低壓電力線信道的分析

低壓電力線信道的分析

0電力線信道特性電能線通信（rc）是利用高壓線在配電網(wǎng)的高壓線路上傳輸高速數(shù)據(jù)、聲音、圖像和其他通信信號(hào)的通信方法。研究這項(xiàng)技術(shù),能夠充分發(fā)揮電力資源的優(yōu)勢(shì),利用現(xiàn)有的電力設(shè)施,發(fā)展電力線通信,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,隨著Internet的飛速發(fā)展,各種語(yǔ)音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的廣泛開展,“最后1公里”問題已經(jīng)成為制約網(wǎng)絡(luò)寬帶化的瓶頸,由此也產(chǎn)生了多種寬帶接入技術(shù)。用電力線作為網(wǎng)絡(luò)接入方案,可利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,不需要重新布線,且電力線網(wǎng)絡(luò)分布廣泛,接入方便,多用戶能夠共享寬帶,因此,它成為解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后1公里”問題的最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一。但是,低壓電力線并不是專門用來(lái)傳輸通信數(shù)據(jù)的。它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì),如雙絞線、同軸電纜、光纖等不同。它在傳輸通信信號(hào)時(shí)信道特性相當(dāng)復(fù)雜,負(fù)載多,噪聲干擾強(qiáng),信道衰減大,信道延時(shí),通信環(huán)境相當(dāng)惡劣。因此,必須對(duì)它的信道特性進(jìn)行研究,并據(jù)此提出調(diào)制、編碼、信道均衡等解決方案。分析電力線信道的主要參數(shù)是阻抗特性、信道噪聲、衰減特性。由于電力線傳輸信號(hào)的復(fù)雜性,信道的特性參數(shù)并不是固定不變的,相反,這些參數(shù)是動(dòng)態(tài)變化的,不僅隨時(shí)間發(fā)生變化,而且也隨頻率發(fā)生變化。通過對(duì)信道特性的分析,建立了一個(gè)大致的信道模型,從而可加深對(duì)電力線信道的理解。1信道特性分析低壓電力線信道的通信環(huán)境惡劣,存在變化的阻抗,不可預(yù)測(cè)的噪聲干擾,強(qiáng)烈的信號(hào)衰減,這些都是由信道本身的特性決定的,因此,必須對(duì)信道特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。1.1抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間、頻率變化的規(guī)律為了使耦合到電力線上的發(fā)射信號(hào)功率最大,載波機(jī)的輸出阻抗應(yīng)該與電力線上接收機(jī)的輸入阻抗相匹配。由于電網(wǎng)上負(fù)載眾多,負(fù)載隨機(jī)的接入、切出,家用電器的使用,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停用等,使得電力線的輸入阻抗不是靜態(tài)的,而隨時(shí)間、頻率發(fā)生變化。白天和夜晚的阻抗不同,通常白天的阻抗較低,夜晚的阻抗較高。而且,阻抗變化并不符合通常認(rèn)為的隨頻率的增高而減小的規(guī)律,有時(shí)甚至與之相反,這是因?yàn)殡娏€上連接有各種復(fù)雜的負(fù)載,這些負(fù)載與電力線本身組成許多共振電路,在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)。一般情況下,電力線阻抗從20Ω到190Ω動(dòng)態(tài)變化,很難做到輸入阻抗的匹配,因此,在設(shè)計(jì)載波發(fā)射機(jī)時(shí),難以保證載波機(jī)的輸出阻抗和電力線的輸入阻抗相匹配,從而給通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。1.2噪聲分析(1)噪聲的種類低壓電力線的傳輸環(huán)境不同于其他通信信道,它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,連接的負(fù)載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化,因此作用于它的噪聲不能簡(jiǎn)單歸結(jié)為加性高斯白噪聲(AWGN),而應(yīng)根據(jù)不同的噪聲源進(jìn)行具體分析。通常將電力線上的噪聲分為5類。1背景噪聲2窄帶噪聲32逐漸降低的頻率脈沖噪聲41與工作頻率同步的周期性脈沖噪聲5數(shù)據(jù)的誤差通常,前三種噪聲隨時(shí)間變化緩慢,常歸結(jié)為背景噪聲。后兩種噪聲的時(shí)變性強(qiáng),當(dāng)出現(xiàn)這些噪聲時(shí),功率譜密度會(huì)突然上升,數(shù)據(jù)傳輸會(huì)造成很大的誤差。噪聲很難直接定量地表示,但也有一定的規(guī)律性,比如噪聲隨頻率的增高有下降的趨勢(shì),并且無(wú)論噪聲多復(fù)雜,都是由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成,如圖1所示。(2)與工頻同步的噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲的差異背景噪聲包括有色背景噪聲、窄帶噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲。通過背景噪聲的譜分析,發(fā)現(xiàn)背景噪聲的平均功率較小,但頻譜很寬,并且持續(xù)存在,有可能部分或全部覆蓋信號(hào)頻譜。因此,通信過程中的信噪比可能會(huì)變差,導(dǎo)致誤碼率的增加。與工頻同步的周期性噪聲和隨機(jī)脈沖噪聲都造成了電力線上噪聲的短期變化。而與工頻同步的周期性噪聲,和隨機(jī)脈沖噪聲相比,具有較低的功率譜密度,持續(xù)時(shí)間短,為μs級(jí)。但是隨機(jī)脈沖持續(xù)時(shí)間是隨機(jī)的,從μs級(jí)到ms級(jí),而且功率譜密度能比背景噪聲高出50db。通常,描述它的主要參數(shù)是幅度、寬度和到達(dá)間歇時(shí)間。由脈沖幅度和寬度可以得到脈沖能量,到達(dá)間歇時(shí)間給出了脈沖噪聲出現(xiàn)的頻率。由于隨機(jī)噪聲的突發(fā)性,可能會(huì)使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)部分或整個(gè)發(fā)生錯(cuò)誤。1.3電力線信道衰減的原因高頻信號(hào)在低壓電力線上傳輸時(shí),由于不同的原因會(huì)出現(xiàn)多種衰減,主要包括耦合衰減和線路衰減。耦合衰減是由發(fā)射端和接收端與電力線的阻抗不匹配造成的。線路衰減的產(chǎn)生原因是多方面的,包括電力線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,接入節(jié)點(diǎn)眾多以及信道存在許多阻抗不匹配的節(jié)點(diǎn)等,從而使電力線信道具有多徑信道的特征,必然會(huì)造成信號(hào)的多徑傳播,從而造成衰減。另外,電力線本身的熱損失和輻射以及電磁干擾,也會(huì)造成衰減。還有,信號(hào)傳播延時(shí)衰減等。因此,分析電力線的信道衰減應(yīng)從多方面考慮。本文假設(shè)發(fā)射端和接收端與電力線阻抗是匹配的,重點(diǎn)分析電力線的線路衰減。(1)信號(hào)衰減模型線路阻抗的不連續(xù)性是指在連接點(diǎn)處具有兩種不同特征阻抗的介質(zhì)。當(dāng)信號(hào)傳到阻抗斷點(diǎn)處,它將發(fā)生部分或全部反射。電力線網(wǎng)絡(luò)上存在許多分支,因此也就存在眾多的阻抗不連續(xù)點(diǎn),使信號(hào)在電力線上不能從發(fā)射端直接傳輸?shù)浇邮斩?而是在節(jié)點(diǎn)處發(fā)生反射,反射波影響發(fā)射信號(hào),使得信號(hào)發(fā)生頻率選擇性衰減。我們選擇較為簡(jiǎn)單的二徑傳輸模型來(lái)分析信號(hào)衰減,N徑傳輸模型可以由若干個(gè)二徑模型來(lái)合成,二徑模型如圖2所示。信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紺點(diǎn),在B處有一節(jié)點(diǎn)。路徑分為三段,長(zhǎng)度分別為l1、l2、l3,每段的特征阻抗為ZL1、ZL2、ZL3,r為反射因子,t為傳輸因子,為簡(jiǎn)化考慮,假設(shè)A點(diǎn)和C點(diǎn)與線路的阻抗是匹配的。信號(hào)從A點(diǎn)傳輸?shù)紺點(diǎn),經(jīng)過一個(gè)分支會(huì)發(fā)生反射,反射波可以繼續(xù)發(fā)生反射,如此循環(huán)反射,會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)造成衰減。很明顯,信號(hào)的衰減程度與反射因子、傳輸因子以及傳輸路徑的長(zhǎng)度有關(guān),具體參數(shù)見表1所列。每條路徑都有一個(gè)加權(quán)因子gi,加權(quán)因子是傳輸因子和反射因子的函數(shù)。所有的反射因子和傳輸因子都不大于1,因此,加權(quán)因子也不大于1。隨著反射路徑的增多,加權(quán)因子減小。因此只要信道上存在阻抗不匹配點(diǎn),傳輸信號(hào)就會(huì)發(fā)生衰減,傳輸?shù)穆窂皆介L(zhǎng),造成的衰減越大。(2)傳播常數(shù)與特征阻抗通常,由于電纜本身的熱損失及輻射等因素,使信號(hào)在傳輸過程中隨頻率增大、距離增加而發(fā)生衰減。按傳輸線理論,可以將電力線等效為由電阻R、電容C,電感L和電導(dǎo)G組成的模型,如圖3所示。由基爾霍夫電壓定律和電流定律,可以導(dǎo)出傳輸線的兩個(gè)重要特征參數(shù):傳播常數(shù)和特征阻抗,它們都是隨頻率變化的,具體為γ=α+jβ=(R+jωL)(G+jωC)????????????????√(1)γ=α+jβ=(R+jωL)(G+jωC)(1)Z0=R+jωLG+jωC?????√(2)Ζ0=R+jωLG+jωC(2)分析表明,傳播常數(shù)的實(shí)部α隨著頻率的增加而增大,對(duì)于特定的傳輸線,α的一部分與f成正比,另一部分與f???√f成正比,因此,α可以表示成f的函數(shù)。信道隨頻率、距離變化的衰減模型可以表示為A(f,d)=e-α(f)·d(3)(3)同的延遲信號(hào)是多徑傳播的,同一信號(hào)由不同的路徑傳播時(shí),會(huì)造成不同的延時(shí)。延時(shí)與傳播距離和傳播速度有關(guān),具體表達(dá)式為τi=diυi(4)τi=diυi(4)式中τi是第i條路徑的延時(shí),di是第i條路徑的傳播距離,υi是傳播速度。2電力線信道模型由上面的分析可以看出,電力線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點(diǎn)眾多以及分支和節(jié)點(diǎn)不匹配的特點(diǎn),因此,決定了信號(hào)的多徑傳播特性。它具有頻率選擇性衰減特性,多徑信號(hào)傳播的信道傳輸函數(shù)可以用N條傳輸路徑的疊加和頻率f、距離d、延時(shí)τ等因子表示為H(f)=∑i=1Ngi?e?α(f)?di?e?j2πf?τi(5)Η(f)=∑i=1Νgi?e-α(f)?di?e-j2πf?τi(5)考慮發(fā)射端和接收端的輸入輸出阻抗、信道的傳輸函數(shù)、噪聲等因素,電力線信道模型如圖4所示。這個(gè)模型雖然看似簡(jiǎn)單,但是幾乎可以涵蓋電力線信道上所有的信道特征。如果假設(shè)輸入輸出端與電力線的阻抗是匹配的,而主要考慮在電力線上發(fā)生的線路衰減,我們可以得到更為具體的多徑傳播模型,如圖5所示。這個(gè)模型表示了信道的多徑特性,信號(hào)通過多徑傳播到輸出端,造成不同的衰減。它表明了電力線信道的復(fù)雜性。3脈沖噪聲隨頻率的變化引起的誤差電力線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及眾多的負(fù)載和多種噪聲源等特性,決定了低壓電力線在傳輸高頻信號(hào)時(shí)信道環(huán)境惡劣。本文具體分析了低壓電力線信道的阻抗、噪聲、衰減特性,并據(jù)此給出了低壓電力線的信道模型,它的建立對(duì)深入了解低壓電力線通信信道具有一定的幫助。這種噪聲隨頻率而發(fā)生變化,具有相對(duì)低的功率譜密度(PSD)。它主要是由各種低功率的噪聲源產(chǎn)生的,它的功率譜密度隨時(shí)間的變化而緩慢發(fā)生變化。一般由中、短波廣播所引起,它隨時(shí)間發(fā)生變化。這種噪聲的重復(fù)頻率一般為50～200Hz,由電視機(jī)或電腦顯示器干擾所造成,它的重復(fù)頻率與電視屏幕或電腦顯示器