低压电力载波通信网络中的多径传播对信号传输的影响研究

2024-05-17王邦成

通信电源技术 2024年6期

王邦成

（国网内蒙古东部电力有限公司供电服务监管与支持中心，内蒙古通辽 028000）

0 引言

随着智能电网的不断发展，低压电力载波通信网络作为智能电网的信息传输基础，其稳定性和可靠性变得尤为重要。然而，多径传播作为一种常见的信号传播现象，对低压电力载波通信的影响较大。多径传播时信号的多次反射和衍射会引起信号时延扩展、相位失真等问题，直接影响通信质量。

1 低压电力载波通信网络概述

1.1 网络结构与组成

低压电力载波通信网络是一种基于电力线通信的智能电网信息传输系统。低压电力载波通信网络结构（见图1）由多个通信模块组成，包括载波控制电路、载波信号发送电路、载波信号接收电路以及载波信号耦合电路。载波控制电路采用CX5013 芯片，用于稳定和调控通信频率。载波信号发送电路采用120 kHz 载波功率放大集成电路，实现信号的有效传输。载波信号接收电路采用载波LC 谐振滤波接收电路，用于过滤和接收目标信号。载波信号耦合电路采用120 kHz 载波信号阻抗匹配谐振耦合电路，确保信号有效地耦合到电力线。整体系统频率源采用（9.6±0.00002）MHz 的晶振，为系统提供高稳定性的时钟源。

图1 低压电力载波通信网络的结构

1.2 信号传输原理

低压电力载波通信网络的信号传输原理基于载波通信技术，其核心是通过电力线传输信息信号。载波通信的基本原理可以表示为

式中：U(t)为在电力线上传输的信号电压；A为信号的振幅；fc为载波频率；t为时间；φ为相位。

在信号传输中，振幅、频率及相位等参数的改变是实现在电力线上传输不同信息的关键。振幅指信号的幅度大小，通过调节振幅可以改变信号的强度，进而在电力线上传输不同强度的信号[1]。频率代表信号的周期性变化，通过改变频率可以在电力线上传输不同频率的信号，从而实现多频信号传输。相位描述信号的相对位置或相对延迟，通过调节相位可以在电力线上传输不同相位的信号，实现多路复用或相位调制等技术。

调制技术是在信号传输过程中将需要传输的信息信号嵌入载波信号的一种重要手段。通过调制技术，可以将信息信号与载波信号进行合理的叠加，使得信息信号在电力线上能够随载波信号一同传播。常见的调制方式包括振幅调制、频率调制及相位调制等。在接收端，需要利用解调技术将信号从载波中提取出来，以实现信息的恢复。解调技术的主要作用是将合成信号中的信息信号分离出来，还原为原始的数据信号，从而完成信息的接收和解码过程，使得信息能够被准确地获取和利用。通过调制技术和解调技术的配合，可以实现在电力线上传输多种不同类型的信息，满足各种通信需求。

2 多径传播对信号传输的影响分析

2.1 多径效应的成因

多径效应指信号在传播过程中，除了直射路径，还经过其他不同路径到达接收点，形成多条不同长度的传播路径。这一现象主要由以下因素引起。第一，信号反射与折射。当信号遇到墙壁、建筑物或其他障碍物时，会发生反射和折射现象，导致信号沿多个路径传播。这些反射和折射形成的不同路径导致信号到达接收点的时间延迟与强度发生变化，进而产生多径效应。第二，地面波和天空波。信号在地面与天空之间发生反射，形成地面波和天空波。这些波通过不同路径到达接收点，与直射路径相叠加，形成多条传播路径。由于地面和天空的不规则性，地面波和天空波的传播路径可能会发生变化，进一步增加多径效应的复杂性。第三，散射。信号与地面、建筑物等不规则表面发生散射，使信号以多个方向传播。这些散射路径与直射路径相叠加，导致信号到达接收点的相位和幅度发生变化，从而引起多径效应。第四，多路径效应的交叉干扰。多个传播路径上的信号可能在接收点交叉，引起信号干扰与衰减。多径效应会导致信号在接收端形成多个版本，这些版本之间的时延和幅度差异可能造成接收信号的失真与衰减，从而影响通信系统的性能和稳定性。因此，在设计和部署通信系统时，需要充分考虑多径效应并采取相应的补偿措施，以确保通信的质量和可靠性。

2.2 多径传播的主要影响

多径传播会对信号传输产生多方面的影响，主要包括时延扩展、码间干扰及衰落效应等。信号经过不同路径到达接收点，引起信号的时延扩展。接收端会接收到来自不同路径的信号，产生多个版本的信号，从而扩展信号时域结构。而不同路径上的信号也有可能在同一时刻到达接收端，形成码间干扰。这种干扰会导致接收端误判符号，降低通信系统的性能。多径传播引起的信号叠加可能导致信号幅度在时域上的变化，形成衰落效应[2]。这种衰落效应使得信号的强度在瞬时发生明显变化，增加信号的不稳定性。在低压电力载波通信网络中，这些影响会显著降低信号的传输质量。

2.3 多径传播的测量与建模

多径传播的测量与建模是深入理解和有效处理多径效应的关键步骤，具体流程如图2 所示。第一步，测量获得信号的多径传播信息。通过使用专业的信号分析仪器，如频谱分析仪、信号发生器以及接收器，对信号进行采样和记录，主要包括在不同位置和环境条件下进行实际信号测量，以获取多样化的传播路径信息。第二步，需要分析和整理测量到的多径传播数据，以形成准确的传播模型。第三步，在建模阶段需要采用数学工具和算法，如时域分析、功率谱密度估计及最小均方算法，对信号进行建模。考虑低压电力线通信网络中多种因素的影响，建模要综合考虑电力线特性、环境噪声、设备功率等因素。第四步，通过建模可以获得多径传播的时间、幅度及相位等关键参数[3]。利用这些参数优化通信系统设计，制定合适的信号处理策略，提高系统对多径效应的抗干扰能力。

图2 多径传播的测量与建模流程

3 提高信号传输质量的方法与技术

3.1 多天线技术的应用

提高低压电力线载波通信系统信号传输质量的方法之一是采用多天线技术。多天线技术通过部署多个天线来改善信号传输性能，特别适用于应对多径效应等复杂信道环境。多天线技术的应用主要涉及多个方面，如天线布置、信号处理及系统优化等。

在多天线技术中，合理的天线布置十分重要。通过在不同位置部署多个天线，可以有效捕获不同传播路径上的信号，减小多径效应对信号的影响。天线的选择应考虑电力线通信网络的实际布局，以最大限度地提高信号的接收效率。多天线技术还涉及信号的处理与融合。采用多通道接收技术，并行处理多个天线接收到的信号，综合各个通道的信息，可以有效抑制多径干扰，提高信号的抗干扰能力。此外，适当的信号处理算法，如自适应波束赋形技术，有助于进一步优化信号的接收质量。在系统优化方面，多天线技术需要充分考虑通信系统的整体性能。通过优化接收天线的数量和位置，结合信号处理算法调整系统参数，可以最大限度地提高信号传输质量[4]。同时，系统应具备动态适应性，能够根据环境变化实时调整多天线的工作状态，以应对复杂的通信环境。

3.2 信号处理与均衡技术

提高低压电力线载波通信系统信号传输质量的技术之一是采用信号处理与均衡技术。这一技术旨在克服多径传播引起的信号失真、衰减及时延等问题。通过智能的信号处理方法和均衡技术来提升系统的抗干扰性和传输稳定性。

信号处理技术主要包括数字信号处理（Digital Signal Process，DSP）和模拟信号处理2 个方面。采用DSP 技术，可以在数字域实时处理信号，包括滤波、均衡及解调等操作，从而有效抑制多径效应造成的失真。模拟信号处理通过模拟电路优化处理信号，提高信号的质量。这些信号处理方法旨在最大限度地提高信号的抗噪声和抗干扰性能。均衡技术是通过调整接收端的均衡器来抵消多径传播引起的失真。均衡器的设计需要考虑信道的特性，通过动态调整均衡器的参数，使其适应不同传播环境下的信道状况。采用先进的均衡算法，如最小均方（Least Mean Square，LMS）算法，可以在实时性要求下对信号进行均衡处理，提高系统的稳定性。通过信号处理与均衡技术协同工作，实现对信号的全面优化[5]。通过对信号进行合理的预处理，如均衡和降噪，再配合均衡技术对信号进行实时的修复和增强，可以有效提高信号的传输质量。