电力载波通信信道特性研究

张高境

摘要：电力线信道是电力载波通信中安全、可靠传输信息载体，因此关于阻抗特性、衰减特性、噪声特性方面的分析是电力载波通信网络构建的前提。最后提出了PLC与Wi-Fi等多种网络融合是未来发展的趋势。

关键词：电力载波通信；信道特性；网络融合

1 引言

电力线通信（Power Line Communication）技术是通过载波的方式信号传输的一种通信方式。由于该技术不需重新布线，电源插座式调制解调器灵活方便，其本身的供电可靠性要求高，众多优势致使PLC技术与其他局域网技术如图1所示，相媲美且具有相对强的抗自然灾害能力并得以广泛应用：智能远程抄表系统，远程路灯监控系统，基于PLC的油井通信，舰舶照明电网的PLC应用等。

从频率带宽角度来看，电力线通信可分为窄带PLC（NBPLC）和宽带PLC（BB-PLC）。当然不同国家对窄带和宽带PLC的定义是不同的。就窄带PLC的载波频率范围而言，美国为50450kHz，欧洲为3-149.5kHz（95kHz以下用于接入Access通信，95kHz以上用于户内In-House通信），中国为40-500kHz。从通信速率来看，分为低速PLC（LS-PLC）和高速PLC（HsPLC）。从电压等级角度看，可分为高压电力线载波（3SKV）、中压电力线载波（10kV）和低压电力线载波（380，220V）。由于电力线不是专门的通信线路，在整个电力载波通信系统中存在着大量干扰，严重的影响了通信系统的性能。

2 电力线载波通信信道干扰特性分析

电力线载波通信系统主要由电力线载波机、电力线和耦合设备构成。载波机是PLC系统的主要部分，主要实现调制和解调，完成频率搬移，实现信息传输。耦合装置不仅阻止电力线上的工频信号和工频电流进入载波设备，而且阻止高频载波信号进入变压器及电路线分支路线等电力设备，是PLC系统不可缺少的一部分。电力线是信号传输的载体，我们只有将其进行信道特性分析，才能更好的抑制干扰。电力线、负载、载波机、耦合装置、变压器等都影响着整个系统的性能，阻抗特性、衰减特性、噪声特性进行分析显得十分有必要。

2.1 阻抗特性

电力线上的阻抗不仅和传输信号的频率有关，而且和负载有关。电力线上负载的数量、类型不同，不同频率的阻抗变化也不同，变压器及导线特性阻抗的变化导致阻抗的变化多端，阻抗匹配问题显得十分复杂。电缆线型号、配电网络的拓扑结构等因素，阻抗的变化不一定随着频率的增大而减小单调变化，甚至与之相反。负载与电力线本身构成谐振回路，形成阻抗低估区；动态的负载阻抗变化与线路的特征阻抗不匹配，引起反射，驻波，辐射干扰等，导致能量传不过去，损坏设备。

2.2 信道衰减特性

PLC信道有很强的时变性，信号随着传输距离和频率的变化而变化，并且频率越高传输线的效应就越明显，发生谐波导致某一频率下衰减会急速增加。PLC网络拓扑结构及负载的不同很难找到适应所有线路的数学模型。电力线上的信号传输不仅发生在发射端与接收端可见的信道中，反射形成的路径也考虑在内，这样的话，电力线信道可以考虑成具有频率选择性衰落的多径传输信道。多径传输模型如图2所示。

每一个路径都有一个加权系数g_i，表示沿着这个路径的反射和传输因子，电力线上这个因子小于或者等于1，即

|g_i|≤1 （1）

一条路径上的转移和反射越多，加权因子g_i就越小。路径越长，衰减就越大，通过这条路径到达接受端的信号能量就越少。

2.3 信道噪声特性

电力线网络的设备种类繁多，性质各异，将噪声按照起因，持续时间，频谱和强度分成五类，信道噪声是这五类的叠加，是PLC中最大的干扰源。

（1）有色背景噪声。主要是由低强度噪声源的叠加而成。功率谱密度（PSD）较低，并且随着频率的增加而减小。

（2）窄带噪声。主要是短波或者中波广播进入介质造成的，大部分是幅度调制的正弦波。其窄带相对窄，功率谱密度却很高。窄带干扰多产生于电台及电力线上的驻波等。

（3）同电网频率不同步的周期脉冲噪声。主要由开关电源产生，频率是50-200MHz的脉冲。频率空间表现为离散的频谱，并且频带较窄。

（4）与电网频率同步的周期脉冲噪声。主要是电力设备50Hz频率产生的脉冲，重复率为50H或100Hz的脉冲。

（5）非同步脉冲噪声。主要是电网切换暂态信号造成的，持续时间短，随机性强，能量集中，是电力载波通信系统最棘手的问题，如电器开关的断开，雷击等。

经过测量表明有色背景噪声、窄带噪声、同电网频率不同步的周期脉冲噪声通常平均功率较小，有可能在相对较长的时间内保持稳定，很有可能全部覆盖信号频谱。我们可以归为一类，称为PLC的背景噪声。其中同电网频率不同步的周期脉冲噪声占用的频带与窄带噪声的非常接近，在频谱密度模型中可以看做PSD非常低的窄带噪声。

对于一般性背景噪声模型的PSD可以写成：

N_GBN（f）=N_CBN（f）+N_N（f） （2）

其中N_CBN（f）是有色背景噪声的PSD，N_NN（f）是窄带噪声的PSD，N^（k）_NN（f）是窄带噪声干扰k引起的干扰分量k的PSD。

脉冲噪声主要由与电网频率同步的周期脉冲噪声和非同步脉冲噪声构成。但是，非同步的脉冲噪声起着主导作用。这类噪声严重的损害了整个PLC中信号的质量，PLC网络结构的复杂性，其时变性和随机性特别强，大量的设备和电器随时随地都可能打开或关闭，网络负荷的变化造成介质阻抗很大的波动，这些阻抗的不匹配和拓扑结构致使多径效应更为严重，除此之外，如果这类噪声的持续时间过长，超过使用纠错码能容忍的检测和改正时间限度时，会产生严重的突发错误，我们必须研究和测量，找出噪声的统计特性，进一步分析脉冲序列模型，进而抑制脉冲噪声。特别是基于n稳定分布的非高斯噪声模型建立。

3 PLC的多网络融合

现在网络很发达，当然也存在很多网络接入技术，如wiFi、有线以太网、PLC、电视电缆等。很明显各种媒介技术所提供的网络容量是有限的，为了最大的发挥每种技术的优点，就势必要进行多网络的融合。PLC安装简单，成本低，终端开放，及安全性等优势越来越突出，与Wi-Fi使用的频段也不同，它们也能很好的发挥自己的作用。目前来看，多种网络技术的共存，尤其是以PLC为骨干网，Wi-Fi为基础分布式网络的混合网络是势必发展的趋势。