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相關(guān)專題：
關(guān)鍵詞：電力線；載波；信號(hào)干擾；信號(hào)衰減；放大電路
Application in Power line
LI Genwang，ZHAO Fuhai
(The 27th Institute,Electronic Science and Technology Group
Co rporation of China, Zhengzhou,450005,China)
Abstract：Along with electronic technology and network technology′s development,signal t ransmission in powerline is regarded more and more by people,is appli ed more and more widelyIn powerline carrier wave application,signal disturbing and signal attenuation is the important reason of effecting signal tr ansmissionThe paper first introduces the meaning and theory of signal transmi ssion in powerline,introduces the source of distur bing signal,analyzes the peculiarity of signal transmission in powerlin e,gives the method of measuring signal attenuation,analyzes the experiment′s result,advances the project design of reducing disturbing and attenuation,intr oduces the design circuit simply,and analyzes and summarizes the characteristic about signal disturbing and signal attenuationIt has the value of reference and practicality about signal transmission application in powerline
Keywords：powerline;carrier wave;signal disturbing;signal attenuation;enlarge circuit
1引言
電力載波技術(shù)，是指利用電力線傳輸數(shù)據(jù)和話音、圖像信號(hào)的一種通信技術(shù)方式，他是將低壓控制信號(hào)加載到電力線上傳送到電力網(wǎng)的各個(gè)位置，合理地利用了電力線的網(wǎng)絡(luò)資源。以前該技術(shù)只作為長(zhǎng)距離調(diào)度的通信手段，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，利用220 V低壓電力線傳輸高速數(shù)據(jù)的價(jià)值越來越為人們所重視，因?yàn)樗哂胁挥貌季�、覆蓋范圍廣、連接方便、功能靈活、安裝便捷、擴(kuò)展容易的顯著特點(diǎn)，被認(rèn)為是提供“最后一公里”解決方案最具競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)之一［1］。
當(dāng)前，隨著我國(guó)電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，很多電力線載波專用芯片的傳輸速率也越來越高，以電力線作為載體通過電力載波技術(shù)進(jìn)行通信的例子越來越多，如載波電話、家庭智能控制、小區(qū)物業(yè)管理、安防報(bào)警等等。在我國(guó)很多地方已經(jīng)可以通過電力線上Internet網(wǎng)并取得了良好的效果，預(yù)計(jì)在未來數(shù)年，隨著技術(shù)的發(fā)展，使用者可以通過電力連線，輕松地將計(jì)算機(jī)、各種電子裝置、安全系統(tǒng)和家電串連成家庭網(wǎng)絡(luò)。
低壓電力線載波通信的基本原理框圖如圖1所示。
然而一些基于電力載波技術(shù)開發(fā)的產(chǎn)品并不能大面積地推廣，主要原因是其抗干擾性能差和電網(wǎng)噪聲比較大。這是由于我國(guó)的電網(wǎng)波動(dòng)較大，同時(shí)接入的干擾噪聲較多并且沒有進(jìn)行較好的抑制。電力線上的高削減、高噪聲、高變形使得電力線成為一個(gè)不理想的通信媒介。
2干擾來源分析和電力線通信特點(diǎn)
電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制。首先配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域內(nèi)傳送。同時(shí)三相電力線間有很大信號(hào)損失（10~30 dB）。通訊距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。但是一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。
低壓電力線一般由銅或其他電的良導(dǎo)體加工而成，其本身的阻抗很小。因此，電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生干擾的主要原因。從技術(shù)角度而言，利用電力線作為傳輸媒介，主要存在著以下幾個(gè)干擾因素。
電力線存在本身固有的脈沖干擾，脈沖噪聲是電力線上最大的噪聲源目前使用的交流電有50 Hz和60 Hz，則周期為20 ms和16.7 ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會(huì)帶來兩次脈沖干擾，即電力線上固有的100 Hz或120 Hz脈沖干擾，噪聲具有突變、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點(diǎn)，對(duì)載波信號(hào)影響很大，不僅會(huì)造成信號(hào)誤碼率升高，而且可能使接收設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生自干擾，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。
信號(hào)衰減和阻抗變化電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減，低壓電力網(wǎng)載波信號(hào)的衰減通常很大，可達(dá)60 dB以上，而且衰減值要受到電力網(wǎng)上負(fù)載變化的影響，隨著信號(hào)頻率而變化。如冰箱的啟動(dòng)使得電力線阻抗可從0.1 Ω變到100 Ω，信號(hào)衰減從55 dB到100 dB。
持續(xù)諧波干擾電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，就會(huì)給電力線上帶來各種噪聲干擾。如開關(guān)電源產(chǎn)生的主諧波頻率在50 kHz以上，處于載波信號(hào)的頻率范圍。特別隨著家用微機(jī)的普及，大量的劣質(zhì)開關(guān)電源使得電網(wǎng)受到嚴(yán)重污染。
電力線引起數(shù)據(jù)信號(hào)變形電力線是一個(gè)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同地點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響不一樣，同時(shí)電力線時(shí)刻都在動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)間對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)影響也不一樣，這就使發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過電力線后，接收到的信號(hào)是嚴(yán)重變形、參差不齊的信號(hào)。
綜上所述，電力線并不是一個(gè)理想的通信媒介，但由于現(xiàn)代化通訊技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通訊成為現(xiàn)實(shí)，其中數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定了傳輸距離的遠(yuǎn)近。電力線載波通訊的關(guān)鍵就是采用功能強(qiáng)大的電力線載波專用Modem芯片并對(duì)干擾信號(hào)采取抗干擾和濾波措施。
3信號(hào)衰減分析
低壓電力線上的信號(hào)衰減特性和干擾特性非常復(fù)雜，而且隨機(jī)性、時(shí)變性大，難以找到一個(gè)較為準(zhǔn)確的解析式或數(shù)學(xué)模型加以描述，這也是為什么一直以來對(duì)低壓電力線載波信號(hào)傳輸特性的分析多是以定性分析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試分析為主的原因，即使有些學(xué)者提出了一些模型，這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，因而也是不準(zhǔn)確的或適用面很窄［2］。我們?cè)谳d波產(chǎn)品開發(fā)過程中，運(yùn)用以下方式測(cè)試干擾特性并采取抗干擾措施取得了良好的效果。
(1)信號(hào)測(cè)量方法
為了測(cè)量低壓電力網(wǎng)的衰減特性，使用圖2所示的實(shí)驗(yàn)裝置。通過圖1的信號(hào)處理器產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，經(jīng)過放大后，通過線性耦合網(wǎng)絡(luò)接入低壓電力網(wǎng)絡(luò)。信號(hào)經(jīng)過低壓電力網(wǎng)后，接收端將同時(shí)收到信號(hào)與噪聲，這兩種電平經(jīng)過一個(gè)與發(fā)射端相同的線性耦合網(wǎng)絡(luò)，加到一個(gè)阻性負(fù)載上，并用一臺(tái)數(shù)字示波器測(cè)量其值。
(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
經(jīng)過實(shí)際測(cè)量，低壓電力網(wǎng)的衰減特性是非常復(fù)雜和變化的。在同一電力網(wǎng)中的不同地方，甚至在同一個(gè)地方的不同時(shí)間段，其衰減值都相差很大，并且隨著頻率的上升，衰減也隨之增大。
測(cè)量到的一組數(shù)據(jù)如表1所示。
通過實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)出衰減特性的一般規(guī)律：
�、� 同相衰減一般小于跨相衰減，但在一定頻率點(diǎn)上有例外。
�、� 當(dāng)頻率上升時(shí)，信號(hào)衰減隨之明顯增大，但這種增大并不是單調(diào)的。
③ 電力網(wǎng)上的電力負(fù)載將極大地影響載波信號(hào)的衰減。由于負(fù)載情況隨著時(shí)間發(fā)生變化，因此在給定的頻率點(diǎn)上衰減也會(huì)隨著時(shí)間變化，其變化范圍可高達(dá)30 dB。
④ 低壓電力網(wǎng)通信信號(hào)的衰減特性很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá),他更適合于用統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行分析計(jì)算。
4抗干擾和衰減方案設(shè)計(jì)
為解決干擾問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采取了以下措施，首先在系統(tǒng)接口處采用新型的耦合器，該耦合器不僅能增強(qiáng)發(fā)送信號(hào)，更重要的是進(jìn)行濾波；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)把發(fā)射端功率增大，提高信號(hào)的發(fā)射功率；在接收端提高信號(hào)靈敏度，使信號(hào)經(jīng)衰減后，信噪比仍能達(dá)到一定的要求；最后在信號(hào)接收后采用軟件濾波方式把有用信號(hào)提取出來。
(1)電力線上的許多負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率團(tuán)數(shù)的大電容，對(duì)幾百kHz的載波信號(hào)來說，相當(dāng)于短路［3］。理論上，可以將耦合器的內(nèi)阻做得相當(dāng)小，這樣衰減就主要決定于線路的衰減。
通過實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)出衰減特性的一般規(guī)律：
�、� 同相衰減一般小于跨相衰減，但在一定頻率點(diǎn)上有例外。
② 當(dāng)頻率上升時(shí)，信號(hào)衰減隨之明顯增大，但這種增大并不是單調(diào)的。
�、� 電力網(wǎng)上的電力負(fù)載將極大地影響載波信號(hào)的衰減。由于負(fù)載情況隨著時(shí)間發(fā)生變化，因此在給定的頻率點(diǎn)上衰減也會(huì)隨著時(shí)間變化，其變化范圍可高達(dá)30 dB。
④ 低壓電力網(wǎng)通信信號(hào)的衰減特性很難建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，也不能用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來表達(dá),他更適合于用統(tǒng)計(jì)的方法來進(jìn)行分析計(jì)算。
4抗干擾和衰減方案設(shè)計(jì)
為解決干擾問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中采取了以下措施，首先在系統(tǒng)接口處采用新型的耦合器，該耦合器不僅能增強(qiáng)發(fā)送信號(hào)，更重要的是進(jìn)行濾波；同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)把發(fā)射端功率增大，提高信號(hào)的發(fā)射功率；在接收端提高信號(hào)靈敏度，使信號(hào)經(jīng)衰減后，信噪比仍能達(dá)到一定的要求；最后在信號(hào)接收后采用軟件濾波方式把有用信號(hào)提取出來。
(1)電力線上的許多負(fù)載對(duì)信號(hào)衰減影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率團(tuán)數(shù)的大電容，對(duì)幾百kHz的載波信號(hào)來說，相當(dāng)于短路［3］。理論上，可以將耦合器的內(nèi)阻做得相當(dāng)小，這樣衰減就主要決定于線路的衰減。
(3)接收模塊設(shè)計(jì)
接收電路采用運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，通過帶通濾波器提取有用信號(hào)，提高信號(hào)的信噪比。
在接收系統(tǒng)中，接收器的接收靈敏度設(shè)計(jì)為自適應(yīng)方式，使其能根據(jù)電力網(wǎng)衰減的情況自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以保證良好的通信質(zhì)量。同時(shí)在各個(gè)相線之間接上耦合電容，以擴(kuò)大通信信號(hào)的覆蓋面，提高跨相傳輸距離，同時(shí)又改變了電力系統(tǒng)的功率品質(zhì)因數(shù)。
(4)軟件濾波技術(shù)
如果傳送的信號(hào)距離較遠(yuǎn)，由于電力線上的干擾較多，一些隨機(jī)干擾仍然可以進(jìn)入信號(hào)處理器內(nèi)部，這時(shí)候可以用數(shù)字濾波方法予于削弱或?yàn)V除。所謂數(shù)字濾波方法，就是通過程序計(jì)算或判斷來減少干擾在有用信號(hào)中的比重［4］。
在應(yīng)用中采用如下措施：信號(hào)在發(fā)送端3次接連發(fā)送，在接收端取中值接收，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。采用這種方式取得了較好的效果。
5結(jié)語(yǔ)
低壓電力載波通信信號(hào)的干擾和衰減總體上雖有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但由于電力網(wǎng)負(fù)載的多樣性、復(fù)雜性和時(shí)變性，其具體變化細(xì)節(jié)難于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，不能以簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式來描述。我們?cè)诩谐硐到y(tǒng)和智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的應(yīng)用中通過采取以上一些措施取得了比較好的效果。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著電力線抗干擾技術(shù)的成熟，我國(guó)的低壓電力線載波通信技術(shù)一定會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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