電力載波通信信道特性研究

張高境

摘要：電力線信道是電力載波通信中安全、可靠傳輸信息載體，因此關于阻抗特性、衰減特性、噪聲特性方面的分析是電力載波通信網絡構建的前提。最后提出了PLC與Wi-Fi等多種網絡融合是未來發展的趨勢。

關鍵詞：電力載波通信；信道特性；網絡融合

1 引言

電力線通信（Power Line Communication）技術是通過載波的方式信號傳輸的一種通信方式。由于該技術不需重新布線，電源插座式調制解調器靈活方便，其本身的供電可靠性要求高，眾多優勢致使PLC技術與其他局域網技術如圖1所示，相媲美且具有相對強的抗自然災害能力并得以廣泛應用：智能遠程抄表系統，遠程路燈監控系統，基于PLC的油井通信，艦舶照明電網的PLC應用等。

從頻率帶寬角度來看，電力線通信可分為窄帶PLC（NBPLC）和寬帶PLC（BB-PLC）。當然不同國家對窄帶和寬帶PLC的定義是不同的。就窄帶PLC的載波頻率范圍而言，美國為50450kHz，歐洲為3-149.5kHz（95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于戶內In-House通信），中國為40-500kHz。從通信速率來看，分為低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HsPLC）。從電壓等級角度看，可分為高壓電力線載波（3SKV）、中壓電力線載波（10kV）和低壓電力線載波（380，220V）。由于電力線不是專門的通信線路，在整個電力載波通信系統中存在著大量干擾，嚴重的影響了通信系統的性能。

2 電力線載波通信信道干擾特性分析

電力線載波通信系統主要由電力線載波機、電力線和耦合設備構成。載波機是PLC系統的主要部分，主要實現調制和解調，完成頻率搬移，實現信息傳輸。耦合裝置不僅阻止電力線上的工頻信號和工頻電流進入載波設備，而且阻止高頻載波信號進入變壓器及電路線分支路線等電力設備，是PLC系統不可缺少的一部分。電力線是信號傳輸的載體，我們只有將其進行信道特性分析，才能更好的抑制干擾。電力線、負載、載波機、耦合裝置、變壓器等都影響著整個系統的性能，阻抗特性、衰減特性、噪聲特性進行分析顯得十分有必要。

2.1 阻抗特性

電力線上的阻抗不僅和傳輸信號的頻率有關，而且和負載有關。電力線上負載的數量、類型不同，不同頻率的阻抗變化也不同，變壓器及導線特性阻抗的變化導致阻抗的變化多端，阻抗匹配問題顯得十分復雜。電纜線型號、配電網絡的拓撲結構等因素，阻抗的變化不一定隨著頻率的增大而減小單調變化，甚至與之相反。負載與電力線本身構成諧振回路，形成阻抗低估區；動態的負載阻抗變化與線路的特征阻抗不匹配，引起反射，駐波，輻射干擾等，導致能量傳不過去，損壞設備。

2.2 信道衰減特性

PLC信道有很強的時變性，信號隨著傳輸距離和頻率的變化而變化，并且頻率越高傳輸線的效應就越明顯，發生諧波導致某一頻率下衰減會急速增加。PLC網絡拓撲結構及負載的不同很難找到適應所有線路的數學模型。電力線上的信號傳輸不僅發生在發射端與接收端可見的信道中，反射形成的路徑也考慮在內，這樣的話，電力線信道可以考慮成具有頻率選擇性衰落的多徑傳輸信道。多徑傳輸模型如圖2所示。

每一個路徑都有一個加權系數g_i，表示沿著這個路徑的反射和傳輸因子，電力線上這個因子小于或者等于1，即

|g_i|≤1 （1）

一條路徑上的轉移和反射越多，加權因子g_i就越小。路徑越長，衰減就越大，通過這條路徑到達接受端的信號能量就越少。

2.3 信道噪聲特性

電力線網絡的設備種類繁多，性質各異，將噪聲按照起因，持續時間，頻譜和強度分成五類，信道噪聲是這五類的疊加，是PLC中最大的干擾源。

（1）有色背景噪聲。主要是由低強度噪聲源的疊加而成。功率譜密度（PSD）較低，并且隨著頻率的增加而減小。

（2）窄帶噪聲。主要是短波或者中波廣播進入介質造成的，大部分是幅度調制的正弦波。其窄帶相對窄，功率譜密度卻很高。窄帶干擾多產生于電臺及電力線上的駐波等。

（3）同電網頻率不同步的周期脈沖噪聲。主要由開關電源產生，頻率是50-200MHz的脈沖。頻率空間表現為離散的頻譜，并且頻帶較窄。

（4）與電網頻率同步的周期脈沖噪聲。主要是電力設備50Hz頻率產生的脈沖，重復率為50H或100Hz的脈沖。

（5）非同步脈沖噪聲。主要是電網切換暫態信號造成的，持續時間短，隨機性強，能量集中，是電力載波通信系統最棘手的問題，如電器開關的斷開，雷擊等。

經過測量表明有色背景噪聲、窄帶噪聲、同電網頻率不同步的周期脈沖噪聲通常平均功率較小，有可能在相對較長的時間內保持穩定，很有可能全部覆蓋信號頻譜。我們可以歸為一類，稱為PLC的背景噪聲。其中同電網頻率不同步的周期脈沖噪聲占用的頻帶與窄帶噪聲的非常接近，在頻譜密度模型中可以看做PSD非常低的窄帶噪聲。

對于一般性背景噪聲模型的PSD可以寫成：

N_GBN（f）=N_CBN（f）+N_N（f） （2）

其中N_CBN（f）是有色背景噪聲的PSD，N_NN（f）是窄帶噪聲的PSD，N^（k）_NN（f）是窄帶噪聲干擾k引起的干擾分量k的PSD。

脈沖噪聲主要由與電網頻率同步的周期脈沖噪聲和非同步脈沖噪聲構成。但是，非同步的脈沖噪聲起著主導作用。這類噪聲嚴重的損害了整個PLC中信號的質量，PLC網絡結構的復雜性，其時變性和隨機性特別強，大量的設備和電器隨時隨地都可能打開或關閉，網絡負荷的變化造成介質阻抗很大的波動，這些阻抗的不匹配和拓撲結構致使多徑效應更為嚴重，除此之外，如果這類噪聲的持續時間過長，超過使用糾錯碼能容忍的檢測和改正時間限度時，會產生嚴重的突發錯誤，我們必須研究和測量，找出噪聲的統計特性，進一步分析脈沖序列模型，進而抑制脈沖噪聲。特別是基于n穩定分布的非高斯噪聲模型建立。

3 PLC的多網絡融合

現在網絡很發達，當然也存在很多網絡接入技術，如wiFi、有線以太網、PLC、電視電纜等。很明顯各種媒介技術所提供的網絡容量是有限的，為了最大的發揮每種技術的優點，就勢必要進行多網絡的融合。PLC安裝簡單，成本低，終端開放，及安全性等優勢越來越突出，與Wi-Fi使用的頻段也不同，它們也能很好的發揮自己的作用。目前來看，多種網絡技術的共存，尤其是以PLC為骨干網，Wi-Fi為基礎分布式網絡的混合網絡是勢必發展的趨勢。