（通信与信息系统专业论文）室内电力线扩频数据通信技术研究.pdf

摘要 室内电力线数据通信是实现家庭自动化和家庭联网的一种方便又经济的通信方 法。本文在对电力线信道特征详细分析的基础上，设计了室内电力线直接序列扩展频 谱通信系统。 本文设计了一个测量系统对实际电力线信道的主要特性进行了测量，详细分析了 电力线的信号传输特性和噪声特性，给出了一个实用的室内电力线信道模型，包括参 数化的传输函数模型以及背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声的近似模型，并给出了计算 机仿真实现方法。 讨论了电力线通信存在的一些问题及解决方法。研究对照了当前世界上使用的电 力线通信技术，讨论了直接序列扩频通信技术应用于室内电力线通信的优势。 使用直接序列扩频及q p s k 等通信技术构建了室内电力线通信系统，给出了主要 的技术指标。应用s y s t e m v i e w 仿真工具对系统进行了性能仿真，分析了系统的误比 特率。并将其与非扩频系统进行了对比。 关键词：电力线通信直接穿列扩频q p s k 信道模型嗓声衰减 a b s t r a c t i n b u i l d i n gp o w e r l i n ed a t ac o m m u n i c a t i o ni sac o n v e n i e n ta n de c o n o m i c a lm e t h o dt o i m p l e m e n th o m e a u t o m a t i o na n dh o m en e t w o r k t h i sp a p e rd e s i g n sa ni n b u i l d i n gp o w e r l i n ed s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma f t e ra n a l y z i n gt h ep r o p e r t i e so f p o w e r l i n ec h a n n e li n d e t a i l t h i sp a p e r d e s i g n s am e a s u r e m e n t s y s t e ma n dm e a s u r e st h em a i np r o p e r t i e so fp o w e r l i n ep r a c t i c a l l y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rl i n ea r ea n a l y z e di nd e t a i l a n da p o w e rl i n e c h a r m e lm o d e li sp r e s e n t e dw h i c hc o n s i s t so ft h ep a r a m e t r i ct r a n s f e rf u n c t i o nm o d e la n d t h e s i m u l a t i n g m o d e lo f b a c k g r o u n dn o i s e ，n a r r o w n o i s ea n d i m p u l s e n o i s e s i m u l t a n e o u s l yt h es i m u l a t i n gm e t h o d o nt h ec o m p u t e ri sp r e s e n t e d p r o b l e m si np o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o na n dt h em e t h o d st or e s o l v e 出e ma r ed i s c u s s e d t h i sp a p e rc o m p a r e st h et e c h n o l o g yu s e dc u r r e n t l y 诡p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o na n d d i s c u s s e st h ea d v a n t a g eo fd s s s t e c h n o l o g y t ou s ei np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n a n i n - b u i l d i n gp o w e r l i n ed a t ac o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sb u i l tu s i n gd s s sa n dq p s k t e c h n o l o g ya n di t si m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r ep r e s e n t e d t h e nt h es y s t e mi ss i m u l a t e di n s y s t e m v i e wt oa n a l y z ei t sp e r f o r m a n c ea n db e r a tt h ee n do ft h i sp a p e rt h ed s s s s y s t e mi sc o m p a r e d w i t ht w od i f f e r e n ts y s t e m st oe m p h a s i z ei t sp e r f e c t p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p o w e r l i n ec o m m u n i c a t i o nd s s s q p s k c h a n n e lm o d e l n o i s e a t t e n u a t i o n 南京航空航天大学硕士学似论文 第一章绪论 1 1 研究电力线通信的意义 目前电力线通信技术正日益引起人们的关注。所谓电力线通信( 简称p l c ) 是指 通过现有的电力线网络进行模拟及数字信号传输的一种通信方式，即高频的通信信号 ，、一、，、，7 ，、，、k 一、 与虫直工躯皂獍通过点甩齐嬲鼹束基凰虞娈臻哆缝踅药疆掺。目前人们所使用的 通信方式大致分为有线通信和无线通信两种。无线信道资源宝贵丽有限，远不能满足 人们的通信需要。有线通信广泛使用的通信介质包括光纤、同轴电缆、双绞线等。使 用这些常规的通信介质的好处是信道稳定，传输性能好，但是布线安装需要耗费大量 的人力物力且建设周期长、见效慢。于是人们发现了电力线网络这个尚待开发利用的 宝贵资源。 电力线通信的最大的好处是不需要铺设新的线路，电力线路是目前最为普通也是 覆盖最为宽广的一种通信媒介【lj ，电力线配线网络遍布城乡各地，伸展到各家各户， 有电使用的地方就有电力线网络。利用现有的电力线实现数据通信，可以大大节省通 信网建设的费用并简化了通信设备线路，节约了建设成本，而且具有见效快、不易受 到破坏、与电网建设同步等优点。而且电力线通信在家庭组网中具有特殊的优势，随 着智能化楼宇和家庭自动化的发展，人们期望通过简单的自动化控制就可实现家用电 器、警报系统等设备的自动化管理，而通过将所有用电器连接在起的电力线进行通 信，可以方便的进行家庭组网，实现家庭自动化、办公自动化。又由于室内随处可见 的电源插座，使德通信设备即插即用，移动方便。无新线布局避免了错综复杂的室内 布线，更符合当今居室人性化的要求。 电力线通信在当今市场化的竞争中也为电力公司赢得了新的立足点，利用已经存 在的电力网和电力通信网设施，电力公司仅需投入较低的p l c 设备费用，就可以迅 速进入通信和网络市场，发挥电力资源优势，提供电信公共服务，实现数据、语音、 视频和电力的“四网合一” z l 。 电力线通信对我国具有特别的意义。近年来，我国的通信事业发展迅速，但尚不 能满足人们的需求，专门的通信网络的覆盖范围还太小。这些网络的构建需要大量的 入力物力。而同时我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线路，若利用现成的电力 线网络进行通信为用户提供数据和语音、视频等信息服务，则可节省大量资金，将 会对中国电信市场改革和互联网的发展带来极大的空间。 龟力线通信技术应用广泛，主要有以下三个方面i 3 “i ： 一、最堡篓塑鏖旦是皇力囊煞且动丝蕉型! ，远程实时监控进行负荷控制、继电保 护，提高电力公司管理水平：需求端管理、远程自动抄表为公用事业公司节省大量的 室内电力线扩频数据通信技术研究 费用，也方便了用户。 二、利用电力线通信技术，可以组成小区配电变压器供电范围内的宽煎接入网， 用于解决网络的“最后一公里”瓶颈问题，实现光缆通信网与家庭的连接，提供高速 互联网访问、视频点播、i p 电话等服务，为用户上网和打电话增加了新的选择。 三、可以利用遍布家庭各个房i 臼j 的电源插座组蠼虽域哩! 韭为基他枣堂接一 直塞鳆娶丛塑跫充_ 提供室内组网、壅鏖直塑墼安全消防等多种服务，构建智能化 小区和智能化大楼。 另外还可以利用电力线通信技术构建医疗急救系统，电视电话会议系统，证券、 银行的交易系统，以及提供信息家电服务等。 1 2 电力线通信发展现状吣4 i 事实上人们运用电力线通信已有几十年的历史了，以前的电力线载波机是在中高 压输电网上以较低速率传送远动数据或话音，仅用于电力部门线路控制、继电保护等 方面，后来p l c 技术逐渐运用在低压配电网络中，被广泛用于负荷控制、远程抄表， 但传输速率仍然很低，称为低速p l c 。近年来随着通信技术的发展，世界上许多公司 在研究高速电力线通信技术方面取得了重大的突破，研制出了许多实用的芯片并开始 推广应用。 一、国外发展概况 国际上，对于电力线通信技术的研究分为传统p l c 技术和高速p l c 技术。传统 p l c 技术最早出现的是x 1 0 技术，由于速率较低，主要应用于电力控制。随后出现 的是i n t e l l o n t 7 1 的c e b u s 技术，它是一个开放的技术标准，提供全套的网络终端产品， 采用了扩频技术，传输速率达到1 0 k b p s 。同时e c h e l o n 研制出了l o n w o r k s 技术f 8 1 ， 也是采用了扩频通信技术，主要用于商业建筑自动化。a d a p t i v e 公司也提供了基于扩 频技术的电力线芯片组，它提供了更高的传输速率。 高速p l c 技术已被广泛研究用于解决网络的“最后一公里”瓶颈问题，实现光 缆通信网与家庭的连接。英国n o r w e b 通信公司在1 9 9 0 年就开始研究电力线通信技 术，1 9 9 7 年1 0 月与加拿大n o r t e l 公司联合宣布解决了电力线通信的抗干扰问题。 1 9 9 8 年夏天，n o r w e b 公司已经可以在低压配电网上提供速率达到lm b p s 的电力线 上网服务，利用了该公司新开发的数字电力线载波技术d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ，数 字电力线) ，从而将四通八达的电力线转化为信息高速公路。 在德国，r w e 集团从1 9 9 7 年丌始与瑞士的a s c o m 公司合作开发p l c 技术，2 0 0 0 年5 月丌始进行2 0 0 户参与的现场试验。2 0 0 1 年7 月开展了r w ep o w e r n e t ( p l c 高 速上网) 、r w ep o w e r s c h o o i ( p l c 学校联网) 和r w ee h o m e ( 智能建筑遥控与自动化) 三项业务。德国也是世界上第一个允许p l c 进入商业化运行的国家。 南京航兰；三航天人学硕士学位论文 在美国电力系统通信是“信息高速公路计划”的一个重要组成部分，美国的 i n t e l l o n 公司的1 4 m b i u s 芯片已经达到实用水平。美国的i n a r i 公司也是较早宜粕在电 力线上实现1 0 m b p s 传输速率的公司之一，它是第一个将电力线网络解决方案走向市 场的公司，并开发了其特有的p l u g i n 协议。 韩国x e l i n e 公司在2 0 0 1 年3 月推出了p l c 产品解决最后一公里接入、家庭网络 应用解决方案。在韩国汉城建立了与互联网相连接的示范点，实现了同步互联网接入 的家庭联网、文件共享和m p 3 音乐播送。产品传输速率从l m b p s 到3 2 m b p s 。 其余，还有许多的国家的研究机构也对此投入了大量的精力，研制出了不少电力 线通信产品。如以色列的i t r a n 公司，瑞士的a s c o m 公司，德国的p o l y t t a x 公司，西 班牙的d s 2 公司等，产品的传输速率也从i m b i u s 到2 4 m b i u s ，甚至4 5 m b i t s 。 为了推动电力线数据传输技术的研究及应用，国际上又相继成立了多个p l c 相 关组织，其中最有影响力的是由美国3 t o m 、c i s c o 、c o m p a q 、e n i k i a 、i n t e l 、i n t e l l o n 、 m o t o r o l a 、日本p a n a s o n i c 、美国d i a m o n d 、t e x a si n s t r u m e n t s 等1 3 家公司联合组建的 家庭插电联盟h p a ( h o m e p l u g p o w e r l i n ea l l i a n c e ) ，该团体选用美舀i n t e l l o n 公司的 技术作为统一技术标准的原型，致力于实现在家庭及其它接入网中使用电力线传输信 息的网络技术规格标准化工作。目前，已有9 0 家公司参与该组织标准的制定工作， 2 0 0 1 年6 月，h p a 发布了其标准的第1 个版本h o m e - - p l u gs p e c f i c a t i o n1 0 ，将数据 传输速率定为1 4 m b i u s 。另外的组织还有电力线通信论坛p l cf o r u m 、 p a l a s ( p o w e r l i n e a sa l la i t e m a t i v el o c a la c c e s s ) 以及日本的e c h o n e t 。电力线通信 论坛p l cf o r u m 由a l c a t e l 、a s c o m 、c i s c o 、e n i k i a 、n o r t e l 、p o l y t r a x 等公司组建。 论坛的目标是为所有对p l c 感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构提供一 个平台促进他们交流和丰富有关p l c 的知识。与h p a 偏重于室内联网不同，p l c f o r u m 侧重于接入部分，他们使用不同的频段。p a l a s 将目标定位于为高速p l c 市 场上的潜在用户开发套完整的、商业化的测试服务工具包。e c h o n e t 是由日本 6 0 家有关企业设立的联合机构“电力线载波通信设备开发会”，研究用电力线作通信 线路的技术。 二、国内发展概况 我国研究p l c 技术虽然起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术1 9 9 9 年5 月开始进行高速p l c 系统的研究歼发工作开发了 2m b p s 、1 4m b p s 、4 5m b p s 等高速p l c 系列产品：深圳国电科技有限公司2 0 0 0 年 初就开始研制户内p l c 产品，主要应用国外的芯片实现室内电力线联网通信；福建 省电力公司2 0 0 0 年初开始研制利用p l c 技术控制家用电器的技术，采用美国i n t e l l o n 公司1 4 m b p s 芯片，研制开发了传输速率达到1 0 m b p s 的电力线调制解讽器用于户内 家电控制。国电通信中心于2 0 0 1 年9 月1 日正式组建了p l c 办公室，建立了国内第 室内电力线扩频数据通信技术研究 一个p l c 产品测试实验室，组织x e l i n e 、a s c o m 、l e a p 、d s 2 、中国电力科学研究院、 福建电力试验研究院等国内外厂商开展试验工作，信号传输速度从几兆到几十兆。在 北京居民小区进行的i n t e m e t 的接入试验，实现了通过电力线上网，试验网络系统运 行稳定，家电的使用对上网基本没有影响，上网静态画面稳定，动态画面流畅，速率 达到2 m p b s ，用户反映良好。此外，清华大学、华北电力大学等高校和科研单位也对 此进行了深入的研究，并在一些小区进行了大量实验。但目前仅停留在试验阶段，极 少投入使用。 1 3 本论文研究的主要任务 本文将研究电力线通信的两大课题之一睃室囱垒立氅氢迥鲤婴。国外许多公司已 研制生产出一些电力线芯片和室内电力线系统，但是因为电力线信道特征在不同的国 家和地区有很大不同，这些系统在我国的电力线路上的应用都不够理想。这就需要我 们根据我国电网特征设计出实用可靠的室内电力线通信系统。 所以本文研究的主要任务是构建一个适合我国龟网特征的室内电力线数据通信 系统。 本文首先建立了一个电力线信道特征测试系统，对实际电力线信道进行了测试。 然后对电力线信道特征包括传输特性和噪声特性等做了详细的分析，建立了信道模 型。分析了电力线通信中存在的主要问题，提出了改进通信质量的多种技术。在对当 前电力线通信领域使用的各种技术进行分析比较后，选用了适于我国使用的直接序列 扩频通信技术方案，构建了整个通信系统，并实现了系统仿真和性能分柝。 阿京航空航天人学硕士学位论文 第二章室内电力线信道特征及电力线信道仿真模型 2 1 电力线信道特征的测量方法 要通过某种通信介质进行通信首先必须了解该种通信介质的信道特征，然后才 能选择合适的通信叛率、调制方法、传输速率等技术指标，设计具体的通信方案。所 以需要首先对信道特征进行测量。 2 1 1 测量系统 首先必须设计一个测量方案【9 】，设计出测量系统和电路，然后才能测量出信道的 各种特征。本文设计的测量系统框图如图2 1 所示。 信号发 耦合器 电力线 耦合器 测量仪 生器信道 器 图2 1 电力线信遵特征测量系统框图 一、耦合器 耦舍器实际上就是一个高通滤波器，本文参照文献f 1 0 川制作的耦合器的简单电路 图如图2 2 所示。 蹬2 2 电力线耦台器 接 盘2 0 v 耦合器的参数如下： 耦合线圈的匝数比为l ：l ，初级和次级线圈绞在一起缠绕在磁芯上 c 1 一般为l o f 。起滤波的作用， c 2 此处选用0 1pf ，与耦合线圈一起构成高通滤波器， 室内电力线扩频数据通信技术研究 r 1 足一个会属氧化变咀器( m o v ) ，用于过压保护。其阻值随加在两端的电压 而变化，在弧常电压下，其阻值很大，而当电压远大于正常电压值时，阻值迅速变小， 以分流大部分电流，起到保护后级电路的作用，避免电容和耦合线圈被突发高电压冲 击。 另外还会有一些附属的电路元器件。 耦合器不光用于测量系统，还可用作后面将要设计的电力线通信设备与电力线信 道的接口。他在电路中主要起两方面的作用：它可以实现高频信号的耦合：同时又是 一个电路分离器，实现通信电路与2 2 0 v 电力线部分的分离，避免高压工频电流灌入 通信设各造成通信设备的损坏。他等效为一个二阶巴特沃什高通滤波器，转折频率 大约为2 5 k h z 。 本文所用的耦合器的传输函数见图2 3 。该图为用频率特性测试仪扫描所得的耦 合器传输函数幅频曲线。可见幅频特性完全符合设计要求。 圈2 ，3 辎合器传输函数扫描图 二、测量仪器 测量数据所用的仪器根据需要选用n w l 2 3 2 型低频频率特性测试仪( 扫频范围 为2 0 h z 2 m h z ) ；s s - 5 3 2 1 模拟示波器；d s 0 2 1 0 0 数字示波器( 采样速率为1 0 0 m s , s ) 。 另外作为输入信号用的正弦波使用x d 2 信号发生器来产生。 2 1 2 测量方法 一、测量电力线衰减特性 在测量短距离的衰减特征时可以使用扫频仪，将扫频仪的输出作为输入信号通过 耦合器输入到电力线信道上去，再在电力线的另外一处通过耦合器将信号耦合下来 接到扫频仪的输入端。此时扫频仪上所显示的波形即是当前该段电力线的幅频传输特 性曲线，也就是衰减特性曲线。对不同时间、不同地点、不同长度和不同负载的电力 南京航空航天火学硕士学位论文 线测量幅频传输特性曲线，并进行归纳和分析，即可碍出电力线信道的衰减特性。 二、测量电力线噪声特性 测量电力线噪声的系统比较简单。它不需要输入信号，只要将电力线上的各神噪 声耦合下来接到示波器上即可。电力线信道噪声的时域特征可以通过模拟示波器来观 察，但要具体分析噪声的组成和他们各自的功率谱密度，则必须用数字示波器采样并 通过计算机进行频谱分析。 2 2 室内电力线信道特征 电力线的主要目的是传输电能，它本不是为通信而设计，作为通信介质其信道特 性极差。它具有时变的电路阻抗和较大且时变的信号衰减特性，具有大量的复杂的脉 冲噪声和震荡干扰，更有多路延时散射等问题。下面将研究总结电力线的主要信道特 征，为通信方案的设计提供依据。 2 2 1 阻抗特性 阻抗特性是信道的重要特性，对信号传输的功率大小和衰减特性影响很大。前人 的研究结果显示室内电力线的输入阻抗与传输信号的频率密切相关【“l ，并且主要由电 力线上接入的负载所决定m ，“1 。 室内电力线一般为铜线或铝线，他们都是电的良导体，本身阻抗很小。不带负载 的单支的电力线就是一种均匀分布的传输线，对不同频率的信号，其阻抗略有变化但 相对稳定l 。而当电力线上有负载时在整个频段上的输入阻抗都会降低，而且负载越 重阻抗越低。一般而言。电力线阻抗随频率增加而增加，但是由于负载复杂的电抗特 性使得电力线的输入阻抗在不同频率上有不同的变化，造成了阻抗在频域上变化的非 单调性和复杂性，局部还会出现阻抗低谷区。造成阻抗低谷区的谐振一般由容性负载 引起“l 。 另外，电力线上不同位置、不同时间的输入阻抗也会不同，同样也是由于负载的 不同造成的。室内电力线拓扑结构复杂，包括许许多多用电分支，而且不同的用电器 具有各种不同性质和大小的电抗，从不同的输入点看，输入阻抗就各不相同。这些电 器的随时插入和断开，使得电力线阻抗呈现出强烈的时变性。 实验证明电力线上的阻抗随频率的变化而剧烈变化，变化范围从几q 到几十 q m 。如此剧烈的变化使得阻抗匹配成为大问题，因此该如何来设计通信系统的传输 端的输出阻抗和接收端的输入阻抗成为电力线通信系统设计的一个难点。 阻抗上的不匹配造成了大量传输信号能量的损失，它是电力线传输信号衰减的重 要原因。 室内电力线扩频数据通信技术研究 2 2 2 衰减特性 衰减特性是信道的最重要的两大特性之一，他关系到发射信号能量的大小和传输 距离的长短，关系到信道的可利用度和整个通信方案的设计。信号衰减量计算公式如 下： d a d b = l o i o g l o 吾 ( 2 1 ) 式中： a 为信道衰减( 单位为分贝) ， p s 为发送信号功率， p r 为接收信号功率。 因为在实际测量中都是通过测电压值来计算的，所以将上式转化为用电压表示的 形式为： 一 d b = 2 0 1 0 9 , o 吲 眨z ， 式中v s 是被传输信号的电压值，v r 是接收信号的电压值。 研究证明电力线信号衰减由耦合衰减瓤线路衰减两部分组成，即 a = 以叫+ ( 2 3 ) 其中如为耦合衰减，如为线路衰减。 线路衰减是指传输信号的能量在电力线线路上的损耗。翦菌提过室内电力线都是 电的良导体，本身阻抗很小，随频率略有变化但相对稳定。因此空载的单支电力线本 身对信号的衰减：f t t d , 。它是一种均匀分布的传输线，信号衰减跟传输距离成一定的函 数关系，传输距离越大，衰减越大。线路衰减的主要原因是电力线的复杂的拓扑结构， 大量的电力线分支分流掉绝大部分的传输信号能量，使得到达接受端的能量急剧减 卅、。 耦合衰减是由信号发送电路输出阻抗与电力线输入阻抗不匹配造成的 制d b = 2 0 l o g l o 吲 眨。， 其中为信号源电压，为通过耦合器后的信号电压。 理论上可以通过调节耦合器内阻来减小耦合衰减，但实际上很难做到，室内电力 线路阻抗一般很小，远小于耦合器的输出阻抗，因此通信信号在电力线上衰减很大。 南京航空航天火学硕士学伉论文 而且负载越重，阻抗越小，衰减就越大。随时间剧烈变化的电力线阻抗造成了通信信 号衰减的时变性。电力线的大量的分支的阻抗不匹配又造成了通信信号的反射，从而 引起驻波和多径干涉，在传输衰减曲线上造成深达6 0 d b 的凹陷。 实验测得的一个室内电力线衰减的幅频特性曲线见图2 _ 4 所示。 图2 4 用扫频仪测得的室内电力线幅频特性曲线 经过测量分析和总结前人研究成果“5 “l 发现电力线信道衰减主要特性如下： 一、电力线信道衰减与距离有关，一般传输距离越远，衰减越大，这主要是线路 衰减造成的。但是这也不是绝对的，由于负载阻抗不匹配造成的信号反射、驻波等因 素，电力线上有时会出现近距离的衰减比远距离的衰减还要大的现象。电力线信道衰 减一般很大，除非在极短的距离上传输，否则信号衰减一般都达到2 0 d b 以上。因为 考虑到辐射干扰和成本等问题，发射机信号功率不可能无限增大，而是有一定的上限， 所以通信距离是有限的。因此电力线通信的距离相对于其他的有线通信要小彳导多。 二、电力线信道的衰减在频域上呈现出强烈的变化，从总的趋势上来说随着频率 的升高衰减越来越大，但远非单调递增，而是表现为剧烈的波动，在幅频曲线上产生 大大小小的凹陷。当电网中连有大的电容器时，在某些特定的频点上会造成谐振，此 时负载近似于短路，造成接收信号急速降低，形成窄带衰减。在选择通信频带时应尽 量避开这些频点。 三、由于电力线阻抗的时变性，电力线信道衰减特性也同样表现出强的时变性， 不同时刻的测量值差别超过2 0 d b ，白天和夜晚表现出很大的差异。在工厂办公室内， 白天的衰减比晚上大，而在居民小区内，晚上6 到1 0 点反而是衰减最大的时候，因 为这段时间是居民用电最多即负载最重的时候。在设计通信方案时要充分考虑到这些 因素。 四、由于开关电源等工作状态与工频电源相位相关的负载器件的影响，高频信号 的衰减还随工频电源的相位变化而出现周期性的变化。 9 室内也力线扩频数据通信技术研究 五、另外电力线信道的衰减还跟发射和接收的位置有关系。在不同的环境下， 差别自然很大。即使在同一环境下，一样的通信距离，在不同的地点收发，衰减曲线 也是差别很大。这同样是负载阻抗不同造成的。 r 乜力线信道的衰减特性如此复杂，是不能用一个精确的数学模型来表达的。过去 有许多研究人员做了大量工作，试图找出其中的数学规律。m o r g a nh l ，c h a r t 和 r o b e f tw d o n a l d s o n l 7 1 曾经用线性均方拟合等方法对衰减幅频响应进行拟合运算，结 果证明不同的测量曲线有不同的统计值，无统一的数学规律可循。由于电力线复杂的 拓扑结构和负载特性，造成了衰减特性复杂的变化，很难建立个确切的数学模型， 也很难用一个简单的数学公式来表达，人们只能用测量统计与物理分析相结合的方法 建立一个大概的衰减特性模型。 2 2 3 相移特性 文献【l q 通过多次测量研究了电力线信道的相移特性。它将同样的正弦信号同时通 过同样长度的电力线和双绞线进行传输，并以双绞线传输所得的信号作为参考信号， 结果发现电力线信道对信号相位的畸变很小，并且相移几乎不随时间而变化，通过电 力线信道接收到的信号与参考信号之间的相移从未超过1 0 。因此我们认为电力线 信道的相移特性比较理想，适合于用相位调制技术进行通信信号的传输。 2 。2 4 噪声特性 噪声特性是电力线信道的另一个重要特性。电力线屏蔽性差，易于引进外界干扰， 用电器数量种类又繁多，因此室内电力线上存在多种强时交往的嗓声干扰。 根据本文的实测验证和前人的研究结果 9 , 15 , 1 7 - 2 3 i ，总结电力线的噪声特性如下： 从时域上看，室内电力线上的噪声表现出一定的周期性，主要频率一般为电力系 统频率的两倍，这是与工频有关的可控硅的工作造成的。从频域上看，一般而言，噪 声的功率谱随频率升高而降低，但有时又会有撮大的变化，存在许多突变， 电力线上的噪声也表现出很明显的时变性，在不同的时刻，噪声干扰的频率和强 度都不相同要想了解某个环境中电力线噪声特征就得多次测量不同时刻的频谱曲 线，再研究统计平均后的功率谱密度曲线。 噪声的强度还依赖于噪声源离接收机的远近，因为噪声在电力线上传输时也会象 通信信号一样被衰减，传输距离越远衰减越大。若在接收机附近存在一个强的噪声源， 且其功率谱密度在通信所用频带范围内较强则壤有可能影响通信信号的f 确传输， 这种情况应是电力线通信所极力避免的。 因为电力线上存在多种性质各异的噪声要想减小噪声，降低通信误码率，就需 要对这些噪声的性质、来源、频谱特征等分类进行研究。根据产生原因可以将其分为 南京航空航大人学硕士学位论文 人为噪声和非人为噪声非人为噪声是指雷电等自然现象在电力线上引起的噪声干 扰，人为噪声是指连接在电力线上的用电器产生的噪声，它是造成数据传输错误的主 要原因。而常用的分类方法是根据其时域和频域特性来分类，大致分为：背景噪声， 窄带噪声和脉冲噪声三大类噪声。 一、背景噪声在电力线中是时刻存在的，是大量用电器产生的许许多多低功率噪 声加在一起形成的。它具有较低的平滑的功率谱密度，并认为在较长时间内保持稳定。 近几年的研究发现电力线背景噪声并不像原先人们认为的那样是白高斯噪声，而是功 率谱密度随频率升高而降低的有色噪声，大致具有高斯随机特性。背景噪声频谱占据 了整个通信带宽，扩频技术对其不起作用。背景噪声的主要来源是交直流两用电动机， 该元件在用电器内使用非常广泛。 二、电力线中的窄带噪声主要为调幅的中短波广播信号和电视信号等，存在于整 个频谱中，并且在短时间内保持稳定，一般晚上强度比白天要高，功率在6 0d b 9 0 d b ( w ) 之i 日j t ”】。 三、脉冲噪声虽然发生时间较短，但却具有很高韵能量谱密度，比背景噪声高出 达4 0 d b ，因此脉冲噪声是数据传输突发错误的主要原因。脉冲噪声的主要特性参数 是幅度、脉宽和间隔时间。脉冲幅度和宽度彼此相关，共同决定了脉冲的能量。脉冲 噪声根据发生的周期性还可细分为三种1 1 + , 2 2 i ：与工频同步的周期脉冲噪声，与工频不 同步的周期脉冲噪声和非周期脉冲噪声。 与工频同步的周期脉冲噪声主要来源于电压触发的可控硅整流器，这种脉冲宽度 较小，只有1 0 - - 1 0 0us ，功率一般不超过- - 4 5 d b 。但也有电机等用电器产生的工频的 整数倍的谐波干扰，能量较大。 与工频不同步的周期脉冲噪声主要由开关电压源造成，其功率谱为离散的频谱 线。 随机产生的突发性干扰，主要来源于闪电和电器的开关操作及大功率负载的突然 开关，脉冲宽度在几微秒到几毫秒之间，平均每两秒出现一个脉冲，极少在一秒内出 现五个以上脉冲。功率谱密度高于背景噪声5 0 多d b ，它造成连串的突发性错误，对 通信的危害性最大。 2 3 室内电力线信道仿真模型 要进行电力线通信的研究必须进行大量的仿真和模拟试验，这就需要首先建立 一个像无线信道那样普遍通用而又简单的电力线信道模型。电力线是目前通信所用的 最恶劣的通信介质它具有其他常规通信介质所少有的大量问题，必须进行专门的研 究，建立它特有的模型。 当前对于电力线信道的建模有两种方法，一种是自顶向下的方法，包括基于公式 空内电力线扩频数据通信技术研究 的参数化建模捌i 和统计建模方法1 2 2 , 2 5 i ：一种是基于物理结构的自底向上的建模方法 1 2 6 1 。基于物理结构的模型可以随实际网络结构的变化而变化适应性强，但是由于考 虑了过多的网络结构方面的细节问题。使得建模过程过于复杂。两一个信道模型只要 仿真信道的基本特性即可，不必十分精确的描述某个信道。统计建模方法需要大量的 运算和编程设计，同样过于繁琐。基于公式的参数化模型则比较容易实现，只需知道 公式模型和参数即可。文献【”1 中提出室内电力线信道模型包括一个时变的线性滤波器 和各种加性噪声干扰，并详细分析了各种噪声，但是它没有给出具体的模型，文献1 2 4 1 用传输函数公式表示电力线的基本传输特性，并列出了一些参考值，但是仍然不易在 计算机仿真系统中实现，本文将在此基础上给出一个实用的参数化电力线模型，并实 现计算机仿真。 电力线信道模型包括传输特性模型和噪声模型。本节首先建立了个适于计算机 仿真的传输函数模型，接下来探讨了各种电力线噪声模型。 2 3 1 传输特性模型 电力线信道的衰减随频率和传输距离的增大而增大，根据传输线理论得出单支电 力线的传输函数为洲： 日。( ，) = g ，e “，7 m - e 一。2 斫t ( 2 5 ) 又因为多径效应，所以电力线传输函数基本模型为： h ( ，) = g 。te 地w m e 小矾 ( 2 6 3 f l 其中i 为路径标号；n 为路径数；口。、a 、为衰减因子；k 为衰减因子指数，介于 0 5 和l 之间：g ，为路径i 的权系数，即传输与反射因子：d 。是路径i 的长度；f ，则 是路径i 的延时，且： f ，= d ，v 。 ( 2 7 ) v p = c o 占， ( 2 8 ) v 。为通信信号在电力电缆中的传播速度：占，为电力电缆介质的介电常数，我国 一般电力电缆所用p v c 材料的介电常数为4 ，即v 。= c 0 2 。所以我们还可把( 2 6 ) 式化为： 南京航空航天火学硕士学位论文 h ( ) = g ，p _ 吖o “ ( 2 9 ) 所以只要给出g ，、。、口、k 、d ，和多径支路数n ，就可以仿真出电力线通道的 传输函数，d 和n 可出分析实际电网结构得出，g ，、a 。、口和k 则需由曲线拟合得 出。而、a l 和k 在特定电力网络中较为稳定，一旦得出可重复使用。 然而在一般计算机常用仿真软件中线性系统大多用分式形式( 零极点形式) 表达 的系统函数来表示。要将( 2 9 ) 式转化为这种形式，可采用拯线拟舍的方法，在m m i a b 中只需用i n v f r e q s 函数即可。即将每个路径分支分别拟合为一个系统函数，再组合在 起即可。即令： g ，p 一“”7 1 4 囊( 5 ) ( 2 1 0 ) 则下式近似表示( 2 5 ) 所表达的系统： 日，( s ) = 曩( j ) p 。4 7 “ ( 2 ，1 1 ) 则总的系统函数就为 日( 5 ) = h ，( j ) p 。引。 ( 2 1 2 ) | i f i2 5 电力线传输特性幅频响应仿真结果 仿真试验结果见图2 5 和图2 6 ，图2 5 为幅频响应仿真结果图2 6 为相频响应 仿真结果。图中h i ( 0 n 币l ( f ) 为根据实际测量结果按照( 2 6 ) 式抽象出来的电力线仿 真模型，按前面所叙述的方法转化为( 2 1 2 ) 式形式的系统即为h 2 ( f ) 和t p 2 ( f ) ，由图 室内电力线扩频数据通信技术研究 可见曲线十分接近，税明我们所采用的仿真方法比较理想，能基本反映电力线的信道 特征，而相对于公式( 2 6 ) 所给出的电力线模型，公式( 2 ，1 2 ) 更容易在仿真系统中 实现。尤其是在仿真实时的通信系统时可直接用滤波器来实现，不需要复杂的时域频 域变换，实时性强。 图2 6 电力线传输特性相频响应仿真结果 2 3 2 噪声模型 一、背景噪声模型 参考文献【2 7 根据实验结果给出了个平均背景噪声功率谱密度公式： ( 厂) - 1 0 t “9 “一，( w h z ) ( 2 1 3 ) 其中k 为一8 6 4 ，萨0 5 的高斯随机变量。所以背景噪声可以看作为白高斯噪 声通过一个滤波器所得，白高斯噪声设计为功率谱密度为1 w h z ，滤波器系统函数 为： 日( 厂) = 1 0 ( k - 3 9 5 * 1 0 t f ) 7 2 ：l o 。“，1 0 1 9 ”， = h i + h 2 ( f ) ( 2 1 4 ) 用拟合电力线传输函数同样的方法将h 2 ( ，) 拟台为分式形式的系统函数，再与h ， 相乘。所得滤波器输出即为仿真的背景噪声。仿真结果见图2 7 ，图中n 1 ( f ) 为公式 ( 2 1 4 ) 所袭示的背景噪声功率谱密度，n 2 ( f ) 为仿真所得背景噪声功率谱密度，可见 两条曲线非常接近。用这种方法建模仿真实现容易而且符合实际电力线信道特性。 南京航空航天火学硕十学能论文 圈2 , 7电力线背景噪声仿真结果 图2 8 电力线窄带噪声仿真 二、窄带噪声模型 根据窄带噪声的特征，可以用多个正弦信号的组合来对其进行模拟： 卫 y n b ( f ) = a 。s i n ( 2 巧f + 妒，) 一1 ( 2 1 5 ) 其中a i 可取在某一规定变化范围内的高斯随机变量，仃为在所取频带范围内均 匀分布的随机变量，由i 则取在【o ，7n 】内均匀分布的随机变量。我们利用通信系统仿 真工具s y s t e m v i e w 对它进行仿真，仿真结果见图2 8 。 三、脉冲噪声模型 脉冲噪声的构成十分复杂，几乎不可能在计算机仿真中一一实现。因为随机产生 的突发性干扰对通信的危害性最大，所以我们主要研究它的模型。而其他种类的脉冲 噪声可看作背景噪声的一部分。在仿真中假设每秒两个随机脉冲，脉冲出现的时间服 从均匀分布。脉冲幅度为离簸随机变量，脉冲宽度则取几毫秒。在s y s t e m v i e w 上实 现的仿真结果见图2 9 。 室内l h 力线扩频数据通信技术研究 幽2 9 电力线随机脉冲噪声仿真 总结以上分析，可得电力线总的信道模型框图为图2 1 0 所示。 广一一一一一一一一一一一一一一1 匝芦： 匝固悃： 丁而_ 一_ 如 l l 一一一一一三它些篁鎏一一一一一i 图2 1 0 电力线信道总体模型框图 本节简要总结了电力线的信道特征，给出了实现计算机仿真的方法，方便了电力 线通信研究。当然该模型只用于仿真电力线信道的主要特征，并不要求过多细节的考 虑。其中还有许多需要改进的地方，将在后续研究中进一步探讨。 2 4 针对电力线信道特征提出的通信策略 从上两节对室内电力线信道的分析我们可以看到室内电力线是一种很恶劣的信 道，它有对高频信号的衰减非常大，并且衰减特性又复杂多变，具有大量的复杂的脉 冲噪声和震荡干扰，还有多径干扰问题。 克服这些通信上的障碍，发挥电力线通信的特长，使得信号能够正确传输，就是 电力线通信研究的主要课题。下面将探讨在室内电力线通信系统中应该采取哪些措 施，以提高信噪比。降低误码率，达到安全通信的目的。 针对电力线的信道特征，我们对通信系统进行如下设计方面的考虑 3 , 2 5 - 3 0 l ： 一、因为电力线阻抗一般很小，所以通信系统发送端的输出阻抗和接受端的输入 阻抗应尽量做小，使其不致因为阻抗不匹配而损失过多的能量。 二、由于室内电力线对高频信号的衰减很大，而且电力线内存在大量时变的干扰 和噪声，室内电力线通信系统必需具有很强的抗干扰能力，能在信噪比很小的情况下 6 南京航空肮犬人学硕士学位论文 实现正常通信。常用扩频技术( s s ) 积正交频分复用( o f d m ) 技术。因为扩频通信 抗窄带干扰性强，误码率低，能够在传输信噪比很小的情况下获得较高的接收信噪比。 而正交频分复用技术不但能够抗噪声。还具有抗频率选择性衰落和多径干扰的能力。 三、根据信号在频域上的衰减情况及噪声频谱密度，合理选择通信载波频率和带 宽。一般信号衰减随频率升高而增大，从这方面来考虑，应该选择较低的频段。但从 噪声方面考虑应选择较高的频段，因为噪声强度一般是随频率升高而减小，而且频 率越高，由于传输线效应，远方负载对接收机的影响越小。折衷两方面考虑，人们一 般将频带选在5 0 k h z 一5 0 0 k h z 之间。目前也有许多国外公司的电力线载波芯片使用较 高的1 3 0 m h z 内的频段，用于高速电力线通信。但我国的电网更为复杂，电力线信 道高频段的衰减相当严重，噪声也比国外电网复杂；而且在高频段无线信道密集，电 力线通信所造成的干扰更为严重。因此在目前情况下我国选择5 0 k h z 。5 0 0 k h z 频段进 行室内电力线通信更为合适。 四、因为家庭用电网中存在许多分支，而且由于阻抗不匹配，还会产生驻波、反 射等现象，通信信号可以经过许多不同的路径到达接收端，有时会产生较强的多径干 扰，采用r a k e 接收机既可以对抗多径衰落，还可以分集信号能量，降低误码率。 五、因为离接收端最近的噪声源对通信的影响最大，所以理想状态是接收器安装 离其他的用电器越远越好，但是这往往是不切实际的，最好的办法是在家庭电力线通 信接收单元处，加装阻波嚣，起到隔离的作用。 六、为进一步降低误码率，需要采用前向纠错编码技术，可选择一种适当码长的 卷积码。若通道内脉冲干扰较强，需要幂i 用交织码技术，交织深度根据脉冲干扰的平 均宽度决定。 七、因为室内电力线信道衰减特性的时变性很强，不同时刻的差别甚至超过 2 0 d b ，所以设计的通信系统应具有自适应性能，使其根据电力线衰落情况自动的调 整发射机功率和接收机灵敏度，保证通信质量良好。 八、进行数字通信时应避免使用长的数据分组，可以将其重新分组打包为较短的 数据组。因为电力线中有许多脉冲干扰，数据分组越短，被脉冲干扰的数据量就越少， 需要重传的数据量就越少，从而提高了数据传输速率。 本论文选用了以直接序列扩频通信为关键技术的通信方案。下面几章将详细论述 本文所建立的室内电力线数据通信系统，并进行仿真和分析。 室内电力线扩频数据通信技术研究 第三章扩频通信的基本