電力載波通訊抗幹擾措施

時間:2017-03-24 11:57 來源:ob体育竞彩

電力載波通訊抗幹擾措施
電力線載波通訊（PLC）是電力係統特有的、基本的通訊方式，它是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。用電力線作為網絡接進方案，可利用已有的電力配電網絡進行通訊，不需要重新布線，且電力線網絡分布廣泛，接進方便，多用戶能夠共享寬帶，因此，PLC寬帶接進技術具有得天獨厚的上風，它也成為解決寬帶網絡“最後1公裏”題目最具競爭力的技術之一。

　　但是，低壓電力線並不是專門用來傳輸通訊數據的。它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通訊傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜、光纖等不同。它在傳輸通訊信號時信道特性相當複雜，負載多，噪聲幹擾強，信道衰減大，信道延時，通訊環境相當惡劣。本文主要對低壓電力線通訊信道的載波傳輸特性進行了係統的分析，提出了對信號幹擾題目的兩種解決方法，分別可以采用OFDM和擴頻通訊兩種技術來克服信道中的幹擾題目，而且也扼要地先容了我國現代低壓電力線載波通訊的發展現狀。

1 信道特性分析

　　低壓電力線是給用電設備傳送 50Hz 電能的，利用電力線實現數據傳輸即采用電力線載波技術。由於電力線本身不是為通訊設計的，因此其特性在很多方麵難以直接滿足載波通訊的要求。低壓電力線信道的通訊環境惡劣，存在變化的阻抗，不可猜測的噪聲幹擾，強烈的信號幹擾，強烈的信號衰減，這些都是有信道本身的特性決定的，因此，需要對信道特性進行具體的分析。

1.1 阻抗特性分析

　　為了使耦合到電力線上的發射信號功率最大，載波機的輸出阻抗應該與電力線上接受機的輸進阻抗相匹配。由於電網上有大量的電力負載和電力設備（如無功補償電容等）隨機的接進、切出，這些器件對載波信號的衰減非常嚴重，其高頻等效阻抗變化範圍很大，有時小於0.1Ω，有時候忽然增大到幾十歐姆。這就使其信號衰減值嚴重時會達到100dB以上，很難做到輸進阻抗的匹配，因此，在設計載波發射機時，難以保證載波機的輸出阻抗和電力線的輸進阻抗相匹配，從而給通訊係統設計帶來一定的困難。另外當電力線路負載嚴重時，發送耦合電路的內阻也不可忽視，它也會分往相當一部分功率。圖1（略，詳見《欧宝体育在线链接 儀表與公用表計行業信息》第7期）用對數繪出了實測的輸進阻抗與頻率的關係數據。

1.2 噪聲分析

　　分析高頻信號在低壓電力線上傳輸時，由於不同的原因會出現多種衰減。信號衰減主要有兩部分組成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，可以將耦合器的內阻做得相當小，所以衰減就主要決定於線路衰減。實驗表明，信號的衰減是間隔的函數，一般為40～100dB/km。在農村電網衰減最大，500m就達到50dB；在城市，250m大約20dB；在郊區，250m也能夠達到20dB；但在產業區衰減較小，750m長的線路僅為30dB。

　　電力線路上的幹擾源包括脈衝噪聲和等幅振蕩波幹擾。脈衝噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率範圍廣的特點，因而對於載波信號傳輸的影響相當大，不僅會造成信號誤碼率高，使得接受裝置無法正確接受；另外，它還有可能使接收設備內部產生自幹擾，嚴重影響整個係統的工作。等幅振蕩波幹擾源包括有意幹擾和無意幹擾兩種。兩者的工作頻率在50kHz～300kHz之間，這些頻率正好是大多數載波信號的頻率範圍，因而這種幹擾所占的比重也較高。我們分別對不同地域（城市、產業區、鄉村）做了大量實驗，結論是可以用幹擾噪聲的時變線性濾波電路作為低壓電力線的基本參考模型來克服電力線的噪聲。低壓電力線路的背景噪聲主要來源於以下幾個方麵：

(1) 與50Hz電網電壓頻率同步的噪聲。一般是由工作在工頻的開關器件產生的，如可控矽(SCR)器件，其頻率成分是50Hz及其各次諧波。

(2) 白噪聲。有負載和電網不同步而產生的具有平滑功率譜的幹擾，如電動機產生的幹擾；

(3) （3）脈衝噪聲。主要有某些電器忽然開關造成的，以及從高壓輸電變壓器感應過來的噪音，特點是頻譜款、時間短。

(4) 周期性噪聲。如電視機的行頻及各次諧波。

　　背景噪聲是典型離散高斯型的，它對載波通訊係統影響較穩定。其餘的是脈衝噪聲，它對通訊係統可以產生突發性影響引起瞬間的高誤碼率，甚至造成通訊中斷。在這兩種噪聲中，對載波通訊係統產生主要影響的是脈衝噪聲。由於我國對電器上網的電磁兼容性沒有歐美國家控製的嚴格，因此我國電力網的衰減和幹擾要比歐美嚴重得多。通過前麵對低壓電力線載波信道傳輸特性的分析可以看出，低壓電力線載波通訊的客觀環境是非常惡劣的，要達到穩定通訊的效果，必須采用先進的技術手段來克服這些困難。

2 擴頻通訊技術和OFDM技術

　　擴頻通訊技術和OFDM技術是近幾年得到快速發展的數字通訊技術，兩者都具有抗幹擾能力強，通訊速率高的優點，對於以低壓電力線為傳輸媒介的場合是較好的通訊手段。然而由於它們的調製原理不同，在實際應用中又存在差異。

2.1 擴頻通訊原理

　　我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬。例如語音信息的帶寬大約為20Hz～20kHz,普通電視圖像信息帶寬大約為6MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬，即使在普通的調頻通訊上，人們最大也隻把信號帶寬放寬到信息帶寬的十幾倍左右，這些都采用了窄帶帶寬。

　　擴頻通訊屬於寬帶通訊技術，通常的擴頻信號帶寬與信息帶寬之比將高達幾百甚至幾千倍。我們用信息論和抗幹擾理論來解釋。根據仙農(C.E.Shannon)在信息論研究中總結出的信道容量公式，即仙農公式

式中 C——信息的傳輸速率

S——有用信號功率

W——頻帶寬度

N——噪聲功率

　　由式中可以看出，為了進步信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現，即加大帶寬W或進步信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，答應信噪比進一步降低，使有用信號功率在接近噪聲功率甚至沉沒在噪聲之下也有可能檢測出來。擴頻通訊就是用帶寬傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通訊的基本思想和理論依據。

　　擴頻通訊係統由於在發送端擴展了信號頻譜，在接受端解擴還原了信息，這樣的係統帶來的好處是大大進步了抗幹擾容限。理論分析表明，各種擴頻係統的抗幹擾性能與信息頻譜擴展後的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬W與信息帶寬ΔF之比稱為處理增益GP，即 GP =W/ΔF，它表明了擴頻係統信噪比改善的程度。除此之外，擴頻通訊的其它一些性能也大都與GP有關。因此，處理增益是擴頻係統的一個重要新能指標。係統的抗幹擾容限MJ定義如下：
式中(S/N)O為輸出真個信噪比；LS為係統損耗。

　　由此可見，抗幹擾容限MJ與擴頻處理增益GP成正比，擴頻處理增益增高後，抗幹擾容限大大進步。根據擴頻增益不同，甚至在負的信噪比條件下，也可以將信號從噪聲的沉沒中提取出來，在目前常用的通訊係統中，擴頻通訊是唯一能夠工作在負信噪比條件下的通訊方式。通常的擴頻通訊設備總是將用戶信息（待傳輸信息）的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至千倍，已盡可能地進步處理增益。

2.2 正交頻分複用（OFDM）技術

　　OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成很多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調製，並且各子載波並行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小於信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的幹擾。由於在OFDM係統中各個子信道的載波相互正交，於是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互幹擾，同時又進步了頻譜利用率。

OFDM 技術的優點如下：

（1）頻帶利用率高

（2）抗頻率選擇性衰落和窄帶幹擾性能好

（3）傳輸速度快

(4) 抗多徑幹擾能力強

(5) 可以選用基於IFFT/FFT的OFDM實現方法

　　OFDM技術的推出實在是為了進步載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調製用的，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調製後的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互幹擾。在對每個載波完成調製以後，為了增加數據的吞吐量，進步數據傳輸的速度，它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術，來對所有將要被發送數據信號位的載波進行合並處理，把眾多的單個信號合並成一個獨立的傳輸信號進行發送。另外OFDM之所以備受關注，其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換（IDFT/DFT）代替多載波調製和解調。

　　正交頻分複用（OFDM）技術是把高速信息傳送數據流分解成若幹個子信息流，用低速數據流調製若幹個子載波。通過串並轉化分別調製在N個子載波上 ,其關係見式[（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）略，詳見《欧宝体育在线链接 儀表與公用表計行業信息》第7期]

　　同理，在接受端可以通過離散付氏變換獲得原信號序列。利用數字信號處理技術，采用DSP器件，由快速付氏變換和反變換來實現OFDM，其結構見圖（2）（略，詳見《欧宝体育在线链接 儀表與公用表計行業信息》第7期）。

　　通過對上麵兩者的比較，擴頻通訊的功率比較低，而OFDM的功率譜重疊，其調製效率比較高。一般來說，1Mbps量級場合多采用擴頻通訊方式，對於超過10Mbps的場合，采用OFDM方式為宜，多載波正交頻分（OFDM）複用將是解決傳輸頻帶利用的有效方法。

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