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低压电力线载波信道特性分析

2/14/2005来源:通信电源人气:14390

低压电力线载波信道特性分析 摘要:分别从时变性、衰减特性、干扰噪声、相移特性等四个方面论述了低 压电力线的传输特性,并给出了相应的参考数据。 关键词:低压电力线;传输特性;通信 目前,大部分建筑物内的防火、防盗、空调等系统都是基于双绞线、同轴电 缆或光缆等物理媒介进行通信的。这些通信线路,虽然通信容量较大,但造价高、 维护难,尤其对老建筑物的改造更加不易。相反我们知道,只要有建筑物就会有 电力线,利用电力线载波通信可以人大地减少投资和对线路的维护成本。 然而,要在干扰严重的低压电力线上实现可靠的数据通信并非易事。如何选 择调制解调人式及采用何种通信协议,应建立在对低压电力线信道特性了解的基 础之上。这方面的研究及相关论文,目前国内还较少。本文参考了国外最新研究 资料,结合我们工作中的实际经验来作介绍。 总的来说,低压电力线载波信道的传输特性的特点是:具有时变性,衰减较 大(尤其是电力负载为害性时,对载波通信信号近似短路),各种干扰噪声复杂。 1 时变性 对于一般的居民用户,我国采用的是220 V交流两线供电。由于电网上负载的 不断接人、切出,马达的停止、启动,电器有开有关等各种随机事件,使表现出 来的信道特性具有很强的时变性。低压电力线在1S内可对某一频率信号的衰减变 化达到20dB,因此不能利用简单的电压检测方法来确定线路信号。同时,在1S内 信噪比的变化也可达到10dB左右。 2 衰减特性 低压电力线一般由锔或其它电的良导体加工而成,其本身的阻抗很小(视导 线的电导率和截面积不同而不同)。对不同频率的信号,其阻抗略有变化且相对 稳定。因此,电力线本身的阻抗并不是产生衰减的主要原因。 显然,电力线上井朕着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调 整电网功率团数的大电容,对几百kHz的载波通信信号来说,相当于短路。另外, 当负载很小时,发送耦合电路的内阻也不可忽视,它会分去相当一部分的功率。 可见,信号衰减由两部分组成:一是耦合衰减;二是线路衰减。理论上,我 们可以将耦合器的内阻做得相当小,这样衰减就主要决定干线路的衰减。实验表 明,信号的衰减是距离的函数,一般为40~100 dB/Km。在农村的衰减最大,500m 就达到50dB;在城市,250m大约20dB;在郊区,250m亦能达到25dB;但在工业区 衰减较小,750m长的线路仅为30dB。 3 干扰噪声 对于低压电力网的干扰特性,人们分别对不同的地域(城市、工业区、乡村) 作了大量试验,结论是可以用带加性干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力 线的基本参考模型。 在参考文献中,作者认为室内电力线的噪声可分为背景噪声和脉冲干扰,并 且在10kHz~100MHz的频率内,噪声功率谱密度以29dB/decade幅度衰减。各种 干扰噪声主要来源于4个方面:(1)可控硅(SCR)器件和一些电源电路产生的 60 Hz的倍频谐波(注:美国电力线频率为60Hz);(2)由负载和电网不同步而 产生的具有平滑功率谱的干扰,如普通电动机产生的干扰;(3)开关电子设备 产生的单脉冲噪声;(4)非同步周期的噪声,如电视机的15.73土地的行扫描频 率。 背景噪声是典型离散高斯型的,它对通信系统的影响很好理解。其余就是脉 冲噪声,它对通信系统有着重要的影响,可以产生突发性干扰引起瞬间的高误码 率。研究表明:(1)脉冲噪声的强度一一一般比背景噪声高10dB,有时可达40dB, 这种干扰与干扰源至接收器的距离有关。(2)主要的脉冲干扰频率为120Hz,且 和60比电源电压的正或负半周期同步。(3)脉冲宽度约有百分之几的变化120Hz 脉冲噪声)。(4)脉冲的宽度和间隔时间与脉冲幅度有关,一般幅度增加时脉宽 减少。(5)干扰噪声和信号一样都会衰减的,尤其在衰减较大时,靠近接收机的 噪声源影响最大。(6)有的噪声源增加了背景噪声的功率,有的增加了脉冲噪声 的功率,有的都增加了。 对于室外电力线的传输特性,人们也作了研究,并且仍以带干扰的时变线性 滤波模型来描述电力线的特性。在参考文献将干扰分为4种类型:A型是具有平滑 功率谱的背景噪声,这种类型噪声的功率谱密度是频率的减函数。 其中K和时间及发送接收的位置有关,在白天,K一般数秒到数分钟保持不变, 夜晚甚至可达数小时不变。B型为单脉冲噪声,由开关操作引起,一般持续时间远 小于12.5ms;98%以上的这种干扰脉冲和人们的活动关系很大,白天脉冲干扰相对 多得多,尤其在7:00~9:00 h和19:00~0:00 h时。C型为与电网频率同步的噪声, 主要由可控硅(SCR)器件产生;在60~95 kHz的频率段内,其功率谱密度大约为 一70dBW/KHz。D型为和电网频率无关的窄带干扰,主要由其它电器辐射引起,测 量表明,其功率密度一般为一60~90dBw/khz。 4 相移特性 文献中就电力线传输信号对相位的影响也作了测量,结果表明,通过250m的 电力线,正弦波的相移小于土10。 以上参考国外的最新资料介绍了低压电力线的传输特性。由于我国电器上网 的电磁兼容性没有欧美控制得严格,因此我国电力网的干扰要比欧美严重得多, 电力线的通信环境也更加恶劣。这对我国从事低压电力线通信技术研究的工作者 来说,提出了更加严峻的挑战。