低压电力线载波信道特性分析
2019-11-03 09:52:49
供稿：网友
低压电力线载波信道特性分析 摘要：分别从时变性、衰减特性、干扰噪声、相移特性等四个方面论述了低压电力线的传输特性，并给出了相应的参考数据。 关键词：低压电力线；传输特性；通信 目前，大部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电缆或光缆等物理媒介进行通信的。这些通信线路，虽然通信容量较大，但造价高、维护难，尤其对老建筑物的改造更加不易。相反我们知道，只要有建筑物就会有电力线，利用电力线载波通信可以人大地减少投资和对线路的维护成本。 然而，要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事。如何选择调制解调人式及采用何种通信协议，应建立在对低压电力线信道特性了解的基础之上。这方面的研究及相关论文，目前国内还较少。本文参考了国外最新研究资料，结合我们工作中的实际经验来作介绍。 总的来说，低压电力线载波信道的传输特性的特点是：具有时变性，衰减较大（尤其是电力负载为害性时，对载波通信信号近似短路），各种干扰噪声复杂。1 时变性 对于一般的居民用户，我国采用的是220 V交流两线供电。由于电网上负载的不断接人、切出，马达的停止、启动，电器有开有关等各种随机事件，使表现出来的信道特性具有很强的时变性。低压电力线在1S内可对某一频率信号的衰减变化达到20dB，因此不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。同时，在1S内信噪比的变化也可达到10dB左右。2 衰减特性 低压电力线一般由锔或其它电的良导体加工而成，其本身的阻抗很小（视导线的电导率和截面积不同而不同）。对不同频率的信号，其阻抗略有变化且相对稳定。因此，电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。 显然，电力线上井朕着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容，对几百kHz的载波通信信号来说，相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它会分去相当一部分的功率。 可见，信号衰减由两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，我们可以将耦合器的内阻做得相当小，这样衰减就主要决定干线路的衰减。实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40～100 dB/Km。在农村的衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m大约20dB；在郊区，250m亦能达到25dB；但在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。3 干扰噪声 对于低压电力网的干扰特性，人们分别对不同的地域（城市、工业区、乡村）作了大量试验，结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型。 在参考文献中，作者认为室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰，并且在10kHz～100MHz的频率内，噪声功率谱密度以29dB／decade幅度衰减。各种干扰噪声主要来源于4个方面：（1）可控硅（SCR）器件和一些电源电路产生的60 Hz的倍频谐波（注：美国电力线频率为60Hz）；（2）由负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如普通电动机产生的干扰；（3）开关电子设备产生的单脉冲噪声;（4）非同步周期的噪声，如电视机的15.73土地的行扫描频率。 背景噪声是典型离散高斯型的，它对通信系统的影响很好理解。其余就是脉冲噪声，它对通信系统有着重要的影响，可以产生突发性干扰引起瞬间的高误码率。研究表明：（1）脉冲噪声的强度一一一般比背景噪声高10dB，有时可达40dB，这种干扰与干扰源至接收器的距离有关。（2）主要的脉冲干扰频率为120Hz，且和60比电源电压的正或负半周期同步。（3）脉冲宽度约有百分之几的变化120Hz脉冲噪声）。（4）脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关，一般幅度增加时脉宽减少。（5）干扰噪声和信号一样都会衰减的，尤其在衰减较大时，靠近接收机的噪声源影响最大。（6）有的噪声源增加了背景噪声的功率，有的增加了脉冲噪声的功率，有的都增加了。 对于室外电力线的传输特性，人们也作了研究，并且仍以带干扰的时变线性滤波模型来描述电力线的特性。在参考文献将干扰分为4种类型：A型是具有平滑功率谱的背景噪声，这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数。 其中K和时间及发送接收的位置有关，在白天，K一般数秒到数分钟保持不变，夜晚甚至可达数小时不变。B型为单脉冲噪声，由开关操作引起，一般持续时间远小于12.5ms；98%以上的这种干扰脉冲和人们的活动关系很大，白天脉冲干扰相对多得多，尤其在7：00～9:00 h和19:00～0:00 h时。C型为与电网频率同步的噪声，主要由可控硅（SCR）器件产生；在60～95 kHz的频率段内，其功率谱密度大约为一70dBW/KHz。D型为和电网频率无关的窄带干扰，主要由其它电器辐射引起，测量表明，其功率密度一般为一60～90dBw/khz。4 相移特性 文献中就电力线传输信号对相位的影响也作了测量，结果表明，通过250m的电力线，正弦波的相移小于土10。 以上参考国外的最新资料介绍了低压电力线的传输特性。由于我国电器上网的电磁兼容性没有欧美控制得严格，因此我国电力网的干扰要比欧美严重得多，电力线的通信环境也更加恶劣。这对我国从事低压电力线通信技术研究的工作者来说，提出了更加严峻的挑战。
