高速电力线通信系统的传输特性

姚思炜

（广东电网公司湛江供电局，广东 湛江 524005）

0 引 言

随着因特网的迅速发展，将家庭网络与室内其他电子设备联系起来的需求不断增大。作为构造该网络的一种方法，电力线通信（PLC）有着很大的发展潜力。PLC是利用电力传输的线路，进行数据传输，高速通信通过高频带（2～30MHz）实现。无论从经济角度还是便利的角度上看PLC都是优秀的系统，因为不需要安装新的线路用于数据通信，与因特网连接也可以通过PLC调制器实现。

1 电力线的传输损耗特性

图1 电力线模型

1.1 电力线模型

如图1所示，使用非分支模型和输出类型分支模型，用于模拟电能传输线路的模型。当测量电力线的传输损耗特性时，使用的导线长度为1.6m，分支长度也只有1.6m，“open”终止条件的衰减峰会在频率25MHz发生，与PLC调制器的频带2MHz到30MHz相比，显然太高。因此，本文加入了长度为2.5m和4m的分支，如图1（b）所示，就可以获取“open”和“short”的终止条件在频带2MHz到30MHz的衰减峰。

1.2 传输损耗特性的测量

如图2所示为传输损耗特性的电力线模型测量系统的网络分析仪。电力线模型使用平衡式的传输线，而从网络分析仪引出的传输线是非平衡式的传输线。因此，在电力线模型和同轴电缆的连接处安装了换衡器。电力线模型安装在金属板的高10cm处，以便抑制金属板带来的干扰。图3所示是电力线模型传输损耗特性的测量结果。换衡器的插入损耗通过网络分析仪的正常化功能从测量结果中被除掉。

首先是分支的终止条件是“open”测量结果，一个－20dB甚至更大的急剧衰减峰值在PLC调制器的频率范围2MHz～30MHz中出现。此衰减峰值随着分支的增大会移动到低频率范围。当分支的终止条件是“short”时，随着分支的缩短在低频率范围的传输衰减会非常大，分支长度为10cm时在频率5MHz时为25dB，但是频率越高时传输损耗会得到改进。另外，分支为4m长度，在低频率范围损耗不会很大，但是衰减峰值在20MHz频率时产生，而这个频率恰恰是PLC调制器的频带。因此，可以分析用于PLC调制器的传输速度特性的电力线模型传输损耗带来的影响。

图2 测量系统

图3 测量结果

2 PLC调制器OFDM信号的传输速度特性

2.1 测量方法

测量系统设置在如图4所示的屏蔽室内。正常情况下PLC调制器与交流电源直接连接。但是这里的测量系统为了抑制电源耦合而使用了直流电。首先，发送和接收电脑与PLC调制器连接，而每一个传输线模型则如图1所示。其次，通过PLC调制器进行连接的发送端电脑和接收端电脑的通信链路，是在物理层建立和测量得到的传输速率。

2.2 模拟方法

如图5是模拟模型的简化图示，而模拟条件如表1所示。

（1）OFDM调制是在传输端PLC调制器完成。

（2）传输线通过数字滤波模块得到模仿。电力线中宽频和恒信号衰减（－30dB或－50dB）通过ATT（衰减器）模块得到模拟。设备的热噪音使用AWGN（高斯噪音）模块得到模拟。整合PLC调制器的接收端，以及已经完成OFDM的恢复处理。

（3）传输速率的计算基于接收位和采样速率，接收位是所有发送位减去错误位所得。

在以上的基础上进行模拟，然后与测量值相比较。

表1 模拟参数

图4 传输速度测量模型

图5 模拟系统

2.3 测量和计算结果

根据其对应的电力线模型和终止条件，传输速率的测量结果如表2、表3所示。表2所示是没有衰减器的情况，传输速率达到190M－200Mbps，几乎是PLC调制器的理想状态。除了当分支长度为0.1m，终止条件是“short”时的传输速率为180Mbps，超过－20dB宽带衰减在低频率范围内产生，如图3（b）所示。即使衰减插入增大到－30dB，如表2所示的传输速率与没有衰减器时表现出同样的趋势。然而，当插入衰减增大到－50dB时，如表3所示传输速率降低大概20～30Mbps。特别是分支长度为0.1m，终止条件为“short”时，传输速率从178Mbps减低到132Mbps。当分支长度为4m时，无论终止条件如何，传输速率下降程度基本一致。因此，既然传输速率受到输出条件，如分支长度和终止条件的影响，那么认为通过插入50dB的衰减可以测量得到PLC调制器的传输极限。

表2 传输速率测量结果（ATT0到30 dB）

表3 传输速率测量结果（ATT50 dB）

通过MATLAB计算出来的PLC调制器的传输速率结果，与测量得到的基本一致，两者的误差在许多输出类型分支条件下都是7Mbps之内。当插入表格2中的0～30dB的衰减，计算结果也和测量得到的基本一致，两者的误差在15Mbps之内。因此，可以确定PLC调制器的OFDM信号传输速率的计算方式是合理的。

3 结束语

本文讨论测量电力线的传输损耗特性，以及其对PLC调制器的传输速率的影响。为了检验电力线线路的传输损耗特性对OFDM信号的传输速率造成的影响，通过增加电力线路长度，衰减峰会在PLC调制器所用的频带里出现，同时插入50dB的正常衰减，可以在传输极限的状态下测量传输速率。

从本文中得到的测量结果中，可以得到以下几点结论:

（1）PLC调制器在频率范围2MHz～30MHz会产生－20dB甚至更大的急剧衰减峰值，而且此峰值会随着分支长度的增加移动到低频率范围。

（2）即使插入损耗高达30dB，传输速率依然可以达到190Mbps到300Mbps，基本上是PLC调制器的理想状态。但是插入损耗为50dB时，传输速率会下降20～30Mbps。

（3）通过MATLAB计算出来的PLC调制器的传输速率结果，与测量得到的基本一致，因此，可以确定PLC调制器的OFDM信号传输速率的计算方式是合理的。

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