低压电力线载波通信技术研究

低压电力线载波通信技术研究

一、plc技术特点电能线加载波通信技术（ppp）是利用现有的传输手段实现数据传输和信息交换的技术。该技术出现于上世纪二十年代初期,最早主要应用电力线传输电话信号。广义的PLC技术包含两个大的分支,一个是面向配电网自动化的,简称DLC(配电线路载波);另一个是面向进户线路和户内线路的,称为PLC(线路通信)。两者的区别主要体现为使用对象,技术特征,如线路条件、速率要求、线路共享方式以及用户密度方面的不同。本文主要针对面向进户线路和户内线路的,即PLC技术,也就是指在220伏/380伏的低压配电网上实现高速率数据、语音传输的技术的低压电力载波技术国内外研究现状进行了详细分析。二、压力线压波通信的基本理论2.1fsk系统的频率调制技术对于低压电力线载波通信而言,PSK系统的综合性能最好,因此在载波通信技术中得到了广泛的应用。FSK系统要求传输带宽比较大,一般用于低速数据传输,但ASK系统由于误码率指标很差,实际中较少使用。由于FSK系统是使用2个不同频率的高频载波传送“0”、“1”信号,这样通信不必过分依赖于电力线路的质量,能较好地适应频繁变化的线路阻抗和噪声干扰,同时其所需的频带较窄,可以通过划分频带的办法实现多路复用以提高信道的利用效率。既兼顾了设备的抗干扰性能,又不致使系统复杂、昂贵。另外,由于频率调制技术相对成熟而可靠,又有着成本低廉的优势,所以在当前得到了广泛应用。s(t)为二进制矩形脉冲序列,e(t)为2FSK信号。传统载波通信的弱点是去噪声能力差,随着电网结构的复杂化以及人们对通信质量要求的不断增加,传统电力线载波通信方法越来越受到挑战。2.2频带b/n的变换由香农公式:C=Blog(1+P/N)(其中:C为信道容量;B为频带宽度;P/N为信躁比)可看出,频带B和信噪比P/N是可以互换的,这意味着如果增加频带的宽度,就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以任意小的差错概率来传输信息。这一性质表明,扩频技术的实质是以牺牲信道带宽来换取对信噪比的要求。频谱扩展技术具有极高的抗干扰性能和极好的信号隐蔽性能,适应低压电力网络中复杂多变的各种干扰和噪声。2.3dm调制方式在传统的数字通信系统中,符号序列被调制到一个载波上进行串行传输,每个符号的频率可以占有信道的全部可用带宽。OFDM调制方式是将可用的频谱分成N个频带较窄、相对低速率传输的子载波,子载波的幅频响应相互重叠和正交。这样码元周期被延长了N倍,从而提高了抗多径干扰的能力。三、电力载波技术难点众所周知,电力线是给用电设备传送电能的,而不是用来传送数据的,所以电力线对数据传输有许多限制:(1)配电变压器对电力载波信号有阻隔作用,所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送信号。(2)三相电力线间有很大的信号损失(10dB—30dB)。通信距离很近时,不同相间可能会收到信号。一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。(3)不同信号耦合方式对电力载波信号的损失不同,耦合方式有线—地耦合和线—中线耦合。线地耦合方式与线中线耦合方式相比,电力载波信号少损失十几dB,但线地耦合方式不是所有地区电力系统都适用。(4)电力线存在本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电为50Hz,则周期为20ms。在每一交流周期中,出现两次峰值,两次峰值会带来两次脉冲干扰,即电力线上有固定的100Hz的脉冲干扰,干扰时间约为10ms,固定的干扰必须加以处理。(5)电力线上存在高噪声。电力线上接有各种各样的用电设备,有阻性的、感性的、容性的,有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭,就会给电力线带来各种噪声干扰,而且幅度较大。用耦合电感从电力线上耦合下来的噪声一般就在10mv以上,而一般传输的数据信号会削减到1mv,如不采用电力线专用的Modem芯片来解调数据信号,通信距离会相当短。(6)电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时,线路阻抗可达1欧姆以下,造成对载波信号的高削减。实际应用中,当电力线空载时,点对点的载波信号传输可达几km。但当电力线上负荷很重时,只能传输几十米。(7)电力线引起数据信号变形。电力线是一个分布参数网络,不同点、不同时间对数据信号的影响是不一样的。同时电力线是时刻动态变化的,不同时间对数据信号的影响也不一样,这就使发出的规则数据信号经过电力线后,接收到的信号是严重变形、参差不齐的信号,所以必须加以特殊处理。由以上分析,欲使电力载波通信形成实用,是一个艰难的过程。因此,对电压电力载波的研究具有重要的实际意义。四、高效电力线及宽带系统国外对电力线载波通信技术的研究起步较早,已有多家公司推出了自己的电力线载波Modem芯片,并制定了电力线载波通信适用范围的标准,尤其是在德国、韩国、美国、瑞士等国,该项技术都已近于实用。有文献报导,NORWEB公司在世界上首次成功实现配电网上的25个终端用户的电话与数据通信试验后(1992-1993),已开发出在2MHz带宽内数据传送速率为1Mbps的系统。1993年,英国SWEB公司成功地在一地区性有限遥测系统(RMS)中采用中、低压配电网进行两路数字载波通信,将已有的水、气表计与电能表计连接起来,能提供包括水、天然气、电能的自动抄表等功能。另外,美国AN公司于1996年推出了100kbit/s的电力线调制解调器芯片。1999年3月I1日,德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司向公众展示了利用公用电网传输电话和数据的技术,使用户可通过低压电网,以高于当时ISDN技术20倍的速度在因特网上浏览、传送数据。最近几年,德国、日本、韩国和新加坡等国都相继报道已经实现了利用低压电力线的高速互联网传输技术,并正在各自国家进行推广应用,国际上对高速PLC专用芯片的研制也取得了突飞猛进的发展,美国的Intellon公司的14Mbit/s芯片己经达到实用化水平。为了推进PLC的标准化工作,国际上成立了一些PLC组织,但至今没有统一的国际标准。我国研究PLC技术起步较晚,但发展速度较快。早在2001年5月18日,中国信息产业部就己经正式批准了国电通信中心的ISP业务申请,国电通信中心就已经具备了开展上网业务的通行证。据最新报道,中国电力科学研究院已开发出了2Mbit/s和14Mbit/s的电力线高速通信系统,并在沈阳建立了第一个宽带接入实验小区U,福建省电力试验研究院也研制成功了10Mbit/s的电力调制解调器,并在北京善果胡同开辟宽带小区网进行试验191清华大学、华北电力大学等高校和科研单位也对此进行研究,有的完成了自己的样机并进行了小范围试验测试。五、推出更多正演更频的信号传输技术可以乐观地预见,低压电力线载波通信技术必将成为未来几年内新的研究热点,引起世界各国的广泛关注。其诱人之处在于它利用已有的低压电力网作为信息传输的信道,从而不必再进行新的通信网络的投资与建设。低压电力线载波通信的核心问题是载波信号的调制(Modulate)与解调(Demodulate),也即电力载波调制与解调芯片(Modem)。随着低压电力载波通信技术的发展,电力载波通信的速率、传送数据量、抗干扰能力都得到了很大的提高,为电力载波通信市场化奠定了物质基础。由于国内芯片制造业的现状,目前在国内应用的全是国外的Modem芯片。中国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况决定了电力线载波通信的应用领域等方面与国外有一些不同之处。因此,使电力线载波通信Modem芯片的瓶颈现象越来越突出,从而使国内电力载波通信市场难以迅速增长,应用中也延缓了用户对低压电力线载波通信技术的认同和接受。目前,已有相关公司正切入这一市场,积极与国外相关公司联系、合作,相信在未来的几年内,就能推出真正适应国内市场需求的电力线载波通信芯片,为载波通信打开一个光明的前景。传统低压电力线载波通信一般采用频带传输,也就是用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。基本的调制式分为幅值键控(ASK),频移键控(FSK),相移键控(PSK)。扩展频谱技术是近年来发展迅猛的一门学科,不仅在军事通信中发挥了不可取代的优势,而且广泛地渗透到了民用通信的各个领域。所谓扩频技术是指将发送的信息展宽到一个比信息带宽宽得多的频带上去,接收端通过相关接收,将其恢复到信息带宽的一种技术。扩频通信利用伪随机编码将待传送的信息数据