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(lái)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(zhǎng)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(guò)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(wú)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(lái)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(lái)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(kāi)關(guān)的周期性的開(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)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(shí)甚至幾小時(shí)不變。其在不同頻段的功率譜密度也隨一定時(shí)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(cè)背景噪聲時(shí)域波形與功率譜。

    圖3(a)和(b)為在白天和晚上的噪聲時(shí)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(fù)載的增加。
    (2)脈沖噪聲
    脈沖噪聲是隨時(shí)間(以ms或μs級(jí)計(jì))變化而變化，功率譜密度較高，在數(shù)據(jù)傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)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(jī)事件，故其特性可用隨機(jī)變量來(lái)描述。典型的突發(fā)性脈沖噪聲是因開(kāi)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(duì)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(dú)立的原理對(duì)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(guò)濾波生成，噪聲整形濾波器可用傳遞函數(shù)(Z變換)來(lái)描述：

    式中，函數(shù)的分子部分B(Z)表示的是移動(dòng)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(guò)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(shí)間的變化很慢，所以一般只有在改變模擬的噪聲環(huán)境時(shí)，該參數(shù)才需要變更。
3．1．2 窄帶噪聲
    窄帶噪聲可通過(guò)如下N個(gè)獨(dú)立的正弦函數(shù)疊加來(lái)描述：

   
    幅度與頻率由統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出，相位隨機(jī)。式中，fi為每個(gè)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(zhǎng)，因此仿真中利用三角形包絡(luò)的正弦波模擬單個(gè)脈沖。而且通過(guò)前面對(duì)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(lái)描述它。通過(guò)對(duì)計(jì)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(shí)域模型。圖5是仿真結(jié)果，可以看出模型在時(shí)域上和原數(shù)據(jù)吻合度較好。由于該模型是通過(guò)頻域分析來(lái)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(diǎn)。

3．3 周期性脈沖噪聲
    對(duì)周期性脈沖噪聲進(jìn)行時(shí)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(zhǎng)，因此仿真中利用三角形包絡(luò)的正弦波模擬單個(gè)脈沖。正弦波的頻率和幅值以及脈沖出現(xiàn)的周期由對(duì)大量測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(shí)域和頻域特性。實(shí)踐證明通過(guò)以上方法所建立的噪聲模型在時(shí)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(duì)電力線信道進(jìn)行簡(jiǎn)要討論后，對(duì)電力線噪聲進(jìn)行了詳細(xì)的分類討論，對(duì)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(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出的模型。但由于電力線干擾的時(shí)變性、隨機(jī)性等的特點(diǎn)，上述模型的精確性還依賴于特定的試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)模型的進(jìn)一步優(yōu)化還有待更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取。