基于plc的高速可靠通信系统的设计

基于plc的高速可靠通信系统的设计

0plc传输特性随着电子束网络的构建，充分利用电子束网络资源，实现电子束通信（ppp）引起了学术界的关注和研究。PLC中的关键问题之一是其传输特性问题。电力信道工作环境恶劣,突出表现在信号衰耗大、阻抗变化大、干扰大且时变性强等方面。本文着重研究电力线的信道特性。1plc信号衰耗的障碍目前,利用电力线进行数据传输和建立网络等技术已有较大的发展,但是PLC中还存在较大的障碍。PLC信道中存在强烈的信号衰耗、大量的干扰、不可预测的噪声以及变化的阻抗。这些都是由PLC信道自身特性决定的。1.1信号衰耗随频率的变化情况PLC信道对各种频率信号衰耗的程度是PLC选择载波频率的主要依据。信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器,对高频载波信号来说相当于短路,造成极大的衰耗;网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路,产生谐振。当网络上负荷很重时,线路阻抗可达到1Ω以下,造成载波信号的高衰耗。总的说来,信号传输距离越远,衰耗越严重,但是由于负载阻抗的不匹配,信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象,导致近距点比远距点衰耗大。由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件,PLC信道表现出很强的时变性。信道在1s内对某一频率信号的衰耗变化可达到20dB;在1s内信噪比的变化也可达到10dB左右。而且,三相电力信道间有很大的信号损失(10dB～30dB)。通信距离很近时,不同相间可能会收到信号。载波信号一般只能在单相电力线上传输;不同耦合方式导致PLC信号的损失也不同,线—地耦合比线—中线耦合少损失10dB左右。同时,不同相位的耦合也会引起衰耗,跨相传输比同相传输衰耗大10dB左右。此外,配电变压器阻碍信号的通过,在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到60dB～100dB,次级间也会有20dB～40dB的衰耗。总体上说,PLC信号衰耗随频率上升、距离增大而增加,但并不是单调的。通常情况下,信号衰耗在20dB以上,但一般不会超过55dB。从衰耗角度来看,欧洲标准CENELECEN50065-1所使用的A频段3.0kHz～148.5kHz频带比美国FCC标准使用的100kHz～450kHz频段的衰耗要低。1.2对复杂系统的冲击研究表明,电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。输入阻抗的变化并不一定符合随频率增大而减小的单调变化规律,甚至与之相反。为了解释这一问题,可以将电力线看成是一根连接有各种复杂负载的传输线,这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路,在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。此外,网络负载随机地连接或断开,导致电力线的输入阻抗发生较大幅度的改变,还会造成电力线上不同位置的输入阻抗不同。PLC-NET(PLC网络)可看成由许多电阻、电容和电感组成的网络,信道的电参数随时间、地点变化,相应地,输入阻抗也往往急剧变化。如此,发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗均难以匹配,从而给通信系统的设计带来相当的困难。1.3变压器噪声特性分析PLC的最大干扰是噪声,其主要来源是电力网上的所有负载,以及无线电广播、天电等。就噪声特性而言,同一配电变压器下的所有用户负荷噪声以及变压器原边噪声都会对信道产生噪声干扰。噪声很大时,必然要求提高信号功率来满足数据传输的要求,这样,除了导致产品成本和体积增加外,对其他用户也是一种交叉干扰。2噪声源的种类噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一,其研究要紧密结合通信频带。为了简化对干扰复杂性的分析,PLC信道噪声从不同角度大致可划分为5类,如图1所示。a.有色背景噪声。主要来源于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.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,白天高,晚上低。c.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50Hz～200Hz。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。2.1背景噪声谱线前3类噪声在较长时间内相对保持不变,不妨将它们归为背景噪声。这3类噪声谱线相加,可得到背景噪声谱线。图2是在实验室测得的背景噪声曲线,中心频率为4.2MHz,频带宽度为8.4MHz。可以看出,背景噪声的平均功率较小,但频谱很宽,而且持续存在,有可能部分或完全覆盖信号频谱。因此,通信过程中的信噪比可能会变得较差,而导致通信误码率增加。2.2功率谱密度随频率的变化特点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。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,持续时间短,为μs量级。但是,突发性噪声的持续时间却达到ms量级,而且功率谱密度能高出背景噪声达50dB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。图3是低频突发性噪声曲线,中心频率为17.8Hz,频带宽度为35.6Hz。2.3产生多种噪声为了能通过仿真评估发送方案是否恰当,建立用特性参数描述噪声情况的模型是重要的,每类噪声都可以用产生该类噪声的模块来代表。通过这种方法可以获得发送方案对各类噪声的敏感度,多种噪声并存的复杂噪声情况可以由多个噪声模块的输出叠加得到。下面给出有色背景噪声和窄带噪声产生模型。2.3.1自回归过程模型参数有色背景噪声可以很容易地通过对白色噪声源进行滤波综合而成,如图4所示。对噪声波形滤波器的详细描述可用下列传递函数表示:式中:B(z)是一个可变的平均值;A(z)是自回归部分;模型的参数是噪声源的σ值和滤波系数。使用自回归过程模型,就是使B(z)=1,参数可以由用自回归谱估计方法测量的噪声确定。由于背景噪声的功率谱密度长时间缓慢变化,因此,模型的参数只在对出现新状态时的噪声情形进行仿真时才改变。2.3.2动态调幅t窄带噪声可以用N条正弦波叠加来表征:每个载波用频率fi、幅度Ai(t)和相位φi表示。其中,Ai(t)可以是依赖于时间的恒定值,也可以是幅度调制(为了更好地逼近广播调幅信号)。载波相位φi可以在[0,2π]之间任意选择,并且不依赖于时间。若忽略幅度调制的影响,窄带噪声的频率随时间缓慢变化,则仅需改变参数就可以将该模型应用于新的噪声环境。3通信模型除了上述噪声模型之外,还有必要建立一些含有信道重要特性参数的通信模型。3.1阻抗不匹配、干扰从上文可看出,降低PLC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、信道衰耗、噪声干扰、接收器输入阻抗不匹配、干扰的时变性。图5给出了具有上述参量的电力信道模型,除噪声外所有的衰耗都用频率响应时变线性滤波器来表征,噪声N(t)被当做是可加性随机干扰过程。上述所有衰耗可以并入单一的滤波器,如图6所示,它包括一个时变滤波器和可加性噪声。该模型看似简单,但涵盖了通信信道几乎所有的特性。3.2有频率选择性衰耗特性的多路信号传输函数。在保证PLC-NET具有众多的节点、分支和不匹配的线路。该类型拓扑结构决定了信号的多路传输特性。受电缆外层绝缘材料的影响,电力线上信号的衰耗随频率的提高和距离的加大而增加。具有频率选择性衰耗特性的、多路信号传输的传输函数,可以用N条传输路径的叠加以及含有频率f、延时t、距离d、衰耗A的方程来表示:式中:gi为路径i的加权系数;A为衰耗,其特性由长度、频率和衰耗参数α0,α1和k表示,即如果再用长度d与相速vp的比值表示τ,则得到下面的传输函数模型:式中的所有参数均可由实际信道的测量得到。式(5)是描述典型电力信道各种复杂传输函数模型的基础。应用该模型,电力线信道所有的传输特性都可用很少的参量来描述。4子信道最佳分配功率不妨设发送信号的功率P0=1W,信道的频率响应被划分成N条频带为Δf的频率衰耗程度相同的子信道的频率响应,每条子信道i的衰耗因子为ki,通过的发送信号的功率为Pi,噪声功率为σ2ii2,i=0,1,…,N-1。则每单位子信道的容量Ci可以由下式表示:整个信道的总容量C为:C=2Δf∑i=0N−1Ci(7)C=2Δf∑i=0Ν-1Ci(7)|ki|2和σ2ii2的值由每个子信道本身决定。为了使整个信号的总容量C最大,总的发送功率P由N条子信道分担,即:估算子信道最佳分担功率Pi最好通过拉格朗日法,即:其中,通过一个附加因子与λ乘积项引入前提条件(8)。通过对式(10)偏微分∂Λ/∂Pi=0,得到:即为每条子信道的最佳分配功率。结合式(8)和式(9),可以得到k/λ的值:通过把βi升序排列,可以简化k/λ的数值计算。应用该算法,可以知道各子信道信噪比的高低(βi低,信噪比高),合理分配各子信道承担的信号功率,从而最优化功率分配,获得最大的信道容量。5plc-工—解决方案可靠的PLC系统的设计障碍由PLC-NET的物理特性所导致。表1列出了PLC-NET的缺点,它们随时间和地点的变化很大。为了实现PLC系统的稳定性和可靠性,必须采用数字与模拟、硬件与软件综合处理的办法来克服这些缺点。5.1前向纠错技术PLC发送系统必须以不超过标准化组织规定的信号功率工作,另外,网络的信噪比水平必须能保证PLC系统正常工作。信噪比必须足够高,以避免PLC-NET中背景噪声的影响。但是,突发噪声具有更高的功率,PLC系统处理此类噪声具有相当的困难,信噪比不足以克服此类噪声导致的传输错误。但当噪声持续时间比码元持续时间还短时,噪声不会对传输造成影响。前向纠错(FEC)技术被应用于PLC系统在一定程度上消除了突发噪声的影响。应用该技术,PLC系统就能纠正传输过程中若干数据位的错误。针对不同的错误类型,FEC有多种不同的机制,但FEC也造成了网络容量的额外开销。尽管已经应用FEC并且PLC系统自身具有一定的抗噪声干扰能力,错误的数据传输还是有可能发生。错误发生时,必须由自动请求重发(ARQ)机制来完成数据的重传。ARQ能够纠正若干受ms量级突发噪声影响的数据位的错误。当干扰长期存在而使得若干信道不可用时,ARQ始终重发数据是不现实的,所以干扰长期存在的信道在干扰消除以前不能被利用。此时,必须进行信道的重新分配,噪声的长期干扰导致了PLC-NET容量的缩减。5.2架空地线的线路设备绝缘地线传输信道是一种近来使用的改进信道。为了防止相导线遭受雷击,在电力线上方架设架空地线。为了减小架空地线对电能输送带来的损耗,这些架空地线实际上并不直接接地,而是在各杆塔上通过放电间隙P接地。由于对地绝缘,减少了电力线路的电能损耗,同时又为利用架空地线开设载波通信提供了条件。图7是绝缘地线载波通信原理示意图,它由架空地线G、线路设备和载波机ZJ组成。架空地线的线路设备包括放电间隙P、接地排流线圈L、耦合电容器C和阻抗匹配变量器T。放电间隙P起防雷击等作用。接地排流线圈L的作用是:在电力线正常运行时和非正常运行时,将架空地线上因电磁感应产生的大电流排入大地。另外,接地排流线圈的电感和耦合电容构成一个高通滤波器,以阻止工频高次谐波的干扰进入载波机。阻抗匹配变量器T用于实现架空地线的特性阻抗与高频电缆的特性阻抗之间的匹配。绝缘地线信道与电力线信道相比,具有以下优点:a.线路设备简单,不需要高频阻波器和高压耦合器,具有经济意义。b.架空地线上感应的工频电流和电压大大低于相导线的值,因此,地线载波信道中的噪声干扰电平比电力线通道中的噪声干扰电平要低(约5dB～10dB)。c.在电力线停电作业、相导线加挂地线的情况下,电力线载波信道不能通话,但地线载波信道仍可维持通信。另外,绝缘地线易于实现多路通信,因此可以取得更大的经济效益。但由于信道故障时接地间隙击穿放电,有可能引起地线载波通信瞬时性中断,对高频信号影响很大。6信号衰耗随网