高速電力線通信系統的傳輸特性

姚思煒

（廣東電網公司湛江供電局，廣東 湛江 524005）

0 引 言

隨著因特網的迅速發展，將家庭網絡與室內其他電子設備聯系起來的需求不斷增大。作為構造該網絡的一種方法，電力線通信（PLC）有著很大的發展潛力。PLC是利用電力傳輸的線路，進行數據傳輸，高速通信通過高頻帶（2～30MHz）實現。無論從經濟角度還是便利的角度上看PLC都是優秀的系統，因為不需要安裝新的線路用于數據通信，與因特網連接也可以通過PLC調制器實現。

1 電力線的傳輸損耗特性

圖1 電力線模型

1.1 電力線模型

如圖1所示，使用非分支模型和輸出類型分支模型，用于模擬電能傳輸線路的模型。當測量電力線的傳輸損耗特性時，使用的導線長度為1.6m，分支長度也只有1.6m，“open”終止條件的衰減峰會在頻率25MHz發生，與PLC調制器的頻帶2MHz到30MHz相比，顯然太高。因此，本文加入了長度為2.5m和4m的分支，如圖1（b）所示，就可以獲取“open”和“short”的終止條件在頻帶2MHz到30MHz的衰減峰。

1.2 傳輸損耗特性的測量

如圖2所示為傳輸損耗特性的電力線模型測量系統的網絡分析儀。電力線模型使用平衡式的傳輸線，而從網絡分析儀引出的傳輸線是非平衡式的傳輸線。因此，在電力線模型和同軸電纜的連接處安裝了換衡器。電力線模型安裝在金屬板的高10cm處，以便抑制金屬板帶來的干擾。圖3所示是電力線模型傳輸損耗特性的測量結果。換衡器的插入損耗通過網絡分析儀的正常化功能從測量結果中被除掉。

首先是分支的終止條件是“open”測量結果，一個－20dB甚至更大的急劇衰減峰值在PLC調制器的頻率范圍2MHz～30MHz中出現。此衰減峰值隨著分支的增大會移動到低頻率范圍。當分支的終止條件是“short”時，隨著分支的縮短在低頻率范圍的傳輸衰減會非常大，分支長度為10cm時在頻率5MHz時為25dB，但是頻率越高時傳輸損耗會得到改進。另外，分支為4m長度，在低頻率范圍損耗不會很大，但是衰減峰值在20MHz頻率時產生，而這個頻率恰恰是PLC調制器的頻帶。因此，可以分析用于PLC調制器的傳輸速度特性的電力線模型傳輸損耗帶來的影響。

圖2 測量系統

圖3 測量結果

2 PLC調制器OFDM信號的傳輸速度特性

2.1 測量方法

測量系統設置在如圖4所示的屏蔽室內。正常情況下PLC調制器與交流電源直接連接。但是這里的測量系統為了抑制電源耦合而使用了直流電。首先，發送和接收電腦與PLC調制器連接，而每一個傳輸線模型則如圖1所示。其次，通過PLC調制器進行連接的發送端電腦和接收端電腦的通信鏈路，是在物理層建立和測量得到的傳輸速率。

2.2 模擬方法

如圖5是模擬模型的簡化圖示，而模擬條件如表1所示。

（1）OFDM調制是在傳輸端PLC調制器完成。

（2）傳輸線通過數字濾波模塊得到模仿。電力線中寬頻和恒信號衰減（－30dB或－50dB）通過ATT（衰減器）模塊得到模擬。設備的熱噪音使用AWGN（高斯噪音）模塊得到模擬。整合PLC調制器的接收端，以及已經完成OFDM的恢復處理。

（3）傳輸速率的計算基于接收位和采樣速率，接收位是所有發送位減去錯誤位所得。

在以上的基礎上進行模擬，然后與測量值相比較。

表1 模擬參數

圖4 傳輸速度測量模型

圖5 模擬系統

2.3 測量和計算結果

根據其對應的電力線模型和終止條件，傳輸速率的測量結果如表2、表3所示。表2所示是沒有衰減器的情況，傳輸速率達到190M－200Mbps，幾乎是PLC調制器的理想狀態。除了當分支長度為0.1m，終止條件是“short”時的傳輸速率為180Mbps，超過－20dB寬帶衰減在低頻率范圍內產生，如圖3（b）所示。即使衰減插入增大到－30dB，如表2所示的傳輸速率與沒有衰減器時表現出同樣的趨勢。然而，當插入衰減增大到－50dB時，如表3所示傳輸速率降低大概20～30Mbps。特別是分支長度為0.1m，終止條件為“short”時，傳輸速率從178Mbps減低到132Mbps。當分支長度為4m時，無論終止條件如何，傳輸速率下降程度基本一致。因此，既然傳輸速率受到輸出條件，如分支長度和終止條件的影響，那么認為通過插入50dB的衰減可以測量得到PLC調制器的傳輸極限。

表2 傳輸速率測量結果（ATT0到30 dB）

表3 傳輸速率測量結果（ATT50 dB）

通過MATLAB計算出來的PLC調制器的傳輸速率結果，與測量得到的基本一致，兩者的誤差在許多輸出類型分支條件下都是7Mbps之內。當插入表格2中的0～30dB的衰減，計算結果也和測量得到的基本一致，兩者的誤差在15Mbps之內。因此，可以確定PLC調制器的OFDM信號傳輸速率的計算方式是合理的。

3 結束語

本文討論測量電力線的傳輸損耗特性，以及其對PLC調制器的傳輸速率的影響。為了檢驗電力線線路的傳輸損耗特性對OFDM信號的傳輸速率造成的影響，通過增加電力線路長度，衰減峰會在PLC調制器所用的頻帶里出現，同時插入50dB的正常衰減，可以在傳輸極限的狀態下測量傳輸速率。

從本文中得到的測量結果中，可以得到以下幾點結論:

（1）PLC調制器在頻率范圍2MHz～30MHz會產生－20dB甚至更大的急劇衰減峰值，而且此峰值會隨著分支長度的增加移動到低頻率范圍。

（2）即使插入損耗高達30dB，傳輸速率依然可以達到190Mbps到300Mbps，基本上是PLC調制器的理想狀態。但是插入損耗為50dB時，傳輸速率會下降20～30Mbps。

（3）通過MATLAB計算出來的PLC調制器的傳輸速率結果，與測量得到的基本一致，因此，可以確定PLC調制器的OFDM信號傳輸速率的計算方式是合理的。

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