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配电盘中电力载波通信OFDM信号的传输特性细谷贤史 森晃 渡边陽介 德田正满武藏工业大学研究生院工学研究部 158-8557 东京都世田谷区玉堤 1-28-1E-mail：s-hosoyacsl.ec.musash-tech.ac.jp摘要 本文利用OFDM（Orthogonal Frequendy Division Multiplexing正交频分复用）模型，检测了电力线经过配电盘时对PLC（Power Line Communication电力载波通信）信号传输特性的影响。首先，众所周知，无分支线的情况下，信号在分支开关内传输和经主开关传输，其衰减特性和传输率（PHY rate）基本相同，但传输率从同相传输的185Mbps衰减为异相传输的150Mbps。其次，若增加分支线， 显而易见，在分支线长度四分之一的频率处产生大幅衰减，但该衰减几乎不影响PHY rate；相反，在异相传输中，加分支线明显改善了传输率。最后，本文利用MATLAB/Simulink将PLC Modem(调制解调器)模型化，通过比较传输率的实测值与计算值可知，同相传输情况下实测值与计算值基本一致，异相传输并不一致。 关键词： 电力载波通信（PLC）、四端回路理论、OFDM (正交频分复用)、配电盘1 前言近年来，随着互联网的快速普及，日本总务省推出了实现泛在网（Ubiquitous Networks）的u-Janpan政策，其目标是不仅实现人与人，而且实现人与物、物与物之间丰富的信息互联。这种情况下，家庭网（将各种家用电器与互联网连接）需求高涨。构成这种家庭网的措施之一就是电力载波通信（PLC：Power Line Communication）。所谓PLC，是将供电线路作为传输线路的通信方法，可利用高频波段实现高速通信。在日本，PLC以2003年的“e-Janpan战略II” 热潮为契机，应用形势不断高涨。PLC是以现有的电力线路作为传输线路的通信系统，无需投资新设备，插入混凝土建筑物即可联网，经济便利，因此倍受青睐【1】。这种背景下，文献2利用OFDM（Orthogonal Frequendy Division Multiplexing正交频分复用）技术，建立了PLC模型，进行了实际工况实验，完成了关于降低漏电波的研究报告，并讨论了配分支线路模型的传输特性2。然而实际大多境况下采用家用配电盘，该配电盘究竟会对OFDM信号产生什么样的影响，对于PLC来说是至关重要，但这些问题至今无人问津。本文以家用配电盘为对象（最近住宅多为单相三线制），对该配电盘的传输衰减特性以及该衰减特性对OFDM信号的影响进行了讨论。民用电的社区配电盘一般以50Hz交流信号为基础设计而成，因此对于PLC的高频信号（2MHZ30MHz），其特性如何尚不明确。另外，通过单相单线制配电盘的通信，有同相通信（L1相L1相）与异相通信（L1相L2相）2种情况，尤其是异相间通信，因L1相与L2相无线通信，预计影响比同相更大。因此，首先在测定传输衰减特性的同时，与四端回路计算结果进行了比较。其次，通过PLC模型传输速度测定和MATLAB/Simulink模拟，评价了配电盘传输衰减特性对OFDM信号的影响。2 传输衰减特性讨论2.1 配电盘电力载波模型图1 配电盘载波传输模型本文实测用配电盘是日本松下National Compact 21型配电盘。电线采用导体直径1.6mm的双芯VVF电缆（Vinyl insulated and Vinyl sheathed type：聚乙烯绝缘聚乙烯护套电缆），配电盘的电力载波线路模型见图1。输入、输出线长度为10m。（1） 分支开关内的载波传输模型：I类同相传输分支开关的1Z为输入端，分支开关的1Z为输出端（见图1（a）。（2） 分支开关内的载波传输模型：I类异相传输分支开关的1Z为输入端，分支开关的1 1 Z为输出端（见图1（b）。（3） 经主开关的载波传输模型：II类同相传输分支开关的1Z为输入端，主干开关的1L1相 Z为输出端（见图1（C）。（4） 经主开关的载波传输模型：II类异相传输分支开关的1Z为输入端，主干开关的1L2相 Z为输出端（见图1（d）。图2 传输衰减特性测量系统2.2 传输衰减特性的测定方法传输衰减特性测量系统见图2。对于2.1所述的电力载波模型，利用网络分析仪（Network Analyzer）测量其传输衰减特性。由于来自网络分析仪的信号要经过同轴电缆等不平衡传输线路，因此在其与平衡载波线路之间插入了平衡-非平衡适配器（balun）。检测频率为1MHz100MHz。2.3 四端回路计算利用四端回路对2.1所述的电力线路载波模型进行了计算。计算中仅需要配电盘的级联矩阵（即T参数）。该T参数利用S参数计算得出。S参数的测量是在配电盘内插入带SMA插座的、直径为1.6mm的电缆，用四端回路网络分析仪进行测量。利用该结果，通过计算可得到配电盘的T参数。然后求出单位长度VVF电缆的一次常数，利用该一次常数可求出各频率的T参数。利用四端回路，根据载波线路模型的类型，将电缆与配电盘的T参数相乘，最后转换为S参数，求出传输衰减特性。传输线路（VVF电缆）的S参数可通过（1）式求解。式中：X载波线路长度 图3 四端回路的S参数如图3所示，四端回路的S参数可用（2）式表示，S参数与T参数的关系可用（3）式表示（3）（4）（5）。 图4 分支开关内的传输特性比较 图5 经过主开关的传输特性比较将上式计算所得的分支开关内同相和异相传输的传输衰减特性与实测结果进行比较，其结果见图4。另外，通过主开关的同相与异相传输情况比较见图5。实测结果从用网络分析仪测得的传输衰减值中减去了插入balun的插入损耗。观察计算值与实测值的比较可知，同相传输情况下，在多少可观察到误差的PLC频带（2MHZ30MHz）内，其趋势一致。但异相传输情况下，在2MHz附近可观察到10dB的误差。尽管如此，总体而言基本一致。另外可知，同相传输中，虽然随着进入高频而衰减，但总体上衰减在10dB以内，但是在异相传输中约有10dB以上的衰减。其原因可认为是：同相传输以L1-NL1-N的相连形式传输，因此衰减量小；而异相传输以L1-NL2-N的形式，L1线与L2线两线互不相连，仅将N线（中性线）作为传输线，因此衰减量增大。2.4 增加分支线时的传输衰减特性下文通过测量、计算，评价了增加一条分支线时的传输衰减特性。分支线长10米，处于断开状态。由2.12.3可知，在分支开关内传输与通过主干开关传输得到大致相同的结果，因此本文在分支开关内的传输模型中增加了分支线，求出传输衰减特性。增加分支线时的传输线路模型如下所示：（1）同相传输：分支线端子为 1Z （同相测）（2）同相传输：分支线端子为 11Z （异相测）（3）异相传输：分支线端子为 1 Z （同相测）（2）异相传输：分支线端子为 12 Z （异相测）比较结果见图6、图7。 图6 增加分支线路时的传输衰减特性 图7 增加分支线路时的传输衰减特性 （分支开关内的同相传输） （分支开关内的异相传输）在特定频带内的锐减，其原因是分支线引起的信号反射。在该频率下同相传输衰减约20dB，异相传输衰减约2530dB。因此，在分支点处于断开（open）或短接（short）情况下，由于阻抗不匹配会引起信号反射。此时，在分支端处于open（断开）的情况下，在波长l的四分之一的频率范围内的分支线（即配电盘部分）处于短路状态，因此一次主干线部分的传输衰减特性锐减。对于VVF电缆，10m线路在波长四分之一处频率约为4MHz，传输衰减特性与实测结果一致。对于同相传输，如图6所示，若在输入端1z的同相侧（分支点）加分支线，由于将主干线的L1-N分支端1z直接短接，因此在4MHz处产生快速衰减。但若在异相侧（分支点1）处加分支线，虽然分支线L2-N的分支端11z短接，但主干线的分支端子1z不短接，因此在4MHz处不产生快速衰减。异相传输如图7所示，不管同相、异相侧，由于增加分支线，约在4MHz处发生快速衰减。在图7的异相传输中，从L1-N的传输端1z传至L2-N的传输端11z。首先，若在输入端1z的同相侧接分支线，由于通过构成主干线的端子1z将L1-N短接，因此发生快速衰减。另一方面，即使在输入端1z的异相侧（分支点）接分支线，由于在通过构成主干线的端子11z侧将L2-N短接，因此同样发生快速衰减。3 PLC模型的OFDM信号传输特性3.1 PLC模型的传输速度测定法图8 PLC模型的传输速度测量系统根据第2章结论，可以认为传输衰减特性影响传输速度。因此可利用PHY rate （Physical layer data rate：物理层数据传输速率）讨论传输特性。PHY rate是指物理层数据传输速率，表示取决于通信方式与传输介质的理想传输速度。在测量方面，利用住友电气工业株式会社生产的PLC模型试验装置，对OFDM信号的传输特性进行了测量。检测在屏蔽室内进行，测量系统见图8。信号发送PC与信号接收PC通过PLC模型连接，传输线路采用第2章所述的配电盘电力载波线路，用2.1中（1）（4）的载波模型与2.4（1）（4）的载波模型进行测量。另外，为防止信号发送与接收两侧通过直流电源耦合，并且为了避免通信信号通过直流电源混入工频电源，采用线性滤波器，阻断不必要的信号。3.2 传输速度模拟法及其结果S/P：串-并联转换 P/S：并-串连转换 GI：保护间隔图9 模拟模型本文的PLC模型调制采用OFDM调制方式，利用计算机软件进行PLC模型建模，构成OFDM信号接收系统。计算机软件采用MATLAB/Simulink。其后建立电力载波模型，构成模拟电力载波线路。本文利用该模拟模型计算了PHY rate2678。表1 模拟参数一次调制1024QAM副载波数1500条IFFT点数2048带宽230MHzAWGNSNR=55dB最大传输率200Mbps模拟模型结构见图9。首先，在信号发送侧，将随机的二进制信号一次调制，通过S/P(Serial/Parallel：串/并联) 换装置转换为并联信号。然后，通过IFFT（Inverse Fast Fourier Trancform：快速傅立叶逆变换）进行正交转换，生成基带信号。一次调制利用1024QAM（Quadrature Amplitude Modulation：正交振幅调制）、副载波数为1500条，另外，为防止信号干扰，插入了GI（Guard Interval：保护间隔）。信号接收侧进行的是逆转换。平衡器可补偿通信线路中产生的波形畸变，通过采用训练符（training signal）的复数除法（Complex division）运算，进行接收信号的修正。传输线路由模拟AWGN（Additive White Gaussion Noise：加性高斯白噪声)与传输衰减特性衰减量的数字滤波器构成。这里的数字滤波器不能获取传输衰减特性计算值与实测值之间的误差，因此采用四端回路求解得到的传输衰减特性计算值。表1给出了用于模拟参数，实测值与计算值的结果见表2。表2 PHY rate 的实测与计算结果比较（a） 无分支线的情况电力线模型PHY rate（Mpbs）实测值计算值分支开关内传输同相183182异相149174经主干开关传输同相185187异相150172（b） 增加分支线的情况电力线模型PHY rate（Mpbs）实测值计算值同相传输L1L1同相侧接分支线（分支点）187181异相侧接分支线（分支点1）187190异相传输L1L2同相侧接分支线（分支点）175150异相侧接分支线（分支点2）165150表2（a）所示为无分支线的情况下在分支线开关内传输与经主开关传输的比较，同相传输与异相传输所得结果相同。根据实测值，同相传输情况下PHY rate 达到180Mpbs以上，可以说能够保证足够的传输率。相反，异相传输情况下PHY rate为150Mpbs，远低于同相传输。可以认其原因是：与同相传输相比，异相传输在较大的频带范围内引起的信号衰减量大，且受L1与L2之间的电容耦合影响，降低了PHY rate。关于表2（b）所示的分支开关内传输情况，在同相传输中，即使在同相侧加分支线，或在异相侧加分支线， PHY rate均在180Mbps以上，实测结果是传输速度与无分支线情况没有区别。由此可知，在同相传输中即使加一条分支线，对PHY rate没影响。异相传输中在同相测加分支线时PHY rate实测值为175Mpbs，异相侧加分支线时为165Mpbs，不管何种情况，与不加分支线时的149Mpbs相比，PHY rate得到显著改善。尽管与同相传输180Mpbs的PHY rate相比，该值较低，但进一步明确通过加分支线改善PHY rate的机理，是今后研究的课题。通过与计算值比较，可以说同相传输中与实测值基本一致，但在异相传输中发现了差异。本文的模拟中采用了模拟电力载波线路计算求得的传输衰减特性。因此，传输衰减特性实测值与理论值的误差，至少会对PHY rate产生影响。4 小结本文以实际家用配电盘为对象，对通过该配电盘的电力载波线路模型的传输衰减特性以及该传输衰减特性对OFDM信号的影响进行了实测与计算两方面的评价。首先对电力载波模型无分支线时的同相与异相传输进行