低壓電力線載波通信干擾因素的解決及其發展現狀

摘要：文章主要討論了限制低壓電力線載波通信的主要因素，提出了在電力線載波通信中干擾問題的兩種解決方法，擴頻通信技術和OFDM技術，并展望了低壓電力線載波通信在未來的發展前景。

關鍵詞：低壓電力線，載波通信，擴頻通信，正交頻分復用(OFDM)

　　電力線載波通信（PLC）是電力系統特有的、基本的通信方式，它是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。用電力線作為網絡接入方案，可利用已有的電力配電網絡進行通信，不需要重新布線，且電力線網絡分布廣泛，接入方便，多用戶能夠共享寬帶，因此，PLC寬帶接入技術具有得天獨厚的優勢，它也成為解決寬帶網絡“最后1公里”問題最具競爭力的技術之一。

　　但是，低壓電力線并不是專門用來傳輸通信數據的。它的拓撲結構和物理特性都與傳統的通信傳輸介質，如雙絞線、同軸電纜、光纖等不同。它在傳輸通信信號時信道特性相當復雜，負載多，噪聲干擾強，信道衰減大，信道延時，通信環境相當惡劣。本文主要對低壓電力線通訊信道的載波傳輸特性進行了系統的分析，提出了對信號干擾問題的兩種解決方法，分別可以采用OFDM和擴頻通信兩種技術來克服信道中的干擾問題，而且也簡要地介紹了我國現代低壓電力線載波通信的發展現狀。

1 信道特性分析

　　低壓電力線是給用電設備傳送 50Hz 電能的，利用電力線實現數據傳輸即采用電力線載波技術。由于電力線本身不是為通信設計的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。低壓電力線信道的通信環境惡劣，存在變化的阻抗，不可預測的噪聲干擾，強烈的信號干擾，強烈的信號衰減，這些都是有信道本身的特性決定的，因此，需要對信道特性進行詳細的分析。

1.1 阻抗特性分析

　　為了使耦合到電力線上的發射信號功率最大，載波機的輸出阻抗應該與電力線上接受機的輸入阻抗相匹配。由于電網上有大量的電力負載和電力設備（如無功補償電容等）隨機的接入、切出，這些器件對載波信號的衰減非常嚴重，其高頻等效阻抗變化范圍很大，有時小于0.1Ω，有時候突然增大到幾十歐姆。這就使其信號衰減值嚴重時會達到100dB以上，很難做到輸入阻抗的匹配，因此，在設計載波發射機時，難以保證載波機的輸出阻抗和電力線的輸入阻抗相匹配，從而給通信系統設計帶來一定的困難。另外當電力線路負載嚴重時，發送耦合電路的內阻也不可忽視，它也會分去相當一部分功率。圖1（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第7期）用對數繪出了實測的輸入阻抗與頻率的關系數據。

1.2 噪聲分析

　　分析高頻信號在低壓電力線上傳輸時，由于不同的原因會出現多種衰減。信號衰減主要有兩部分組成：一是耦合衰減；二是線路衰減。理論上，可以將耦合器的內阻做得相當小，所以衰減就主要決定于線路衰減。實驗表明，信號的衰減是距離的函數，一般為40～100dB/km。在農村電網衰減最大，500m就達到50dB；在城市，250m大約20dB；在郊區，250m也能夠達到20dB；但在工業區衰減較小，750m長的線路僅為30dB。

　　電力線路上的干擾源包括脈沖噪聲和等幅振蕩波干擾。脈沖噪聲具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點，因而對于載波信號傳輸的影響相當大，不僅會造成信號誤碼率高，使得接受裝置無法正確接受；另外，它還有可能使接收設備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統的工作。等幅振蕩波干擾源包括有意干擾和無意干擾兩種。兩者的工作頻率在50kHz～300kHz之間，這些頻率正好是大多數載波信號的頻率范圍，因而這種干擾所占的比重也較高。我們分別對不同地域（城市、工業區、鄉村）做了大量實驗，結論是可以用干擾噪聲的時變線性濾波電路作為低壓電力線的基本參考模型來克服電力線的噪聲。低壓電力線路的背景噪聲主要來源于以下幾個方面：

(1) 與50Hz電網電壓頻率同步的噪聲。一般是由工作在工頻的開關器件產生的，如可控硅(SCR)器件，其頻率成分是50Hz及其各次諧波。

(2) 白噪聲。有負載和電網不同步而產生的具有平滑功率譜的干擾，如電動機產生的干擾；

(3) （3）脈沖噪聲。主要有某些電器突然開關造成的，以及從高壓輸電變壓器感應過來的噪音，特點是頻譜款、時間短。

(4) 周期性噪聲。如電視機的行頻及各次諧波。

　　背景噪聲是典型離散高斯型的，它對載波通信系統影響較穩定。其余的是脈沖噪聲，它對通信系統可以產生突發性影響引起瞬間的高誤碼率，甚至造成通信中斷。在這兩種噪聲中，對載波通信系統產生主要影響的是脈沖噪聲。由于我國對電器上網的電磁兼容性沒有歐美國家控制的嚴格，因此我國電力網的衰減和干擾要比歐美嚴重得多。通過前面對低壓電力線載波信道傳輸特性的分析可以看出，低壓電力線載波通信的客觀環境是非常惡劣的，要達到穩定通信的效果，必須采用先進的技術手段來克服這些困難。

2 擴頻通信技術和OFDM技術

　　擴頻通信技術和OFDM技術是近幾年得到快速發展的數字通信技術，兩者都具有抗干擾能力強，通信速率高的優點，對于以低壓電力線為傳輸媒介的場合是較好的通信手段。然而由于它們的調制原理不同，在實際應用中又存在差異。

2.1 擴頻通信原理

　　我們知道，傳輸任何信息都需要一定的帶寬。例如語音信息的帶寬大約為20Hz～20kHz,普通電視圖像信息帶寬大約為6MHz。為了充分利用頻率資源，通常都是盡量壓縮傳輸帶寬，即使在普通的調頻通信上，人們最大也只把信號帶寬放寬到信息帶寬的十幾倍左右，這些都采用了窄帶帶寬。

　　擴頻通信屬于寬帶通信技術，通常的擴頻信號帶寬與信息帶寬之比將高達幾百甚至幾千倍。我們用信息論和抗干擾理論來解釋。根據仙農(C.E.Shannon)在信息論研究中總結出的信道容量公式，即仙農公式


式中 C——信息的傳輸速率

S——有用信號功率

W——頻帶寬度

N——噪聲功率

　　由式中可以看出，為了提高信息的傳輸速率C，可以從兩種途徑實現，即加大帶寬W或提高信噪比S/N是可以互換的，即增加信號帶寬可以降低對信噪比的要求，當帶寬增加到一定程度，允許信噪比進一步降低，使有用信號功率在接近噪聲功率甚至淹沒在噪聲之下也有可能檢測出來。擴頻通信就是用帶寬傳輸技術來換取信噪比上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據。

　　擴頻通信系統由于在發送端擴展了信號頻譜，在接受端解擴還原了信息，這樣的系統帶來的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴頻系統的抗干擾性能與信息頻譜擴展后的擴頻信號帶寬比例有關。一般把擴頻信號帶寬W與信息帶寬ΔF之比稱為處理增益GP，即 GP =W/ΔF，它表明了擴頻系統信噪比改善的程度。除此之外，擴頻通信的其它一些性能也大都與GP有關。因此，處理增益是擴頻系統的一個重要新能指標。系統的抗干擾容限MJ定義如下：
式中(S/N)O為輸出端的信噪比；LS為系統損耗。

　　由此可見，抗干擾容限MJ與擴頻處理增益GP成正比，擴頻處理增益增高后，抗干擾容限大大提高。根據擴頻增益不同，甚至在負的信噪比條件下，也可以將信號從噪聲的淹沒中提取出來，在目前常用的通信系統中，擴頻通信是唯一能夠工作在負信噪比條件下的通信方式。通常的擴頻通信設備總是將用戶信息（待傳輸信息）的帶寬擴展到數十倍、上百倍甚至千倍，已盡可能地提高處理增益。

2.2 正交頻分復用（OFDM）技術

　　OFDM是一種無線環境下的高速傳輸技術。無線信道的頻率響應曲線大多是非平坦的，而OFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用一個子載波進行調制，并且各子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，具有頻率選擇性，但是每個子信道是相對平坦的，在每個子信道上進行的是窄帶傳輸，信號帶寬小于信道的相應帶寬，因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在OFDM系統中各個子信道的載波相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊的，這樣不但減小了子載波間的相互干擾，同時又提高了頻譜利用率。

OFDM 技術的優點如下：

（1）頻帶利用率高

（2）抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾性能好

（3）傳輸速度快

(4) 抗多徑干擾能力強

(5) 可以選用基于IFFT/FFT的OFDM實現方法

　　OFDM技術的推出其實是為了提高載波的頻譜利用率，或者是為了改進對多載波的調制用的，它的特點是各子載波相互正交，使擴頻調制后的頻譜可以相互重疊，從而減小了子載波間的相互干擾。在對每個載波完成調制以后，為了增加數據的吞吐量，提高數據傳輸的速度，它又采用了一種叫作HomePlug的處理技術，來對所有將要被發送數據信號位的載波進行合并處理，把眾多的單個信號合并成一個獨立的傳輸信號進行發送。另外OFDM之所以備受關注，其中一條重要的原因是它可以利用離散傅立葉反變換/離散傅立葉變換（IDFT/DFT）代替多載波調制和解調。

　　正交頻分復用（OFDM）技術是把高速信息傳送數據流分解成若干個子信息流，用低速數據流調制若干個子載波。通過串并轉化分別調制在N個子載波上 ,其關系見式[（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第7期]

　　同理，在接受端可以通過離散付氏變換獲得原信號序列。利用數字信號處理技術，采用DSP器件，由快速付氏變換和反變換來實現OFDM，其結構見圖（2）（略，詳見《電工儀表與公用表計行業信息》第7期）。

　　通過對上面兩者的比較，擴頻通信的功率比較低，而OFDM的功率譜重疊，其調制效率比較高。一般來說，1Mbps量級場合多采用擴頻通信方式，對于超過10Mbps的場合，采用OFDM方式為宜，多載波正交頻分（OFDM）復用將是解決傳輸頻帶利用的有效方法。

3 我國PLC技術的發展現狀

　　我國研究PLC技術起步較晚，但發展速度較快。中國電力科學研究院自1997年開始研究PLC技術，主要考慮PLC技術用于低壓抄表系統。2000年開始引進國外的PLC芯片，研制了2Mbps的樣機。后來，在國內率先研制成功2Mbpd和14Mbps高速電力線通信系統，建立我國第一個電力線寬帶接入實驗網絡。深圳國電科技有限公司2000年開始研制戶內PLC產品。目前，采用美國Intellon公司的14Mbps芯片研制的用于戶內聯網的PLC產品也在小范圍試驗。下一步準備采用DS2公司的45Mbps芯片，研制傳輸速率達到20Mbps的戶內PLC

　　聯網設備。國電通信中心首先采用韓國Xeline公司研制開發的32Mbps芯片的PLC組網設備，在小區內進行Internet的接入試驗。使小區內居民均實現了通過電力線上Internet網，實驗網絡運行穩定，家電的使用對上網基本沒有影響，上網桌面速率達到2Mbpd，用戶發映良好。

　　預計未來數年，隨著高速上網愈來愈普及，新技術將把電線、無線和電話線這三種技術和而為一，讓使用者通過高速網絡連線，輕松將計算機、各種電子設備、安全系統和家電串聯成家庭網絡。

4 小結

　　目前，PLC技術在我國的應用還處在試驗階段，還未形成適合我國國情的成熟產品，存在著缺陷和問題。PLC產品的研發、推廣和應用設計政策法規、電網安全、電磁兼容、技術體制、準入標準等多方面的問題。對PLC產品的應用和推廣既要積極，又要慎重。為滿足現代電力系統發展的需要，適應全球通信發展的大趨勢，是我國電力通信向高速率、寬頻帶、大容量方向發展，我們提倡大力發展應用更為先進的通信手段。電力線載波作為電力通信網中以強有力的手段，有著雄厚的發展基礎和廣闊的市場，應有其使用的生存和發展的環境和空間，它不會簡單地消失或停滯不前。

　　我們已經看到，電力線載波系統成為應用最為廣泛的通信手段。雖然電力線載波通信存在許多技術上、工程上、和管理上的困難，但是隨著我國電力事業的飛速發展，在今后的幾年內，通過技術的不斷進步，管理上的不斷提高，問題會逐漸得到解決的。