电力线信道噪声特性分析

电力线通信(Powerlinecommunications，PLC)是以电力线作为通信媒介的一种通信方式。电力线从来就不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC的实用化成为可能。如何进一步提高在电力线的通信性能，实现高速、可靠的长距离通信，依赖于对通信信道特性的准确把握。电力线通信信道环境的恶劣，使得对其信道模型的建立显得更为重要。由于电力线是非专用通信线路，其中各种干扰的时变性、随机性等特点，使得建立其通用的精确模型困难很大。一般都是通过对电力线进行大量参数测定后，根据统计数据，参照无线通信的信道分析建模方法，给出特定环境下的相对模型。本文在对电力线噪声进行分类讨论后，对三种主要噪声给出较为准确的试验数据统计模型。
　　
1电力线通信信道特点
　　
由于低压电力线主要任务是在短距离内对50／60Hz电能实行分配，故与专用的通信线路相比，其信道环境极为恶劣。主要有：
　　
(1)在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备，特别是陈旧的和有质量缺陷的电器，会给电力线上传送的信号带来灾难性的干扰。
　　
(2)电力网络上的阻抗随负载的变化而会有大幅度的变化，且具有较强的时变性。
　　
(3)由于存在较强的衰减特性，使得电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同。
　　
影响电力线通信可靠性的主要因素有：噪声电平高、阻抗变化大、信号电平衰减剧烈等。所以在对低压电力线通信信道建模时需要考虑噪声、阻抗和衰减三方面。本文将主要对噪声特性进行分析与讨论。
　　
2电力线噪声及其分布
　　
电力线上的噪声源分为非人为噪声和人为噪声。非人为噪声是自然现象所引起的，如雷电在电力线上引起的噪声；人为噪声来自各种电器、机电产品和电力线自身引起，电力线的主要噪声并不是加性白高斯噪声，基本特性是极短的时间周期内都可能发生变化。
　　
2．1噪声分类
　　
低压电力线上的噪声一般划分为5种类型，其功率谱分别如图1中所示。


(1)有色背景噪声
　　
由电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度(PSD)随频率增加而减小。
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(2)窄带噪声
　　
这是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其强度在24h内变化不定。一般情况下，由于电离层的反射，夜间干扰比较严重，而白天的干扰却较小。
　　
(3)与工频异步的周期性脉冲噪声
　　
通常由大功率电器设备开关的周期性的开闭动作产生，其功率谱为离散的谱线。重复率在50～200kHz范围内。
　　
(4)与工频同步的周期性脉冲噪声
　　
主要是电力设备按50Hz频率工作产生的脉冲，重复率为50Hz或100Hz。持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。
　　
(5)突发性脉冲噪声
　　
闪电或网络上负载的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出50dB。
　　
2．2噪声测量
　　
低压电力线信道噪声测试的框图如图2所示。电力线噪声通过耦合网络耦合至示波器，示波器获取噪声数据并存储后再传输至PC机进行谱分析。耦合网络主要有两个作用：一是使测试仪器与220V的强电隔离，保证测试设备的安全；二是耦合网络中的滤波器对测试频段外的噪声进行滤波，减少干扰。


2．3噪声分析
　　
电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立。根据对低压信道噪声数据时域和频域数据的分析，这里我们把电力线上的噪声分成三类来分析，其分别是：背景噪声、突发性脉冲噪声和周期性脉冲噪声。
　　
(1)背景噪声
　　
如上所述，背景噪声包括有色噪声和窄带噪声。背景噪声的主要特性是低功率的噪声源，随频率的增大而减小，通常可保持几秒或几分钟，有时甚至几小时不变。其在不同频段的功率谱密度也随一定时间保持稳定。又称为稳态的背景噪声。通常晚上的背景噪声比白天大，图3为白天和晚上所测背景噪声时域波形与功率谱。
　　
图3(a)和(b)为在白天和晚上的噪声时域采样波形，(c)为白天、晚上噪声PSD的比较。晚上的有色背景噪声和窄带干扰PSD比白天高出约5～15dB。背景噪声晚上较高的可能原因是晚上用电负载的增加。


(2)脉冲噪声
　　
脉冲噪声是随时间(以ms或μs级计)变化而变化，功率谱密度较高，在数据传输中出现错误主要就是由脉冲噪声引起，尤其是突发性脉冲噪声。由于突发性脉冲噪声是一随机事件，故其特性可用随机变量来描述。典型的突发性脉冲噪声是因开关瞬态而引起的。这些脉冲的波形类似于衰减正弦波或重叠的衰减正弦波。