电力载波通讯抗干扰措施

电力载波通讯抗干扰措施
电力线载波通讯（PLC）是电力系统特有的、基本的通讯方式，它是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。用电力线作为网络接进方案，可利用已有的电力配电网络进行通讯，不需要重新布线，且电力线网络分布广泛，接进方便，多用户能够共享宽带，因此，PLC宽带接进技术具有得天独厚的上风，它也成为解决宽带网络“最后1公里”题目最具竞争力的技术之一。

　　但是，低压电力线并不是专门用来传输通讯数据的。它的拓扑结构和物理特性都与传统的通讯传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等不同。它在传输通讯信号时信道特性相当复杂，负载多，噪声干扰强，信道衰减大，信道延时，通讯环境相当恶劣。本文主要对低压电力线通讯信道的载波传输特性进行了系统的分析，提出了对信号干扰题目的两种解决方法，分别可以采用OFDM和扩频通讯两种技术来克服信道中的干扰题目，而且也扼要地先容了我国现代低压电力线载波通讯的发展现状。

1 信道特性分析

　　低压电力线是给用电设备传送 50Hz 电能的，利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通讯设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通讯的要求。低压电力线信道的通讯环境恶劣，存在变化的阻抗，不可猜测的噪声干扰，强烈的信号干扰，强烈的信号衰减，这些都是有信道本身的特性决定的，因此，需要对信道特性进行具体的分析。

1.1 阻抗特性分析

　　为了使耦合到电力线上的发射信号功率最大，载波机的输出阻抗应该与电力线上接受机的输进阻抗相匹配。由于电网上有大量的电力负载和电力设备（如无功补偿电容等）随机的接进、切出，这些器件对载波信号的衰减非常严重，其高频等效阻抗变化范围很大，有时小于0.1Ω，有时候忽然增大到几十欧姆。这就使其信号衰减值严重时会达到100dB以上，很难做到输进阻抗的匹配，因此，在设计载波发射机时，难以保证载波机的输出阻抗和电力线的输进阻抗相匹配，从而给通讯系统设计带来一定的困难。另外当电力线路负载严重时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它也会分往相当一部分功率。图1（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期）用对数绘出了实测的输进阻抗与频率的关系数据。

1.2 噪声分析

　　分析高频信号在低压电力线上传输时，由于不同的原因会出现多种衰减。信号衰减主要有两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，可以将耦合器的内阻做得相当小，所以衰减就主要决定于线路衰减。实验表明，信号的衰减是间隔的函数，一般为40～100dB/km。在农村电网衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m大约20dB；在郊区，250m也能够达到20dB；但在产业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。

　　电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。等幅振荡波干扰源包括有意干扰和无意干扰两种。两者的工作频率在50kHz～300kHz之间，这些频率正好是大多数载波信号的频率范围，因而这种干扰所占的比重也较高。我们分别对不同地域（城市、产业区、乡村）做了大量实验，结论是可以用干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型来克服电力线的噪声。低压电力线路的背景噪声主要来源于以下几个方面：

(1) 与50Hz电网电压频率同步的噪声。一般是由工作在工频的开关器件产生的，如可控硅(SCR)器件，其频率成分是50Hz及其各次谐波。

(2) 白噪声。有负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如电动机产生的干扰；

(3) （3）脉冲噪声。主要有某些电器忽然开关造成的，以及从高压输电变压器感应过来的噪音，特点是频谱款、时间短。

(4) 周期性噪声。如电视机的行频及各次谐波。

　　背景噪声是典型离散高斯型的，它对载波通讯系统影响较稳定。其余的是脉冲噪声，它对通讯系统可以产生突发性影响引起瞬间的高误码率，甚至造成通讯中断。在这两种噪声中，对载波通讯系统产生主要影响的是脉冲噪声。由于我国对电器上网的电磁兼容性没有欧美国家控制的严格，因此我国电力网的衰减和干扰要比欧美严重得多。通过前面对低压电力线载波信道传输特性的分析可以看出，低压电力线载波通讯的客观环境是非常恶劣的，要达到稳定通讯的效果，必须采用先进的技术手段来克服这些困难。

2 扩频通讯技术和OFDM技术

　　扩频通讯技术和OFDM技术是近几年得到快速发展的数字通讯技术，两者都具有抗干扰能力强，通讯速率高的优点，对于以低压电力线为传输媒介的场合是较好的通讯手段。然而由于它们的调制原理不同，在实际应用中又存在差异。

2.1 扩频通讯原理

　　我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽。例如语音信息的带宽大约为20Hz～20kHz,普通电视图像信息带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽，即使在普通的调频通讯上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都采用了窄带带宽。

　　扩频通讯属于宽带通讯技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。我们用信息论和抗干扰理论来解释。根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式

式中 C——信息的传输速率

S——有用信号功率

W——频带宽度

N——噪声功率

　　由式中可以看出，为了进步信息的传输速率C，可以从两种途径实现，即加大带宽W或进步信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，答应信噪比进一步降低，使有用信号功率在接近噪声功率甚至沉没在噪声之下也有可能检测出来。扩频通讯就是用带宽传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通讯的基本思想和理论依据。

　　扩频通讯系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接受端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大进步了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽ΔF之比称为处理增益GP，即 GP =W/ΔF，它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频通讯的其它一些性能也大都与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要新能指标。系统的抗干扰容限MJ定义如下：
式中(S/N)O为输出真个信噪比；LS为系统损耗。

　　由此可见，抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比，扩频处理增益增高后，抗干扰容限大大进步。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的沉没中提取出来，在目前常用的通讯系统中，扩频通讯是唯一能够工作在负信噪比条件下的通讯方式。通常的扩频通讯设备总是将用户信息（待传输信息）的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，已尽可能地进步处理增益。

2.2 正交频分复用（OFDM）技术

　　OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成很多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又进步了频谱利用率。

OFDM 技术的优点如下：

（1）频带利用率高

（2）抗频率选择性衰落和窄带干扰性能好

（3）传输速度快

(4) 抗多径干扰能力强

(5) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法

　　OFDM技术的推出实在是为了进步载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，进步数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

　　正交频分复用（OFDM）技术是把高速信息传送数据流分解成若干个子信息流，用低速数据流调制若干个子载波。通过串并转化分别调制在N个子载波上 ,其关系见式[（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期]

　　同理，在接受端可以通过离散付氏变换获得原信号序列。利用数字信号处理技术，采用DSP器件，由快速付氏变换和反变换来实现OFDM，其结构见图（2）（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期）。

　　通过对上面两者的比较，扩频通讯的功率比较低，而OFDM的功率谱重叠，其调制效率比较高。一般来说，1Mbps量级场合多采用扩频通讯方式，对于超过10Mbps的场合，采用OFDM方式为宜，多载波正交频分（OFDM）复用将是解决传输频带利用的有效方法。