低壓電力線信道模擬系統(tǒng)的研究

低壓電力線信道模擬系統(tǒng)的研究

由于低壓電能線載波通信的豐富道路資源和易連接性，低壓電能線網(wǎng)絡(luò)在客戶端部的應(yīng)用前景非常好。然而，低壓電能線網(wǎng)絡(luò)并非專門用于通信，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)載重新排列，使得在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境中傳輸?shù)牟煌δ?。這意味著不同時(shí)間和地點(diǎn)的許多波通信設(shè)備的通信質(zhì)量差異很大。這些通信設(shè)備的開發(fā)試驗(yàn)和評(píng)估驗(yàn)證面臨復(fù)雜的情況。因此，我們可以在總結(jié)通信環(huán)境和信道模型的基礎(chǔ)上建立實(shí)際的模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，這對(duì)開發(fā)低壓電能線載波通信產(chǎn)品具有非?，F(xiàn)實(shí)的意義。本文提出并實(shí)現(xiàn)的低壓電力線載波信道模擬系統(tǒng)以無源的阻容元件為主,利用計(jì)算機(jī)控制的繼電器組,模擬不同的典型現(xiàn)場(chǎng)條件,實(shí)現(xiàn)其輸入阻抗特性、傳輸衰減特性和干擾噪聲特性,為載波通信設(shè)備的開發(fā)提供了實(shí)用的試驗(yàn)環(huán)境.下面將就模擬試驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)思想、技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行闡述.1低壓電力線載波通信模擬信道的試驗(yàn)系統(tǒng)電力線網(wǎng)絡(luò)具有眾多的節(jié)點(diǎn)、分支和不匹配線路,這種復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了其傳輸信號(hào)具有多徑傳輸特性,大量的路徑分支分流了傳輸信號(hào)的能量,且歸納為下列頻率特性來集中表述為:式中:i為路徑分支;gi為考慮網(wǎng)絡(luò)具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的權(quán)衡因子,代表沿著第i條反射路徑的反射和傳輸因子的乘積;a0、a1、和k分別為電力線的衰減參數(shù);li為路徑i的長(zhǎng)度;li/vp為路徑i的延時(shí),vp代表電力線上波的傳播速度.這一模型主要體現(xiàn)了由阻抗不匹配點(diǎn)產(chǎn)生的反射在各個(gè)路徑上造成的線路衰減.盡管這種路徑疊加方式的模型能夠很好地解釋信道多徑傳輸?shù)奶攸c(diǎn),但式(1)右端的具體參數(shù)卻很難實(shí)際計(jì)算和測(cè)量,甚至連分支數(shù)都無法確定,因此公式的主要作用是解釋其左端系統(tǒng)頻率特性H(f)的由來,表明最終的傳輸性能可以直接通過左端的頻率特性來表述.也就是說,低壓電力線的傳輸特性確實(shí)可以用一個(gè)系統(tǒng)的頻率特性來描述,因此也就能夠通過集中參數(shù)的阻容元件來搭建模擬電路,使其最終獲得的頻率特性與以式(1)為基礎(chǔ)實(shí)際測(cè)得的典型傳輸特性一致,從而達(dá)到用構(gòu)建實(shí)際物理電路來實(shí)現(xiàn)電力線載波通信模擬信道的目的.這里提出的實(shí)際低壓電力線載波通信模擬信道的試驗(yàn)系統(tǒng),是以等效基礎(chǔ)模擬單元為核心器件,組成不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并以此對(duì)應(yīng)于實(shí)際的電網(wǎng)連接方式.其中基礎(chǔ)模擬單元由傳輸線模擬電路與負(fù)載模擬電路組成,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則通過計(jì)算機(jī)控制的繼電器組實(shí)現(xiàn).圖1是3個(gè)基礎(chǔ)模擬單元簡(jiǎn)單串聯(lián)的形式,可以此種方式形成更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接.圖2為基于式(1)的典型傳輸衰減特性曲線,I、II為同相條件下分別在負(fù)載較重和較輕時(shí)段測(cè)得的曲線.從圖2可見,信號(hào)的衰減有隨頻率的增加而增大的趨勢(shì),但不完全是單調(diào)變化,且存在明顯的轉(zhuǎn)折頻率,即頻率150kHz后衰減顯著增加.試驗(yàn)系統(tǒng)可以通過改變等效基礎(chǔ)模擬單元中的等效負(fù)載和拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來模擬低壓電力線載波通信的這種特性.如加大容性負(fù)載,可獲得更高的衰減值,改變負(fù)載參數(shù)獲得不同的轉(zhuǎn)折頻率等.與傳輸衰減特性相比,輸入阻抗特性對(duì)于開發(fā)載波通信設(shè)備可能更有意義.低壓電力線的輸入阻抗與所傳輸?shù)男盘?hào)頻率密切相關(guān),圖3為輸入阻抗特性的典型曲線.在圖3的三條曲線中,“最大”曲線的波動(dòng)范圍最廣,反映電力線輸入阻抗對(duì)載波設(shè)備最不利的情況.實(shí)際系統(tǒng)中各種負(fù)載電路與電力線傳輸特性組合,產(chǎn)生了一些新的振型,在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū),致使輸入阻抗頻率特性產(chǎn)生一些圖中所示的阻抗低谷.試驗(yàn)系統(tǒng)也同樣可以通過選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和調(diào)整基礎(chǔ)模擬單元的等效負(fù)載參數(shù)來改變其頻率特性.噪聲特性也是需要認(rèn)真考慮的一個(gè)問題,噪聲很大時(shí),必然要求提高發(fā)送設(shè)備的輸出信號(hào)功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?通常情況下,將噪聲分為幾種:有色背景噪聲、窄帶噪聲、與工頻同步的周期性脈沖噪聲、與工頻異步的周期性脈沖噪聲、異步脈沖噪聲.實(shí)踐表明,對(duì)于已知的噪聲通過試驗(yàn)裝置來實(shí)際模擬并不十分困難.如有色噪聲可以通過白噪聲濾波得到.總之,影響電力線載波高頻傳輸特性的主要是傳輸線本身的參數(shù)、電網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載特性以及電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),其集中表現(xiàn)為系統(tǒng)的傳輸衰減特性、輸入阻抗特性和噪聲特性,它們都是隨頻率變化的特性.在此基礎(chǔ)上提出的試驗(yàn)系統(tǒng)就是通過調(diào)整系統(tǒng)本身的負(fù)載參數(shù)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并耦合連接由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號(hào),使其表現(xiàn)的上述三種頻率特性與文獻(xiàn)給出的典型曲線相近,從而切實(shí)反映低壓電力線載波通信信道的實(shí)際情況.2試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)模擬單元是帶有負(fù)載電路的電力線等效電路,如圖1虛線框中所示.其中R、L、C參數(shù)是主要根據(jù)實(shí)際的電力線的結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算得到,而負(fù)載Z則不僅需要根據(jù)實(shí)際負(fù)載的性質(zhì)確定其基本結(jié)構(gòu),還要考慮多徑傳輸和傳輸線不均勻性等復(fù)雜特性的影響,根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線資料進(jìn)行調(diào)整,某些時(shí)候甚至也可以將實(shí)際負(fù)載直接接入.負(fù)載的類型以阻性、感性和容性等線性負(fù)載為主,也適當(dāng)加入一些如開關(guān)電源、可控硅電路等典型非線性負(fù)載,以求全面.具體參數(shù)則根據(jù)被測(cè)產(chǎn)品的典型應(yīng)用情況確定.如圖4所示,實(shí)際模擬試驗(yàn)系統(tǒng)分為基礎(chǔ)模擬單元、繼電器控制網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)操作、虛擬儀器噪聲信號(hào)、凈化電源等幾個(gè)部分.其中基礎(chǔ)模擬單元包括模塊1～9,繼電器控制模塊包括17個(gè)繼電器(K1～K17為觸點(diǎn))、單片機(jī)控制模塊等,噪聲信號(hào)產(chǎn)生模塊包括USB接口電路、單片機(jī)控制單元、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、功率放大電路等.A點(diǎn)為載波信號(hào)輸入點(diǎn),B點(diǎn)為載波信號(hào)輸出點(diǎn),C點(diǎn)和D點(diǎn)為噪聲信號(hào)的輸入點(diǎn).實(shí)際電網(wǎng)可分為總線型、環(huán)型、樹型、星型等不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)通過串口與繼電器控制模塊連接,該模塊利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電器控制,圖5為經(jīng)不同繼電器切換得到的幾種典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).進(jìn)一步改變繼電器的通斷組合可獲更多種類的拓?fù)湫问?實(shí)現(xiàn)不同的傳輸特性和噪聲輸入位置.噪聲的產(chǎn)生分為兩種:一方面根據(jù)各噪聲相互獨(dú)立的原理,用仿真方法,通過計(jì)算機(jī)及虛擬儀器產(chǎn)生,如背景噪聲、窄帶噪聲等,通過USB總線傳送給微控制器,D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)功率放大電路,將信號(hào)耦合到電力線模擬信道中的指定處.另一方面也可以將實(shí)際產(chǎn)生噪聲的負(fù)載裝置接入電路,如產(chǎn)生與工頻同步的高次諧波噪聲的可控硅類負(fù)載,產(chǎn)生異步脈沖噪聲的各種操作開關(guān)等,直接獲取噪聲.由于噪聲特性的獲取相對(duì)容易,這里不再累述.凈化電源的作用是將試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)的電力線環(huán)境進(jìn)行有效的隔離,盡量減少實(shí)際220V的低壓電力線環(huán)境對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)傳輸特性的影響.模擬試驗(yàn)系統(tǒng)作為電力線通信的模擬信道,主要用于電力線載波通信設(shè)備的性能測(cè)試.載波發(fā)送機(jī)由A點(diǎn)接入系統(tǒng),接收機(jī)由B點(diǎn)接入.試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種電力線環(huán)境的傳輸特性,且其特性改變十分靈活.電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變由計(jì)算機(jī)控制,可以用來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的輸入阻抗特性,其衰減特性也會(huì)隨之發(fā)生變化.噪聲波形通過計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生,以虛擬儀器的方式控制,并可改變輸入點(diǎn)位置.基礎(chǔ)模擬單元被設(shè)計(jì)為可插拔的模塊式結(jié)構(gòu),更換方便.當(dāng)需要的傳輸特性在系統(tǒng)上沒有很好體現(xiàn)時(shí),可以隨時(shí)更換或加入新的單元,具有很好的靈活性及可擴(kuò)展性.3輸入阻抗特性測(cè)試為了檢驗(yàn)試驗(yàn)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)情況,利用自制設(shè)備對(duì)該系統(tǒng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了傳輸特性測(cè)試,測(cè)試電路的原理如下.信號(hào)源產(chǎn)生適當(dāng)幅值和頻率的正弦信號(hào),該信號(hào)通過單位變比的隔離變壓器耦合進(jìn)入模擬電力線信道.其中測(cè)試點(diǎn)V1和V2分別對(duì)應(yīng)圖4中的A點(diǎn)和B點(diǎn).信道輸入阻抗為信號(hào)輸入電壓與輸入電流的比值.通過測(cè)量信號(hào)輸入電壓V1和串聯(lián)電阻上的電壓V3(與流過的電流相對(duì)應(yīng))即可求得輸入阻抗Z,即將模擬系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)置為星型,對(duì)傳輸環(huán)境的輸入電壓及輸入電流進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量的頻率范圍為25～2200kHz,共取35個(gè)測(cè)試點(diǎn),其求得阻抗最低值4.1Ω,最高值115Ω.以對(duì)數(shù)形式繪制的輸入阻抗-頻率特性如圖7所示.將該測(cè)試結(jié)果與圖3給出的典型特性進(jìn)行比較,可以看出圖3中輸入阻抗特性變化趨勢(shì),特別是“最大”曲線,與圖7試驗(yàn)系統(tǒng)的頻率特性曲線相近,輸入阻抗隨頻率波動(dòng),并伴有阻抗低谷區(qū)出現(xiàn).其他趨勢(shì)的輸入阻抗特性,也可以通過改變負(fù)載的參數(shù)、電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn).圖8為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹型時(shí)測(cè)得的輸入阻抗特性,該種情況下輸入阻抗的波動(dòng)范圍更大,且最低阻抗值接近1Ω.通過測(cè)量不同頻率下模擬系統(tǒng)A點(diǎn)輸入信號(hào)V1和B點(diǎn)的輸出信號(hào)V2即可得到相對(duì)應(yīng)的信號(hào)衰減量.圖9給出有代表性的衰減曲線.從可以看出,在模擬系統(tǒng)上測(cè)得信號(hào)傳輸?shù)姆l特性在頻率較低時(shí)略有波動(dòng),并在200kHz左右時(shí)出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折.對(duì)照?qǐng)D2所示的典型衰減特性,兩者具有相似的衰減趨勢(shì)和曲線形態(tài).模擬系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明,利用該系統(tǒng)可以通過改變其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、負(fù)載參數(shù)來獲得期望的輸入阻抗及衰減頻率特性,產(chǎn)生與實(shí)際環(huán)境相近的工作