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的實用化成為可能。如何進一步提高在電力線的通信性能，實現(xiàn)高速、可靠的長距離通信，依賴于對通信信道特性的準確把握。電力線通信信道環(huán)境的惡劣，使得對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，其中各種干擾的時變性、隨機性等特點，使得建立其通用的精確模型困難很大。一般都是通過對電力線進行大量參數(shù)測定后，根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，參照無線通信的信道分析建模方法，給出特定環(huán)境下的相對模型。本文在對電力線噪聲進行分類討論后，對三種主要噪聲給出較為準確的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計模型。

1 電力線通信信道特點
    由于低壓電力線主要任務(wù)是在短距離內(nèi)對50／60 Hz電能實行分配，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。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，會給電力線上傳送的信號帶來災(zāi)難性的干擾。
    (2)電力網(wǎng)絡(luò)上的阻抗隨負載的變化而會有大幅度的變化，且具有較強的時變性。
    (3)由于存在較強的衰減特性，使得電力線上的各個節(jié)點表現(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、信號電平衰減劇烈等。所以在對低壓電力線通信信道建模時需要考慮噪聲、阻抗和衰減三方面。本文將主要對噪聲特性進行分析與討論。

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，是一種隨時間緩慢變化的隨機干擾，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擾，其強度在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)的周期性的開閉動作產(chǎn)生，其功率譜為離散的譜線。重復率在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，重復率為50 Hz或100 Hz。持續(xù)時間很短，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)上負載的開關(guān)操作會產(chǎn)生脈沖噪聲，每個脈沖噪聲都會影響很寬的頻帶。脈沖噪聲的功率譜密度有時會比背景噪聲高出50 dB。
2．2 噪聲測量
    低壓電力線信道噪聲測試的框圖如圖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)并存儲后再傳輸至PC機進行譜分析。耦合網(wǎng)絡(luò)主要有兩個作用：一是使測試儀器與220 V的強電隔離，保證測試設(shè)備的安全；二是耦合網(wǎng)絡(luò)中的濾波器對測試頻段外的噪聲進行濾波，減少干擾。

2．3 噪聲分析
    電力線噪聲分布與時間、地點及負載等密切相關(guān)，各噪聲間相互獨立。根據(jù)對低壓信道噪聲數(shù)據(jù)時域和頻域數(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。
    (1)背景噪聲
    如上所述，背景噪聲包括有色噪聲和窄帶噪聲。背景噪聲的主要特性是低功率的噪聲源，隨頻率的增大而減小，通?？杀３謳酌牖驇追昼?，有時甚至幾小時不變。其在不同頻段的功率譜密度也隨一定時間保持穩(wěn)定。又稱為穩(wěn)態(tài)的背景噪聲。通常晚上的背景噪聲比白天大，圖3為白天和晚上所測背景噪聲時域波形與功率譜。

    圖3(a)和(b)為在白天和晚上的噪聲時域采樣波形，(c)為白天、晚上噪聲PSD的比較。晚上的有色背景噪聲和窄帶干擾PSD比白天高出約5～15 dB。背景噪聲晚上較高的可能原因是晚上用電負載的增加。
    (2)脈沖噪聲
    脈沖噪聲是隨時間(以ms或μs級計)變化而變化，功率譜密度較高，在數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)錯誤主要就是由脈沖噪聲引起，尤其是突發(fā)性脈沖噪聲。由于突發(fā)性脈沖噪聲是一隨機事件，故其特性可用隨機變量來描述。典型的突發(fā)性脈沖噪聲是因開關(guān)瞬態(tài)而引起的。這些脈沖的波形類似于衰減正弦波或重疊的衰減正弦波。

3 噪聲模型
    如上所分析，用仿真方法對電力線通信信道內(nèi)的噪聲建模，我們可根據(jù)各種噪聲間相互獨立的原理對其中主要的三種噪聲分別建模：背景噪聲、突發(fā)性脈沖噪聲和周期性脈沖噪聲。
3．1 背景噪聲
3．1．1 有色背景噪聲
    按圖4用白噪聲源經(jīng)過濾波生成，噪聲整形濾波器可用傳遞函數(shù)(Z變換)來描述：

    式中，函數(shù)的分子部分B(Z)表示的是移動平均(MA)部分，其分母A(Z)表示的是自回歸(AR)部分。模型參數(shù)由噪聲源的方差σ2和濾波器系數(shù)組成。通過使用AR處理模型，即：B(Z)=1，參數(shù)可以用Burg算法得到。由于有色背景噪聲的功率譜密度隨時間的變化很慢，所以一般只有在改變模擬的噪聲環(huán)境時，該參數(shù)才需要變更。
3．1．2 窄帶噪聲
    窄帶噪聲可通過如下N個獨立的正弦函數(shù)疊加來描述：

   
    幅度與頻率由統(tǒng)計結(jié)果得出，相位隨機。式中，fi為每個載波的頻率；Ai(t)為幅度；ψi為相位。
3．2 突發(fā)性脈沖噪聲
    根據(jù)觀察，多數(shù)脈沖的包絡(luò)呈三角形且脈沖的下降較上升沿長，因此仿真中利用三角形包絡(luò)的正弦波模擬單個脈沖。而且通過前面對突發(fā)性脈沖噪聲的功率譜的分析，可以考慮脈沖噪聲可以用疊加衰減的正弦波來描述它。通過對計算脈沖噪聲功率譜可以分析得到構(gòu)成脈沖噪聲的主要正弦波頻率及它們的幅度比，再用這些疊加的正弦波乘以包絡(luò)，最后在疊加上背景噪聲便得到其時域模型。圖5是仿真結(jié)果，可以看出模型在時域上和原數(shù)據(jù)吻合度較好。由于該模型是通過頻域分析來建立的，其在頻域上也能很好的反應(yīng)突發(fā)性脈沖噪聲的特點。

3．3 周期性脈沖噪聲
    對周期性脈沖噪聲進行時域建模。根據(jù)觀察，多數(shù)脈沖的包絡(luò)呈三角形且脈沖的下降沿較上升沿長，因此仿真中利用三角形包絡(luò)的正弦波模擬單個脈沖。正弦波的頻率和幅值以及脈沖出現(xiàn)的周期由對大量測量結(jié)果的統(tǒng)計得到。噪聲模型為將脈沖模型與背景噪聲模型疊加的結(jié)果。其具體建模方法大體上與突發(fā)性脈沖噪聲的建模方法相同。圖6給出仿真結(jié)果，從結(jié)果可以看出模型較好地描述了時域和頻域特性。實踐證明通過以上方法所建立的噪聲模型在時域上和頻域上都能較好地模擬低壓電力線噪聲。

4 結(jié)論
    本文在對電力線信道進行簡要討論后，對電力線噪聲進行了詳細的分類討論，對主要干擾電力線通信的背景噪聲、突發(fā)性脈沖噪聲和周期性脈沖噪聲，給出了根據(jù)試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)得出的模型。但由于電力線干擾的時變性、隨機性等的特點，上述模型的精確性還依賴于特定的試驗環(huán)境，對模型的進一步優(yōu)化還有待更多試驗數(shù)據(jù)的獲取。