低壓電力線信道的分析

低壓電力線信道的分析

0電力線信道特性電能線通信（rc）是利用高壓線在配電網(wǎng)的高壓線路上傳輸高速數(shù)據(jù)、聲音、圖像和其他通信信號的通信方法。研究這項技術(shù),能夠充分發(fā)揮電力資源的優(yōu)勢,利用現(xiàn)有的電力設(shè)施,發(fā)展電力線通信,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,隨著Internet的飛速發(fā)展,各種語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的廣泛開展,“最后1公里”問題已經(jīng)成為制約網(wǎng)絡(luò)寬帶化的瓶頸,由此也產(chǎn)生了多種寬帶接入技術(shù)。用電力線作為網(wǎng)絡(luò)接入方案,可利用已有的電力配電網(wǎng)絡(luò)進行通信,不需要重新布線,且電力線網(wǎng)絡(luò)分布廣泛,接入方便,多用戶能夠共享寬帶,因此,它成為解決寬帶網(wǎng)絡(luò)“最后1公里”問題的最具競爭力的技術(shù)之一。但是,低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數(shù)據(jù)的。它的拓撲結(jié)構(gòu)和物理特性都與傳統(tǒng)的通信傳輸介質(zhì),如雙絞線、同軸電纜、光纖等不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當(dāng)復(fù)雜,負載多,噪聲干擾強,信道衰減大,信道延時,通信環(huán)境相當(dāng)惡劣。因此,必須對它的信道特性進行研究,并據(jù)此提出調(diào)制、編碼、信道均衡等解決方案。分析電力線信道的主要參數(shù)是阻抗特性、信道噪聲、衰減特性。由于電力線傳輸信號的復(fù)雜性,信道的特性參數(shù)并不是固定不變的,相反,這些參數(shù)是動態(tài)變化的,不僅隨時間發(fā)生變化,而且也隨頻率發(fā)生變化。通過對信道特性的分析,建立了一個大致的信道模型,從而可加深對電力線信道的理解。1信道特性分析低壓電力線信道的通信環(huán)境惡劣,存在變化的阻抗,不可預(yù)測的噪聲干擾,強烈的信號衰減,這些都是由信道本身的特性決定的,因此,必須對信道特性進行詳細的分析。1.1抗壓強度隨時間、頻率變化的規(guī)律為了使耦合到電力線上的發(fā)射信號功率最大,載波機的輸出阻抗應(yīng)該與電力線上接收機的輸入阻抗相匹配。由于電網(wǎng)上負載眾多,負載隨機的接入、切出,家用電器的使用,電動機的啟動、停用等,使得電力線的輸入阻抗不是靜態(tài)的,而隨時間、頻率發(fā)生變化。白天和夜晚的阻抗不同,通常白天的阻抗較低,夜晚的阻抗較高。而且,阻抗變化并不符合通常認為的隨頻率的增高而減小的規(guī)律,有時甚至與之相反,這是因為電力線上連接有各種復(fù)雜的負載,這些負載與電力線本身組成許多共振電路,在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)。一般情況下,電力線阻抗從20Ω到190Ω動態(tài)變化,很難做到輸入阻抗的匹配,因此,在設(shè)計載波發(fā)射機時,難以保證載波機的輸出阻抗和電力線的輸入阻抗相匹配,從而給通信系統(tǒng)設(shè)計帶來一定的困難。1.2噪聲分析(1)噪聲的種類低壓電力線的傳輸環(huán)境不同于其他通信信道,它的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,連接的負載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化,因此作用于它的噪聲不能簡單歸結(jié)為加性高斯白噪聲(AWGN),而應(yīng)根據(jù)不同的噪聲源進行具體分析。通常將電力線上的噪聲分為5類。1背景噪聲2窄帶噪聲32逐漸降低的頻率脈沖噪聲41與工作頻率同步的周期性脈沖噪聲5數(shù)據(jù)的誤差通常,前三種噪聲隨時間變化緩慢,常歸結(jié)為背景噪聲。后兩種噪聲的時變性強,當(dāng)出現(xiàn)這些噪聲時,功率譜密度會突然上升,數(shù)據(jù)傳輸會造成很大的誤差。噪聲很難直接定量地表示,但也有一定的規(guī)律性,比如噪聲隨頻率的增高有下降的趨勢,并且無論噪聲多復(fù)雜,都是由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成,如圖1所示。(2)與工頻同步的噪聲和隨機脈沖噪聲的差異背景噪聲包括有色背景噪聲、窄帶噪聲和與工頻異步的周期性脈沖噪聲。通過背景噪聲的譜分析,發(fā)現(xiàn)背景噪聲的平均功率較小,但頻譜很寬,并且持續(xù)存在,有可能部分或全部覆蓋信號頻譜。因此,通信過程中的信噪比可能會變差,導(dǎo)致誤碼率的增加。與工頻同步的周期性噪聲和隨機脈沖噪聲都造成了電力線上噪聲的短期變化。而與工頻同步的周期性噪聲,和隨機脈沖噪聲相比,具有較低的功率譜密度,持續(xù)時間短,為μs級。但是隨機脈沖持續(xù)時間是隨機的,從μs級到ms級,而且功率譜密度能比背景噪聲高出50db。通常,描述它的主要參數(shù)是幅度、寬度和到達間歇時間。由脈沖幅度和寬度可以得到脈沖能量,到達間歇時間給出了脈沖噪聲出現(xiàn)的頻率。由于隨機噪聲的突發(fā)性,可能會使傳輸?shù)臄?shù)據(jù)部分或整個發(fā)生錯誤。1.3電力線信道衰減的原因高頻信號在低壓電力線上傳輸時,由于不同的原因會出現(xiàn)多種衰減,主要包括耦合衰減和線路衰減。耦合衰減是由發(fā)射端和接收端與電力線的阻抗不匹配造成的。線路衰減的產(chǎn)生原因是多方面的,包括電力線網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,接入節(jié)點眾多以及信道存在許多阻抗不匹配的節(jié)點等,從而使電力線信道具有多徑信道的特征,必然會造成信號的多徑傳播,從而造成衰減。另外,電力線本身的熱損失和輻射以及電磁干擾,也會造成衰減。還有,信號傳播延時衰減等。因此,分析電力線的信道衰減應(yīng)從多方面考慮。本文假設(shè)發(fā)射端和接收端與電力線阻抗是匹配的,重點分析電力線的線路衰減。(1)信號衰減模型線路阻抗的不連續(xù)性是指在連接點處具有兩種不同特征阻抗的介質(zhì)。當(dāng)信號傳到阻抗斷點處,它將發(fā)生部分或全部反射。電力線網(wǎng)絡(luò)上存在許多分支,因此也就存在眾多的阻抗不連續(xù)點,使信號在電力線上不能從發(fā)射端直接傳輸?shù)浇邮斩?而是在節(jié)點處發(fā)生反射,反射波影響發(fā)射信號,使得信號發(fā)生頻率選擇性衰減。我們選擇較為簡單的二徑傳輸模型來分析信號衰減,N徑傳輸模型可以由若干個二徑模型來合成,二徑模型如圖2所示。信號從A點傳輸?shù)紺點,在B處有一節(jié)點。路徑分為三段,長度分別為l1、l2、l3,每段的特征阻抗為ZL1、ZL2、ZL3,r為反射因子,t為傳輸因子,為簡化考慮,假設(shè)A點和C點與線路的阻抗是匹配的。信號從A點傳輸?shù)紺點,經(jīng)過一個分支會發(fā)生反射,反射波可以繼續(xù)發(fā)生反射,如此循環(huán)反射,會對傳輸信號造成衰減。很明顯,信號的衰減程度與反射因子、傳輸因子以及傳輸路徑的長度有關(guān),具體參數(shù)見表1所列。每條路徑都有一個加權(quán)因子gi,加權(quán)因子是傳輸因子和反射因子的函數(shù)。所有的反射因子和傳輸因子都不大于1,因此,加權(quán)因子也不大于1。隨著反射路徑的增多,加權(quán)因子減小。因此只要信道上存在阻抗不匹配點,傳輸信號就會發(fā)生衰減,傳輸?shù)穆窂皆介L,造成的衰減越大。(2)傳播常數(shù)與特征阻抗通常,由于電纜本身的熱損失及輻射等因素,使信號在傳輸過程中隨頻率增大、距離增加而發(fā)生衰減。按傳輸線理論,可以將電力線等效為由電阻R、電容C,電感L和電導(dǎo)G組成的模型,如圖3所示。由基爾霍夫電壓定律和電流定律,可以導(dǎo)出傳輸線的兩個重要特征參數(shù):傳播常數(shù)和特征阻抗,它們都是隨頻率變化的,具體為γ=α+jβ=(R+jωL)(G+jωC)????????????????√(1)γ=α+jβ=(R+jωL)(G+jωC)(1)Z0=R+jωLG+jωC?????√(2)Ζ0=R+jωLG+jωC(2)分析表明,傳播常數(shù)的實部α隨著頻率的增加而增大,對于特定的傳輸線,α的一部分與f成正比,另一部分與f???√f成正比,因此,α可以表示成f的函數(shù)。信道隨頻率、距離變化的衰減模型可以表示為A(f,d)=e-α(f)·d(3)(3)同的延遲信號是多徑傳播的,同一信號由不同的路徑傳播時,會造成不同的延時。延時與傳播距離和傳播速度有關(guān),具體表達式為τi=diυi(4)τi=diυi(4)式中τi是第i條路徑的延時,di是第i條路徑的傳播距離,υi是傳播速度。2電力線信道模型由上面的分析可以看出,電力線網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點眾多以及分支和節(jié)點不匹配的特點,因此,決定了信號的多徑傳播特性。它具有頻率選擇性衰減特性,多徑信號傳播的信道傳輸函數(shù)可以用N條傳輸路徑的疊加和頻率f、距離d、延時τ等因子表示為H(f)=∑i=1Ngi?e?α(f)?di?e?j2πf?τi(5)Η(f)=∑i=1Νgi?e-α(f)?di?e-j2πf?τi(5)考慮發(fā)射端和接收端的輸入輸出阻抗、信道的傳輸函數(shù)、噪聲等因素,電力線信道模型如圖4所示。這個模型雖然看似簡單,但是幾乎可以涵蓋電力線信道上所有的信道特征。如果假設(shè)輸入輸出端與電力線的阻抗是匹配的,而主要考慮在電力線上發(fā)生的線路衰減,我們可以得到更為具體的多徑傳播模型,如圖5所示。這個模型表示了信道的多徑特性,信號通過多徑傳播到輸出端,造成不同的衰減。它表明了電力線信道的復(fù)雜性。3脈沖噪聲隨頻率的變化引起的誤差電力線網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及眾多的負載和多種噪聲源等特性,決定了低壓電力線在傳輸高頻信號時信道環(huán)境惡劣。本文具體分析了低壓電力線信道的阻抗、噪聲、衰減特性,并據(jù)此給出了低壓電力線的信道模型,它的建立對深入了解低壓電力線通信信道具有一定的幫助。這種噪聲隨頻率而發(fā)生變化,具有相對低的功率譜密度(PSD)。它主要是由各種低功率的噪聲源產(chǎn)生的,它的功率譜密度隨時間的變化而緩慢發(fā)生變化。一般由中、短波廣播所引起,它隨時間發(fā)生變化。這種噪聲的重復(fù)頻率一般為50～200Hz,由電視機或電腦顯示器干擾所造成,它的重復(fù)頻率與電視屏幕或電腦顯示器