低压电力线信道特性分析.pdf
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1、第 4 7 卷第 7 A期 2 0 1 0年 7月 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t I n s t r u me n t a t i o n Vo 1 4 7 NO 。 7 A J u1 2 0 1 0 低压 电力线信道特性分析 王翥 , 孙嘉宁 ( 哈尔滨工业大学( 威海) 信息科学与工程学院, 山东 威海 2 6 4 2 0 9 ) 摘要: 本文针对低压电力线分析归纳了信道的阻抗、 衰减和噪声三大传输特性, 并以此为基础建立了简化的电 力线信道模型。利用计算机软件搭建仿真平台, 对常见的D S S S 、 F S K 和B P S
2、K 种调制技术做了抗干扰对比仿真 实验, 仿真结果表明低压电力线通信系统比较适合采用D S S S 和B P S K 这两种调制技术。 关键词: 电力线载波; 传输特性; 抗干扰性能; 中图分类号 : T P 8 4 文献标识码 : A 文章编号: 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 7 A 一 0 0 3 2 0 4 An a l y z e s o f Lo w Vo l t a g e Po we r Li n e Ch a n n e l Ch a r a c t e r i s t i c s WANG Z h u , S UN J i a - n i n g (
3、 S c h o o l o f I n f o r ma t i o n S c i e n c e a n d E n g i n e e ri n g , H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y a t We i h a i , We i h a i 2 6 4 2 0 9 , S h a n d o n g , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h i s p a p e r an a l y Z e S t h e i mp e d a n c e , a e n u a fi o n a
4、n d n o i s e c h ara c t e ri s t i c s o f l o w p o we r l i n e c h a n n e 1 Ac c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ri s t i c s , the p a p e r h a s gi v e n a s i m p l i fi e d c h ann e l mo d e l ,and h a s d o n e t h e a n t i - j a m m i n g s i m u l a t i o n e x p e rime n t f o
5、 r D S S S ,F S K a n d B P S K mo d u l a t i o n t e c h n o l o gy o n t h e c o mp u t e r a n d s o f t ware p l a t f o rm Ac c o r d i n g t o t h e r e s u l t o f e x p e ri me n t , b o t h DS S S an d B P S K w e r e a p p r o p ri a t e f o r the l o w v o l t a g e p o w e r l i n e c a
6、 r r i e r c o mmu n i c a t i o n s y s t e m Ke y w o r d s : p o w e r l i n e c a e r , t r ans mi s s i o n c h ara c t e ri s t i c s , a n ti - j a m mi n g c a p a b i l i t y 0引 言 电力网是一个人户率第一的物理网络。 利用电力 网资源实现数据通信已经成为近些年研究的热点, 研 究表明实现电力线通信较好的手段是采用电力线载 波( 简称P L C) 通信技术 。电力网通常分三类 : 高压输 电网 ( 3
7、5 k V) 、中压配电 网 ( 1 O k V)和低压用户 网 ( 2 2 0 V 3 8 0 V) 。其中高压和中压电力线载波通信的研 究起步早、 时间长、 技术成熟; 而低压电力线载波通信 的研究起步则要晚得多。目 前P L C 通信研究形成了两 个方 向:一个是 面向高压和 中压输 电配电网 自动化 的, 称为配电线路载波; 另一个是面向低压用户网的, 称为线路通信【 1 。 P L C 通信应用广泛 , 主要应用在远程抄表 、 照明 控制、 楼宇家居自动化和互联网宽带接人等领域。但 是P L C 通信也有其 自身缺陷, 电力线本身并不是按传 输通信数据要求设计的, 因此它的各项特性与
8、常用传 输介质( 如光纤和同轴电缆) 有很大不同, 这使得电力 线信道的传输特性相当复杂, 加上我国电网设备电磁 兼容标准低, 造成电力线通信环境十分恶劣。 3 2。 本文针对低压电力网分析归纳了电力线信道的 阻抗、 衰减和噪声三大传输特性, 并以此为基础建立 了一个简化的电力线信道模型。 以D S S S 方式为例, 利 用仿真软件分析了电力线信道对载波通信的影响和 调制解调 的全过程 , 最后通过抗干扰对 比仿真实验说 明电力线上比较适合采用D S S S 和B P S K 调制技术。 1 电力线信道传输特性分析与建模 1 1阻抗特性 电力线输人阻抗特性直接关系到通信效率, 研究 表明输入
9、阻抗与传输信号的频率有关。理想情况下, 电力线可以看作一条各项特性均匀分布的传输线 , 其 输入阻抗应该随着频率的增大而减小。 而在实际接入 负载的情况下, 输入阻抗的变化并不一定符合这一变 化规律。 各种复杂负载与电力线本身组成许多共振电 路, 在共振频率及其附近频率上输入阻抗的幅值会有 较大变化, 形成阻抗低谷区。这种振荡变化规律使得 载波发送的输出阻抗和接收的输入阻抗都难以匹配, 所以在具体应用时要考虑实际情况, 做相应调整来消 除这种影响。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7 卷第7 A期 2 0 1 O年 7月 电测与仪表 El e e t r
10、 i e a l M e a s ur e me n t I ns t r u m e nt a t i o n Vo 1 4 7 No 7 A J l l 1 2 O 1 0 1 2衰减特性 由于电力线并不是一条各项特性均匀分布的传 输线, 所以上面传输的高频信号必然存在衰减。这种 衰减主要是由线路衰减引起的 。显然, 电力线衰减 特性与通信距离和信号频率都有密切的关系, 归纳起 来有以下两个主要特征翻 : ( 1 ) 信号的衰减随着传输距离的增大而增加。 一 般来说 , 根据电力线使用的不同环境 , 信号衰 减与距离的关系为2 0 5 0 d B 5 0 0 m,城市的衰减要小 一 些,
11、农村要大一些。 但是, 由于电力线本身的不平衡 性, 加上负载的阻抗也不匹配, 所以信号可能会遇到 反射、 驻波等复杂现象, 使得衰减与距离之间的变化 关系变得非常复杂, 有的时候可能出现近距离点的衰 减比远距离点还大的现象。 ( 2 )信号的衰减随着频率升高而呈现增大的趋 势 。 研究表明, 对于不同的频率, 中间段的衰减特性 要略好于两头。小于1 0 0 k H z 时衰减较小,但不稳定; 1 0 0 4 0 0 k H z 这段区间较为稳定,可以近似看作线性 关系; 而大于5 0 0 k H z 以后衰减开始显著增大。 1 - 3 噪声特性 噪声特性是描述信道的重要参数之一, 要紧密结
12、合通信频带来研究。电力线由于其自身的一些特性, 作用于它的噪声是非常复杂的, 并不能简单归结为高 斯白噪声。为了简化对噪声复杂性的分析, 电力线信 道噪声根据不同的性质可简单地划分为5 类: ( 1 ) 有色背景噪声 这类噪声是电力线上各种噪声源共同造成的组 合干扰, 是种随时间缓慢变化的随机干扰, 其功率 谱密度随频率增加而减小, 变化比较缓慢。 ( 2 ) 窄带噪声 这是一种频带很窄的噪声, 主要是短波广播在频 域上的窜扰 , 其干扰强度在一天里变化不定, 一般情 况下 , 由于大气层 的反射 , 夜 间干扰 比较严重 , 而白天 的干扰却较小。 ( 3 ) 与工频异步的周期性噪声 它主要
13、来源于一些电子显示设备, 例如电视机或 电脑显示器 , 它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器 的扫描频率同步, 主要分布在5 0 2 0 0 H z 。 ( 4 ) 与工频同步的周期性噪声 一 般由一些大功率的用电设备造成的,如电机、 开关电源等, 会在电力线上产生很多的高次谐波。这 些高次谐波一般为工频或工频的整数倍,能量比较 大。 ( 5 ) 突发性噪声 主要由用电设备突然启动和关闭造成, 出现的时 间是不确定的; 但是持续时间很短, 能量很集中, 时域 的幅值非常大。 针对以上对噪声基本的分类 , 我们可以总结出电 力线信道上噪声的一些基本特点: 存在周期性成分、 存在连续性的背景噪声、
14、存在随机性成分、 具有多变 性特点 。 1 4电力线 信道 通信模 型 电力线网络存在许多节点和分支, 因此存在众多 阻抗不连续的点, 使信号不能从发射端直接传输到接 收端, 而是在节点处会发生反射, 影响发射信号, 使得 信号发生频率选择性衰减。 这就决定了电力线信道对 信号具有多径传输特性, 其传递函数可以简单的表示 为 : = a ,E (f ,d , ) e x p ( - j 2 rrf r , ) ( 1 ) 1 l 式中啦 为路径i 的加权系数; ( ) 为衰减, 其特性与 路径长度、 频率和衰耗参数有关; 表示路径i 的延时。 式( 1 ) 给出了一个比较准确的数学模型, 但是
15、其各项 参数不易测量得到, 实际应用较少。为了方便后面讨 论 , 这里将信道所有衰减集中在一起考虑, 信道模型 简化之后如图1 所示。 图1 电力 线信 道模 型 F i g 1 Mo d e l o f p o we r l i n e c h a n n e l 2 P L C通信 系统抗干扰仿真 为了形象直观地说明电力线信道对传输信号的 影响, 下面以目前常用的直接序列扩频为例分析P L C 通信 系 统 抗 干 扰 性 能 。直 接 序列 扩 频 ( D ir e c t S e q u e n c e S p r e a d S p e c tr u m, D S S S )通信是扩
16、频通信的 一 种 , 它主要理论依据是香农( S h a n n o n ) 信道容量公 式 : C = B c l o g 2 ( 1 + S N) ( 2 ) 式中 c 为信道容量; 为信号带宽; 为噪声功率; S 为 信号功率。式( 2 ) 说明给定的信道容量可以用不同的 带宽与信噪比的组合来传输 ,如果加大信号传输带 宽, 则可以在较小的信噪比下以较小的误码率传输信 号。因此扩频通信的核心就是信号传输带宽的扩展。 D S S S 通信系统仿真框图如图2 所示 , 图符6 一 图符 一 3 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 7卷第 7 A期 2
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