低壓電力線信道噪聲特性分析

0 引言

電力線通信(power line communications，PLC)是以電力線作為通信媒介的一種通信方式。電力線從來就不是一種理想的通信介質(zhì)，但隨著技術(shù)的不斷進步，特別是調(diào)制技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得PLC的實用化成為可能。如何進一步提高在電力線的通信性能，實現(xiàn)高速、可靠的長距離通信，依賴于對通信信道特性的準確把握。電力線通信信道環(huán)境的惡劣，使得對其信道模型的建立顯得更為重要。由于電力線是非專用通信線路，其中各種干擾的時變性、隨機性等特點，使得建立其通用的精確模型困難很大。一般都是通過對電力線進行大量參數(shù)測定后，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，參照無線通信的信道分析建模方法，給出特定環(huán)境下的相對模型。本文在對電力線噪聲進行分類討論后，對三種主要噪聲給出較為準確的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型。

1 電力線通信信道特點

由于低壓電力線主要任務(wù)是在短距離內(nèi)對50／60 Hz電能實行分配，故與專用的通信線路相比，其信道環(huán)境極為惡劣。主要有：

(1)在廣闊的范圍內(nèi)遇到干擾信號。如用戶的各種電氣設(shè)備，特別是陳舊的和有質(zhì)量缺陷的電器，會給電力線上傳送的信號帶來災(zāi)難性的干擾。

(2)電力網(wǎng)絡(luò)上的阻抗隨負載的變化而會有大幅度的變化，且具有較強的時變性。

(3)由于存在較強的衰減特性，使得電力線上的各個節(jié)點表現(xiàn)出的性能也不盡相同。

影響電力線通信可靠性的主要因素有：噪聲電平高、阻抗變化大、信號電平衰減劇烈等。所以在對低壓電力線通信信道建模時需要考慮噪聲、阻抗和衰減三方面。本文將主要對噪聲特性進行分析與討論。

2 電力線噪聲及其分布

電力線上的噪聲源分為非人為噪聲和人為噪聲。非人為噪聲是自然現(xiàn)象所引起的，如雷電在電力線上引起的噪聲；人為噪聲來自各種電器、機電產(chǎn)品和電力線自身引起，電力線的主要噪聲并不是加性白高斯噪聲，基本特性是極短的時間周期內(nèi)都可能發(fā)生變化。

2．1 噪聲分類

低壓電力線上的噪聲一般劃分為5種類型，其功率譜分別如圖1中所示。

(1)有色背景噪聲

由電力線上各種噪聲源產(chǎn)生的組合干擾，是一種隨時間緩慢變化的隨機干擾，其功率譜密度(PSD)隨頻率增加而減小。

(2)窄帶噪聲

這是一種頻帶很窄的噪聲，主要是短波廣播在頻域上的串擾，其強度在24 h內(nèi)變化不定。一般情況下，由于電離層的反射，夜間干擾比較嚴重，而白天的干擾卻較小。

(3)與工頻異步的周期性脈沖噪聲

通常由大功率電器設(shè)備開關(guān)的周期性的開閉動作產(chǎn)生，其功率譜為離散的譜線。重復率在50～200 kHz范圍內(nèi)。

(4)與工頻同步的周期性脈沖噪聲

主要是電力設(shè)備按50 Hz頻率工作產(chǎn)生的脈沖，重復率為50 Hz或100 Hz。持續(xù)時間很短，功率譜幅度隨頻率增加而減小。

(5)突發(fā)性脈沖噪聲

閃電或網(wǎng)絡(luò)上負載的開關(guān)操作會產(chǎn)生脈沖噪聲，每個脈沖噪聲都會影響很寬的頻帶。脈沖噪聲的功率譜密度有時會比背景噪聲高出50 dB。

2．2 噪聲測量

低壓電力線信道噪聲測試的框圖如圖2所示。電力線噪聲通過耦合網(wǎng)絡(luò)耦合至示波器，示波器獲取噪聲數(shù)據(jù)并存儲后再傳輸至PC機進行譜分析。耦合網(wǎng)絡(luò)主要有兩個作用：一是使測試儀器與220 V的強電隔離，保證測試設(shè)備的安全；二是耦合網(wǎng)絡(luò)中的濾波器對測試頻段外的噪聲進行濾波，減少干擾。

2．3 噪聲分析

電力線噪聲分布與時間、地點及負載等密切相關(guān)，各噪聲間相互獨立。根據(jù)對低壓信道噪聲數(shù)據(jù)時域和頻域數(shù)據(jù)的分析，這里我們把電力線上的噪聲分成三類來分析，其分別是：背景噪聲、突發(fā)性脈沖噪聲和周期性脈沖噪聲。

(1)背景噪聲

如上所述，背景噪聲包括有色噪聲和窄帶噪聲。背景噪聲的主要特性是低功率的噪聲源，隨頻率的增大而減小，通�？杀３謳酌牖驇追昼�，有時甚至幾小時不變。其在不同頻段的功率譜密度也隨一定時間保持穩(wěn)定。又稱為穩(wěn)態(tài)的背景噪聲。通常晚上的背景噪聲比白天大，圖3為白天和晚上所測背景噪聲時域波形與功率譜。

圖3(a)和(b)為在白天和晚上的噪聲時域采樣波形，(c)為白天、晚上噪聲PSD的比較。晚上的有色背景噪聲和窄帶干擾PSD比白天高出約5～15 dB。背景噪聲晚上較高的可能原因是晚上用電負載的增加。