低压电力载波通信系统信道传输特性及干扰抑制技术.docx

低压电力载波通信系统信道传输特性及 扰抑制技术通信技术及应用有线电视技术姬小夸于会山聊城大学物理科学与信 息工程学院摘要:低压电力载波通信系统在我国属于方兴未艾的领 域，本文首先介绍了电力载波通信的概念及国内外发展现 状.而后重点论述了电力载 波在发展过程中存在的问题及其解决方法并在最后对文中介绍的两 种方法作了对比，使我们能够在不同的情况采取不同的方式.关键词：电力载波噪声衰减1引言电力线载波(PowerLineCarrier, PLC)通信技术 是指利用现有的应用广 泛的电力网线，通过载波的方式将模拟或者数字信号进行高速传输的技术.该技术的主要优势在于它无需重新布线，可利用已有的电力配电网络进行通信，而且电力线接人十分方便，网络分布也很广泛，使用户能够共享宽带.国外的一些国家早在20世纪90年代初就开始对电力线载波技术 展开了研究，但由于技术还不成熟,发展速度较缓慢.直至21世纪,随着PLC芯片技术有所突破，电力载波技术才进入突飞猛进的发展阶段.他们的研究工作主要包括：电力线载波的信道特 性分析及建模，通信原理，调制技术，通信协议的研究和创新，通信芯片的研制，现场试验和测试，电力载波通信技术的推广和商业化以及相关组织和标准的建立等.我国电力载波通信技术与国外相比起步较晚，但是发展迅猛.最早展开研究的是1997年由中国电力 科学研究院对 我国低压配电网的传输特性和参数的测试和分析.国内前期的研究 主要侧重于对国外已有的固化的PLC调制技术和芯片进行扩展开发.近几年来,针对国内配电网信道特性所进行的调制技术的研究与载波芯片 研制已取得了一定突破，但是目前国内相关法律法规及政策尚不健全，如何充分的开发和利用宝贵的电力网络资源，实现低压电力载波通信的高速，安全和大规模的应用，仍需要很长一段时间的研究和摸索.2电力载波传输信道存在的问题低压电力线是一种非均匀分布的传 输线，起初仅用于电能的传输，所以它不同于如双绞线，同轴电缆，光纤等传统的通信传输介质.与国外相比，我国的低压电力网络信道的特性独特而复杂，通信环境也相当的恶劣，存在多种严重影响通信质量的干扰源.(1)信道噪声：此噪声是低压电力线上的最大干扰源.其来源很多，如来自电力线驻波，谐振及中短波广播的窄带噪声；来自开关器件，电机及可控硅整流 器等与工频同步的周期性噪声，另外还有来自电视屏 或电脑显示屏的辐射等与工频异步的周期性噪声等等.但这其中对通 信影响最大的是背景噪声和脉冲干扰：背景噪声是典型离散高斯型 噪声，并始终存在于通讯线上，主要来自电力网上的各种低功率的噪声源,其功率谱密度变化比较缓慢，并随频率增加而减小，噪声大小与通讯线介质的温度成正比即介质越 热，背景噪声就越 大；脉冲噪声也是对载波通信系统产生主要影响的噪声，主要是由雷电，电器突然开关，电力线短路等引起的，它具有能量大且集中，频段很宽，持续的时间短，随机出现等特点，因而对载波信号传输影响非常大，使信号在传输过程中的误码率变高,并导致接收器无法对信号进行正确的纠错，而且可能还会造成接收器内部白干扰，严重影响系统正常的工作2011年第10期(总第262期)t通.遇芟波--ri 载：器精嚣辩辨•翦有线电视技术通信技术及应用(2)信号衰减：由于低压电力线的非均匀分布，电力线路的阻抗较小且阻抗随信号频率和时间变化而变化，就使载波 信号的衰减非常严重.低压电力载波信号的衰减通常都比较大，能达到20dB以上,而且信号的衰减还与 传输距离和信号的频率有关：总的来说,信号的传输距离越远，信号的频率就越高，则信号 的衰减也就越大，但是，还是由于电力线的非均匀性和不平衡性，并且接在上面的负载的阻抗也不匹配，所以使得信号会在传输过程中遇到反射，驻波等复杂 现象，而这些复杂现象的组合，就使得信号衰减随距 离的变化关系变得十分复杂和不确定，比如就有可能出现距离比较近的点的衰减比距离比较远的点还大的现象.并且对 于民用电网，因电网上所接的负载的大小与性质都不相同，所以也会出现同样强度的信号 的衰减也不相同的现象.所以有关信号衰减是难以进 行准确的测量和建立正确的数字模型的，也不容易用 简单的数字公式进行表达，仅能用统计的方法来计算 分析，给系统设计带来了一定的困难.（3）多径效应：多径效应是数字通信中的一种特有干扰，是指信号经不同的路径到达目的地时由于信号的延迟而造成的相互干扰的现象.低压电力网所连接的设备具有数量大，种类多的特点，整个网络的阻 抗始终处于动态变化之中，这就必然会造成许多的用 电设备在阻抗不匹配的状态下工作.如果某些设备阻 抗不匹配，当信号到达该处的时候必然会产生反射， 如此一来，有用的信号就可能通过若干条不同路径到 达接收点.由于信号在每条不同路径上经历的时间不同，因此在接收点就会产生多径效应，信号的延迟就 会对有用信号形成干扰.当多径信号的延迟较短时，这种干扰是可以忽略的；但若信号的延迟较长，就会对有用信号产生非常严重的码间干扰(ISI).3低压电力载波通信的实现方式电力载波通信主要有四种实现方式，即幅度调制，窄带通信，扩频通信及OFDM技术通信.其中前三种为传统通信方式，OFDM技术是最近兴起的热门技术，并且发展速 度迅猛，正逐步成为实现方式中的主流.⑴幅度调制：被最早使用的数字通信技术，顾名思义，它是通过调制载波的幅度来传播信号，此技术较为成熟，但它也是三种通信方式中最不可靠的一种，特别是在充满噪声的电力线上，难以保证信号高速可靠的传输，因此实际应用较少.⑵窄带通信方式：目前低压电力载波通信产品采用的主要方式之一，比如常见的配电网低频率的电力载波(DLC)和低压电力线Modem都属于窄带载波 通信技术.配电网 低频率的电力载波一般工作在5~ 20kHz,在选择载波频率时应避开系 统中通道衰减的峰点.所以其数据传送速率一般在300B以下.因为这种方式的产品 价格低廉，且易于实现，所以在以往的 应用中较为流行.在国外这种系统技术比较成熟，载波信号已具有跨越系统中的电力变压器的能力，通信 覆盖范围大.而且具有先进的软，硬件产品，收到了良好的效果.而低压电力线Modem也已广泛用于各种电源管理系统， 如办公楼内部通信，家庭电器控制，自动抄表系统，火警和防盗报警系统等.面主要介绍电力线载波通信中扩频技术以及 最近兴起的OFDM技 术的应用.扩频通信技术和OFDM技术是近几年得到快速发展的数字通信技 术，两者都具有抗干扰能力强，通信速率高，并且能够有效克服电力线载波通信中的噪声影响及时变衰减等优点，对于以低压电力线为传输媒介的场合属于较好的通信手段.由于它们的调制原理不同，在实 际应用中又存在一定差异.⑴扩频通信技术扩频通信技术属于宽带通信技术，是指在发送端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息所需的带宽；在接收端采用相同的扩频码进行 相关解调来解扩以恢复所传信息数据.扩频通信的理 论基础是信息论中的Shannon定理：C=Blog2(l+s/N)(1)从公式(1)可以看出，在信道容量一定时，传输信道 的带宽与信噪比是可以互换的，也就是说如果增加信 号的频带宽度，就能在较低信噪比的条件下以任意小 的差错概率来传输信息，甚至在信号被噪声淹没（即 在S/N<l时）的情况下，只要相应地增加信号的带宽， 也可进行可靠的通信，这就是扩频通信技术的原理.其原 理框图如图1所示.图12011年第10期（总第262期）通信技术及应用有线电视技术我们一般信号频谱被扩展之后的带宽 w与信息 的带宽△之比称作处理增益G即cP二w/AF,它可用 于表 明扩频系统信噪比的改善程度.系统的抗干扰容限M定义如下：MJ=Gp-[（S/N）.+Ls]式中（S/N）为输出端的信噪比_L为系统损耗.由此可见，抗干扰容限M和扩频处理增益G成正比,即扩频处理增 益增大后，抗干扰容限将大大提高.根据扩频处理增益的不同，甚至在负的信噪比的条件下，也可将有用信号从噪声的淹没中提取出来 在目前常用的通信 系统中，扩频通信技术是唯一一种能够工作在负的信噪比条件下的通信方式.通常的扩频通信设备总是将有用的用户信息（即待传输的信息）的带宽扩展至数十倍，上百倍甚至于上千倍，以尽可能地提高扩频处理增益，从而使各种噪声达到干扰 仅能影响到一小部分传送的有用信号，而大多数信号都能完整，准确地到达目的地.这样其受干扰的频率范围所占比例就相对减小，所以对各类干扰均具有较强的抗干扰能力，此外，还具有能抵抗多径干扰，不易被截获，对其它电台干扰小，可以同频工作及便于实现多址通信等优点，所以成为我国目前应用最为广泛的一种低压电力载波技术.（2） OFDM 技术OFDM技术属于正交多载波调制技术方式.它的基本思想是将一个高速率的数据流分解成许多低速率的子数据流，并以并行的方式在多个子信道上进行传输,各个子数据流可以采用相同或者不同的数字基带调制方法（如BPSK, QPSK, QAM等）.为了提高频 带利用率，OFDM调制中各子 载波上的信号频谱相互重叠，但是在选择载波间隔时要满足子载波在 整个符号周期上是正交的，即一个符号周期内的任何两个子载波的乘积等于零.这样即使各载波上的信号频谱相互重叠了，也能保证在接收端可以不失真地复原信号，而且能够消除各子载波之间的相互干扰.一般来讲,当载波间的最小间隔为符号周期倒数的整数倍时,即能够满足正 交的条件.然而，为了能够实现最大频谱效率，一般都取载波最小间隔等于符号周期的倒数.其工作原理图如图2所示.由OFDM的工作原理可以看出，OFDM把一组数据分成多个子载波进 行传播，这样可以使调制后的码 元宽度变长，比如将10Mbps的OFDM信号分成100个子载波，每个子 信号的码元宽度是10s,由于延迟 图2时间相对于码元宽度越短则对 信号接收产生的影响 就越小，所以假设多径干扰的延迟为ltxs,原 来可以干扰10个接收信号，这样,1s的多径干扰就不会对有用信 号产生码间串扰，从而在一定程度上解决了多径干扰的影响.另 外，0FDM子信道可以采用不同调制方式（例如QPSK,QAM）提高抗噪 性能，其中QPSK具有更好的可靠性.0FDM系统还可以采用信道编码 技术,通过适当引进卷积码，交织编码,BCH码或RS码等纠错编码，系统可以消除脉冲干扰引起的突发误码,大大提高传输的可靠性.通过对上面两种技术的分析，扩频通信的功率比较低，频谱密度低，对其他通信方式的污染小.而OFDM的功率谱重叠，其调制效率比较高，适宜带限信道的传输.OFDM技术需要通过划分子信道来实现,而电力线又是 时变信道，所以需自适应分配信道，这样OFDM方式中就必须采用预适应装置来划分子信道,这使得 OFDM的实现比较困难，使用成本上升.扩频通信是利用信号问的相关性进行解扩，而各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成份，提高了信噪比.因此扩频系统的抗干扰能力是由其调制原理决定的，不需增加额外的装置.扩频技术和OFDM技术均能够针对电力线传输信道存在的各 种干扰进行一定程度的抑制，但两种技术又各有利弊，所以应根据环境和条件的不同选择更为适合的传输方式.一般来说，在频带严格限制的系统中，采用OFDM调制技术并结合适当的编码技术可 以得到最大的传输容量.在宽带网络中，一般1Mbps量级场合应采用扩频通信方式为宜，而对于超过10Mbps的场合,OFDM 技术则更能体现其带宽利用 率高，抗多径干扰能力强的优势，多采用OFDM方式。