电力线扩频载波通信技术及其应用

周彪

摘要： 在11 kV/ 10 kV 和380 V/ 220 V 的中、低压配电网上实现可靠的载波通信，要比在高压输电线上进行载波通信难得多。 本文首先讨论中、低压配电网通信信道的一般特点，针对其主要问题讨论扩频载波通信解决方案的原理，以及SSC技术和应用。

关键词：电力线；扩频载波；通信技术；应用

引言：电力线载波通信是以电力网作为信道，实现数据传递和信息交换。电力线连通家家户户，甚至每一个房间，每一个用电设备。若能在电力线上实现可靠，安全的通信，对于实现对用电设备的监测和控制、经济性、便利性等方面都具有其他通信方式无可比拟的优势，进而若能以电力网为信道，进入公用电话网和因特网等通信领域，则其应用前景将更加广阔。

一、中、低压配电网通信信道特点

1、高噪声

电网中的噪声主要来自开关电源、电动机，利用电力线的对讲机以及某些特殊的电器设备。开关电源的基波频率从15 khz 到1 Mhz 以上， 谐波的振幅相当大。大量的吸尘器、洗衣机、电钻等都会产生高重复频率的脉冲、利用电力线通话的对讲机，工作频率为100 khz～500 khz～ 工作频带约30 khz，在该频带上可产生3 V～7 V的峰值电压的噪声。像感应加热这类装置产生的噪声，由于其具有连续性，对通信系统的影响也很严重。

2、变化范围大

一般配电网电力线的波阻抗在几十欧到100 多。例如12 2bX 金属外皮的输电线每米串联电感约0. 41 h，并联电容约74. 5 pF， 串联电阻约0. 03。因此波阻抗约为7400 另一种输电线122G ROmeX NM B 的波阻抗约为143 0 传播常数约为0. 004 rad/m。在通信频率下，如130 kHZ12 2G ROmeX NM B 在20 m 长的末端接1 MF 的电容（ 低阻抗）时，线路输入阻抗约为100呈感性；末端接500 0 的电阻时，线路输入阻抗呈现容性一些电器中均有电容滤波器 滤波器的电容与电力线的电感产生谐振，可在某些频率范围内使阻抗大大降低（ 小于1 0 ） 线路上的感性负载或容性负载。

3、损耗大

电力线中传输信号的损耗由多方面引起：一是线路串联电感和并联负载和并联的分布电容（ 并联的电磁兼容电容） 组成电压分压器造成的损耗。假如每30 m线路的串联电感为19 MF 负载为300的电阻，并联0. 44 MF的电磁兼容电容，则负载处的信号衰减为12 dB这样的3 段单元组成的电压分压器第3 段负载处的信号衰减为36 dB。二是不同相位的耦合引起的损耗。绝大多数的配电变压器将阻碍通信信号通过。因此配电变压器原， 副边之间的传输信号衰减可达60 dB～100 dB 配电变压器次级线圈间的信号传输也会达到20 dB～40 dB 的衰减。

二、电力线扩频载波通信基本原理

扩频通信方式是将基带信号的频谱扩展到很宽的频带然后再进行传输。

扩频通信最初的研究领域是军事通信，在理想情况下，对扩频信号的解调是SS-1 { SS[S（ z） ]} =S（ z） 的过程 就是对信号S（ z） 的还原； 而对噪声n（ z）而言则是SS-1[n（ z） ]= SS[n（ z） ] 意味着噪声频谱被扩展如果n（ z） 仅仅为白噪声（ 带宽为B） 经过解调后，变成了带宽为Bm

三、SSC技术和应用

1、CEBus简介

CEBus（Consumer Electronics Bus，消费电子总线）是EIA为消费电子产品制定的一种通信和产品互操作性的标准，该标准的制定主要是定位于家庭，但并不局限于家庭。它定义了在家用电器之间通信所使用的通信介质和协议，使得遵循同样标准的家用电器设备可以即插即用，并能共同工作，实现家庭自动化。

CEBus参考了ISO的OSI七层模型设计，但比OSI模型简单，包含物理层、数据链路层、网络层和应用层，其中应用层还包括消息传输子层。CEBus采用NRZ编码体制，用脉冲宽度表示信号，其中UST（UnitSymbolTime）为单位符号时间，是编码和解码的计时基准，EOF即End of Frame，EOP即End of Packet。

2、SSC PL信号

SSC PL信号利用一系列短促的、可自同步的扫描频率chirps作为载体，每个chirps一般持续100μs，它代表了最基本的通信符号时间（UST）。这些chirps覆盖了100～400 kHz的频带，并总是以200～400 kHz的频率开始，继而以100～200 kHz的频率结束。由于chirps信号的线性扫描带宽比信号带宽要大得多，其线性加速度是较高的，而CW干扰的频率加速度一般是稳定的，所以只要将滤波器设计成只能通过具有特定角加速度的信号，就可以将CW干扰排除在外。另外，此种chirps波形还具有很强的自相关特性，这种模糊逻辑的相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形，并且不需要在发送和接收设备间进行同步。

3、SSC RF信号

CEBus规定分组由3部分组成：报头、分组包和CRC。收发器能解码并去除报头信息。分组包信息存储在节点中等待主机读取，或是传送到媒介上去。节点检验收到分组的校验码，并返回成功或失败信息。信号以UST两个状态（相位Φ1和相位Φ2）来编码，相位Φ1为“FFFRRFR”，相位Φ2为“RRRFFRF”（前向“F”，反向“R”）。其中一个状态分为7个子状态，每个子状态由360 chip扩频序列组成，chip基本速率为25.200 MHz。

传输能量在360个chip序列上均匀分布，波形约在4.2～6.3 MHz之间扫频。

分组包采用反相键控（PRK）调制技术。PRK用相位Φ1和相位Φ2进行编码，二者相位相差180°。由表1得出：在分组包中，信号“1”占用1个UST，信号“0”占用2个UST。收发器传输完报头的EOF信号后，用PRK传输分组剩下的数据。报头的EOF信号对应Φ1，符号“1”对应Φ1，符号“0”对应Φ2。报头EOF信号后的第一位符号与之相位相反。

四、结束语

中、低压配电网SSC通信技术具有广阔的应用前景，其应用领域将不断扩大；同时几兆比特每秒甚至是几十兆比特每秒的高速配電网电力线通信技术正在研究与推向市场，是值得关注的动向。

参考文献

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