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(jìn)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(shí)用化成為可能。如何進(jìn)一步提高在電力線的通信性能，實(shí)現(xiàn)高速、可靠的長距離通信，依賴于對(duì)通信信道特性的準(zhǔn)確把握。電力線通信信道環(huán)境的惡劣，使得對(duì)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(shí)變性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，使得建立其通用的精確模型困難很大。一般都是通過對(duì)電力線進(jìn)行大量參數(shù)測(cè)定后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)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(duì)模型。本文在對(duì)電力線噪聲進(jìn)行分類討論后，對(duì)三種主要噪聲給出較為準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模型。

1 電力線通信信道特點(diǎn)
由于低壓電力線主要任務(wù)是在短距離內(nèi)對(duì)50／60 Hz電能實(shí)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(hào)。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(huì)給電力線上傳送的信號(hào)帶來災(zāi)難性的干擾。
(2)電力網(wǎng)絡(luò)上的阻抗隨負(fù)載的變化而會(huì)有大幅度的變化，且具有較強(qiáng)的時(shí)變性。
(3)由于存在較強(qiáng)的衰減特性，使得電力線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)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(hào)電平衰減劇烈等。所以在對(duì)低壓電力線通信信道建模時(shí)需要考慮噪聲、阻抗和衰減三方面。本文將主要對(duì)噪聲特性進(jìn)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(jī)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(shí)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(shí)間緩慢變化的隨機(jī)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?dāng)_，其強(qiáng)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(yán)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(dòng)作產(chǎn)生，其功率譜為離散的譜線。重復(fù)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(fù)率為50 Hz或100 Hz。持續(xù)時(shí)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(fù)載的開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生脈沖噪聲，每個(gè)脈沖噪聲都會(huì)影響很寬的頻帶。脈沖噪聲的功率譜密度有時(shí)會(huì)比背景噪聲高出50 dB。
2．2 噪聲測(cè)量
低壓電力線信道噪聲測(cè)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(chǔ)后再傳輸至PC機(jī)進(jìn)行譜分析。耦合網(wǎng)絡(luò)主要有兩個(gè)作用：一是使測(cè)試儀器與220 V的強(qiáng)電隔離，保證測(cè)試設(shè)備的安全；二是耦合網(wǎng)絡(luò)中的濾波器對(duì)測(cè)試頻段外的噪聲進(jìn)行濾波，減少干擾。

2．3 噪聲分析
電力線噪聲分布與時(shí)間、地點(diǎn)及負(fù)載等密切相關(guān)，各噪聲間相互獨(dú)立。根據(jù)對(duì)低壓信道噪聲數(shù)據(jù)時(shí)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。