抗特性、时变特性 等进行了讨论，运用已知的电力线信道模型，通过对该模型的仿 真和已知测量的比较，验证了该模型能很好的模拟实际的电力线 信道。 由于0 f d m 有着良好的抗多径衰落和抗干扰特性，在电力线通 信中有着良好的应用前景，所以本文详细的介绍了o f d m 技术的基 本原理，结合电力线信道的特点分析了o f d m 技术用于电力线通信 的可行性。 由于i n t e l l o n 公司的i n t 5 2 0 0 芯片功能强大，使用灵活，而且 可靠性高，是当前开发电力线0 f d m 通信的主流产品。所以本文对 该芯片进行了比较详细的分析，并采用该芯片开发出了电力线网 桥。对于电力线网桥各个模块的硬件设计进行了比较清楚的阐述。 另外，用p r o t e ld x p 软件完成了原理图的设计和绘制p c b 电路板。 通过对所开发产品的测试，分析了各种条件下所能达到的速率。 最终得出结论。对于实现家庭网络互连，该产品基本上可以满足 应用的需要。 关键词：电力线通信；信道模型：o f 咖；调制解调；宽带通信 北京交通大学硕士学位论文 电力线同桥的研究与硬件实现 a b s 仃a c t ap r o i l l i s i gd e v i c ei i lh o m en e m o r k 锄dw i d eb dd a t a c o m m u n i c a t i o ni sa 1 1 a l y z e dt h 他t i c a l l y 如dd e s i 鲫e di nt l l i sp a p e l 1 be s t a b l i s he f 如c t i v ep o w e rl i n ec o m m u i l i c a t i o ns y s t 锄，t h e i n f o 丌n a t i o na 吣u tc h a 锄e lc h a r a c t e r i s t i ci s i n d i s p e n s a b l c t h e c h a r a c t e r i s t i c so f a t t e n u a t i o n 、c 】1 a r a c t e r i s t i c so fn o i s e 、c 1 1 a r a c t e r i s t i c o f i m p e d a n c e 肌di i m eo f p o w e r l i n ec h a n j l e ia r ed i s c u s s e d t 1 1 r o u g l l t h es i m u l a t i o nw “hm ek n o w np o w e rl i n ec h 蛐e lm o d e l ，w ek n o w t h a t i h i sm o d e lc a nr e p r e n ta c t i l a lp o w e r l i n ec h a 衄e lm o d e lv e r y w e l l b e c a u s eo f0 f d mc a nr i s tm u l t i - p a t hf a d i n g 髂w e l la s i n t e r f e r e n c ep a t t e m i th a sg o o da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n di np o w e r1 n e c o m m u 力j c a t i o n s ot 1 1 i s p a p 盯 j n t r o d u c e do f d mm o d n l a l j o n p r i n c i p l ei nd e l a i l b a s e do nt h ec h a r a c l e r i s t i c o ft h ep o w e r1 i n e c h a 肌e l ，t h i sp a p e r 姐a l y z e dt i l ea p p l i c a b i l i t yo fo f d mi np o w e r l i n e c o f m n u n i c 乱i o n d u et od 旺5 2 0 0c h i po f i n t e l l o nc o m p 矾yh a sm a l l ya d v a n t a g e s ， s oj ti sap d m a r yp r o d u c tf o r d e v e l o p j n gc u 玎e n tp o w e ri i n e c o m m u n i c a t i o nb 船酣o no f d m t h i sp 印e r 锄a l y z c dt 1 1 i sc h i pi n d e t a i la i l d d e v c l o p e dp o w e rl i n eb r j d g ew i mi t s ot 量l i s p 印e r i n 仃o d u c e dp o w e rl i n eb r i d g e se v e r ym o d u l eh a r d w a r ed e s i 阱v e r y c l e a r l yb ym ew a y ，t i l i sp a p e rd e s j 盟c dm es c h e m a t i cd i a f 锄w i t l l p r o t e ld x pa i l dd r c wp c bc i r c u i tb o a r d a tl a s t ，t l l i sp a p e rf i n j s h e d i t s 加c t i o no f p o w e rl i i l eb r i d g em r o u g hw e l d i n ga n dt e s t i n ga sw e 】l a sa 1 1 a l y z e dt l l et tr e s u l t 1 1 北京交通大学硕士学位论文 电力线同桥的研究与硬件实现 k e yw o r d s ：p o w e rl i n ec o m m u m c a t i o n ，c h 锄e lm o d c l ，o f d m ， p o w e rl i n eb r i d g e ，w i d eb a i i dc o 删u i i i c a t i o n 儿i 北京交通大学硬士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着现代通信技术的快速发展，单一的数据传输模式已经向 交互式的多媒体方式转变，而网络则成了信息共享和交换的纽 带。电力网络是世界上已有最广的有线网络，它以电力线路为传 输介质，具有通道可靠性高、抗破坏能力强、投资少、见效快等 优点，电力网络比任何其他的有线通信网络更加坚固和现代化。 如果充分利用现有的电力网络承载数据、语音和图像传输的任 务，无疑是最为方便和简捷的。现代通信系统一般采用统一的二 迸制数码( o ，1 ) 进行数据传输、交换和分配。而图像的传输需要 较宽的带宽，特别是进行多媒体视频传输时，对数据传输速率的 要求就更高。传输速率的提高必然对带宽利用率和信息传输可靠 程度等提出更高的要求，尤其是在电力线这种复杂信道中传输高 速数据流。 数字通信系统的一般模型如图l l 所示。 图卜l 数字通信系统的组成 由图卜l 可以看出，调制解调技术对数据的发送和接收起到 了至关重要的作用。调制不但可以将信息变换为便于传送的数字 第3 页共8 5 页 北京交通大学硬士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 形式，而且使传输性能大大提高，特别是增强了抗干扰传输能力， 同时还有效利用了频带的宽度。在网络环境下，调制解调是物理 层数据传输的关键技术。调制解调技术在通信领域的发展已经有 很多年的历史了，技术相对成熟，但是，电力线作为通信介质时， 它的特性不同于一般的电话线、电缆、光纤等有线信道。电力线 信道存在大量变化非常大的噪声源，阻抗是时变的，同时还存在 多径效应，尤其是在高频情况下，其受干扰情况更为严重。因此， 开发电力线产品必须了解电力线信道的基本特性、电力线通信所 使用的调制技术和一些国内外比较先进和成熟的芯片，才能在此 芯片的基础上开发适合自己所需的电力线产品。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 电力线载波通信的发展 电力线通信主要是通过电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 方 式来传输信息。自2 0 世纪2 0 年代开始，电力系统就利用电力线载 波在l l k v 以上的高压线上进行远距离信息传输。其工作频率为 1 5 0 k h z 以下这个频段现已成为欧洲电技术标准化委员会电力线 通信的正式频段。到2 0 世纪5 0 年代，低频高压电力线通信技术己 广泛应用于电力系统运行监控、继电保护以及语音传输等方面。 5 0 年代后期，电力线通信逐步应用于中压和低压配电网，如低压 自动抄表，电力设备的远程控制和诊断，电网负荷控制，以及能 源管理等方面。9 0 年代末期，电力线载波通信的研究可分成两个 主要分支：一方面是尽量提高数据的传输距离，而放宽对数据传 第4 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线同娇的研究与硬件实现 输速率的要求，如低压载波自动抄表；另一方面是提高数据的传 输速率达到m b p s 数量级，家庭用户可以使用电力线网桥通过电力 线实现网络互联。 1 2 2 面临的主要问题 电力线网络分布广泛，但由于电力线通信环境恶劣，对信号 传输会产生许多不利的影响。其中，最主要的问题在于噪声和信 号衰减。低压电力线通信的噪声主要来自于与低压电两相连的负 载，以及无线电广播的干扰i 而信号衰减与通信信道的物理长度 和低压电网的阻抗匹配有关。出于负载的开启、闭合会引起电力 线上供电电流的瞬时波动，从而导致在电力线的周围产生电磁辐 射。所以，沿电力线传送数据时，会出现许多意想不到的问题。 在这样的信道环境下，很难保证数据传输的质量，尤其是进行高 速数据传输。而且，电力线通信受到的噪声干扰和信号衰减随时 间变化，很难找到固定的规律。因此，电力线倌道的环境极为复 杂。利用电力线进行通信面临的主要问题有： 1 ) 带宽限制 带宽是信道容量的量度，在载波通信中也就是指用于数据传 输的可用载波的整个频带。数据的传输速率和传输所占用的带宽 成一定的比例，一般来说，数据传输速率越高所占用的频带就越 宽。 欧洲c e n e l e c 标准规定电力线载波的带宽为3 k 1 4 8 5 k h z ， 美国的标准为l o o k 4 5 0 k h z 。虽然有电力线传输特性和频带管制 ( 欧洲的e n 5 0 0 6 5 1 ，p a r t 6 3 2 和美国的f c cc f r ) 的限制，但为 第5 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线目挢的研究与疑件实现 了提高传输速率就需要更宽的频带。目前的研究表明在l m 2 0 m i z 的频带是可以用来进行电力线高速数据传输的【2 ”。但是在 这个频带范围内，有一部分频带己经分配给其它通信系统，如短 波通信系统，业余无线电台以及导航系统等。这样很容易造成电 力线使用的频带和其它通信系统的频带发生重叠，产生相互干 扰。 2 ) 辐射 在电力线上高速传输数据时，会对周围环境产生大量的电磁 辐射。这将对使用同一带宽的其它通信系统造成严重干扰相比 而言，电缆由于埋在地下，所以辐射较小。如果电力线网桥使用 l 2 0 m h z 的带宽，其波长为1 0 3 0 m ，与电线的分支长度相近 这样电线分支的机能就有可能和天线一样，当发送数据时就会产 生很强的电磁波。 2 0 0 2 年6 月至7 月。日本总务省的“电线传输通信设备相关研 究会”在电力中央研究所赤城试验中心对利用电力线进行数掘传 输时的电磁辐射问题进行了严格的试验川。试验共设计了三种情 形：在近处的电线轩上安装调制解调器母机：在远处的电线杆上 安装调制解调器母机：在室内通过电力线构筑一个家庭局域网 ( l a n ) 。试验使用的电力线调制解调器有3 类：正交频分复用 ( o f d m ) 调制方式的4 台，直接扩频和多载波方式的各1 台。实验结 果表明，电磁波噪音比无线电台还要高，电磁波辐射非常强，在 离电线1 0 米处测到的数值高达约4 5 5 5 d b v m 电磁辐射的水平 远远高于实用标准。 第6 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 3 ) 阻抗不匹配 为了减少传输线路上的信号反射，传统的通信系统一般可以 通过5 0 q 电缆和5 0 n 的收发器实现阻抗匹配。而低压配电网络则 不同，其输入、输出阻抗是随时间、地点和负荷的变化而变化的。 其阻抗值可以在毫欧和几千欧之间变化吲。有研究提出用滤波器 来进行低压电力网的阻抗匹配【8 】。但是这种滤波器的成本较高， 而且每个使用电力线上网的用户都需要安装。 4 ) 信噪比 衡量通信系统性能的一个重要指标就是信噪比 s n r ( s i g n a 卜t o n o i s ep o w e rr a t i o ) s n r 可用式( 卜1 ) 表示i ”。 跚= 警擀 - ， 信噪比越高，通信系统的性能就越好。电力线的噪声来自各 个方面，如负荷的投入、切除，以及其它通信系统的干扰等都将 给接收端带来噪声。当信号从发送端传输到接收端会产生衰减， 如果衰减过大，接收端接收到信号的功率就很小以至于该信号无 法被检测出来，造成误码。在某些情况下，电力线上的衰减可以 达到1 0 0 d b ，这就限制了数据传输的距离。提高传输距离的一个 方法是使用中继。 在用户的屋内安装滤波器可以提高信号传输的信噪比，可以 防止屋内产生的噪声传到电力线网络中，从而大大降低电网的噪 声水平，但是这种方法成本很高。值得注意的是，虽然电力线网 络的传输条件十分恶劣，噪声和衰减都比较大，可这种情况在所 有的通信系统中都或多或少的存在。 第7 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线网桥的研究与硬件实现 5 ) 时变性 电力线网络具有较强的时变性，在不同的地点其传输性能相 差也很大。这主要是由于电力线负荷随时间和地点的不同而不断 变化。在某个时段，传输性能良好，误码率很低，在另外一个时 段。由于突然引入很强的噪声。就会产生很高的误码，甚至中断 传输。 针对信道的时变性，目前主要的解决办法是采用信道估计 ，与以往的信道均衡需要大量的硬件设备不同，现在大多使用 软估计，也就是使用自适应算法，这样不但可以减少硬件成本， 而且使得传输更可靠。 1 2 3 现有高速电力线产品及其主要性能 1 9 9 7 年以来，电力线通信取得了突破性的进展。不但采用扩 频和0 f d m 等先进的调制解调方式，还采用了前向纠错、交叉纠错、 自动重复请求和信道编码等技术来保证通信的稳定可靠。电力线 通信的介质访问控制( m a c ) 协议采用载波侦听多路访问冲突避 免( c s m a c a ) 协议，并增加了支持优先级、公平竞争和延迟控制 等功能这些技术的使用打破了许多阻碍电力线通信的瓶颈。 在德国，利用电力线上网的技术已被开发出来，并且已经通 过试验。这种被称为“电网在线”的技术其实就是利用电力线网 络代替传统的电话网络实现数据传输。用户上网只需要一台专用 调制解调器。这项技术的最大特点是数据吞吐量大，可以达到 2 m b p s ，比i s d n 快3 0 多倍，比已在德国推广的宽带通信网( t d s l ) 也快了近两倍。德国联邦议院议会上院已通过一项议案，批准使 第8 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线网桥的研究生硬件实毽 用能使互联网信息通过电力线和墙上电源插座传输的技术。联邦 议会投票通过的这项议案为今后在广播波段范围内通过电线上 网铺平了道路。 在美国由思科、英特尔、惠普、松下和夏普等1 3 家公司组成 的家庭插电联盟”，( h o m e p l u gp o w e r l i n ea u i a n c e ，简称h p a ) 己于2 0 0 0 年4 月成立，致力于创造共同的家用电线网络通信技术 标准。同年6 月2 6 日，“家庭插电联盟”发布了该标准的第1 个版 本h o m e p 1 u 9 1 o 。在电力线家庭网络中，只需在事先安装好的万 能插座上插入电源插头即可构筑起l a n 。因为使用的是安装在室 内的万能插座，所以省去了布线工程具有成本低、安装和连接 容易等优点。2 0 0 2 年i n t e l l o n 公司已经成功的发出与 h o m e 呻l u 9 1 o 标准兼容的p o w e r p a c k e t 产品，它采用o f d m 调制方 式，数据传输速度可达1 4 p s 。0 n e n n e 公司也于2 0 0 2 年n 月发 布了其研究开发的符合h o m e p 1 u 9 1 0 标准的千兆电力线网络适 配器p e 9 0 卜u l ，该产品使用u s b 接口，传输速率达1 4 m b p s 。 2 0 0 1 年3 月。奥地利下奥州供电公司开始在奥地利的4 个城市 进行利用电力线传输互联网数据的现场实验。这项名为“电力线 通信技术”的新数据传输技术，利用普通的电力线路输送数据和 话音。用户室内的电源插座成为数据交叉点，无需增加线路就可 以上网浏览和打电话，数据传输速率可达l o m b p s 。 日本九州电力已经开始策划电力线互联网。九州电力计划通 过在电线杆上架设光缆来构筑高速网络并提供互联网接入服务。 而电力线通信则用于光缆通信网与家庭的连接。系统的构成如下： 在家中需要设冕个人电脑与电源插座之间的电力线调制解调器 ( i i o d e m ) ，后者将个人电脑的数据信号转换成模拟信号送往电 第9 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线网桥的研究与硬件实现 力线模拟信号由设置在电线杆上的电力线网桥筛选后转换成数 字信号再送到光缆。电力线m o d e m 的最大传输速度为3 m b p s ，采用 0 f d m 技术，其特点是在窄带宽下也能够发送大量的数据。 我国开展高速电力线通信的研究较晚，主要通过购买国外的 一些调制解调芯片进行应用领域的开发。深圳国电科技发展有限 公司是国际电力线通信联盟的正式成员，早在2 0 0 0 年初即开始了 对电力线宽带通信技术的研究和试验，其研制的电力线宽带通信 系列产品通信速率目前可达1 4 m b p s 。该系列产品提供了电脑、机 顶盒及其他智能设备的多种接口方式，可实现家庭或小型办公场 所的电力线宽带联网，实现多台智能设备间的宽带通信、宽带接 入共享和多媒体信息传输 2 0 0 2 年1 月，福建省电力试验研究院研制成功“数字化输电 线路技术”的核心产品电力调制解调器及多个相关产品，克 服了电力线通讯在抗干扰和抗衰减方面所难以逾越的障碍，该技 术将因特网运营商提供的线路连接到小区局端，用户电脑只要通 过“电力调制解调器”连接到户内2 2 0 伏交流电源插座上即可上 网冲浪。该调制解调器采用增加型正交频分复用技术。由接口控 制器和专用集成电路组成，通讯速率1 0 m b p s ，可与目前宽带网速 率相媲美，比普通的5 6 km o d e m 快1 8 0 倍。同时产品设计兼容目前 的w i n d o w s 9 8 m e 2 0 0 0 x p 操作系统，用户只要按正常的网卡设 置，即能通过电力网上网或组成自己的局域网。 目前，福建的“电力调制解调器”已进入小批量试生产，并 在2 0 0 2 年“五一”期间由国家电力通信中心作为试验网在北京宣 武区的善果小区l 、 2 号居民楼成功开通。整个系统组网方案简 单，附加设备少，系统运行稳定，网页登录速度快，数据传输流 第1 0 页共8 5 页 北京交通大学顽士学位论文 电力线同桥的研究与硬件实现 畅。 目前国内外使用较为广泛的几种电力线调制解调器如表卜1 所示。从表中可以看出，电力线通信正向高速率、高可靠性和多 用途为一体的方向发展。o f d m 调制技术将成为高速电力线通信的 主要调制技术，该技术己经成为下一代无线通信网标准( i e e e 8 0 2 1 1 a ) 中规定的核心技术。电力线调制解调器可广泛应用于家 庭自动化、工业企业自动化、楼宇智能化、电能管理和其它远程 控制、监视、数据和图像传输等领域。使用电力调制解调器，用 户可以在任何有电源插座的场所上网。利用现有的电力线资源进 行信息的传送，可节省大量的人力、物力、财力，其应用前景及 经济效益十分乐观。 产品名称调试方式 传输速举与带宽其他技术应用方向生产厂家 p o w e f o f d m 鼻墟朝理屠和 高速数据 信道估计 1 4 m b p s m c 屉功晚 p a c k e t 4 3 m v 2 0 9 m 采用 交换网络i n i e i i o n 前向纠错 c s m 心 拄 互连 求 1 4 m b 珥 纛碍 象腮上嘲s i e m e n s s 2 5 0 lo f d mh 硼- h 嶙i o 4 孙扛2 0 丹m 椰s 刖1 标准浏览 s ) k d 西 多种害镱t i i 怕 工业控制 p l t 2 2b p s k 1 2 5 k 1 4 0 i 神l e c h e l o n 拄术 网络 s t 7 5 3 6f s k 1 2 0 0 b p s 互字节容错 自动抄袭 s g s 表卜l 电力线通信调制解调器性能一览 1 3 本文所做的主要工作 要建立有效地通信系统，首先需要充分了解信道特性。和传 统的通信信道相比，电力线信道具有较强的噪声、干扰、时变特 性和多径衰落效应。因此对于电力线信道特性的研究成为电力线 通信中的重点之一。 第l i 页菇8 5 页 北京交通大学颈士学位论文电力线弼桥的研究与硬件实现 本文第二章中对此问题进入了深入的讨论，并在讨论的基础 上借鉴了一种电力线信道模型，通过对该模型的仿真和已知测量 的比较，验证了该模型能很好的模拟实际的电力线信道。 本文第三章介绍了o f d m 技术的基本原理，结合电力线信道 的特点分析了o f d m 技术在电力线通信中的可行性并通过仿真 论证了o f o m 技术在低压电力线信道环境下能够实现高速数据通 信。 第四章深入分析了电力线网桥的基本原理和i n t 5 2 0 0 芯片的 工作原理。 第五章重点介绍了电力线网桥的硬件实现。并对各个模块的 设计进行了详细的分析。 最后，对所开发的产品进行了测试，通过对测量结果的分析， 可知对于实现家庭网络互连，达到了预定的速率，基本上可以满 足应用的需要。 第1 2 _ 贞共s 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线网桥的研究与硬件实现 第二章电力线信道特性 2 1 概述 电力线网络是专为传输低频率、大功率的电能而设计的。由 于电力网络拓扑结构的不同以及接入网络中负载的差异，电力线 信道性能随时间、频率和地点的变化而变化。即使在一个结构确 定的局部网络范围内，信号传输性能也会因为传输所选择的线路 不同而改变，如发送端和接收端电源插座的位置变化就会引起数 据传输的差异 电力线信道的简化模型如图2 一l 所示。函数日( ，f ) 描述了信 道本身的特性，如时变性、衰减特性、发送和接收端阻抗不匹配 的特性以及发送端引入的噪声等。函数( f ) 则表示外界随机噪声 对信号传输的干扰。 图2 一l 电力线信道简化模型 提高通信系统传输性能的有效途径之一就是使通信系统的 阻抗与传输信道阻抗相匹配吲。对信道传输函数日( ，r ) 和噪声 一般可以通过测量和理论分析的方法得到。电力线信道复杂，只 能通过大量的测量，进行概率统计分析。掌握一定的规律。电力 线受噪声干扰的随机性很强，一般情况下，可以由信道编码技术 抑制脉冲噪声引起的误码，而展宽频带则是降低其它随机噪声干 第t 3 页共8 s 页 北京交通大学硕士学位论文电力线罔桥的研究与硬件实现 扰的一种方法。 2 2 信道特性 目前研究的高速电力线通信都是在2 2 0 v 3 8 0 v 低压电力线网 络上进行的。数据包由用户端的计算机，通过电力调制解调器发 送到低压电力线上，再经过低压网络传送到安装于配电变压器低 压侧的因特网接入设备，实现网络互联。与一个配电变压器相连 的所有用户共享同一个低压网络。由于低压配电网络负载的变化 十分频繁，在测量低压网络线路信道特性时会遇到以下一些问题 m 。 1 ) 每个用户配电网络的拓扑结构都不一样，如线路长短、线 路分支数等，因此无法找出有代表性的线路进行测量； 2 ) 信道的衰减特性随时间、地点的不同而变化。衰减的程度 和线路的长度以及负载阻抗与线路阻抗的匹配有关； 3 )每个网络节点的电气特性随时间变化，即使相同的电力线 网络在不同时间测量所得的电气参数也不相同； 4 ) 信道的参数随频率而变化，如衰减随着频率的增加而增 加，噪声随着频率的增加而降低； 5 ) 负载的随机开启与切除，会产生很大的脉冲噪声。从而对 通信信号产生严重干扰。 因此，对电力线通信系统很难提出一个通用的信道模型，只 能针对主要的干扰予以分析。目前国际上普遍认为低压电力线上 1 2 0 删z 的频带可以用来进行高速数据传输【”，对于2 0 m h z 以上 频带的信号，因衰减过大在接收端无法检测。 第1 4 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文旦塑同堑垫堑壅墨夔堡! 茎墨 2 2 1 电力线信道的衰减特性 信号经发送端通过电力线信道传输至接收端的过程中，会产 生衰减，当配电变压器低压侧连接的用户少时。线路阻抗大，对 信号的衰减作用小，通信距离远；当用户多时，线路阻抗可以小 到lq 以下，这时线路对信号的衰减可达1 0 0 d b ，通信距离只有 几十米。般来说，低压电力线由铜或其它的良导体加工而成， 其本身阻抗很小。低压电力线的阻抗主要根据电导率和截面积的 不同雨不同，对于不同频率的信号，其阻抗略有变化但总体上相 对稳定，所以线路本身的阻抗不是造成信号衰减的主要因素。但 是，低压电路的网络结构非常复杂，分支多，接入网络的负载各 种各样，其网络的特性阻抗变化范围非常大，可以从o 1 q 变到 l o o q ，而且这种变化是时变的。所以信号衰减主要是由于低压 电网的负载阻抗和电力线信道的不匹配以及低压电网分支多造 成信号折反射引起的。 图2 2 给出了不同环境，即在不同电路结构中信号衰减的 情况f 北j 。( a ) 图表示在大学实验室测量的频域衰减变化曲线；( b ) 图表示在新居民区测量的频域衰减变化曲线。 由图2 2 可以看出，对于大学实验室，在小于3 删z 频率以 下，衰减随频率的增加迅速增加，最大衰减可达6 0 d b 。在5 州z 1 0 m h z 频域范围内，信号的衰减较为缓慢，变化范围在5 d b 1 0 d b 之闯。而对于新居民区在2 m 和4 5 m 附近都有很强的衰减，衰减 幅度达到7 0 d b 。所以，在不同的电力线网络结构中，信号衰减变 化相差很大。 第1 5 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线同桥的研究与硬件孕墨 l a ) 图2 2 不同电路结构的信号衰减变化 图z 一3 给出了在大学实验室内，测量不同长度电力线上信号 衰减的情况m l 。可以看出，随着电力线长度的增加，信号在相同 频率上的衰减明显增加。电力线越短，信号衰减随频率的变化幅 度不大，而电力线越长，信号衰减受频率的影响越大。这时，对 某个频率下的信号就有可能出现衰减过大而在接收端检覆0 不到 的情况。 ( 8 ) 4 0 m( b ) 2 5 m 图2 3 不同长度电力线上信号衰减情况 总的来说，除短距离传输外，信号在电力线上传输的衰减一般 大于2 0 d b ：信号衰减曲线在小于1 0 姗z 的频率范围内非单调，衰减 第i 6 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线网桥的研究与硬件实现 强度受到信号传输所经过的电力线网络结构和负载的影响。因此 衰减具有较强的时变性和频率选择性。 2 2 2 电力线信道的噪声特性 在低压电力线上进行数据通信需进一步研究的另一个重要 问题是电力线上的各种噪声干扰。这些噪声的主要来源是联接在 电力线上的各种家用电器和各种用电设备，如电视机、洗衣机以 及电钻等电动机。 为了简化对干扰复杂性的分析，电力线通信信道噪声从不同 角度大致可划分为5 类【”，如图2 4 所示。 突发性噤声 i 奎堂堂兰卜- 匦亘亟丑 与工频同步的周期性噪声 q l ! ! ) _ 1 丝2 2 芝塑卜乜 发送器 巡吵 接收器 图2 4 电力线倌道噪声分类 a 有色背景噪声。主要来源予网络上众多的功率较低的 噪声源，例如大量的家用设备：其功率谱密度随着频 率的增加而减小变化缓慢。 b 与工频异步的周期性噪声。来源于电力线上的一些电 子设备，例如电视机行频等：在频率空间上是离散的， 主要分布在5 0 h z 2 0 0 h z 。 c 窄带噪声。主要由电力线的驻波或谐振和中短波广播 所致；其功率谱密度在该频段内几乎保持不变，白天 第1 7 硬共9 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线网毋的研窭皇垦堡壅里 高，晚上低。 d 与工频同步的周期性噪声。一般由工作在电网频率的 开关器件造成，例如开关电源等：其噪声频率为工频 或其整数倍，持续时间长，频域覆盖范围广，功率大， 功率谱密度随频率上升而减小。 e 突发性噪声。主要由电器突然开关造成，出现的时间 是任意的；其噪声功率谱密度高持续时间短，频谱 宽。 其中，前兰种噪声在较长时间内相对保持不变，可以把它们 归为背景噪声，背景噪声是典型离散高斯型。在1 0 k h z l o o m h z 的频率内，背景噪声的平均功率谱为： ( ，) = lo ( “1 ”0 4 ，) ，式中参数k 随时间缓慢的变化，大致 具有高斯分布v ( 一8 6 4 ，o 5 ) 。 电力线上噪声的短期变化主要由与工频同步的周期性噪声 和突发性噪声引起的。与工频同步的周期性噪声与突发性噪声相 比，具有以下特点：本来就很低的功率谱密度随频率的提高进一 步降低，出现频率低，持续时问短为us 量级。但是，突发性噪声 的持续时间却达到m s 量级，而且功率谱密度能高出背景噪声达 5 0 d b 之多，通常会使得所传送数据的若干位甚至整个数据传输过 程发生错误。 2 2 3 电力线信道的阻抗特性 低压电网是一个分布广泛的网络，在其上并接着各种各样的 负载，导致其信道阻抗随着各种负载的并入而不断发生变化。对 第l8 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线同桥的研究与硬件实现 于三相三线，特性阻抗i z l 为每条相线上的阻抗值，中线为安全的 参考地线：对于三相四线，i z i 为相对于中线的每相上测量的阻抗 值。 输入阻抗特性是研究低压电力线信道特性的重要参数，研究 输入阻抗对于发送信号的功率要求有着重要的意义。图2 5 是测 量低压电力线阻抗的一个基本电路图】。 信 圈2 5 电力线阻抗特性测量原理幽 其中，信号发生器产生频率可变的正弦波，胎为一取样电阻， k 、和吒为需要测量的电压有效值。在网络为线性的假设下， _ 、吒、匕的关系如式( 2 - 1 ) 。 f 巧1 2 = i 吒f 2 + l 巧1 2 + 2 l 巧j l 嵋i c o s ( 2 1 ) 其中为输入阻抗z 相角，则阻抗z 和相角由下式可得。 | z i = l l 船 c o s = 黜铲 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 研究表明，低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密 切相关。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀 第1 9 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线网桥的研究与硬件实现 分布的传输线，由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随 着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时，所有频率的输入 阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗 变化也不同，实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预 测。图2 6 是一个实测的输入阻抗与频率的关系图，其中两曲线 是在同一低压电力网的不同地点测得的【6 】。 藏覃，m 2 圈2 6 输入阻抗和频率的关系圈 从上图可以看出，电力线上的输入阻抗随频率的变化而剧烈 变化，可以从o 1 q 变到大于1 0 0 q 变化范围超过了1 0 0 0 倍。 而且，在实验所测得频率范围内，输入阻抗的变化并不符合一般 想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至有相反的结论。 为说明这一现象，可以将电力线看作是一条传输线，上面接 有各种复杂的负载，这些负载以及电力线本省组合成许多的共振 电路，在共振频率及其附近频率形成许多的阻抗低谷区。这些低 谷区组合起来，就会在局部上违反电力线上的阻抗随着负载增大 而降低的一般规律。同时，正是由于负载会在电力线上随机的联 上和断开，所以在不同的时间，电力线的输入阻抗也会发生较大 幅度的改变。 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。 第2 0 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 在由许多电阻、电容和电感组成的网络中，在不同的点看进去， 输入阻抗显然是不同的。同样，电力线上不同时刻的输入阻抗， 也随着接入负载的不同而发生变化。 由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送端功率放大器 的输出阻抗和接收端的输入阻抗难以与之保持匹配，从而给电路 设计带来困难。对于电力线输入阻抗的变化，可以通过优化电 力线网桥的输入输出阻抗来克服，要尽量降低电力线网桥的阻 抗，从而降低电力线阻抗变化的影响。 2 2 4 电力线信道的时变特性 为研究信道的时变特性，可以定义： 叮 y = 一( 2 4 ) 其中为信道传输函数的均值，叮为传输函数的方差i 。， 的大小可以表示传输函数的时间一致性，通过已知的测量可以得 到信道传输函数的时变性) ，如图2 7 所示。 由图2 7 可以看出，大部分y 低于o 2 5 ，这表示信道的时间 一致性相当高。在衰减比较严重的地方，偏差值明显上升，显示 出信道传输函数的时变性增加。因此对于固定信道中的某些频率 段可以将电力线信道传输函数作为时不变函数来处理，但是整个 窀力线信道应该作为时变信道来处理。 第2 l 页菸8 5 页 北京交通大学颐士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 图2 7 电力线幅频相应的标准差 2 。3 低压电力线信道模型 2 3 1 低压电力线信道模型的建立 从上文可看出，降低电力线通信系统性能的因素主要在于以 下5 个方面；发送器输出阻抗不匹配、信道衰减、噪声干扰、接 收器输入阻抗不匹配、信道的时变性。尽管以上测量表明无法建 立一个通用的精确模型来模拟所有的低压配电网通道情况，但是 建立一个能反映信道基本特征的近似模型却是可能的，也是有必 要的，这对予研究低压电力线通信的调制、编码、传输和解调有 很重要的意义。文献 1 4 提出了一个简单的电力线通信信道模型 如图2 8 所示。 图2 8 低压电力线信道模型 第2 2 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线罔桥的研究与硬件实现 信道滤波的频率响应 ( ，f ) 随电气负荷的改变表现为时变 性，衰减彳( f ) 常常具有1 2 0 h z 的频率，当然也包括其他周期分量 其对噪声也有衰减作用，噪声衰减和信号衰减的相对比值为b 。 这些参数的确定有赖于对线路和负荷的有关信息的了解。文献 3 2 采用自顶向下的方法，把通信通道看作是一个黑匣子，并用 一个传递函数来描述它的传递特性，实际上是把2 5 中的爿( f ) 并 入到 ( 厂，f ) 中。考虑到低压配电网实质上是由无数个t 型结 构组合而成。通过推导，得到了低压电力线传递函数的多径信号 传播模型如公式( 2 5 ) ： 式中_ ，为路径号，也可表示信号经过不同路径到来的先后次 序，l 为最短路径。第一项g 为路径歹的权系数( 考虑路径中的 反射和透射系数而定) ；第二项为衰减部分，其中口o ，d ，女为 电力线的衰减参数，d ，为路径，的长度：第三项为时延部分，v ， 为波在电力线上的传播速度，= 夕名，其中c 0 为光速，s 为 网络的介电常数。 m a n f r e dz i 咖e r m 8 n n 和k l a u sd o s t e r t 经过大量的实际测 量。运用统计规律得出，对于一个典型的四经网络，( 2 5 ) 式 参数设置如表2 1 所示。此外，该网络的介电常数约为3 6 5 。 这样= = 3 1 0 8 丽1 5 7 x 1 0 8 m 仉 第2 3 页共8 5 页 皇u 一 2 矿 吖 p 一 ， “ e g ，川 l l ， h 北京交通太学硕士学位论文电力线网桥的研究与硬件实现 衰减参数 七= l d o = o口l = 7 8 1 0 1 0 s ，竹 路径参数 第f 条路径 毋哦，肌 第f 条路径 繇 或肌 l0 6 42 0 03一o 1 52 4 4 8 20 3 82 2 24o 0 52 6 7 5 表2 - l 四经网络模型参数 2 3 2 低压电力线信道模型的等效表示及仿真 i n t e l l o n 公司通过实验得到的低压电力线的噪声电平特性 如图2 9 所示【”j 。通过对图2 9 的研究不难看出在整个频带内突 发性噪声有很高的噪声电平，并且可以看出信道衰落是典型的慢 衰落，这样可以把电力线信道干扰噪声近似做频谱平坦的白噪声 和突发性干扰的叠加，如式( 2 6 ) 所示。 弘m ( ，) = g ( ，) + ( f ) ( 2 6 ) 其中和肌( f ) 为信道等效干扰噪声；占( f ) 为等效自噪声；_ ，( ) 为 等效突发性干扰。由于突发性噪声没有准确的数学模型来描述， 一般通过加入前向纠错编码来降低它对电力线通信的影响。 第2 4 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线网桥的研究与硬件实现 图2 - 9 低压电力线噪声的频域特性 我们知道。低压电力线信道具有典型的慢衰落信道特征。信 道传输函数由( 2 5 ) 式表示，则低压电力线信道模型的等效表 示为式( 2 7 ) 所示。 y ( ”= z ( ”( + 如脚( 们 ( 2 7 ) 其中x ( w ) 为通过低压电力线系统的信号j ( f ) 的傅立叶变 换；( w ) 为信道传递函数的频域表示；妇脚( w ) 为信道干扰噪声 的傅立叶变换。 图2 1 0 给出了根据以上模型得到的信道特性与已知实际所 测信道特性的比较。 此 “l ，m i 垃 ( b 2 一l o 网络的仿真结果与测量结果比较( n = 4 ) 第2 5 页菇8 5 页 北京交通大学硕士学位论文 电力线网桥的研究与硬件实现 早期的电力线通信主要采用传统的模拟单载波通信，由于模 拟系统本身的弊端使得它不可能成为主流的通信方式。现今的电 力线通信( p l c ) 将数字信号信道与低压电力网结合，借助现行 的p l c 模型及数字信号处理( d s p ) 技术的进步及特殊的调制解 调技术，比较好的克服电力线上的噪声和干扰，大大改善低压电 力线的通信质量，提高其服务质量( q o s ) 。目前p l c 采用最多 的是扩频通信和正交频分复用( o f d m ) 调制技术。 根据信息论香农定理，信道容量定义： c = 口l 0 9 2 ( 1 + 形) ( 2 - 8 ) 对于给定带宽和信噪比，信道的容量是一定的。而在一定信 道容量的下，如果带宽口扩充到一定程度，那么就能在较低信噪 比要求下得到很宽的传输质量。而扩频通信就是通过编码及调制 的方法将信号所占用的频带扩展远大于所传信息必需的最小带 宽，即使一小部分的频谱受到干扰或衰减也不会使信号产生严重 的畸变，因此能比较好的克服电力线上的噪声和干扰，实现有效 地p l c 通信。目前采用扩频方式通信的芯片有1 1 1 t e l l o n 公司的 s s c p 2 0 0 ，p 3 0 0 ，a d a p t i v e n e t 、v o r k 公司生产的a n l 9 2 1 0 0 0 系列。 以及国内自己研制的s c l l 2 8 等。由于速率限制他们往往用在 电力抄表( 水、电、气表) 、载波电话、电力线载波通信等数据 量不是很大的场合。 正交频分复用( o f d m ) 的基本思想是把输入信息转换成多路 并行信号，利用快速傅立叶变换对相互完全正交的一组载波进行 调制形成子载波信号，同时将可用的频谱划分为许多窄带，分别 传输这些子载波信号。为了获得高的频谱效率，子载波的幅频响 第2 6 页共8 5 页 北京交通大学硕士学位论文电力线同桥的研究与硬件实现 应相互重叠和正交。当o f d m 所有子载波信号叠加到一起时， 其信号频谱接近于矩形频谱。因而其频谱利用率在理论上可以达 到香农信息论的极限。而且每个子载波可以使用不同的调制方 式，比较常用的有b p s k q p s k 和q m 等。也就是说，o f 【) m 是将高速的串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然每个子载 波的速率不高，但所有子信道加起来将会获得很高的数据速率。 o f d m 将高速串行数据分割为n 个子信号，等价于将码元周期延 长了n 倍，它远大于一般典型多径反射的时延，有效地克服了由 多径效应引起的码间干扰( i s i ) 。并且0 f d m 与纠错编码相结合， 可以克服多径衰落问题，特别适宜于电力线这种非常恶劣的信道 环境。o f d m 存在的问题在于电力网使用的大多是非屏蔽线，在 进行高速数据传输时不可避免地会形成电磁辐射，若对其功率控 制不当，有可能对其它无线通信造成干扰。i n t e l l o n 公司的 i n t 5