信號在電力線上傳輸應用中特性的研究

　　 

    摘要：隨著電子技術和網絡技術的發展，運用電力線作為載體進行信號傳輸受到人們越來越多的重視，得到了越來越廣泛的應用。在電力載波技術的應用中，信號干擾和衰減是影響信號傳輸的重要原因。

首先介紹了應用電力線傳輸信號的意義、原理和干擾信號的來源，分析了用電力線傳輸信號的一些特點，給出了測量信號衰減的方法，并對實驗結果進行了分析，然后提出了抗干擾和抗衰減的方案設計，并對信號干擾和衰減的特性進行了分析和總結，對用電力載波方式進行傳輸信號的應用具有很好的參考和實用價值。

    關鍵詞：電力線；載波；信號干擾；信號衰減；放大電路

    TheCharacteristicStudyabout Signal Transmission

    ApplicationinPowerline

    LIGenwang，ZHAOFuhai

    (The27thInstitute,ElectronicScience and Technology Group

    CorporationofChina, Zhengzhou,450005,China)

    Abstract：Alongwithelectronictechnology and network technology′s development,signal t ransmission in powerline is regarded more and more by people,is appli ed more and more widely?In powerline carrier wave application,signal disturbing and signal attenuation is the important reason of effecting signal tr ansmission?The 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 attenuation?It has the value of reference and practicality about signal transmission application in powerline

    Keywords：powerline;carrierwave;signaldisturbing;signalattenuation;enlarge circuit

    1引言

    電力載波技術，是指利用電力線傳輸數據和話音、圖像信號的一種通信技術方式，他是將低壓控制信號加載到電力線上傳送到電力網的各個位置，合理地利用了電力線的網絡資源。以前該技術只作為長距離調度的通信手段，隨著信息技術的飛速發展，利用220V低壓電力線傳輸高速數據的價值越來越為人們所重視，因為他具有不用布線、覆蓋范圍廣、連接方便、功能靈活、安裝便捷、擴展容易的顯著特點，被認為是提供“最后一公里”解決方案最具競爭力的技術之一［1］。

    當前，隨著我國電子技術和網絡技術的發展，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進行通信的例子越來越多，如載波電話、家庭智能控制、小區物業管理、安防報警等等。在我國很多地方已經可以通過電力線上Internet網并取得了良好的效果，預計在未來數年，隨著技術的發展，使用者可以通過電力連線，輕松地將計算機、各種電子裝置、安全系統和家電串連成家庭網絡。

    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開發的產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噪聲比較大。這是由于我國的電網波動較大，同時接入的干擾噪聲較多并且沒有進行較好的抑制。電力線上的高削減、高噪聲、高變形使得電力線成為一個不理想的通信媒介。

    2干擾來源分析和電力線通信特點

    電力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限制。首先配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區域內傳送。同時三相電力線間有很大信號損失（10~30dB）。通訊距離很近時，不同相間可能會收到信號。但是一般電力載波信號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生干擾的主要原因。從技術角度而言，利用電力線作為傳輸媒介，主要存在著以下幾個干擾因素。

    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50Hz和60Hz，則周期為20ms和16.7 ms。在每一交流周期中，出現兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，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，對載波信號影響很大，不僅會造成信號誤碼率升高，而且可能使接收設備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統的工作。

    信號衰減和阻抗變化電力線對載波信號造成高削減，低壓電力網載波信號的衰減通常很大，可達60dB以上，而且衰減值要受到電力網上負載變化的影響，隨著信號頻率而變化。如冰箱的啟動使得電力線阻抗可從0.1Ω變到100Ω，信號衰減從55 dB到100 dB。

    持續諧波干擾電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設備經常頻繁開閉，就會給電力線上帶來各種噪聲干擾。如開關電源產生的主諧波頻率在50kHz以上，處于載波信號的頻率范圍。特別隨著家用微機的普及，大量的劣質開關電源使得電網受到嚴重污染。

    電力線引起數據信號變形電力線是一個分布參數的網絡，不同地點對數據信號影響不一樣，同時電力線時刻都在動態變化，不同時間對數據信號影響也不一樣，這就使發出的數據信號經過電力線后，接收到的信號是嚴重變形、參差不齊的信號。

    綜上所述，電力線并不是一個理想的通信媒介，但由于現代化通訊技術的發展，使電力線載波通訊成為現實，其中數據信號的信噪比決定了傳輸距離的遠近。電力線載波通訊的關鍵就是采用功能強大的電力線載波專用Modem芯片并對干擾信號采取抗干擾和濾波措施。

    3信號衰減分析

    低壓電力線上的信號衰減特性和干擾特性非常復雜，而且隨機性、時變性大，難以找到一個較為準確的解析式或數學模型加以描述，這也是為什么一直以來對低壓電力線載波信號傳輸特性的分析多是以定性分析和實驗數據測試分析為主的原因，即使有些學者提出了一些模型，這些模型也往往是附加了許多假設和限制，因而也是不準確的或適用面很窄［2］。我們在載波產品開發過程中，運用以下方式測試干擾特性并采取抗干擾措施取得了良好的效果。

    (1)信號測量方法

    為了測量低壓電力網的衰減特性，使用圖2所示的實驗裝置。通過圖1的信號處理器產生一個正弦信號，經過放大后，通過線性耦合網絡接入低壓電力網絡。信號經過低壓電力網后，接收端將同時收到信號與噪聲，這兩種電平經過一個與發射端相同的線性耦合網絡，加到一個阻性負載上，并用一臺數字示波器測量其值。

    (2)實驗結果分析

    經過實際測量，低壓電力網的衰減特性是非常復雜和變化的。在同一電力網中的不同地方，甚至在同一個地方的不同時間段，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。

    測量到的一組數據如表1所示。

    通過實驗可以總結出衰減特性的一般規律：

    ①同相衰減一般小于跨相衰減，但在一定頻率點上有例外。

    ②當頻率上升時，信號衰減隨之明顯增大，但這種增大并不是單調的。

    ③電力網上的電力負載將極大地影響載波信號的衰減。由于負載情況隨著時間發生變化，因此在給定的頻率點上衰減也會隨著時間變化，其變化范圍可高達30dB。

    ④低壓電力網通信信號的衰減特性很難建立準確的數學模型，也不能用簡單的數學公式來表達,他更適合于用統計的方法來進行分析計算。

    4抗干擾和衰減方案設計

    為解決干擾問題，在產品設計中采取了以下措施，首先在系統接口處采用新型的耦合器，該耦合器不僅能增強發送信號，更重要的是進行濾波；同時在設計時把發射端功率增大，提高信號的發射功率；在接收端提高信號靈敏度，使信號經衰減后，信噪比仍能達到一定的要求；最后在信號接收后采用軟件濾波方式把有用信號提取出來。

    (1)電力線上的許多負載對信號衰減影響很大。尤其是那些用于調整電網功率團數的大電容，對幾百kHz的載波信號來說，相當于短路［3］。理論上，可以將耦合器的內阻做得相當小，這樣衰減就主要決定于線路的衰減。

    通過實驗可以總結出衰減特性的一般規律：

    ①同相衰減一般小于跨相衰減，但在一定頻率點上有例外。

    ②當頻率上升時，信號衰減隨之明顯增大，但這種增大并不是單調的。

    ③電力網上的電力負載將極大地影響載波信號的衰減。由于負載情況隨著時間發生變化，因此在給定的頻率點上衰減也會隨著時間變化，其變化范圍可高達30dB。

    ④低壓電力網通信信號的衰減特性很難建立準確的數學模型，也不能用簡單的數學公式來表達,他更適合于用統計的方法來進行分析計算。

    4抗干擾和衰減方案設計

    為解決干擾問題，在產品設計中采取了以下措施，首先在系統接口處采用新型的耦合器，該耦合器不僅能增強發送信號，更重要的是進行濾波；同時在設計時把發射端功率增大，提高信號的發射功率；在接收端提高信號靈敏度，使信號經衰減后，信噪比仍能達到一定的要求；最后在信號接收后采用軟件濾波方式把有用信號提取出來。

    (1)電力線上的許多負載對信號衰減影響很大。尤其是那些用于調整電網功率團數的大電容，對幾百kHz的載波信號來說，相當于短路［3］。理論上，可以將耦合器的內阻做得相當小，這樣衰減就主要決定于線路的衰減。

    (3)接收模塊設計

    接收電路采用運算放大器對信號進行放大，通過帶通濾波器提取有用信號，提高信號的信噪比。

    在接收系統中，接收器的接收靈敏度設計為自適應方式，使其能根據電力網衰減的情況自動進行調整，以保證良好的通信質量。同時在各個相線之間接上耦合電容，以擴大通信信號的覆蓋面，提高跨相傳輸距離，同時又改變了電力系統的功率品質因數。

    (4)軟件濾波技術

    如果傳送的信號距離較遠，由于電力線上的干擾較多，一些隨機干擾仍然可以進入信號處理器內部，這時候可以用數字濾波方法予于削弱或濾除。所謂數字濾波方法，就是通過程序計算或判斷來減少干擾在有用信號中的比重［4］。

    在應用中采用如下措施：信號在發送端3次接連發送，在接收端取中值接收，然后進行數據校驗。采用這種方式取得了較好的效果。

    5結語

    低壓電力載波通信信號的干擾和衰減總體上雖有一定的統計規律，但由于電力網負載的多樣性、復雜性和時變性，其具體變化細節難于準確預測，不能以簡單的數學公式來描述。我們在集中抄表系統和智能家居網絡控制系統的應用中通過采取以上一些措施取得了比較好的效果。隨著技術的進一步發展，隨著電力線抗干擾技術的成熟，我國的低壓電力線載波通信技術一定會得到越來越廣泛的應用。

    參考文獻

    ［1］陳維千.電力線載波通信［M］.北京：水利電力出版社，1989.

    ［2］謝飛，熊立翔，楊士中.低壓電力網載波通信信號衰減特性的研究［J］.電子技術應用，1998，(1)：36-37.

    ［3］馬學文，朱名日.X10在智能家居應用中干擾問題的研究［J］.今日電子，2004，(5)：55-56.

    ［4］李朝青.單片機原理及接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1999.

    作者：李根旺，趙富海

原文轉自：http://www.kjueaiud.com