低壓電力線通信信道噪聲測量裝置的設(shè)計

郭昊坤，黃瑾瑜，張文潔，湯仁彪

（江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，江蘇江陰，214405）

0 引言

低壓電力線通信(low-voltage power line communication，簡稱LPLC)技術(shù)是指利用低壓(220/380V)配電線路作為通信介質(zhì)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、話音、圖像等綜合業(yè)務(wù)傳輸?shù)耐ㄐ偶夹g(shù)[1]。然而，低壓電力線不是專用通信信道，信道中的噪聲干擾比其他通信信道更加復(fù)雜，噪聲會使信號誤碼率增加，通信質(zhì)量降低，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致通信完全失效[2]。因此，有必要對低壓電力線通信信道中的噪聲進行研究，而要研究其噪聲的前提就是要把噪聲準(zhǔn)確測量出來。本文設(shè)計了一種低壓電力線通信信道噪聲測量的電路，并對其進行仿真研究分析。

1 總體方案設(shè)計

由于低壓電力線通信信道頻率約在0.1M-40M Hz之間，因此其噪聲測量方式即把低壓電力線通過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合至示波器。其中耦合網(wǎng)絡(luò)主要有兩種設(shè)計方法[3-6]：一是利用高頻變壓器隔離220V的強電，以保證設(shè)備安全，然后再通過對應(yīng)頻率的濾波器濾出所需要研究頻帶的噪聲；二是利用電感耦合器與高頻信號耦合，得到所要研究的背景噪聲。由于第二種測量方法需要專門制造的相關(guān)配套耦合器才能實現(xiàn)，因此在實驗室，筆者擬采用第一種測量方法來進行仿真測試，即讓電力線先通過高頻變壓器，隔離工頻50Hz的220V強電，得到高頻信號，再通過帶通濾波器得到對應(yīng)頻帶的噪聲。而對應(yīng)帶通濾波器采用一個100KHz高通濾波器和一個40MHz低通濾波器組合得到。故而，現(xiàn)在所要設(shè)計的即為一個100KHz高通濾波器和一個40MHz低通濾波器。

2 100KHz高通濾波器設(shè)計

首先，進行參數(shù)的設(shè)定：在100KHz處 衰 減 3dB，fc=100KHz，在50KHz處衰減60dB，fs=50KHz,RS=0，RL=100Ω。為了將已知參數(shù)歸一化，陡度計算結(jié)果為2。選擇歸一化低通濾波器，使其在2rad/s時提供超過60dB的衰減，查看文獻[7]中相應(yīng)曲線，選擇10階歸一化巴特沃茲低通濾波器，其歸一化低通濾波器參數(shù)如圖1所示。

圖1 10階歸一化巴特沃茲低通濾波器

再將歸一化低通濾波器變換為高通電路，即把原來的電感、電容替換為原來原件倒數(shù)值的電容、電感，如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換后的10階高通電路

最后，對上述高通電路進行去歸一化操作，再結(jié)合實際情況及具體仿真結(jié)果進行優(yōu)化，得到100K Hz的10階巴特沃茲高通濾波器如圖3所示。

圖3 100KHz高通濾波器

對上述電路進行仿真驗證，設(shè)定頻率分別為5KHz、50KHz、100KHz、10MHz，其結(jié)果如圖4所示。

圖4 高通濾波器示波器仿真圖

由仿真結(jié)果可得，該高通濾波器在電源頻率在100K Hz前示波器輸出圖像電壓幾乎為零，如圖4(a)、(b)所示；當(dāng)電源頻率達到100K Hz及以上時，正常濾波，輸出圖像與理論值基本一致，如圖4(c)、(d)。

3 40MHz低通濾波器設(shè)計

首先，進行參數(shù)的設(shè)定：在40M Hz處 衰 減3dB，在200MHz處衰減20dB，為了將已知參數(shù)歸一化，陡度計算結(jié)果為2。根據(jù)文獻[7]，選擇3階0.1dB切比雪夫濾波器，其歸一化圖如圖5所示。

圖5 3階歸一化切比雪夫低通濾波器

對上述低通濾波器進行去歸一化操作，再結(jié)合實際情況及具體仿真結(jié)果進行優(yōu)化，得到40M Hz的3階 0.1dB切比雪夫低通濾波器如圖6所示。

圖6 40MHz3階0.1dB切比雪夫低通濾波器

對上述電路進行仿真驗證，設(shè)定頻率分別為10MHz、40MHz、60MHz、100MHz，其 結(jié)果如圖7所示。

由仿真結(jié)果可得，該低通濾波器在電源頻率在40M Hz前示波器輸出圖像電壓峰值與理論值基本一致，如圖7(a)、(b)所示；當(dāng)電源頻率到達40MHz時，輸出圖像電壓峰值出現(xiàn)短暫紋波，即比理論值大，但很快就開始衰減，如圖7(c)、(d)所示，電壓幾乎為零；因此可達到較好的濾波效果。

圖7 低通濾波器示波器仿真圖

4 測量

將上述裝置進行安裝調(diào)試測量，實測的一組噪聲圖如圖8所示。將示波器相關(guān)數(shù)據(jù)保存至電腦中，如圖9所示，即可對相關(guān)噪聲進行進一步的研究，為后續(xù)研究打下了堅實的基礎(chǔ)和理論數(shù)據(jù)。

圖8 某一時刻所測量的噪聲

圖9 某一時刻所測量的噪聲保存至電腦的分析圖

5 結(jié)語

為測量低壓電力線通信信道中的噪聲，設(shè)計了一種把低壓電力線通過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合至示波器的測量方法。該方法中的耦合網(wǎng)絡(luò)電路是利用高頻變壓器隔離220V的強電，以保證設(shè)備安全，然后再通過對應(yīng)頻率的濾波器濾出所需要研究頻帶的噪聲。其中，帶通濾波器采用一個100KHz高通濾波器和一個40MHz低通濾波器組合得到。確定了所設(shè)計高通濾波器和低通濾波器的相關(guān)參數(shù)，并進行仿真驗證，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計的濾波器可達到較好的濾波效果。