低壓電力線載波通信調(diào)制技術(shù)的研究

張杰

摘 要：在電力線通信（Power Line Communication，簡(jiǎn)稱PLC）技術(shù)中，其信號(hào)傳輸媒介是低壓電力線，能夠?qū)崿F(xiàn)信息交換以及數(shù)據(jù)傳遞。文章對(duì)低壓電力線信號(hào)的阻抗、噪聲和衰減三大特性作了詳細(xì)分析，建立了信道基本模型，論證了BPSK調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電力線載波；阻抗；噪聲；衰減；BPSK

1 電力線載波通信技術(shù)

在電力線通信（PLC）技術(shù)中，為了達(dá)到電力線數(shù)據(jù)通信的目的，通常是使用高頻信號(hào)作為原始信號(hào)的載波，并將載波與原始信號(hào)相乘后的信號(hào)加載到電力線上。本文通過對(duì)PLC通信信道的分析，分析了FSK和BFSK調(diào)制技術(shù)的抗干擾性能，采用BPSK調(diào)制技術(shù)的低壓電力線載波通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，為提高PLC通信能力，降低誤碼率提供了新的發(fā)展。

2 低壓電力線信道特性分析

在低壓電力線技術(shù)中，信道所具有的特性主要有三個(gè)：輸入阻抗特性、噪聲干擾特性和信號(hào)衰減特性，在下文中，我們將通過這三個(gè)方面對(duì)迪亞店里信號(hào)傳輸特性的影響做詳細(xì)分析與研究。

2.1 輸入阻抗特性

在低壓電力線信道中，輸入阻抗這一特性對(duì)于載波信號(hào)的傳輸速率有著巨大的影響，它是一個(gè)等效阻抗，具體是指電力線載波信號(hào)發(fā)送電路和電力線接觸的驅(qū)動(dòng)點(diǎn)向低壓配電網(wǎng)方向看的等效阻抗。

大量實(shí)踐研究表明，不同頻率下，阻抗隨時(shí)間的變化是不同的，在某些特性頻率下，阻抗隨時(shí)間的變化比較大。根據(jù)上文的分析以及查閱的大量資料，在低壓電力線信道中，阻抗特性的變化規(guī)律是十分復(fù)雜的，由于用電器的隨機(jī)性切入電網(wǎng)的規(guī)律，阻抗也隨之隨機(jī)性變化，并且沒有嚴(yán)格隨頻率增加/減小，阻抗就增加/減小的規(guī)律，變化范圍也比較大，最小是會(huì)小于1歐姆，目前現(xiàn)場(chǎng)只發(fā)現(xiàn)感性阻抗。

2.2 噪聲干擾特性

在低壓電力線上，連接的用電設(shè)備是繁雜多樣的，不同用電設(shè)備對(duì)電力線造成的噪聲污染程度也是不一樣的，一些非線性用電設(shè)備、大功率變頻設(shè)備、開關(guān)電源設(shè)備等對(duì)電力線產(chǎn)生的噪聲污染是最大的。根據(jù)劃分方法不同，噪聲可以有多種分類，根據(jù)不同的噪聲性質(zhì)將其分為五類：窄帶噪聲；與工頻同步的周期性噪聲；與工頻異步的周期性噪聲；突發(fā)性噪聲；有色背景噪聲。

當(dāng)然，用另一種方法劃分，分類將會(huì)不同，比如通過整體來看的話，前文的五類噪聲可以歸納為兩類：脈沖噪聲和背景噪聲。在前文中，如果按噪聲性質(zhì)劃分的五類噪聲來看，前三種隨著時(shí)間的流逝，其只會(huì)有很小的變化，所以可以稱之為背景噪聲；后兩種隨著時(shí)間變化，噪聲的變化也非常大，可以稱為脈沖噪聲。從資料以及分析中，我們可以得到關(guān)于低壓電力線信道噪聲的部分基本特點(diǎn)：存在隨機(jī)成分、存在連續(xù)性的背景噪聲、具有多變性、存在周期性成分等顯著特點(diǎn)。

2.3 信號(hào)衰減特性

在理論上，電力線不是一個(gè)很好地傳輸介質(zhì)，在低壓電力線上傳輸?shù)母哳l信號(hào)必然存在一定的衰減。

在實(shí)際使用中，許多的研究已經(jīng)表明，對(duì)于不同頻率的信號(hào)，在電力線上傳輸造成的衰減是不同的，在特定的頻率上，衰減的變化時(shí)非常明顯的。許多的研究以及資料都顯示，信號(hào)的衰減主要取決于線路布線，分支越多衰減越大，并且沒有嚴(yán)格的隨頻率增加/減小，衰減就增加/減小的規(guī)律，由于存在反射、駐波等復(fù)雜現(xiàn)象，使得信號(hào)衰減存在突然跌落或增加。

3 低壓電力信道模型

在研究中，被學(xué)界所認(rèn)同的信道模型基本只有多徑信道傳輸模型。多徑信道傳輸模型的主要理論是在線路阻抗的不連續(xù)的情況下，信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多徑傳輸，模型的一些參數(shù)是需要從信道中隨時(shí)提取的。多徑信道傳輸模型主要體現(xiàn)的是由于阻抗不匹配，其產(chǎn)生的反射在各路徑上會(huì)引起衰減。

實(shí)際情況中，對(duì)于多徑信道模型所需要的參數(shù)不容易取得，所以研究時(shí)會(huì)將信道簡(jiǎn)化。

4 載波調(diào)制技術(shù)分析

前文已經(jīng)講過，在理論上，電力線不是一個(gè)理想的信號(hào)傳輸信道，其上存在很多干擾，這就對(duì)信號(hào)的抗干擾能力提出了很高的要求，目前比較常用的是載波調(diào)制技術(shù)。從字面上就可以理解，調(diào)制技術(shù)重在調(diào)制，即對(duì)于載波的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，讓其根據(jù)調(diào)制信號(hào)的規(guī)律變化。當(dāng)前調(diào)制技術(shù)是非常多的，在實(shí)際使用中，需要考慮的方面很多，主要從硬件成本、傳輸速率以及技術(shù)原理復(fù)雜度上考慮，本文選用的是FSK和BPSK技術(shù)分析。下面對(duì)這兩種調(diào)制技術(shù)的原理和抗干擾能力作詳細(xì)研究和分析。

4.1 FSK和BPSK調(diào)制技術(shù)

FSK的原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，即通過載波的頻率變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的傳遞。使用時(shí)，載波的頻率會(huì)隨二進(jìn)制基帶信號(hào)在某兩個(gè)特定的頻率點(diǎn)之間發(fā)生變化。FSK可以簡(jiǎn)單的當(dāng)做是兩個(gè)不同頻率信號(hào)疊加在一起。

FSK信號(hào)的解調(diào)方法有同步檢測(cè)法和包絡(luò)檢波法兩種。以同步檢測(cè)法為例，其FSK系統(tǒng)的總誤碼率在大信噪比（r>>1）時(shí)為

BPSK的原理相對(duì)復(fù)雜一點(diǎn)，它是通過載波相位的變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息的傳遞的，同時(shí)，載波的振幅和頻率是不會(huì)發(fā)生變化的。BPSK信號(hào)相干解調(diào)時(shí)系統(tǒng)的總誤碼率在大信噪比時(shí)（r>>1）時(shí)為

4.2 FSK和BPSK抗干擾仿真實(shí)驗(yàn)

為了能夠更為真實(shí)的比較兩種調(diào)制技術(shù)在多干擾環(huán)境下抗干擾性能的優(yōu)劣，本文將會(huì)模擬真實(shí)的低壓電力線信道，我們將會(huì)使用System View作為仿真軟件，其版本號(hào)是5.0。

首先，我們要做的是建立信道的仿真框圖，它的前提是前文中對(duì)實(shí)際電力線信道的分析與結(jié)論。

5 結(jié)果分析

從圖2中可以看出，信噪比的增加會(huì)使得BPSK調(diào)制技術(shù)的誤碼率下降速度變得更加快。這表明，也即從圖上可以直觀的看到，信噪比相同的情況下，F(xiàn)SK的誤碼率是要高于BPSK的誤碼率的。

前文已經(jīng)做了很多的分析與研究，并且我們已經(jīng)通過仿真軟件做了模擬真實(shí)信道的仿真，我們可以總結(jié)如下：BPSK和FSK兩種調(diào)制技術(shù)各有優(yōu)劣，前者對(duì)于大衰減、多干擾有很強(qiáng)的抵抗能力，這使得這種技術(shù)可以在復(fù)雜和惡劣的低壓電力線信道環(huán)境下使用，而對(duì)于后者，其抗干擾能力是相對(duì)較差了，但其實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，成本較低，適合在低壓電力線信道只有很輕微的噪聲污染的環(huán)境下使用。