低壓電力線信道特性及建模分析

低壓電力線信道特性及建模分析

0低壓電力線的信號特性通信技術(shù)的快速發(fā)展需要通信線路和主線的同步，也為通信線路的建設(shè)帶來了重大挑戰(zhàn)。尤其是在一些舊建筑的通信線路方面，很難使用通信線路。使用低能源導(dǎo)線可以降低投資和線路維護(hù)成本。然而，低能源導(dǎo)線不是特殊的通信通道，這要求我們?nèi)嫔钊肓私獾湍茉磳?dǎo)線的信道特性，在此基礎(chǔ)上合理選擇傳輸方式和通信協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)可靠的通信數(shù)據(jù)。1低壓配電網(wǎng)抗壓強(qiáng)度的測量低壓電力線的輸入阻抗是信號發(fā)送裝置和信號接收裝置驅(qū)動點(diǎn)上電力網(wǎng)的阻抗,它直接影響了信號耦合的效率,是低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)。研究輸入阻抗,對于提高發(fā)送機(jī)的效率,增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。1973年,J.R.Nicholson和J.A.Malack就公布了他們對美國36個(gè)未濾波的商業(yè)電源115VAC,1?;220VAC,1?;208VAC,3?等所進(jìn)行的阻抗測量結(jié)果,并與一個(gè)典型5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)提供的阻抗進(jìn)行了對照,結(jié)果表明商業(yè)電源阻抗隨頻率升高有上升的趨勢(平均從2?到100?左右變化),在150kHz到25MHz頻率范圍內(nèi),一個(gè)5μH阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)可以很好地描述商業(yè)電力線阻抗的平均值。1976年J.A.Malack和J.R.Engstrom公布了在相同的頻率范圍內(nèi),對6個(gè)歐洲國家的86個(gè)商業(yè)電源220VAC,1?/3?;110/220VAC,3?;220/380VAC,3?;380VAC,3?等所進(jìn)行的阻抗測量結(jié)果,表明歐洲各國之間商業(yè)電源的阻抗值變化不是很大,并且在整個(gè)LF~HF頻段上(20kHz~30MHz)與在美國商業(yè)電源上測得的阻抗值相似,而在MF~HF頻段上(300kHz~30MHz)則兩者完全一致。1985年,R.M.Vines等人對5~20kHz低壓電力線上的阻抗進(jìn)行了測量,并對決定低壓配電網(wǎng)阻抗的配電變、線路(包括引入電纜和室內(nèi)線)和電氣負(fù)荷分別進(jìn)行了阻抗的測量,得出如下結(jié)論:配電變二次側(cè)阻抗類似一個(gè)RL電路阻抗,阻抗值隨頻率升高而增加,并有較大的相角移動;在低壓配電網(wǎng)上發(fā)生的諧振(并聯(lián)時(shí)為低頻,串聯(lián)時(shí)為高頻)一般在40kHz以上,這使得配電網(wǎng)的阻抗在高頻時(shí)比在低頻時(shí)(5~20kHz)更加不可預(yù)測,這樣的諧振常常是由容性負(fù)載(如電視(0.1μF))引起的;連接線的電感試圖隔離網(wǎng)絡(luò)中的各元件,并在高頻時(shí)消除遠(yuǎn)方連接負(fù)荷的影響;連接房屋和配電變的線路對阻抗的影響一般較小,但如果配電線沒有扭絞在一起,可能會有比較大的影響;在各種負(fù)荷中,電阻性供熱負(fù)荷在低頻時(shí)會引起較大的阻抗變化,這是因?yàn)樵陔娐坊芈分胁⑷肓穗娮韬碗姼?感應(yīng)電機(jī)負(fù)載不會改變千赫茲級頻率下的阻抗,這是因?yàn)樨?fù)載本身的電抗很大。研究表明低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗隨頻率的升高而呈上升趨勢,在100kHz頻率以下的阻抗值一般很低,單個(gè)住戶的阻抗在9~95kHz頻率下已經(jīng)低到2?,這就要求信號發(fā)送裝置具有低輸出阻抗(<1?)。由于隨機(jī)負(fù)荷的影響,低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗變得不可預(yù)測,在不同時(shí)間或不同位置,阻抗值可能發(fā)生較大的改變?；谶@點(diǎn)采用高頻率載波是有利的,它可以消除遠(yuǎn)方負(fù)荷的影響,使低壓配電網(wǎng)的輸入阻抗相對穩(wěn)定,不過這樣可能產(chǎn)生容性負(fù)載引起的諧振和大的信號衰減。2平均噪聲大小測定低壓電力線的噪聲強(qiáng)度在不同電網(wǎng)上有所區(qū)別,并且具有時(shí)變性,文獻(xiàn)指出即使在同一棟住宅公寓大樓,其平均噪聲水平在24h內(nèi)的變化也可高達(dá)6dB,因此,很難直接定量地表示其大小。但噪聲也具有一定的規(guī)律性,比如,噪聲隨頻率的增高而呈下降趨勢,并且無論噪聲多么復(fù)雜,它都是由各種特定性質(zhì)的噪聲源疊加而成的。2.1噪聲分類2.1.1頻率衰減函數(shù)該類噪聲的功率譜密度(powerspectraldensity)相對較低,是頻率的衰減函數(shù),它主要是由線路上與電力系統(tǒng)頻率不同步的各種負(fù)載所產(chǎn)生的,其功率譜密度隨時(shí)間變化較慢,常常在幾分鐘或幾小時(shí)內(nèi)保持平穩(wěn)變化,在短時(shí)間內(nèi)變化不大,可以看作是背景噪聲。2.1.2與系統(tǒng)頻率無關(guān)的窄帶噪聲這類噪聲大多數(shù)為帶調(diào)制幅值的正弦干擾信號。它主要是由引入電力線的廣播頻帶信號引起,它在夜間有最高幅值,白天相對較低。2.1.3噪聲機(jī)理及頻次這主要是由可控硅整流(SCR)引起的噪聲,它每50Hz周(美國為60Hz)要切換一定次數(shù),引起在時(shí)域上的一系列噪聲脈沖,或在頻域上的工頻的更高次諧波噪聲。文獻(xiàn)測得白熾燈燈光調(diào)節(jié)器由于可控硅或其它整流元件的快速通斷產(chǎn)生60Hz諧波噪聲,對于400W的白熾燈,在10kHz其噪聲水平可以達(dá)到比正常背景噪聲高40dB,而且在更高頻率上產(chǎn)生的噪聲甚至?xí)摺?.1.4脈沖噪聲隨機(jī)性電網(wǎng)中有各種各樣的開關(guān)操作,會在電網(wǎng)中產(chǎn)生突發(fā)噪聲。測量結(jié)果顯示,這種脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間為幾微秒到幾毫秒,脈沖噪聲的出現(xiàn)時(shí)間具有隨機(jī)性,其頻度平均每秒遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于一個(gè),它按微秒和毫秒級單位時(shí)變,在這樣的脈沖發(fā)生時(shí),噪聲的功率譜很高,可引起數(shù)據(jù)傳輸中發(fā)生位或串的突發(fā)性錯(cuò)誤。2.2噪聲模型針對以上噪聲基本分類,下面根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料對用某些特性參數(shù)描述噪聲的模型做出介紹。2.2.1自回歸模型背景噪聲可按圖1用白噪聲源經(jīng)過濾波生成,噪聲整形濾波的傳遞函數(shù)Hmod(Z)可描述為:其分子B(z)表示的是移動平均(MA)部分,其分母A(z)表示的是自回歸(AR)部分,模型參數(shù)由噪聲源的方差和濾波器系數(shù)組成。通過使用AR處理模型,即:B(z)=1,參數(shù)可以由用AR頻譜分析儀測量的噪聲信號確定。2.2.2幅值at的時(shí)域適用窄帶噪聲部分可通過如下N個(gè)獨(dú)立的正弦函數(shù)疊加來描述:其中:每一個(gè)分量由它的頻率fi、幅值A(chǔ)i(t)和相位φi來描述。幅值A(chǔ)i(t)在時(shí)間上既可以是常數(shù),也可以是對AM廣播信號更好近似的調(diào)制幅值。載波相位可以在區(qū)間「0,2π」上用隨機(jī)數(shù)選擇,并獨(dú)立于時(shí)間。噪聲既可在時(shí)域中合成,也可先在頻域合成,再通過快速傅立葉反變換(IFFT)得到。2.2.3脈沖寬度t脈沖噪聲對低壓電力線通信的危害十分嚴(yán)重,其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懼饕怯擅}沖的幅度、脈寬和間隔時(shí)間決定。1989年Chan.M.H.L提出了脈沖噪聲的幅度、脈寬和間隔時(shí)間的概率分布估計(jì),根據(jù)測量結(jié)果得出結(jié)論:脈沖噪聲強(qiáng)度一般比背景噪聲水平高10dB,有時(shí)可以超過40dB,脈沖強(qiáng)度與噪聲源的強(qiáng)度及噪聲源與接收裝置的距離有關(guān);主要脈沖系列的脈沖頻率(由脈沖間隔時(shí)間決定)一般為120Hz,它與60Hz電源電壓的正負(fù)周期同步;對于120Hz脈沖噪聲,其脈寬變化達(dá)到幾個(gè)百分點(diǎn);脈寬與所選定的幅度水平T有關(guān),一般來說,脈沖寬度隨T增加而減小;有些噪聲源將增加背景噪聲功率(如真空吸塵器),其它一些將增加脈沖噪聲功率(如復(fù)印機(jī)以0.01的概率產(chǎn)生高于背景噪聲27dB的120Hz周期脈沖,燈光調(diào)節(jié)器以同樣的概率產(chǎn)生高于背景噪聲40dB的脈沖噪聲)?？紤]到脈沖為隨機(jī)事件的事實(shí),其特性用隨機(jī)變量來描述,可以通過分割馬爾科夫鏈對脈寬和脈沖間隔時(shí)間進(jìn)行模擬。假定把噪聲狀態(tài)分成兩組A(i=1,2,…,v)和B(i=1+v,2+v,…,n),A中的v個(gè)狀態(tài)表示沒有脈沖事件發(fā)生的情況,B中的ω=n-v個(gè)狀態(tài)表示有脈沖事件發(fā)生的情況。則脈沖寬度大于某個(gè)寬度tω的概率,用離散時(shí)間k表示為:其中:gω+1,j表示從B中的某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)ω+1過渡(脈沖開始消失)時(shí)的轉(zhuǎn)移概率,gjj表示B中的某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(脈沖保持)的概率。脈沖間隔時(shí)間超過某一時(shí)間跨度tA的概率,用離散時(shí)間k表示為:其中:uv+1,j表示從A中的某個(gè)狀態(tài)j向臨界狀態(tài)v+1過渡(脈沖開始發(fā)生)時(shí)的轉(zhuǎn)移概率,ujj表示A中的某個(gè)狀態(tài)不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移(無脈沖保持)的概率。3信號衰減特性低壓電力線一般由鋁或其它電的良導(dǎo)體加工而成,其本身的阻抗很小(視導(dǎo)線的電導(dǎo)率和截面積不同而不同)。對不同頻率的信號,其阻抗略有變化且相對穩(wěn)定。因此,電力線本身的阻抗并不是產(chǎn)生衰減的主要原因。但是電力線上并聯(lián)的許多負(fù)載對信號衰落影響很大。尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容,對幾百千赫茲的載波通信信號來說,相當(dāng)于短路。另外,當(dāng)負(fù)載很小時(shí),信號發(fā)送裝置耦合電路的內(nèi)阻也不可忽視,它會分去相當(dāng)一部分的功率?？梢?低壓電網(wǎng)信號衰減由兩部分組成:一是耦合衰減;二是線路衰減。耦合衰減是由載波通信模塊與線路輸入阻抗不匹配引起的,可以通過適當(dāng)調(diào)整通信模塊輸出電阻來改善。而線路衰減的主要原因是電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負(fù)載具有多樣性和時(shí)變性,這種衰減特性難以預(yù)測。理論上,我們可以將耦合器的內(nèi)阻做得相當(dāng)小,這樣衰減就主要取決于線路的衰減。試驗(yàn)表明,信號的衰減是距離的函數(shù),一般為40~100dB/km。在農(nóng)村的衰減最大,500m就達(dá)到50dB;在城市,250m大約20dB;在郊區(qū),250m亦能達(dá)到25dB;但在工業(yè)區(qū)衰減較小,750m長的線路僅為30dB。并且信號在100kHz以下的衰減相對穩(wěn)定,在100kHz到200kHz之間以0.25dB/kHz的比例線性增長,信號衰減與頻率有關(guān)是由電抗性負(fù)載和傳輸線效應(yīng)引起的。傳輸線效應(yīng)包括反射和多峰抵消,這引起網(wǎng)絡(luò)中某些特定點(diǎn)出現(xiàn)窄帶衰減。頻率越高傳輸線效應(yīng)越明顯,發(fā)生諧振的可能性越大。除了衰減較高以外,電力線信道的另一個(gè)典型特征是多徑衰落,從而產(chǎn)生頻率選擇性衰落。圖2所示為電力線信道的沖擊響應(yīng),可以看出電力線信道的沖擊響應(yīng)表現(xiàn)為多個(gè)沖擊函數(shù)的疊加,每個(gè)沖擊函數(shù)的幅值遞減,表明電力線信道是一種多徑信道。另外,發(fā)送和接收裝置跨相傳輸時(shí)信號衰減比同相傳輸時(shí)大,可以通過在相間加耦合電容來消除。4電力線信號傳播的特性通過以上對電力線信道特性的分析,可知建立一個(gè)精確數(shù)學(xué)模型來模擬低壓電力線信道特征存在極大困難,但建立一個(gè)能反映信道基本特性的近似模型是可行的,也是有必要的,這對于研究低壓電力線載波通信的調(diào)制、編碼、傳輸和解調(diào)有很重要的意義。文獻(xiàn)提出了一個(gè)簡單的電力線通信通道模型,如圖3所示。通道濾波的頻率響應(yīng)h(f,t)隨電氣負(fù)荷的改變表現(xiàn)為時(shí)變性,衰減A(t)常常具有120Hz的頻率,當(dāng)然也包括其它周期分量,其對噪聲也有衰減作用,噪聲衰減和信號衰減的相對比值為B。這些參數(shù)的確定有賴于對線路和負(fù)荷有關(guān)信息的了解。文獻(xiàn)采用自頂向的方法,把電力線信道看作一個(gè)黑匣子,并用一個(gè)傳遞函數(shù)來描述它的傳遞特性,實(shí)際上是把圖3中的A(t)并入到h(f,t)中?？紤]到低壓配電網(wǎng)實(shí)質(zhì)上是由無數(shù)個(gè)‘T’形結(jié)構(gòu)組合而成,文獻(xiàn)中推導(dǎo)得到了低壓電力線傳遞函數(shù)的多徑信號傳播模型:式中:j為路徑號,也可表示信號經(jīng)過不同路徑到達(dá)的先后次序,1為最短路徑。第一項(xiàng)gj為路徑j(luò)的權(quán)系數(shù)(考慮路徑中的反射和透射系數(shù)而定);第二項(xiàng)為衰減部分,其中a0、a1、k為電力線的衰減參數(shù),dj為路徑j(luò)的長度;第三項(xiàng)為時(shí)延部分,pv為波在電力線上的傳播速度,τj表示路徑j(luò)的時(shí)延。在500kHz到20MHz頻率范圍內(nèi),通過對一個(gè)已知結(jié)構(gòu)的示例網(wǎng)絡(luò)和未知結(jié)構(gòu)的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試,驗(yàn)證該模型能夠反映低壓電力線對信號傳播的本質(zhì)特性。在對未知結(jié)構(gòu)的實(shí)際系統(tǒng)的測量中,路徑的長度dj可以由測得的路徑時(shí)延τj求得。5低壓配電網(wǎng)信道模型的建立隨著對低壓電力線載波通信需求的增加,以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)可