低压电力线通信的信道特性分析及模型研究

1、2004年第4期电力系统通信19低压电力线通信的信道特性分析及模型研究耿煊,李永辉(华北电力大学电子与通信工程系,河北保定071003)摘要:利用低压电力线高速、可靠地传输通信数据具有十分重要的意义,但是低压电力线路网络结构和负载特性复杂,需要对信道有深入的了解。文中分析了电力线信道的阻抗、噪声、衰减特性,据此给出了电力线信道模型,有助于深入理解低压电力线通信的特点。关键词:电力线通信;信道特性;信道模型中图分类号:TN915.853文献标识码:A文章编号:1005-7641(2004)04-0019-030引言电力线通信(PLC)是利用配电网低压线路传输高速数据、话音、图像等多媒体业务信号的

2、一种通信方式。研究这项技术,能够充分发挥电力资源的优势,利用现有的电力设施,发展电力线通信,具有广阔的应用前景。目前,随着Internet的飞速发展,据业务的广泛开展“最后,1网络宽带化的瓶颈,。网络进行通信,且电力线网络分布广泛,接入方便,多用户能够共享宽带,因此,它成为解决宽带网络“最后1公里”问题的最具竞争力的技术之一。但是,低压电力线并不是专门用来传输通信数据的。它的拓扑结构和物理特性都与传统的通信传输介质,如双绞线、同轴电缆、光纤等不同。它在传输通信信号时信道特性相当复杂,负载多,噪声干扰强,信道衰减大,信道延时,通信环境相当恶劣。因此,必须对它的信道特性进行研究,并据此提出调制、编

3、码、信道均衡等解决方案。分析电力线信道的主要参数是阻抗特性、信道噪声、衰减特性。由于电力线传输信号的复杂性,信道的特性参数并不是固定不变的,相反,这些参数是动态变化的,不仅随时间发生变化,而且也随频率发生变化。通过对信道特性的分析,建立了一个大致的信道模型,从而可加深对电力线信道的理解。1信道特性分析低压电力线信道的通信环境恶劣,存在变化的阻收稿日期:2003-10-17作者简介:耿煊(1979-),女,河北翼县人,硕士研究生,主要研究方向为电力线通信;李永辉(1973-),男,河北安国人,硕士研究生,主要研究方向为数字信号处理。抗,不可预测的噪声干扰,强烈的信号衰减,这些都是由信道本身的特性

4、决定的,必须对信道特性进行详细的分析。1.,载波,负载随机的接入、切出,家用电器的使用,电动机的启动、停用等,使得电力线的输入阻抗不是静态的,而随时间、频率发生变化。白天和夜晚的阻抗不同,通常白天的阻抗较低,夜晚的阻抗较高。而且,阻抗变化并不符合通常认为的随频率的增高而减小的规律,有时甚至与之相反,这是因为电力线上连接有各种复杂的负载,这些负载与电力线本身组成许多共振电路,在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。一般情况下,电力线阻抗从20到190动态变化,很难做到输入阻抗的匹配,因此,在设计载波发射机时,难以保证载波机的输出阻抗和电力线的输入阻抗相匹配,从而给通信系统设计带来一定的困难。1.2

5、噪声分析(1)噪声分类低压电力线的传输环境不同于其他通信信道,它的网络结构复杂,连接的负载众多且经常发生变化,因此作用于它的噪声不能简单归结为加性高斯白噪声(AWGN),而应根据不同的噪声源进行具体分析。通常将电力线上的噪声分为5类。1)有色背景噪声:这种噪声随频率而发生变化,具有相对低的功率谱密度(PSD)。它主要是由各种低功率的噪声源产生的,它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发生变化。2)窄带噪声:一般由中、短波广播所引起,它随时间发生变化。3)与工频异步的周期性脉冲噪声:这种噪声的重复频率一般为50200Hz,由电视机或电脑显示器干扰所造成,它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器©

6、1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电力系统通信2004年第4期20的扫描频率同步。4)与工频同步的周期性脉冲噪声:脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。脉冲的持续时间很短,频率覆盖范围大,功率大,功率谱密度随频率的升高而下降。它主要是由可控硅整流器件造成的。5)随机脉冲噪声:闪电或网络上负载(如电容器组,自动调温器、冰箱、空气调节器等)的开关操作会产生脉冲噪声,每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。它的到达时间是随机的,持续时间从几s到几ms。脉冲噪声的功率谱密度有时会比

7、背景噪声高出50db。通常,前三种噪声随时间变化缓慢,常归结为背景噪声。后两种噪声的时变性强,当出现这些噪声时,功率谱密度会突然上升,数据传输会造成很大的误差。噪声很难直接定量地表示,但也有一定的规律性,比如噪声随频率的增高有下降的趋势,并且无论噪声多复杂,都是由各种特定性质的噪声源叠加而成,如图1所示。1.3信道衰减分析图高频信号在低压电力线上传输时,由于不同的原因会出现多种衰减,主要包括耦合衰减和线路衰减。耦合衰减是由发射端和接收端与电力线的阻抗不匹配造成的。线路衰减的产生原因是多方面的,包括电力线网络复杂,接入节点众多以及信道存在许多阻抗不匹配的节点等,从而使电力线信道具有多径信道的特征

8、,必然会造成信号的多径传播,从而造成衰减。另外,电力线本身的热损失和辐射以及电磁干扰,也会造成衰减。还有,信号传播延时衰减等。因此,分析电力线的信道衰减应从多方面考虑。本文假设发射端和接收端与电力线阻抗是匹配的,重点分析电力线的线路衰减。(1)多径传播造成的衰减,它将发,因,使信号在电力线上,而是在节点处发生,反射波影响发射信号,使得信号发生频率选择性衰减。我们选择较为简单的二径传输模型来分析信号衰减,N径传输模型可以由若干个二径模型来合成,二径模型如图2所示。(2)噪声分析背景噪声包括有色背景噪声、窄带噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声。通过背景噪声的谱分析,发现背景噪声的平均功率较小,但频谱

9、很宽,并且持续存在,有可能部分或全部覆盖信号频谱。因此,通信过程中的信噪比可能会变差,导致误码率的增加。与工频同步的周期性噪声和随机脉冲噪声都造成了电力线上噪声的短期变化。而与工频同步的周期性噪声,和随机脉冲噪声相比,具有较低的功率谱密度,持续时间短,为s级。但是随机脉冲持续时间是随机的,从s级到ms级,而且功率谱密度能比背景噪声高出50db。通常,描述它的主要参数是幅度、宽度和到达间歇时间。由脉冲幅度和宽度可以得到脉冲能量,到达间歇时间给出了脉冲噪声出现的频率。由于随机噪声的突发性,可能会使传输的数据部分或整个发生错误。图2二径模型信号从A点传输到C点,在B处有一节点。路径分为三段,长度分别

10、为l1、l2、l3,每段的特征阻抗为ZL1、ZL2、ZL3,r为反射因子,t为传输因子,为简化考虑,假设A点和C点与线路的阻抗是匹配的。信号从A点传输到C点,经过一个分支会发生反射,反射波可以继续发生反射,如此循环反射,会对传输信号造成衰减。很明显,信号的衰减程度与反射因子、传输因子以及传输路径的长度有关,具体参数见表1所列。表1信号的衰减程度表路径数12信号通路ABCABDBC加权因子gtt1Bt1Bt3Dt3B路径长度dll1+l2l1+2l3+l3NAB(DB)N-1C(r3Bt1Br3Dr3D)N-2t3Bl1+2(N-1)l3+l2© 1994-2008 China Aca

11、demic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2004年第4期电力系统通信21N每条路径都有一个加权因子gi,加权因子是传输因子和反射因子的函数。所有的反射因子和传输因子都不大于1,因此,加权因子也不大于1。随着反射路径的增多,加权因子减小。因此只要信道上存在阻抗不匹配点,传输信号就会发生衰减,传输的路径越长,造成的衰减越大。(2)线路损耗衰减通常,由于电缆本身的热损失及辐射等因素,使信号在传输过程中随频率增大、距离增加而发生衰减。按传输线理论,可以将电力线等效为由电阻R、电容C,电感L和电导G组成的模型,如图3

12、所示。H(f)=i=1gie-(f)dief-j2i(5)考虑发射端和接收端的输入输出阻抗、信道的传输函数、噪声等因素,电力线信道模型如图4所示。图4电力线信道模型这个模型虽然看似简单,但是几乎可以涵盖电力线信道上所有的信道特征。如果假设输入输出端与电力线的阻抗是匹配的,而主要考虑在电力线上发生的线路衰减,我们可以得到更为具体的多径传播模型,如图5所示。图3电力线模型由基尔霍夫电压定律和电流定律,线的两个重要特征参数:,是随频率变化的,=+jZ0=R+L)(G+jC)G+jC(1)(2)图5多径传播模型分析表明,传播常数的实部随着频率的增加而增大,对于特定的传输线,的一部分与f成正比,另一部分

13、与f成正比,因此,可以表示成f的函数。信道随频率、距离变化的衰减模型可以表示为-(f)d(3)A(f,d)=e(3)延时衰减信号是多径传播的,同一信号由不同的路径传播时,会造成不同的延时。延时与传播距离和传播速度有关,具体表达式为i=i播距离,i是传播速度。d这个模型表示了信道的多径特性,信号通过多径传播到输出端,造成不同的衰减。它表明了电力线信道的复杂性。3结论电力线网络的拓扑结构的复杂性以及众多的负载和多种噪声源等特性,决定了低压电力线在传输高频信号时信道环境恶劣。本文具体分析了低压电力线信道的阻抗、噪声、衰减特性,并据此给出了低压电力线的信道模型,它的建立对深入了解低压电力线通信信道具有

14、一定的帮助。(4)参考文献:1张有兵,何海波,等.低压电力线载波通信中信道模型的研究J.继电器,2002,30(5):20-24.2马强,陈启美,李勃.跻身未来的电力线通信(二)电力线信道分析及模型J.电力线系统自动化,2003,27(4):72-76.3ZimmermannM,DostertK.AMulti2pathSignalPropagationModelforthePower2lineChannelintheHighFrequencyRangeA.Proceedingsofthe3th式中i是第i条路径的延时,di是第i条路径的传2信道模型由上面的分析可以看出,电力线网络具有节点众多以

15、及分支和节点不匹配的特点,因此,决定了信号的多径传播特性。它具有频率选择性衰减特性,多径信号传播的信道传输函数可以用N条传输路径的叠加和频率f、距离d、延时等因子表示为InternationalSymposiumonPower2lineCommunicationsandItsApplicationsC.(下转第24页)Lancaster(UK),1999.© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 电力系统通信2004年第4期24能。Turbo码在PLC技术中

16、的应用仍处在研究和探索阶段,例如对于Turbo码在PLC中如何和适当的调制方式(如OFDM等)相结合,仍需要进一步作研究。3DRPauluzzi,NCBeaulieu.AComparisonofSnrEstimationTechniquesfortheAwgnChannelJ.IEEETransactiononCommnications,2000,48(10):1681-1691.4TWada.AStudyonthePerformanceofTurboCodingforNoiseEnvironmentsinPowerLines.CommunicationsR.2003.ICC03.IEEEIn

17、ternationalConference.5JPWoodard,LHanzo.ComparativeStudyofTurboDecod2ingTechniques:AnOverviewVehicularTechnologyJ.IEEETransactionson,2000,49(6):2208-2233.6CBerrou,AGlavieux.NearOptimumErrorCorrectingCod2ingandDecoding:Turbo2codesJ.IEEETrans.Commun,1996,44(10):1261-1271.参考文献:1高锋,董亚波.低压电力线载波通信中信号传输特性分

18、析J.电力系统自动化,2000,(7):36-40.2AItou,TYamazato,MKatayama,AOgawa.ModelingofCyclostationaryandFrequencyDependentPower2lineChan2nelsforCommunicationsR.InternationalSymposiumonPower2LineCommnicationsandItsApplications,4.2000.ResearchontheapplicationofTurbocodeinpowerlinecommunicationSUNXiao2dong,LIPing,YANH

19、ong2sen(Xian)anJiaotongUniversity,XiAbstract:TurbocodeappliedtopowerlinecommunicationisabletogainemulatestheBERperfor2mancesofTurbocodeinPLCwhichtakesdifferentinterweavesandusefulresults.Keywords:powerlinecommunication;Turbocode;Log2MAPdevice(上接第18页)linecarriercommunicationsystemforhomeautomationXUZ

20、hi2liang,ZHOUJia2nong,SONGYu2hong122(1.CollegeofPhysicsandElectronicCommunicationEng.,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330027China;2.CollegeofElectronicandCommunicationEng.,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Withthedevelopmentofthetechnologystandardandchipresearch,theappl

21、icationofpowerlinecarriercommunicationtechnolo2gyinhomeautomationcontrolisbecomingahottopicofresearch.Thispaperreportsthedesignofthepowerlinecarriercommunicationsys2tembasedonspreadspectrumcarrierchip2SC1128.Theexperimentalresultsshowthiscommunicationsystemhassomecharacteristicssuchashighreliability

22、,easilynetworkingandeasilyextendingetc.Keywords:powerlinecommunication;SC1128chip;electricappliancenetwork(上接第21页)4ZimmermannM,DostertK.AnAnalysisoftheBroadbandNoiseScenarioinPower2lineNetworkA.Proceedingsofthe4thInternationalSymposiumonPower2lineCommuni2cationsandItsApplicationsC.Limerick(Ireland),2000.5Soo2YoungJung.AChannelModelforPowerLineCommu2nicationinHomeNetweekA.Proceedingsonthe15thCISLWinterWorkshopC.Kushu,Japan.Febru