电力线载波信道的传输特性分析|信道有哪些传输特性
时间：2019-01-11 03:22:36 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要： 本文根据低压电力线传输特性，分别从阻抗、信号衰减、干扰等几个方面对低压电力线的传输特性进行研究。通过分析比较各种数据发现，用一个准确的数学模型来进行描述很难，因为输入阻抗较小，信号的衰减强，干扰也很大，并且具有很强的时变性。那么，要使低压电力线载波通信达到实用化的要求，只需采取合适的技术手段即可。
关键词： 低压电力线 载波通信 阻抗 衰减 干扰
电力线载波（Power Line Carrier - PLC）通信是电力系统特有的，它是以输电线路为载波信号的传输媒介的电力系统通信，电力线载波通信是一种特殊的通信方式，它利用高中低三种电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输。该技术是将载有信息的高频信号加载到电力线上，数据传输用电线进行，通过专用的电力线调制解调器将高频信号从电力线上分离出来，然后传送到终端设备。随着科学的进步，技术的发展，电力线载波通信这门专业正逐渐成为一门热门专业。在这种形势下，本文旨在通过对电力线载波通信技术的特点，以及所涉及的一些技术问题进行讨论，努力推动低压电力线载波通信技术的成熟与完善。
一、低压电力线载波信道的传输特性
对于所有的通信信道而言，决定其性能的基本参数、通讯协议和错误控制码的基础是信号衰减、阻抗和干扰。将电力线作为信号传输媒介前，需要先对其信道特性做简要分析。
低压电力线是非均匀分布的传输线，各类不同性质的负载在此根低压电力线的任意一个位置随机性地连接或者断开，这种现象引起信号在低压电力线上传输时有明显衰减的可能性。然而这种衰减现象与通信的距离、信号的频率等方面都有着非常密切的联系；负载的类型和数量，电感、电容的分布等多方面影响因素，随着信号频率变化的情况导致电力线上的输入阻抗变得异常复杂，甚至不能进行正常预测；干扰特性在低压电力线上表现得相当复杂，通过试验研究发现，干扰的多变性，表现为因时而变、因地而变两个方面，因地而变的情况是由高频信号在低压电力传输线上的传播过程中产生的谐振、行波等原因所造成。由此得出：信号衰减和干扰特性在低压电力线上的传输的过程当中具有时变性、随机性大的特点，情况也较复杂，这就要求电力线载波通信有很强的自适应能力。
二、低压电力线传输干扰特性
低压电力线传输干扰特性分析值得我们认真研究和思考的问题是干扰在低压电力线上传输具有的特殊性质是使得数据通信在低压电力线上进行。电力线上的干扰有人为干扰和非人为干扰两种:①人为干扰对数据通信有更为严重的影响，它是由连接在电力线上的用电设备造成的；②一些自然现象是指非人为干扰，比如雷电天气在电力线上所引起的干扰。干扰可以近似地分成四类：周期性连续干扰、周期性脉冲干扰、随机产生的突发性干扰和时不变的连续干扰。前两类干扰一般情况下占主导地位。
2.1低压电力线上干扰的随机性
这种随机的干扰一般情况下是由电力线路上的短路故障、较大的负荷变化、高压开关的操作、雷电等引起的，持续时间较短，往往是能量很大的脉冲干扰群或脉冲干扰，但是它有很宽的频谱，集中的能量。这些干扰的出现时间也是随机的，强度大小也不同，持续时间较短，从几十微秒到几秒不等，造成其结果的不可预测性。如果这种情况刚好发生在数据通信的过程中，那么高能量、频谱宽等多方面特性，会造成一些单位数据段乃至整个传送数据在传输的过程中发生严重错误。采用数据预取机制、前向纠错码、自动重发机制等措施可以克服及改善，形成一个较为完善的低压电力线载波通信系统。
2.2低压电力线上干扰的周期性
谐波噪声是以交流电频率（fa）的整数倍出现的，通过大量研究表明，干扰同时也会存在周期性的特性。图1是电力线上的干扰波形在某一时刻特征波形。如图所示，主要干扰周期性的在电力线上出现，它的频率为2fa，并且时不变连续干扰值比其幅值要小很多。此类干扰的强度的峰-峰值甚至可以高达10V以上。图1是大量用电设备在工频交流电基波的某个固定相位上释放出多因素的持续性干扰产生这种周期性的电力线上的干扰波形。并且这些干扰的持续时间不同，受到多方面因素的影响。如图1所示，持续干扰每次的时间约为3ms。许多频率高于100Hz的周期性干扰可能是由逆变器、开关电源等所产生的。我们进一步分析了这种周期性干扰，如图2所示。图2中的有些干扰信号的强度极不稳定，频谱极不规则，并且存在许多突变。但是，综合看来，强度9kHz以上干扰信号平均比强度8kHz以下干扰信号的要大7dB―8dB。周期干扰由以上分析看出，其实主要是由较多的高频干扰组合而成的。若不采取有效措施，频率在10kHz以上干扰势必会对正常电力线载波通信设备造成较大影响。这种较高频率的周期干扰可以导致十几个数据位发生传输错误。想要很好地消除这种干扰存在两点困难：（1）由于这种干扰参数的变化范围很大，对它的强度、周期、宽度和发生时间无法进行精确的预测，所以很难有效地采取抑制措施针对性地对消除这种干扰；（2）由于这种干扰有较宽的频谱，对于接收端滤波器的灵敏度有了非常高的要求。（3）高次谐波的产生是主要是因为有较多大功率的用电设备同时在电网上工作。这些高次谐波能量比较大，频率能延伸到几万赫兹，而且它存在于工频的整数倍的频率内，如果高次谐波与信号频率恰好重叠，那么将会很大程度上影响通信的可靠性。现实中，大量的用电设备会同时对电力线上释放出瞬时功率、周期、相位等各不相同且变化很大的时不变的连续干扰。如图1所示，时不变的连续干扰频谱很宽，持续存在并且平均功率较小，幅值较低的连续干扰就属于此类干扰。信号在低压电力线上传输时变化的衰减度造成信噪比在通信过程中变得很低，可能会增加整个通信过程中的误码率，同时有可能完全或部分被干扰频谱覆盖信号频谱。
2.3低压电力线上干扰的多变性
低压电力线上的干扰的多变性主要表现在两个方面：因时而变和因地而变。
2.3.1因地而变，就是无论在不同的低压电网之间或者在同一个低压电网之内，不同地点产生的干扰情况都各不相同。
2.3.2因时而变，就是在不同时刻，产生的干扰的强度、频率各不相同。前者会受到电力线上衰减特性的影响，对负载分布、距离等都很敏感。后者是由于线路情况、电网结构、连接负载等都不相同，并且连接在不同的电网之间，从而导致电网中的参数不尽相同，很大程度上影响了干扰的分布。低压电力线载波通信系统受电力线上因地而变的干扰特性的影响也较大。
三、总结
综上所述，低压电力线上的信号传输随机性、时变性大，衰减和干扰两个特性也非常复杂，很难用数学模型或解析式较为准确地进行描述，这也是低压电力线高频信号传输特性的分析一直以来更多的是以实验数据测试分析和定性分析为主的原因。尽管在低压电力线载波通信中存在诸多困难，但我们仍然相信只需采用一些特殊的技术手段来实现，用低压电力线作为通信信道的方法是十分可行的。电力线载波通信技术有着令人振奋的应用前景。低压电力载波通信技术已经逐渐成为国内外通信领域里面研究的一个热点，她具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。从以下几个方面可以看到：从成功传输速率应用上来看，速率已有从数十比特到数兆比特不等，因此从信息网络和控制网络两个方面都可以使用从低压电力线通信技术所得的应用要求；从经济性这个方面来看，电力线的普遍性使得无需重新铺设通讯线路，既对建筑物不构成损坏，又节省了线材费用；从可靠性来看，电力线通讯可提供的是无需拨号的专线连接，这种连接误码率小于10-1；从方便性来看，随时改变通讯的对象（或网络结点）极为方便，提供厂有线方式下无线通讯的位置灵活性。对于我国这样通讯条件落后、经济还不够发达的现状，结合的具体情况，研究适合我国国情的具有自主知识产权的电力线通信产品，开发利用电力线通讯技术非常有必要。
参考文献：
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