电力线通信信道分与照明控制系统设计.doc

电力线通信信道分与照明控制系统设计- 74 -2020年5月29日文档仅供参考摘 要随着城市发展的脚步不断加快,市区的照明系统为建设安全城市,和谐社会做出了巨大的贡献。可是,每年的照明耗电相当于全球17%的发电量, 中国照明耗电约为2187亿千瓦时,相当于三峡水力发电工程建成后,年发电能力840亿千瓦时的近3倍。为了实现照明节约用电,同时易于管理照明系统,需要改变传统的照明控制方式。电力线载波通信是电力系统特有的一种通信方式,它利用电力线作为传输载体,以变电站为终端,经过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输,具有信息传输可靠、可同时复用等特点。经过载波,电力线能够传送语音、图像、数据而且能够进行信息交换、处理、控制、检测,实现信息的自动化。当前,电力线载波技术主要用于35KV及以上高压线路上,载波带宽为40一500KHZ,传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。可是,在中低压电力线的利用上仍处于研究阶段。本论文首先对低压电力线信道特性进行分析,并建立相应的信道模型;接着对设计中采用的直接序列扩频技术的原理、实现方法及其作为电力线载波通信调制方案的可行性和优越性做了详细的论证;随后详细介绍了系统构架及主要模块的软硬件实现,其中硬件设计包括电力线载波芯片PL3106外围接收、发送电路的设计,以及系统供电电源部分;软件开发主要包括单片机汇编程序的编写和主机与单片机通信程序的编写;然后,针对系统在实验中暴露出的问题给予简单分析、提出了解决方案。关键字:电力线载波,PL3106,直接序列扩频技术ABSTRACT Along with the pace of city construction quickening,lighting system plays a great role in safe city,harmony society building.Lighting consumes 17% electricity generated in the earth every year. In , 218.7 billion kwh electric power was used in lighting,and it is almost as three times as the total electricity generated by Sanxia water plan when it completed. To economize lighting electricity and manage lighting system easily,the control quomodo of lighting system should be changed.Power Line Carrier Communication Power System is a unique means of communication, which uses power lines as a transmission medium to substation for the terminal, through the carrier mode analog or digital signals, high-speed transmission with reliable information transmission can be multiplexed at the same time and so on. Through the carrier, power lines can send voice, video, data and can exchange information, treatment, control, detection, automation of information. At present, the main power line carrier technology for high voltage 35KV and above the road,a 40-carrier bandwidth 500KHz,send information, including data protection, remote control, text, voice and images. However,the use of low-voltage power line is still at a research stage. In this paper, low-voltage power line channel characteristics for analysis and modelling the establishment of the corresponding channelfirstly ;then used in the design of direct sequence spread spectrum technique,and its implementation as a power line carrier communication modulation scheme to do the feasibility and superiority of the detailed feasibility studies; then detailed the system architecture and main modules of the software and hardware to achieve, including hardware design, including power line carrier PL3106 chip peripherals for receiving, sending circuit design, and system power supply part; software development include single-chip assembler host with the preparation and procedures for the preparation of single-chip communication; and then, in view of the system exposed in the experiment to give a simple analysis of the issue and put forward solutions. KEY WORDS:power line carrier, PL3106, direct sequence spread spectrum technology 前 言电力线载波通信,简称PLC(Power Line Communication),是以电力网作为通信信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力载波通信的工作原理是把自动化设施中的有效数据经过调制解调器调制后耦合到电力线上,然后经过电力线传输到对端调制解调器,再有对端调制解调器将信号解调后传输给对端自动化设备。电力线载波通信技术出现于二十世纪二十年代初期。电力线无处不在,无论城市乡村,还是偏远落后地区,随处可见,电力线是输电的主要媒介。因此,利用它来进行信息的传输一直是人们的梦想。电力线载波通信是利用现有的电力线路作为介质进行信息传输的一种通信方式,具有通道可靠性高、投资少、见效快、与电网建设同步进行等巨大的优势,有很好的开发前景和应用价值。可是,电力线作为通信介质也具有很多的缺点,比如,可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声、等幅震荡波干扰等不利于数据传输的特性。传统上讲,电力线载波通信是利用高压电力线(一般在电力载波领域,高压电力线指的是35KV及以上电压等级,中压电力线指10KV电压等级,低压配电线指380/220V用户线)作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式,广泛运用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化小区等领域。电力现载波通信在高压输电线上应用已经比较成熟,比如110KV的开放电话,运动,传真,保护,计算机信息等综合业务。再比如,葛楠500KV直流输电系统中,两换流站运行数据的控制信息就是经过长达1053KM的载波电路传送的,实现了两站间的自动控制。随着载波通信技术的发展,电力线载波现已用于中低压配电网中。在低压输电线路上的载波通信研究,欧美国家不但在产品研究开发及相关标准的制定方面还是技术应用都走在中国的前面,因此在国内对PLC通信进行研究和开发具有重大意义。当前,欧美国家已经利用低压配电网载波通信来实现配电网自动化和负荷控制,并应用于工业控制和家庭自动化中,进而提供电话和视频传输等服务。相对于国外PLC技术的飞速发展,中国在低压电力载波数据通信方面尚处于起步阶段,主要停留在自动抄表、楼宇保安和部分过程控制领域。这几年在国外,电力线已经作为一种家庭总线,应用于家庭智能化和网络服务的接入。例如,利用已有电力线网络,能够在医院或家庭建立起医疗监测网,实现重症监护功能,病人的血压、心率、症状等信息能够在家里经过电力线监测网传送至小区控制中心,再经过公共电话网或Internet传送到较大的医疗单位进行分析、处理和监护。同样,医院能够将治疗或注意事项等信息经过网络传送至小区控制中心,再传送到病人家里,对病人进行远程诊疗。在医院,不但能够用电力线通信实现病人的监护功能,而且能够配合医疗器械智能化,实现智能医疗监测、报警、自动化管理和集中会诊等功能。因此,用电力线载波来实现一些需要经常在线的报警、防盗以及监护等应用,每一个方面都有广阔的发展前景和巨大的市场机遇。相对于国外的这些成熟的应用,国内的低压电力线通信还没有形成规模,还有很长的路要走。另外,中国农村人口较多,农村信息化技术相对落后,信息通信普及面不大,因此在当前的现状下,研究低压电力线通信对发展中国农村和偏远山区等地区的信息产业也具有非常重大的意义。本文主要工作是研究了电力线载波通信技术并利用串行口通信技术实现城市照明系统的监测系统,实现利用电力线载波技术进行监测主机与城市路灯驱动之间的数据传输。本文系统的阐述了中国低压电力线信道的噪声状况,当前常见的电力线载波调制技术,分析比较并选择出合适中国低压电力线的调制方式及相应的载波芯片,针对选择的芯片特性,设计出相应的外围电路,包括发送、接收以及数据处理部分。在硬件电路设计完整的基础上,编写软件程序,并进行相关的实验验证设计的合理性,对得到的结果进行分析。并完成论文。目 录第1章 引言- 7 -1.1电力线通信技术的发展状况- 7 -1.1.1 单载波模拟通信- 8 -1.1.2普通数字通信- 8 -1.1.3扩频通信- 8 -1.1.4 OFDM调制技术- 9 -1.2 电力线载波通信技术的应用状况- 10 -1.2.1 电力线载波通信技术的国外应用状况- 10 -1.2.2 电力线载波通信技术的国内应用状况- 12 -第2章 电力线通信信道分析- 13 -2.1电力线传输信道特性- 13 -2.1.1衰耗特性- 14 -2.1.2阻抗特性- 14 -2.1.3噪声干扰特性- 15 -2.1.4多径干扰- 15 -2.2噪声分析- 16 -2.2.1背景噪声- 16 -2.2.2随机脉冲噪声- 17 -2.2.3与工频同步的周期性噪声- 17 -2.2.4与工频异步的周期性噪声- 18 -2.3噪声模型- 18 -2.3.1背景噪声- 18 -2.3.2窄带干扰- 18 -2.3.3 脉冲噪声- 19 -2.4电力线通信信道模型- 20 -2.4.1单根电缆传输函数- 20 -2.4.2 多径传输模型- 21 -2.4.3低压电力线信道近似模型- 22 -2.5扩频通信技术的选用- 22 -2.5.1扩频通信的理论可行性- 22 -2.5.2扩频通信系统的基本工作方式- 23 -2.5.3扩频通信的优点- 24 -2.5.4当前需要考虑的一些技术问题- 25 -第3章 照明控制系统设计- 26 -3.1照明控制系统设计方案- 27 -3.2载波通信模块设计- 28 -3.2.1 电力线载波通信芯片的选择- 29 -3.2.2 PL3106芯片特点- 29 -3.2.3信号发送、接收电路设计- 30 -3.2.4 陶瓷滤波电路- 32 -3.2.5 掉电检测及电池电压检测- 32 -3.2.6载波耦合电路设计- 33 -第四章 照明控制系统通信协议软件设计- 34 -4.1 通信协议设计- 34 -4.1.1 OSI模型- 34 -4.1.2当前电力线载波通信协议- 35 -4.1.3 本文采用的电力线载波通信协议- 36 -4.2 PL3106载波通信软件设计- 41 -4.2.1 载波通信模块使能- 41 -4.2.2 PL3106载波通信接收和发送程序设计- 43 -4.3 主、从控制器程序设计- 44 -结论- 46 -本文总结- 46 -工作展望- 46 -参考文献- 48 -致谢- 49 -附录一:- 50 -附录二:程序- 51 -第1章 引言1.1电力线通信技术的发展状况利用电力先进性数据通信已经有近百年的历史,早期的电力线通信技术采用高压电力线载波,在点对点通信的两端装有阻波器。其发展历程能够划分为3个主要阶段。阶段电压/V载波频率/MHz代表产品应用领域20世纪20-50年代110001.00INT51,DS2宽带高速数据多媒体通信、楼宇智能网络1.1.1 单载波模拟通信最早的电力线通信系统是模拟的单载波系统。模拟系统传送的信号是一个模拟的波形,它要求接收机能够高保真地重现波形信号。模拟系统经过信道的信号频谱比较窄,信道的利用率高,可是其抗干扰能力差,不易大规模集成化。1.1.2普通数字通信 随着数字通信技术的完善和发展,出现了窄带、ASK、FKS和PSK电力线通信系统。数字系统传递信号的离散脉冲,接收端要求正确判断发送的是哪一种离散状态,只要脉冲波形的失真不足以引起错误判断就不会影响通信质量。数字通信抗干扰能力强,能够经过差错编码提高可靠性,易于集成。缺点是比模拟通信占带宽。 1.1.3扩频通信对于电力线这一强背景噪声的信道来说,数据传输的一种有力手段就是扩频(SSSpreadSpectrum)技术。它利用伪随机码把基带信号的频谱进行扩展,形成较高带宽的低功率谱密度信号发射。接收端再利用相关方法进行处理,把要接收的宽带扩频信号恢复成基带信号。扩频技术减少了噪声对信号的影响,保证了电力线网络上的可靠通信。扩频通信技术的理论基础是香农建立的关于通信系统效率的理论。即:对加性高斯白噪声信道来说,如果系统数据速率小于或等于信道容量C时,就有可能存在在信道内进行无差错的数据通信的编码方案。信道容量定义如下:式中,C为信道容量(bit/s);B为带宽(Hz);N为噪声功率(W);S为信号功率(W)。上式说明了在功率谱平坦的高斯噪声信道内,信道无误传输信息的能力(即信道容量)与信道的信噪比和传输信息的带宽之间的关系。能够看出,在保持一定的C值时,可经过增加带宽来相应地降低对信噪比的要求。利用扩频技术传送数据,能够在信噪比很低的情况下进行无差错数据通信。扩频通信系统的基本工作方式有:(l)直接序列扩频;(2)跳变频率方式;(3)跳变时间方式;(4)宽带线性调频方式。扩频技术由于扩频技术本身要求频带宽度是信号带宽的100倍一1000倍,而PLC系统的带宽一般为90KHz125KHz(欧洲)或100kHz一400kHZ(美国),因此在采用扩频技术后可获得较好的抗干扰特性,并在不少领域得到了广泛应用。1.1.4 OFDM调制技术 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing,中文含义为正交频分复用,这种技术是HPA联盟(Home Plug Powerline Alliance)工业规范的基础。OFDM并不是如今发展起来的新技术,OFDM技术的应用己有近40年的历史,主要用于军用的无线高频通信系统。可是,一个OFDM系统的结构非常复杂,从而限制了其进一步推广。直到上世纪70年代,人们采用离散傅立叶变换来实现多个载波的调制,简化了系统结构,使得OFDM技术更趋于实用化。 OFDM的基本思想是将可用的频谱分为许多窄带、低数据速率的子载波,为了获得高的频谱效率,子载波的幅频响应相互重叠和正交。每个子载波能够使用不同的调制方式,比较常见的有BPSK,QPSK和QMA等。也就是说,OFDM实际上是将高速的串行数据变成低速并行数据进行传输。虽然每个子载波的速率并不高,可是所有子信道加起来能够获得很高的数据速率。 1971年,S.B.Weinstein和P.M.Ebert使用DFT实现OFDM的基带调制和解调技术。她们在OFDM的符号间增加了保护间隔来抑制由多径反射导致的ISI。1980年,A.Peled和A.Ruiz在保护间隔中引入循环前缀解决了保持正交的问题,从而保证了OFDM克服ICI的问题。OFDM最大特点是传输速率高、频带利用率高、抵御码间干扰和信道衰减能力强、信道均衡技术简单,由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力,因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。1.2 电力线载波通信技术的应用状况1.2.1 电力线载波通信技术的国外应用状况 早在1838年,英国人Edward Davy就用电力线来检查伦敦利物浦之间处于无人居住区的电表传输系统的供电电池的电压;Joseph Routin和C.E.L.Brown申请了电力线信号电表专利;美国的Chester Thoradson在19 申请了关于远程抄表系统的专利,可是由于该系统还需要一条附加线路用于信号传输,最后没有得到商业应用。经过高压电网进行声音信号的CFT(carrier frequency transimission)最早开始于20世纪20年代。分布广阔的电网提供了一条双向通信信道,例如变压站和电厂之间的通信,这对于管理和监控来说是非常重要的,因为在通信的初期阶段电话网的覆盖范围还不是很广泛,高压电网具有低噪声的特性,加上相对较高的载波频率(15-500KHz),使得高压线传输信号变得很容易,10W的信号功率的通信距离能够达到900Km。在开始阶段,采用调幅调制方式,只用于传输语音信号,后来实现了遥测和遥控。在CFT应用于高压电网的同时,RCS(ripple carrier signaling)应用于中低压电力网。RCS系统最早应用实例是Simens公司在1930年在德国波茨坦建立的Telenerg工程。RCS系统最初是为了实现负荷管理功能,与CFT系统不同,RCS只能实现单向数据信号传输。RCS系统工作在比较低的频率段(1253000Hz),正是由于其工作频率很低,所注入的载波信号在中低压电网上的信号衰减很小,而且能够跨越变压器传输。可是,电力先王的输入阻抗在低频段也比较小,因此RCS发送器需要更大的信号功率,一般应用范围在10100KW之间。在最开始,RCS发送器勇于传输数字信息,常见的调制方式是易于实现的幅移键控(ASK)和频移键控(PSK)。由于RCS采用的频率较低、窄带调制方式简单,导致其数据速率较低。1984年建立的Ethernet MELKOTM系统也应用了RCS技术,它采用了更高效的PSK调制,提高了数据传输速率(可达到50bits/s),并能够进行双向数据传输,频带范围为30254825Hz,载波信号能够跨越变压器传输,信号功率也相应减小。该系统主要用于远程抄表和负荷管理。相应的系统有ABB的DLC-MTM和RMS公司的Power NetTM。她们的载波频率范围是10100KHz,因此,所需的信号传输功率也比MELKOTM小,但需要增加旁路装置才能跨越变压器。随着集成电路技术的发展,Pico Electronics公司创造了第一款应用于家庭的低价格的电力线通信模块X-10。X-10模块的载波频率达到120KHz,它在每一次交流电过零时传输一个比特的数据,因此其最大传输速率为60bps(电网频率为60Hz)或50bps(电网工频为50Hz)。当前有大约10家公司在生产与X-10相兼容的用于家庭自动化的控制模块。针对X-10模块传输速率较低的问题,稍后市场上又出现了能够提供更高数据率、控制功能更强大的电力线载波通信系统,如LonWorks和CEBus。随着Internet的发展,应用电力线分布网和户内电网的宽带接入技术在上世纪90年代开始兴起。英国联合电力公司的子公司Norweb通讯公司于1990年开始电力线载波通信的研究,1995年与加拿大北电网络合作共同开发该技术。1997年这两家公司生成解决了电力线噪声等问题,取得了电力线载波技术的重大突破,利用新开发的数字电力线载波技术DPL(Digital Power Line)实现了在低压配电网上进行1Mbps的远程通信。此后,许多国家的研究机构开展了高速PLCC的研究和开发,如美国的Intellon、Inari公司,以色列的ITRAN、Main.Net公司,韩国的Xeline公司,西班牙的DS2,法国的SPiDCOM等公司开始了高速PLCC专用芯片级应用产品的研究开发,产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品,传输速率从1Mbps到2Mbps、14Mbps、45Mbps直至200Mbps。当前高速PLCC主要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。在高速PLCC家庭、办公室联网应用中,经过多个高速PLC MODEM组成内部网,并可经过PLC MODEM共享外部ADSL、无线等宽带接入。随着高速PLCC的快速发展,相关国际组织也越来越多。当前电力线高速通信的国际组织主要有家庭插电联盟HPA(Home Plug Alliance)、PLC Form、PALAS、OPERA(Open PLC European Research Alliance)、UPLC(UNITEDPOWER LINE COUNCIL)、PUA以及日本的ECHONET等。所有这些国际组织都有研究机构及厂商共同组成,其中较有影响力的为HPA、PLC Form和OPERA。HPA致力于创造共同的电力线网络通信技术标准。HPA现已发展成为有近百家公司组成的联盟,国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。 6月,HPA发布了其标准的第一个版本HOME PLUG 1.0 Specification,将数据传输速率定位14Mbps,采用OFDM调制解调技术,MAC层协议为CSMA/CA。HOME PLUG AV Specification在 4月得到HPA批准,并在9月份发布详细的技术文件,物理层数据速率达到200Mbps,采用TDMA和CSMA接入技术,当前美国Intellon 公司开发首款符合该标准的芯片INT6000。PLC Forum与 3月23日在瑞士成立。其包括来自各大洲的成员,该论坛的目标是为所有对PLC感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府及否提供一个平台,促进她们交流和丰富有关PLC的知识。该论坛的市场目标是提供包括户外接入和户内联网在内的全面PLC解决方案。PLC Forum 不制定标准,但致力于将会员的提议提交给该国际标准化组织,并经过努力,使其成为标准。OPERA是由欧盟出资赞助并有DS2等多个欧洲研究机构及厂商组成的组织,其主要目的是开发下一代用于本地接入的高速PLC技术。1.2.2 电力线载波通信技术的国内应用状况 中国研究PLC技术起步较晚,但发展速度较快。上世纪五十年代,国内也开始了电力线载波通信技术的研究。在相当长的时间里,中国的PLC研究基本上应用于电力行业内部,它用来传输电网调度管理所需的远程信息及低速率的语音通信。近年来,随着数字电子技术的发展,中国传统的PLC技术也开始向数字化方向发展。在电力部门的支持下,PLC在水表、煤气表、电表三表的远程自动抄表应用已经实用化。多家公司从事相关的PLC模块和智能仪表的开发和生产,北京智源利和微电子技术有限公司和北京福星晓程公司分别推出国产的电力线扩频载波芯片SC1128和PL /PL2102/PL3105/PL3200.中国电力科学研究院于 5月在华北电力大学和中国电力科学研究院家属区测试了该公司的E-Magic3000产品,实际测试速率达到1Mbps。国电通信中心从 12月起采用不同的PLC产品和不同的PLC组网方案在北京的一些小区开通了PLC试验网,并接入到中电飞华Internet出口。截止到 5月底,由国电通信中心组织、中电飞华公司实施的北京电力线宽带接入试验网已经覆盖居民小区500多个,接入楼宇4000栋,开通用户40000余户,当前正以每月开通3000多户的速度推进。第2章 电力线通信信道分析2.1电力线传输信道特性在过去的几十年中,PLC之因此没有得到飞速发展,其中一个重要原因就是电,力线作为传输媒质有其自身所特有的一些缺点,加之缺乏有效的针对PLC特点的调制方法,造成了PLC长时期的发展迟缓状态。在22OV/38OV低压电力线上进行信号传输,具有工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大以及时变性大等特点。电力线上的负载时变性非常强,突发干扰的影响很大,很难给出一个准确的信道模型。2.1.1衰耗特性对于低压电力线通信来说,信号衰减十分严重,能够达到1OOdB/Km。信号衰减有以下特点:时间不同、信号频率不同、距离不同,衰减幅度也不同。PLC信道对各种频率信号衰耗的程度是PLC选择载波频率的主要依据。信号的衰耗主要决定于经由的路径和网络上所连接的负载。用于调整功率的电容以及各种具有电容特性的电器,对高频载波信号来说相当于短路,造成极大的衰耗;网络中的一些负载对某些频率构成了谐振电路,产生谐振。当网络上负荷很重时,线路阻抗可达到1欧姆以下,造成载波信号的高衰耗。总的说来,信号传输距离越远,衰耗越严重,可是由于负载阻抗的不匹配,信号的传输会出现反射、驻波、散射等复杂现象,导致近距点比远距点衰耗大。由于网络负载频繁地接入、切出等各种随机事件,PLC信道表现出很强的时变性。信道在1s内对某一频率信号的衰耗变化可达到20dB,在1s内信噪比的变化也可达到1OdB左右。而且,三相电力信道间有很大的信号损失(10dB一3OdB)。通信距离很近时,不同相间可能会收到信号。载波信号一般只能在单相电力线上传输;不同耦合方式导致LPC信号的损失也不同,线一地耦合比线一中线耦合少损失1OdB左右。同时,不同相位的耦合也会引起衰耗,跨相传输比同相传输衰耗大1OdB左右。另外,配电变压器阻碍信号的经过,在配电变压器原、副两边的信号衰耗可达到60dB一1O0dB,次级间也会有20dB一40dB的衰耗。总体上说,PLC信号衰耗随频率上升、距离增大而增加,但并不是单调的。一般情况下,信号衰耗在20dB以上,但一般不会超过55dB。2.1.2阻抗特性电力线网络是一个广泛存在的网络,变电站的二次变压装置和用户负载同时并联在电力网络中,信道阻抗随着时间和用户负载的不同而波动。实现阻抗匹配是很重要的,因为当发射机、信道和接收机的阻抗匹配时,接收端得到的有用信号能量最大。低压电力线网络总阻抗主要由三部分组成:(1)变电站的变压器产生的阻抗,它随着频率的增高而增大;(2)导线的特性阻抗,导线能够看作电阻和电感的串联,不同导线的特性阻抗相差70一1OO欧姆;(3)接在电力线上的设备阻抗,一般相差10100O欧姆。电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。输入阻抗的变化并不一定符合随频率增大而减小的单调变化规律,甚至与之相反。为了解释这一问题,能够将电力线看成是一根连接有各种复杂负载的传输线,这些负载以及电力线本身组合成许多共振电路,在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。另外,网络负载随机地连接或断开,导致电力线的输入阻抗发生较大幅度的改变,还会造成电力线上不同位置的输入阻抗不同。PLC网络可看成由许多电阻、电容和电感组成的网络,信道的电参数随时间、地点变化,相应地,输入阻抗也往往急剧变化。如此发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗均难以匹配,从而给通信系统的设计带来相当的困难。2.1.3噪声干扰特性低压电力线网络中,各式各样的家用电器和办公设备产生的噪声和干扰严重污染着电力线通信环境。Vinesetal定义了4种电力线噪声:1、硅控整流器及一些电源产生的工频噪声,它会造成整数倍工频上的频谱突变;2、平滑频谱噪声,其频谱很平坦,能够看作有限带宽的白噪声,家电中的小电机是产生这类噪音的根源;3、单脉冲干扰,一般由开关切换、闪电、温度调节器或电容充放电引起;4、非同步周期噪声,如电视的行扫描频率对电网的干扰。就噪声特性而言,同一配电变压器下的所有用户负荷噪声以及变压器原边噪声都会对信道产生噪声干扰。2.1.4多径干扰多径效应(MultiPath)是电力线通信存在的干扰之一,如在图2一1所示的电力线通信结构模型中,1与2之间有两条通路。由于信号经过的这些通路所用的时间不同,延迟信号在接收机端与原始信号叠加产生干扰,即多径干扰。图2-1 多径效应(MultiPath)产生原理图2.2噪声分析噪声与干扰强噪声特别是强突发噪声是PLC信道的一个最大的特点,也是PLC信道与其它通信信道相比的一个致命的弱点,在很大程度上制约了PLC的发展。噪声特性是描述信道传输性质的重要参数之一,其研究要紧密结合通信频带。为了简化对干扰复杂性的分析,PLC信道噪声从不同角度大致可划分为以下几类:2.2.1背景噪声图2一2是在实验室测得的背景噪声曲线,中心频率为4.2MHz,频带宽度为8.4MHz。能够看出,背景噪声的平均功率较小,但频谱很宽,而且持续存在,有可能部分或完全覆盖信号频谱。因此,通信过程中的信噪比可能会变得较差,而导致通信误码率增加。该噪声时时存在,因其频谱占据了整个通信带宽,扩展信号频谱不能提供任何增益,扩频通信技术对其几乎没有作用。测量发现,背景噪声主要来源是交直流两用电动机。这种电动机能够在许多家庭用具,如电钻、搅拌器、电吹风里找到,问题十分严重。所幸的是,背景噪声很少能够达到最高功率水平,而且它们将与传输信号一样被用户配电网络所衰减。它的平均功率谱为 N(f)=10(K-3.95*10-5f) (2-1)式(2-1)中参数K随时间缓慢地变化,大致具有高斯分布;f为频率(Hz)。 2.2.2随机脉冲噪声闪电和负载(电容器组、自动调温器、电冰箱、空调等)的开关操作会产生随机脉冲噪声,每个脉冲噪声都将影响很宽的频带。脉冲噪声的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。脉冲幅度和脉冲宽度一起给出了脉冲能量。宽度给出了在给定速率下影响的数据位数,而到达间歇时间则给出了脉冲噪声发生的频率。随机脉冲噪声,出现的时间是任意的;其噪声功率谱密度高,持续时间短,频谱宽。电力线上噪声的短期变化主要由与工频同步的周期性噪声和突发性噪声引起。与工频同步的周期性噪声与突发性噪声相比,具有以下特点:原来就很低的功率谱密度随频率的提高进一步降低,出现频率低,持续时间短,为s量级。可是,突发性随机噪声的持续时间却达到ms量级,而且功率谱密度能高出背景噪声达5OdB之多,一般会使得所传送数据的若干位甚至整个数据传输过程发生错误。在低压电力线路中,不超过0.lms就会有1次非常强的噪声产生,它大致具有泊松分布,参数取值范围为O510-3。脉冲噪声的特点如下:l 脉冲噪声的强度一般比背景噪声高1OdB,有时高4OdB。其强度依赖于噪声源及它离接收机的远近。l 脉冲噪声的主要频率一般为电力系统频率的2倍。l 由于噪声和信号都要衰减,因此靠近接收机的噪声源对信号的接收影响最大,特别当网络衰减很大的时候。2.2.3与工频同步的周期性噪声一般由工作在电网频率的开关器件造成,例如开关电源、电压触发的晶闸管整流器都是产生谐波噪声的主要根源。因其开关频率与电源频率同步,故产生了一系列不同幅度的谐波噪声。一般情况下,谐波噪声能量要比基频小得多。由于线路的衰减特性,通信信号的能量将远低于它。它的功率一般不超过一45dB。其噪声频率为工频或其整数倍,持续时间长,频域覆盖范围广,功率大,功率谱密度随频率上升而减小。2.2.4与工频异步的周期性噪声来源于电力线上的一些电子设备,一般由电视接收机和计算机显示器产生,在频率空间上是离散的,主要分布在5OHz一200Hz。脉冲的重复频率依赖于电视机和显示器的扫描频率标准。对高分辨率和图像偏移质量的追求将使这些频率越来越高。2.3噪声模型 在用仿真的方法研究低压电网载波通信时,建立用某些特性参数描述噪声的模型非常必要。若针对以上的基本分类进行模块化建模,则任一种复杂噪声情况都能够经过基本模块模型的叠加来表示。2.3.1背景噪声 背景噪声可按图2.3.1用白噪声源经过滤波生成,噪声整形滤波在z平面上的传递函数Hmod(z)可描述为:其分子B(z)表示的是移动平均(MA)部分,其分母A(z)表示的是自回归(AR)部分,模型参数有噪声源的方差2和滤波器系数组成。经过使用AR处理模型,即:B(z)=1,参数能够由用AR频谱分析仪测量的噪声信号确定。图2.3.1 背景噪声模型2.3.2窄带干扰窄带噪声部分可经过如下N个独立的正弦函数叠加来描述:其中,每一个分量由它的频率fi、幅值Ai(t)和相位i来描述。幅值Ai(t)在时间上既能够是常数,也能够是对AM广播信号更好近似的调制幅值。载波相位能够在区间0,2上用随机数选择,并独立于时间。噪声既可在时域中合成,也可先在频域中合成,再经过反快速傅立叶变换(IFFT)得到。2.3.3 脉冲噪声 脉冲噪声是低压电力线通信的严重有害源,其对数据传输的影响程度主要是由脉冲的幅度、脉宽和间隔时间决定。文8提出了噪声脉冲的幅度、脉宽和间隔时间的概率分布估计,根据测量结果得出了如下结论:脉冲噪声强度一般比背景噪声水平高10dB,有时能够超过40dB,脉冲强度与噪声源的强度和噪声源离接收装置的距离有关;主要脉冲系列的脉冲频率(由脉冲