低壓電力線載波通信調制技術的研究

張杰

摘 要：在電力線通信（Power Line Communication，簡稱PLC）技術中，其信號傳輸媒介是低壓電力線，能夠實現信息交換以及數據傳遞。文章對低壓電力線信號的阻抗、噪聲和衰減三大特性作了詳細分析，建立了信道基本模型，論證了BPSK調制技術的優勢。

關鍵詞：電力線載波；阻抗；噪聲；衰減；BPSK

1 電力線載波通信技術

在電力線通信（PLC）技術中，為了達到電力線數據通信的目的，通常是使用高頻信號作為原始信號的載波，并將載波與原始信號相乘后的信號加載到電力線上。本文通過對PLC通信信道的分析，分析了FSK和BFSK調制技術的抗干擾性能，采用BPSK調制技術的低壓電力線載波通信系統具有較強的抗干擾能力，為提高PLC通信能力，降低誤碼率提供了新的發展。

2 低壓電力線信道特性分析

在低壓電力線技術中，信道所具有的特性主要有三個：輸入阻抗特性、噪聲干擾特性和信號衰減特性，在下文中，我們將通過這三個方面對迪亞店里信號傳輸特性的影響做詳細分析與研究。

2.1 輸入阻抗特性

在低壓電力線信道中，輸入阻抗這一特性對于載波信號的傳輸速率有著巨大的影響，它是一個等效阻抗，具體是指電力線載波信號發送電路和電力線接觸的驅動點向低壓配電網方向看的等效阻抗。

大量實踐研究表明，不同頻率下，阻抗隨時間的變化是不同的，在某些特性頻率下，阻抗隨時間的變化比較大。根據上文的分析以及查閱的大量資料，在低壓電力線信道中，阻抗特性的變化規律是十分復雜的，由于用電器的隨機性切入電網的規律，阻抗也隨之隨機性變化，并且沒有嚴格隨頻率增加/減小，阻抗就增加/減小的規律，變化范圍也比較大，最小是會小于1歐姆，目前現場只發現感性阻抗。

2.2 噪聲干擾特性

在低壓電力線上，連接的用電設備是繁雜多樣的，不同用電設備對電力線造成的噪聲污染程度也是不一樣的，一些非線性用電設備、大功率變頻設備、開關電源設備等對電力線產生的噪聲污染是最大的。根據劃分方法不同，噪聲可以有多種分類，根據不同的噪聲性質將其分為五類：窄帶噪聲；與工頻同步的周期性噪聲；與工頻異步的周期性噪聲；突發性噪聲；有色背景噪聲。

當然，用另一種方法劃分，分類將會不同，比如通過整體來看的話，前文的五類噪聲可以歸納為兩類：脈沖噪聲和背景噪聲。在前文中，如果按噪聲性質劃分的五類噪聲來看，前三種隨著時間的流逝，其只會有很小的變化，所以可以稱之為背景噪聲；后兩種隨著時間變化，噪聲的變化也非常大，可以稱為脈沖噪聲。從資料以及分析中，我們可以得到關于低壓電力線信道噪聲的部分基本特點：存在隨機成分、存在連續性的背景噪聲、具有多變性、存在周期性成分等顯著特點。

2.3 信號衰減特性

在理論上，電力線不是一個很好地傳輸介質，在低壓電力線上傳輸的高頻信號必然存在一定的衰減。

在實際使用中，許多的研究已經表明，對于不同頻率的信號，在電力線上傳輸造成的衰減是不同的，在特定的頻率上，衰減的變化時非常明顯的。許多的研究以及資料都顯示，信號的衰減主要取決于線路布線，分支越多衰減越大，并且沒有嚴格的隨頻率增加/減小，衰減就增加/減小的規律，由于存在反射、駐波等復雜現象，使得信號衰減存在突然跌落或增加。

3 低壓電力信道模型

在研究中，被學界所認同的信道模型基本只有多徑信道傳輸模型。多徑信道傳輸模型的主要理論是在線路阻抗的不連續的情況下，信號會產生多徑傳輸，模型的一些參數是需要從信道中隨時提取的。多徑信道傳輸模型主要體現的是由于阻抗不匹配，其產生的反射在各路徑上會引起衰減。

實際情況中，對于多徑信道模型所需要的參數不容易取得，所以研究時會將信道簡化。

4 載波調制技術分析

前文已經講過，在理論上，電力線不是一個理想的信號傳輸信道，其上存在很多干擾，這就對信號的抗干擾能力提出了很高的要求，目前比較常用的是載波調制技術。從字面上就可以理解，調制技術重在調制，即對于載波的一個或幾個參數，讓其根據調制信號的規律變化。當前調制技術是非常多的，在實際使用中，需要考慮的方面很多，主要從硬件成本、傳輸速率以及技術原理復雜度上考慮，本文選用的是FSK和BPSK技術分析。下面對這兩種調制技術的原理和抗干擾能力作詳細研究和分析。

4.1 FSK和BPSK調制技術

FSK的原理相對比較簡單，即通過載波的頻率變化實現數字信息的傳遞。使用時，載波的頻率會隨二進制基帶信號在某兩個特定的頻率點之間發生變化。FSK可以簡單的當做是兩個不同頻率信號疊加在一起。

FSK信號的解調方法有同步檢測法和包絡檢波法兩種。以同步檢測法為例，其FSK系統的總誤碼率在大信噪比（r>>1）時為

BPSK的原理相對復雜一點，它是通過載波相位的變化實現數字信息的傳遞的，同時，載波的振幅和頻率是不會發生變化的。BPSK信號相干解調時系統的總誤碼率在大信噪比時（r>>1）時為

4.2 FSK和BPSK抗干擾仿真實驗

為了能夠更為真實的比較兩種調制技術在多干擾環境下抗干擾性能的優劣，本文將會模擬真實的低壓電力線信道，我們將會使用System View作為仿真軟件，其版本號是5.0。

首先，我們要做的是建立信道的仿真框圖，它的前提是前文中對實際電力線信道的分析與結論。

5 結果分析

從圖2中可以看出，信噪比的增加會使得BPSK調制技術的誤碼率下降速度變得更加快。這表明，也即從圖上可以直觀的看到，信噪比相同的情況下，FSK的誤碼率是要高于BPSK的誤碼率的。

前文已經做了很多的分析與研究，并且我們已經通過仿真軟件做了模擬真實信道的仿真，我們可以總結如下：BPSK和FSK兩種調制技術各有優劣，前者對于大衰減、多干擾有很強的抵抗能力，這使得這種技術可以在復雜和惡劣的低壓電力線信道環境下使用，而對于后者，其抗干擾能力是相對較差了，但其實現比較簡單，成本較低，適合在低壓電力線信道只有很輕微的噪聲污染的環境下使用。