（通信与信息系统专业论文）低压plc信道特性研究及基于dsp的调制解调系统硬件设计.pdf

摘要 摘要 p l c 技术是一项以电力线作为传输媒介，利用载波方式来实现数据传递和信息交换 的技术，可分为高压p l c 、中压p l c 和低压p l c 技术。本课题所研究内容属低压p l c 技术范畴。本研究工作内容重点包括两部分。 第一、低压p l c 信道特性研究。参考了大量低压p l c 信道特性研究论文，总结设 计了套信道特性实验研究方案，对低压p l c 信道特性进行了全面的实验研究，分析 了其阻抗特性、衰减特性和噪声特性以及不同负载对信道特性的影响。在此基础上，深 入研究了负载接入距离和负载接入位置对信号衰减特性的影响。总结了负载接入距离和 接入位置对信号衰减影响的规律。 第二、讨论了现有低压p l c 调制解调技术特点，重点分析了它们在低压p l c 应用 中的缺陷，设计了一种基于新型调制解调算法的低压p l c 调制解调系统。具体研究工 作内容主要包括：分析了系统各模块的设计要求，研制了各模块电路，集成开发了整体 硬件实验系统；为测试系统性能，开发了基于易语言的上位机程序。本设计核心处理器 采用高性能的d s p 器件一一t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，使系统具有运算速度快、处理功能强、控 制精度高、软件升级简单、通信接口简便等特点。 关键词：p l c 信道特性调制解调d s p 注：本研究得到河北省科技攻关计划项目“低压电力线载波通信调制解调技术研究”资 助( 编号n o 0 6 2 1 3 5 5 2 ) 。 a b s t r a c t a b s t r a c t p l c ( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) i sat e c h n o l o g yt h a tb a s e do nt h ee x i s t i n ge l e c t r i c p o w e rn e t w o r kt ot r a n s m i t d a t aa n de x c h a n g ei n f o r m a t i o n ，i n c l u d i n gh - p l c ( h i g h - v o l t a g e p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) ，m p l c ( m e d i u m v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) a n d l - p l c ( l o w v o l t a g ep o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ) t h ec o n t e n to ft h ep a p e rr e s e a r c h e d b e l o n g st ol p l c ，a n dw h i c h i sc o m p o s e do ft w o p a n s t h ef i r s ti st h ea n a l y s i so fl - p l cc h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c s i nt h i sp a r t t h el - p l c c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y , a n dt h ei m p e d a n c e ，n o i s ea n d a t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fl p l cc h a n n e la r es u m m a r i z e d f u r t h e r m o r e ，t h ea f f e c t i o no f t h ee l e c t r i cp o w e rl o a d so nt h ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e dw h i l et h ef o c u s i n gp o i n t a r ep u to nt h et y p eo fl o a d s ，a c c e s sd i s t a n c eo fl o a da n da c c e s sp o s i t i o no fl o a d i nt h es e c o n dp a r t ，t h et e c h n o l o g yo fl p l cm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o ni ss t u d i e d ， t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d ，a n dt h el - p l c s y s t e m b a s e do nan e wm o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e d t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a r ti n c l u d e ：s t u d y i n gf o re a c hm o d u l eo ft h es y s t e m ，d e s i g n i n go ft h em o d u l ec i r c u i ta n d i n t e g r a t e dr e s e a r c h i n go ft h eh a r d w a r ee x p e r i m e n ts y s t e m a tl a s t ，i no r d e rt ot e s t i n gt h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，t h eu p p e rc o m p u t e rs o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h es y s t e mh a sp e c u l i a r i t i e s s u c ha sg r e a ts p e e do fc a l c u l a t i o n ，h i g hp r e c i s i o no fc o n t r o l ，e a s i l yu p g r a d i n gf o r t h es o f t w a r e ， s i m p l ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds oo n ，a n dw h i c hi s b e c a u s et h eh i g hp e r f o r m a n c e d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 12 ) i su s e df o r t h em c u k e yw o r d s ：p l c c h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o nd s p n o t e ：t h i sw o r ki s s u p p o r t e db ys c i e n c ed e v e l o p m e n tp r o g r a mf o u n d a t i o no fh e b e i p r o v i n c e ( n o 0 6 2 13 5 5 2 ) 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所璺交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证j f 5 所使h j 过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致 谓 。 作者签名：塑竺後查k 日期： 学位论文使用授权声明 年月三日 本人完全了解河北人学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印什和电子版，允许论文被夜阅平i l 借阅。学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以采川影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密 ( 请在以上相应方格内打、”) 作者签名： 导师签名： 日期：年上月旦日 日期：啤年月j 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1课题背景及研究意义 电力网是一个电能传输网络，随着人类对电力需求的增大，电力网现已建设成为世 界上最大的物理网络。电力网建网初衷仅仅是实现电力能量信号的传输，并未考虑做其 它应用。上世纪二十年代，人们开始将载波技术应用于电力网，以实现信息在电力网上 的传输，将电力网扩展成为一个除电能传输之外的信息传输网络。近几年来，电力网这 座“金山 被不断挖掘，电力载波通信( p l c p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，) 技术得 到了较快的发展。 从广义上讲，p l c 技术可分为高压p l c 、中压p l c 和低压p l c 技术。其中，高压 p l c 主要应用于高压输电网的远动控制及继电保护等电网内部通信；中压p l c 利用中 压( i o k v ) 电力线作为通信链路，为接入骨干网、配电网自动化、用户需求侧管理及 农村电话等应用提供传输通道；低压p l c 利用低压( 2 2 0 v 3 8 0 v ) 电力线作为传输媒介， 为用户提供i n t e m e t 接入、家庭局域网、远程抄表、家居智能等应用。本论文所述研 究内容属于低压p l c 技术应用。 低压p l c 技术具有无需稀线、覆盖范围广、连接方便等优点，受到了国内外技术 人员的青睐。但由于低压电力网结构复杂，且负载接入切出频繁，致使其上干扰和衰减 严重。与高压电网相比，低压电网通信环境更加恶劣，复杂的信道环境阻碍了低压p l c 技术的发展。因此，如何提高信号传输的可靠性成为现今国内低压p l c 研究的重点。 虽然目i i 国内有许多机构和公司在大力发展低压p l c 技术，但大都以采用国外的现有 的p l c 芯片为主。由于国内电磁兼容性没有欧美控制得严格，低压电网通信环境比国 外更加恶劣，使得国外的p l c 芯片及技术在国内的应用并不理想。研究表明，国内低 压p l c 应用最广的低压抄表系统，抄表率并不能达到1 0 0 。在高速p l c 上网应用中， 也不能达到厂家所述性能( 尤其在用电高峰期，常会出现掉线的情况) 。针对目前国内 低压p l c 应用现状，有必要研究一种新型调制解调系统，以提高低压电力抄表系统的 抄表准确率，进而推动低压p l c 技术的发展。 闸北大学一i ：学硕十学付论文 1 2 国内外研究状况【2 - 6 】 国外对低压p l c 技术研究较早，技术发展相对较快，有众多研究机构和厂家在进 行低压p l c 产品的开发和实验。目前，一些地区和国家已进入了一定规模的实际应用， 低压p l c 技术j 下朝着实用化和标准化方向发展。英国n o r w e b 通讯公司在1 9 9 0 年开 始对p l c 技术进行研究。1 9 9 5 年与加拿大n o r t e l 公司联手，共同开发这项新技术。1 9 9 7 年1 0 月，这两家公司利用新开发的数字p l c 技术，实现了在低压配电网上进行1 m b p s 的远程通讯。瑞士a s c o m 公司于1 9 9 8 年开始p l c 技术的研究。1 9 9 9 年在德国r w e 公司实验取得成功，2 0 0 0 年与欧洲、东南亚以及拉丁美洲的2 0 个大型企业或电信运营 商联合建设了实验系统，试验的用户数超过2 0 0 0 个。德国r w e 电力线通信公司从 1 9 9 7 年开始与瑞士a s c o m 公司合作开发p l c 产品，1 9 9 9 年汉诺威展览会上展出了样 机，2 0 0 0 年5 月开始进行2 0 0 户的现场试验。2 0 0 1 年7 月，该公司宣布开始进行p l c 的商用化。韩国x e l i n e 公司主要业务是开发、制造、销售基于p l c 的产品和网络解 决方案。在2 0 0 1 年3 月推出了p l c 产品解决最后一公里接入、家庭网络应用解决方案。 美国主要低压p l c 芯片生产商是l n t e l o g i s 和i n t e l l o n 公司。l n t e l o g i s 公司于1 9 9 8 年 进行了p l c 终端产品尝试。之后推出了p a s s p o r t 商业化p l c 产品，用于户内联网，最 高速率为3 5 0 k b p s 。2 0 0 1 年，i n t e l l o n 公司开发了用于户内联网的1 4 m b p s 芯片。奥地 利能源公司t i w a g ，在1 9 9 9 年3 月与a s c o n 合作开始低压p i 。c 技术试验。以色列 m a i n n e t 和德国m v v 的合资公司p p c ，2 0 0 1 年7 月在曼海姆和h a m e l u 开展业务，开 始商业化应用。 由于我国用电器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，电力线的通信环境更加恶劣。这对我围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。国内关于p l c 技术研究的主要机构有：中国电力 科学研究院、福建电力试验研究院、国电通信中心。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年 开始研究p l c 技术，主要研究低速p l c 技术在低压抄表系统中的应用。1 9 9 8 年开发了 样机，并通过试验室功能测试，1 9 9 9 年在现场进行试运行，获得了产品登记许可。 国电通信中心在2 0 0 1 年成立了p l c 领导小组，负责全国电力系统p l c 技术研发试验 的统一组织和协调工作。于2 0 0 1 年9 月在国家电力公司宿舍区建立了p l c 实验室，开 通了我国第一个以电力线为传输介质的p l c 宽带接入i n t e r n e t 试验小区；2 0 0 2 年3 月， 2 第1 章引青 引进欧洲p l c 产品进行语音传输实验，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打 电话：2 0 0 2 年5 月，采用国内电力系统研制的产品，开通了第一个由国内电力系统自 主研发的p l c 宽带接入系统。福建省电力公司科技部2 0 0 0 年初立项，研究利用p l c 技术控制家用电器的科技项目，2 0 0 1 年取得了一定进展，采用传输速率为1 0 k b p s 的 p l c 模块，可控制家用热水器、d v d 等家电的开启。目前，采用美国i n t e l l o n 公司1 4 m b p s 芯片，正在研发传输速率达到1 0 m b p s 的p l c 户内家电控制产品。 随着高速p l c 的快速发展，国际上成立了许多p l c 组织，以发展技术、普及网络、开 拓市场。比较有影响力的国际组织主要有家庭插电联盟( h p a h o m e p l u gp o w e r l i n e a l l i a n c e ) 和电力线通信论坛( p l cf o r t l m ) 。h p a 致力于创造共同的电力线网络通信 技术标准及室内高速电力线通信方案的统一与普及。现已发展成为由近百家公司组成的 联盟，国内的中国电力科学研究院是该组织的成员。2 0 0 1 年6 月，h p a 发布了其标准的 第】个版本h o m e p l u gs p e c f i c a t i o n l 0 ，将数据传输速率定为1 4 m b p s ，采用o f d m 调制解 调技术，m a c 层协议为c s m a c a 。p l cf o r u m 于2 0 0 0 年3 月2 3r 在瑞士成立，由来自 三大洲1 8 个国家的7 2 个成员组成。p l cf o r u m 不制定标准，主要致力于将会员的提议提 交给国际标准化组织，提供包括户外接入和户内联网在内的全面p l c 解决方案，促使其 成为标准。论坛的目的是为所有对p l c 感兴趣的制造商、客户、研究人员以及政府机构 提供一个平台，促进他们交流和丰富有关p l c 的知识。其目标是使用p l c 为大众提供端 到端的宽带服务。 1 3 论文的主要工作 l 、论文主要研究内容 ( 1 ) 低压p l c 信道特性实验研究 对一典型低压电力网络进行具体的实验研究，详细分析了其信道特性，包括衰减特 性、输入阻抗特性、噪声特性及负载对信号衰减特性的影响。得出低压p l c 信道具有 信号衰减严重、输入阻抗变化大、噪声干扰强、信号衰减与负载接入位置及距离关系密 切等结论，为低压p l c 调制解调系统的设计提供了实验参考依据。 ( 2 ) 基于d s p 的调制解调系统硬件电路设计 深入理解低压p l c 系统工作原理，在对系统各模块电路深入研究的基础上，以t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片为核心部件，开发适用于低压电网的p l c 调制解调系统。 河北人学t 学硕十；。位论文 设计开发了低压p l c 调制解调系统硬件电路。 ( 3 ) 为测试系统工作性能，开发了基于易语言的上位机通信程序。该程序主要用于 p c 机点对点通信测试。 2 、论文具体结构 第一章为引言部分。主要介绍课题背景及研究意义，低压p l c 技术的国内外研究 现状及论文的主要工作。 第二章是低压p l c 技术介绍。简述低压p l c 原理，分析低压p l c 技术特点。介绍 了一种低压p l c 技术典型应用远程自动抄表系统。 第三章是对低压p l c 信道特性的实验研究。重点分析了低压电力线阻抗特性、衰 减特性和噪声特性。并对负载接入位置和负载接入距离对信号衰减的影响，做了进一步 的深入研究。 第四章讨论了现有的低压p l c 调制解调技术，分析了它们的优缺点。介绍了一种 新型调制解调算法。 第五章叙述了低压p l c 系统的总体设计方案，描述了硬件电路的总体结构，对所 设计系统分模块进行了具体说明。设计了调制解调系统的上位机程序。 第六章叙述了系统测试方法，总结了系统设计和测试中存在的问题。 第七章为结论部分。对所完成的工作进行总结，并对课题的后续研究提出了设想。 1 4 本章小结 本章主要叙述了课题的来源和研究目的，同时简单概括了电力载波通信的发展历史 和特点，说明了本文的主要研究内容和作者所做的主要工作。 4 第2 章低乐p l c 技术介绍 2 1 低压p l c 原理 第2 章低压p k c 技术介绍 1 小；拓例r + 4 - ：- - 生 载波通信 切率似l及达广_耦 信息控制 厶 口 集成电路 电 一前级接收处理卜i 路 卜j o 电 力 线 图2 1低压p l c 原理 低压p l c 的原理框图如图2 1 所示。载波通信系统主要包括载波通信集成电路、 功率放大器、前级接收处理和耦合电路。通信集成电路主要完成信号的调制解调功能。 它将发送数据调制成可以在电力线上传输的高频载波信号，再通过功率放大和耦合电路 送入低压电力线。由于低压电力网中谐波系数的规定以及载波通信系统体积和成本的限 制，载波发信功率不可能过大，同时电网上的噪声极其复杂，所以在接收端载波信号经 常被大量的噪声淹没。为降低载波通信集成电路对信号解调的误码率，需在其前端对接 收信号进行前级处理，一般包括滤波和信号放大。 2 2 低压p l c 技术特点 2 2 1低压p l c 工作频段选择 低压p l c 工作频段的确定主要决定于以下三方面【7 】： 电力线本身的高频特性 避免5 0 h z - 1 1 _ 频谐波对载波信号的干扰 电力载波信号所造成的电磁辐射干扰 在2 0 世纪9 0 年代初期，欧洲首先提出了针对低压p l c 的标准b se n 5 0 0 6 5 标 准，此标准对低压电力线上的载波信号的频段、频带和电平等做出了具体的规定。标准 的第一部分即是对p l c 频段的规定，规定如下【8 】： 3 k h z 9 k h 卜电力公司专用频段 9 k h z 9 5 k h z _ 一电力公司和经电力公司许可的用户使用的频段 5 河北人学t 学硕十学何论文 9 5 k h z - 1 4 8 5 k h z 其它用户使用的频段 我国低压电力用户集中抄表系统技术条件( d l t 6 9 8 1 9 9 9 ) 文件规定：采用低 压电力线载波通信时，其载波信号频率范围应为3 k h z - 5 0 0 k h z ，优先选择i e c 6 1 0 0 0 3 8 规定的电力部门专用频带9 k h z 9 5 k h z 。系统使用的信号频带应征得有关电力部门的同 意。本课题所研究内容的首要应用为低压电力抄表系统。根据所研究调制解调算法的需 要和行业设计标准，本设计所用频带范围选择5 0 k h z 10 0 k h z 。 2 2 2 低压电力线信道特点 电力线作为传输媒介，对高频信号的传输有一些不利因素，集中表现为： ( 1 ) 对高频信号有较大的衰减。通常，电力线在某一时刻对不同频率的信号，线 路衰减不同。同时，由于线路阻抗和负载的变化，使得信道的衰减也在不断的变化，具 有时变性。 ( 2 ) 电力线上存在大量的干扰噪声。由于电力线上连接有各种各样的用电负载， 某些大功率的用电设备的频繁开闭，会在电力线上产生各种噪声干扰，而且噪声幅度较 大。 ( 3 ) 低压电力网拓扑结构复杂，分支多、衰减大，易造成多径干扰，引起信号的 选择性衰落和码间干扰。 由于低压p l c 复杂的信道特点，使得电力线成为一个并不理想的通信媒介。 2 2 3 系统电路设计的安全性 低压p l c 技术与其它通信技术不同，它是利用现有的2 2 0 3 8 0 v 电压的电力线传输 数据，电力线上有高压大电流流过，因此为保证使用的安全性，在设计载波通信系统时 一般采取如下保护措施： ( 1 ) 利用电容或电感线圈耦合原理，将高频信号耦合至低压电力线，并从电力线 分离，p l c 设备中的数据传输线路不得与2 2 0 v 电力线直接相连。 ( 2 ) p l c 设备的电路设计中，应将强、弱电路分开，保证信号线路中不会出现高 电压。 ( 3 ) 在p l c 设备的电路中，要设置过压保护装置，避免由于感应或短路而造成对 用户和计算机的伤害。 6 第2 亭征i i p i c 技术彳卜州 23 低压p l c 典型应用 i 州口怔压p l c 拄术麻川鞍为广泛的彩! 域足远程电力自功抄表系统。它可以尬过 i 乜力线时4 ：川户的宴时丌】电扁、川水j i ，埘7c 量数掘进行自动聚集、传输和综分析。 n 动抄戒系统士要山措“分构成： ( i ) 数栅聚集器。采集器足一动抄表系统安裴在现场的骶端改备j 皿过肝敲线或 坝绞线与1 也表、水表、7 l 表十连接。对表计j 件冲进行数据采身：处理，接收束自集c 1 器发 米的备种撵作命令，向集中器l l j 】送乜能表数据，对违章、欠赞j | j 户史施警告翎控制。 ( 2 ) 集中 | i 。安装在变i _ ；器配电房内，或物业管理部门。可以连接多个配i u 变胍 器供电托h 内低压i n m ，j ：的每个采集终端通过自动换午h 器进行数射取向通砒。 ( 3 ) 总i 卒站服务器。安装在供r e 公司、自柬水公司、煤。c 公司营业所内。通过电 l i m o d e m 和r b 信l 曰与各樊巾器通讯分别来集玎j 户的j f j 电- 艟、埘水最和月j 气屉，对采 蚍到n 数据臼功进行处理、存储、汇总分析。典型的电山线自动抄表系统如r 图所示： 蝶肛u姚水t u (&，c 止 2 - 2l h 力线自动抄戒系统 24 本章小结 奉市晌述了低压p l c 娠趔，分析了低压也力线通信的特点。制对j # 特点提出了载 波通情系统设汁f ：j 宜个性爱求，即丰禺装置戍1 t j 、强弱电路分 和j 立爪侏圹，设计。垠后， 介纠了呻i l f 吒压p l c 的贝型戍川网络远程电力自动抄衷系统。 河北火学t 学硕十学付论文 第3 章低压p l 0 信道特性研究 要设计一个能在预定环境下良好工作的低压p l c 系统，首先必须对低压p l c 系统 的通信环境作细致全面的分析。电力线单纯从其传输的线路特性而言，完全适合 3 k h z 5 0 0 k h z 高频信号的传输。但是由于低压电力网上接入了大量用电负载，这些负载 的接入及其接入的变化造成了复杂多变的电力线信道特性。本章通过对一个典型低压电 力网络的实验测量，获得了大量实测数据，分析了电力线信道的主要特性，即输入阻抗 特性、衰减特性、噪声特性等统计特征，从而把握了低压电力线信道的一些主要特点， 为低压p l c 系统的设计提供了必要的参考。 3 1 低压电力线输入阻抗特性 图3 1 是参考王六玲等人所写论文，设计的低压电力线输入阻抗测量电路1 9 j 。图中， 电容c 、电感l 、电阻r l 为确定值，耦合变压器原副边砸数之比为1 ：1 ( 耦合变压器用 于保证测量的安全) ，v o 、v l 、v 2 为待测电压，z c 为由r l 右侧网络的阻抗，z 为电力 线输入阻抗。通过v o 、v l 、v 2 的测量和计算可以得出低压电力线输入阻抗值iz i 。 信号源 由图3 1 可知： 所以 z c = r c + j x c c l ii 4 r y y 、一 j i p l l z = r + j x 图3 1低压电力线输入阻抗测量电路 v o = k + 圪 i 1 2 - - tk1 2 + 圪1 2 + 2ik 吃lc o s 0 c o s 臼= 帮 其中，0 为乙的相位角。所以 8 电力线 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 弟3 草1 氏y 七 j i 。c1 ij 豆彳睫i o l ，己 z ( = lz ( ic o s 0 + lz ( is i n o ( 3 4 ) 其中 附爿蝎 ( n 5 ) 设 z ( = r ，+ 僻 ( 3 6 ) 则有 r ，刊z ( ，ic o s o 坼- lz ( ，is i n o ( 3 7 ) 由图3 1 可知电力线输入阻抗为： z = z ( 叫儿一去w ) 【一 = r + 工k ，一( w 三一= 1 ) ( 3 8 ) w l = r ，坝五一w + 去) 将式( 3 7 ) 代入式( 3 8 ) 中可得： z = lz , j c 。s 日+ j oz , i s 枷一w 上+ 去) ( 3 9 ) l z i = 厄面而萧可 慨埘 根据上述实验步骤可以计算出低压电力线的输a n 抗绝对值izi 。图3 - 2 是对河北 大学巾信学院章马台格宴测的输入阳梳与炳率的关系曲线。 1 0 0 0 0 c ；1 0 0 0 蟮 四 1 0 0 一 辑 1 0 l 0 5 01 0 01 5 0 2 0 02 5 03 0 03 5 0t 1 0 04 5 0 5 0 0 5 5 0 频率k h z 图3 - 2 低压电力线输入阻抗对数曲线 9 河北人学t 学硕十学佗论文 分析上图可以得出以下结论： ( 1 ) 输入阻抗与信号频率密切相关。在不连接任何用电负载的理想情况下，电力 线桐当于一根均匀分稚的传输线，在分布电容和分柿电感的影响下，输入阻抗会随着频 率的增大而减小；当接入负载后，由于电力线上负载数量、类型的不同，使得输入阻抗 随信号频率的变化情况非常复杂，且不易预测。分析其原因，我们可以将电力线看作是 一根传输线，上面连接有各种复杂的负载，这些负载以及电力线本身组成许多共振电路， 在共振频率附近形成了低阻抗区，使得在某些频率上输入阻抗会突然减小f i o 】。 ( 2 ) 由于输入阻抗与负载有关，负载会在电力线上随机的接入或切出，因而低压 电力线输入阻抗还是时问的函数。相关论文研究表明，夜间的同相衰减减小，而跨相衰 减具有更大的波动。其原因在于白天与夜问的电力网负载有较大的区别”。 ( 3 ) 低压电力线输入阻抗变化范围大( 1 d 1 0 0 0 q ) 。这对耦合电路在阻抗匹配上 提出了更高的要求。如果信号耦合电路的输出阻抗不能与电力线阻抗相匹配，信号功率 就不能高效率的耦合至电力线，以致产生较大的耦合功率损失。 3 2 信号传输的衰减特性 图3 3 是低压电力线上信号传输衰减的测量电路。图中信号源输出单一频率的正弦 信号( 5 0 k h z 一5 0 0 k h z ) 。发送端和收收端的耦合网络具有相同的耦合效率和滤波特性。 在预备测量阶段，首先确认耦合网络对信号的衰减特性。实际测量时，将耦合网络的衰 减从总的衰减中扣除，即可得到低压电力线上信号传输的衰减量。 信 号 源 o 1u f 6 5 0 v o 1 u f 6 5 0 v 图3 - 3 信号传输的衰减测量电路 图3 4 是两实验室之间的信号衰减测量结果。信号采用同相传输，实验室低压电力 线上的主要负载为电脑、实验仪器和日光灯。 i o 第3 章低压p l c 信道特忭研究 0 - 5 目一1 0 震一1 5 - 2 0 2 5 if 薯 参j i l0 冬一 t 1 - 一e ， ；三e _ 】 ，一一。：- _ _ 。： 。、， _ ，。 o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 1 3 06 5 0 频率k h z 图3 - 4 信号传输的衰减特性 图3 5 是在接入不同负载条件下的衰减测量结果。分别测量了只接一台电脑时的情 况：接两台电脑时的情况( 电脑电源线长约为l m ) ；接一台信号源时的情况( 信号源电 源线长约为1 m ) 以及不接任何负载情况下电力线的衰减。信号发送端到接收端的距离 为2 0 m 。 盆 3 姆 样 棚k k 可nk一l， 、2、 哆i氛，一一 r 、 )f ； 厂 1 ， 、 一- _心 、 ，l l ，r 一一一。 ? 、 、 】 、 v ， 、- 一 11 0 5 01 0 0 1 5 d2 0 02 5 03 0 0 3 5 0q 叩4 5 05 0 0 5 5 0 6 0 06 5 0 频率( k h z ) 图3 - 5 特定负载卜的衰减特性 根据一系列测量结果，我们确认了下列各点： ( 1 ) 低压电力线信号衰减变化复杂，即使在同一地点，在不同的时间，由于用电 负载的不同也会造成衰减的不同。 ( 2 ) 由图3 5 可以看出，低压电力线本身呈现较好的传输特性，由于用电负载的 接入才造成了大的衰减。 ( 3 ) 不同的负载引起的衰减差异很大。某些负载可引起很大的衰减，例如电脑和 信号源，而且电脑和信号源即使在关闭不工作状态下，也会有较大的衰减。分析原因， 产生衰减主要是由于这两种负载在电源处接有较大去耦电容。 ( 4 ) 总体看，衰减随着频率的增大而增大。但在某些频率上，由于负载与电力线 0畸加拓扣衢加如 河：| 匕大学7 ：学硕十7 ：何论文 一，。- -i,111 i i 皇曼曼曼曼鼍 本身产生共振，使得衰减会突然增大。 进一步分析上述实验结果，可将产生衰减的原因，归结为以下4 个方面： ( 1 ) 信号传输线路上连接的负载对信号的分流作用。在大多数情况下，这是造成 信号衰减的主要原因，而且难以预知，不易控制。 ( 2 ) 线路衰减。其中包括电力线的分布电容造成的相问衰减、对地衰减，还有高 频趋肤效应造成的线路阻抗衰减。 ( 3 ) 耦合损失。包括功放输出阻抗与线路输入阻抗不匹配造成的耦合衰减，以及 耦合电路内阻的影响。 ( 4 ) 多径干扰引起的快衰落。信号在电力网中传输，由于电力网结构复杂，使得 到达接收端的信号是来自不同传播路径的信号之和。如果所接收信号正好反相，就会使 叠加信号相互抵消，形成快衰落现象。 总结上述结论可得：理论上，信号衰减随传输距离的增大而增大，由于电力线的非 均匀不平衡性以及负载阻抗的不匹配，使得电力线衰减随距离产生复杂的变化，有时甚 至会出现近距离衰减比远距离衰减还要大的情况。因而电力线衰减至今难以用一种确定 的数学模型来准确表达。 3 3 低压电力线信道噪声特，l 生 低压电力线通信环境恶劣，重要原因之一是由于其上存在有大量的干扰噪声。低压 电力线上的噪声，广义上讲可分为自然噪声和人为噪声两种。自然噪声是指由于非人为 因素对电力线产生干扰的噪声。比如雷电以及广播信号等引起的干扰。人为噪声干扰是 指连接在电力线上的用电设备产生的干扰。例如负载的接通与闭合产生的脉冲干扰、用 电设备运行中所产生的各次谐波干扰等等。此类干扰幅值较大，是电力线噪声的主要来 源。 l 、噪声波形及频谱分析 采用图3 - 6 所示噪声测量装置，对河北大学电信学院实验楼电力线噪声进行测量。 图中，高通耦合器的高通下限截至频率约为1 0 k h z ，所用数字示波器最大实时采样率 为1 g s s 。 至：茎兰：! ：! i = 生耋丝彗些垒 岛霉磐p c 吲3 - 6 嘴洲斌i e 站示意l 刻 一 潞科蝗纣稿器粕瓣郦 圈曩骶= 司蕊醪孵啊 幽3 - 7 骶，f ：l u 力线嗡声千扰波形 罔3 7 给出了 o o m s i d 录k 度的噪声时域波形。剖一i | n 奠精：l ：，记录波形中e , j j 显 含柯阿种脉冲嵘卢：一种是周期为1 0 0h z ( i ! | j 【问m 隔为l o r e s ) 的心艄性j 昧冲噪声，此 嵘声的郴值较高，j 上棚邻的峰值反柑，这是于该6 jj 田性脉冲峨卢依次在工频l u 压的澈 _ 羊“漱钟点i 】见l d 盘成的：另种为l ； | 机j i 4 ：冲噪声，无田定的时i i i j 删晡，萁幅值札j 对 较低o i 是 续i i , j | l , l j 较长。以i 二所小两种脉冲噪声的存桠，特严m 恶化通f 占h 、境，降低 俄0 1 输晌_ 靠性。 为了j 2 i = 步对十扰l 啭j i j 折占 ； 宽及噪声蛳应边 j 分析，我们对i o k i i l m i i z 频带内 帕哟声频谱进仃了测蝻。嵘声频带们测睦利j f j 了r i g o l 公r q 的s d - 5 0 2 2 m 型示波器， s i ) 5 0 2 2 n ijl t i i ：i ：t 频谱分折功能能准确分折所测波形的频阱，_ 卜l 斜足罔3 7 所永噪声 波j f ；的顿辩分析结粜。 嘲3 - 8i u 力线l i = 的噪声频谱特性 从闺q 1 可以看出噪声带宽在较大范 f 内变化、频| 晋复杂，在小于l o o k h z f l 低频段 附近噪声幅值较大：随着频率的增加，噪声的幅值迅速减小；在1 0 0 k h z - 5 0 0 k h z 频率范 l j 内，噪卢丛本为l = l 噪声；i 司i r , f 还可以看出噪声频谱存在报强的突变性。山此可见，电 力线噪声功率主要集中在1 5 0 k h z 以f 的低频段。 2 、嵘声种类分析 山以上分析知，m 于电力线负载种类最多，雨而不能将它们产生的噪声简单帕归结 为：! | f j 性高斯白噪声，而应根掂不同的噪声源具体分析。通常将电力线峨j “归结为以r 5 娄1 1 2 m 6 ： ( ”背景噪声 i i 搬多小功牢的噪卢源叠加产生共有十n 对较低的功率谱密度功牢带密度随频率 的j 杵加而降低刚齄n , j l ；i l 变化缓慢。 ( 2 ) 窄带噪声 多为调幅正弦信号，主要 l 巾短波广播信号的干扰耐产生。它通常随糟白天与夜晚 而不同夜晚一般比白天幅度商。 ( 3 ) 周期脉冲噪声( 与电网频率不同步) 这种噪声主要由开戈电源产生大部分按5 0 k h z 一2 0 0 k l i z , 颖率重复，在频域上是 些离敞i - 。 ( 4 ) 周期脉冲噪声( 与电网频率同步) 主要出与电刚同步的电源开关( 可控硅器件工作时) 产生麟声频率与f 乜网频率同 步，重复周j i i l 是5 0 h z 或1 0 0 i z 它的持续时间短( 几微秒) 。 第3 章低爪p i ，c 信道特件 i j l 冗 。( 5 ) 异步脉冲噪声 由电网设备的开关瞬间产生，持续时问从几微秒至几毫秒，到达时间随机，功率谱 密度有时会高出背景噪声5 0 d b 。 3 4 负载对信道衰减特性的影响 前面的研究过程中发现，在负载不变的条件下，信号衰减会随负载接入距离和接入 位置的不同而变化。为此，在前面研究内容的基础上，对负载接入距离和接入位置对信 号的哀减问题进行了进一步实验分析。 3 4 1 负载接入距离对信号衰减的影响 负载接入距离对信号衰减影响的测量电路示意图如图3 - 9 所示。其中，负载为一 台电脑；y 。( 2 0 m ) 、y ：( 3 0 m ) 分别是信号源到负载和负载到示波器的信号传输距离；x ( 2 m ) 是负载到电力线的接入距离( 负载电源线长度) 。测量信号频率范围是3 0 k h z 5 0 0 k h z 。 2 2 0 v 电力线 信号传输距离 言号i 负荷接入距离j 负载 示波 图3 - 9 接入距离对衰减的影响测量图 图3 1 0 是根据测量结果绘制的负载接入距离与信号衰减的关系曲线图。分析测量 结果，可以得到以下结论： ( 1 ) 整体看，信号衰减随负载接入距离的增大而减小。随着接入距离的增大，接 入线上分布电感作用增强，接入线阻抗增大，从而使得信号在负载接入处的损耗减小。 ( 2 ) 但是，如前面所述情况，由于负载阻抗与接入线特性阻抗不匹配会造成信号 反射。在某些接入距离条件下，反射信号与原信号反相位叠加，将出现与上面所述相反 的情况。 ( 3 ) 在接入线长度较短的情况下，其本身的阻抗可以忽略不计。此时信号衰减主 1 5 - i ：i l 火学 i 学硕十学何沦文 墨皇曼皇曼曼鼍m i l l i ib i 曼皇曼曼曼曼舅曼皇曼曼曼舅曼曼蔓曼舅 要受负载的影响，随频率的增大而增大；当接入线长度不可忽略时，随着信号频率增大， 接入线感抗z ，= m ，增大，负载对信号衰减的影响减小。 铂 蹙 _ c ，一 厶一日上 k1也吐一 i 二。_ 卜硝 l 一譬：量辱至f = 乏一= = = 芒三； k搠巨量至弓筐搴三 三写芦 j芒s 。= 一 彤 、爿 互 剥， z涝 3 籀彤 新 1 o51 01 52 02 53 03 54 0 接入零巨离m o 一3 0 k h z l4 0 k h z 扣5 0 k h z * 7 0 k h z * 一1 0 0 k h z 一1 5 0 k h z 十2 0 0 k h z 一2 5 0 k h z + 3 0 0 k h z 十3 5 0 k h z d d o o k h z 卜4 5 0 k h z ，r 一5 0 0 k h z 图3 - l o 负载接入距离对信号衰减的影响 3 4 。2负载接入位置对信号衰减的影响 图3 1l 是负载接入位置对信号衰减影响的测量示意图。其中y l 为负载到信号源的 距离，y 2 为负载到示波器的距离，r 表示信号源内阻，z ，z ，：表示电力线自身阻抗， z ( ，为负载，乙为接收端被测电阻( 5 1 0 f 2 ) ，v 为信号开路输出电压，k ，k 为被测电 压。由于信号传输距离相对于信号波长很小，所以只采用集中参数描述。测量结果如图 3 1 2 所示。 信号源 图3 1l负载接入位置对信号衰减影响的测量电路 1 6 ， 一q叫t吨q叼q q 第3 章低乐p l c 信道特性研究 i敏一一l 【督 l ，一卜_ 卜- 一i 一 l _氐0d t ，i 。 i r 一! ： 1l 鼍 一_o ) 列 、 05 01 0 0 1 5 02 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 s 0 0 5 5 0 频率l l o t z 鲁一y l = o 5 m ，y 2 = 5 0 m - 一y l = l o m y 2 = 4 0 m 一y l = 2 0 m ，y 2 = 3 0 m 扣y l = 3 0 m ，y 2 = 2 0 m 争一y 1 = 4 0 m ，y 2 = l o m 一一v 1 = 5 0 mv 2 ：05 m 图3 - i2负载接入位置对信号衰减的影响 ( 1 ) 由图3 1 l 可以看出，负载接入位置对信号衰减影响很大。负载靠近发送端时 信号衰减减小；靠近接收端时衰减增大。但由于负载对信号的反射作用以及接收端阻抗 的影响，负载接入位置与信号衰减并不成简单的线性关系。 分析测量电路， z ( ( z 坨+ z ，) 纠兹 1 1 ) 哆= 毫 将( 3 1 1 ) 代入( 3 1 2 ) 中可得： z 【t zr 2 +