【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路器阻 波 器 阻 波 器耦 合 電 容 器耦 合 電 容 器結(jié) 合 濾波 器結(jié) 合 濾波 器電 力 線載 波 設(shè)備電 力 線載 波 設(shè)備用戶用戶A母 線母 線T 1 T 2C 1 C 2F 1 F 2B高 通 濾 波 器 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 經(jīng)差接系統(tǒng)，與頻率為 f1 的載波進(jìn)行調(diào)制，并取其上邊帶，將語(yǔ)音信號(hào)頻譜搬移到高頻，成為 f1+(~)kHz 的高頻信號(hào)，通過(guò)放大和帶通濾波器濾除諧波成分，經(jīng)結(jié)合濾波器 F耦合電容器 C1 送到電力線的耦合相線上。由于阻波器 T1 的存在，高頻信號(hào)沿電力線傳輸?shù)?B 端，再經(jīng)過(guò) B 端的 C F2 送入 B 端載波設(shè)備。中心頻率為 f1 的收信帶通濾波器濾出 f1+(0． 3—3． 4)kHz 的高頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、解調(diào)以后得到 A 端的語(yǔ)音信號(hào)。按照相同的方式，將 B 端的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)f2+(~)kHz 的高頻信號(hào)傳輸?shù)?A 端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向電力線載波通信。 電力線載波設(shè)備和通信線載波設(shè)備沒(méi)有原理上的區(qū)別。但電力線載波設(shè)備與電力線連接時(shí)，必須通過(guò)線路設(shè)備。實(shí)際上，電力線路設(shè)備中的阻波器和耦合電容器、結(jié)合電容器的作用，同通信線載波設(shè)備中的線路濾波器的作用完全相同。 圖 電力線載波設(shè) 備原理框圖 圖 2． 2 中可見(jiàn)， 電力線載波通信系統(tǒng)由電力線載波設(shè)備和高頻通道所組成。它所使用的頻帶主要由高頻通道的特性所決定。使用頻率過(guò)高線路衰減將增得很大，通信距離受到限制；而使用頻率太低，將受到 50Hz 工頻諧波的干擾，同時(shí)要求耦合電容器的電容量和阻波器的強(qiáng)流線圈電感量增大，而使線路設(shè)備在制造商和經(jīng)濟(jì)上造成困難。在實(shí)際選擇頻帶時(shí)，還必須考慮無(wú)線電廣播和無(wú)線電通信的影響。國(guó)內(nèi)統(tǒng)一的使用頻帶為 40～ 500kHz。 電力系統(tǒng)中的電力線路是為了傳輸和分配電能而架設(shè)的，它們?cè)诎l(fā)電廠和變電所內(nèi)均按電壓等級(jí)連接在同一母線上。同一發(fā)電廠、變電所中不同電壓等級(jí)的電力線也均在同一高壓區(qū)內(nèi)，并由電力變壓器將其相互耦合。這樣，在一條電力線上開(kāi)設(shè)電力線載波，它的信號(hào)雖被阻波器阻塞，但還會(huì)串?dāng)_到同一母線的其他相電力線上去。由于同母線上的不同相電力線之間的跨越衰減不大，因此使每相語(yǔ) 音信 號(hào)調(diào) 制載 波濾 波 器 放 大 器 濾 波 器濾 波 器解 調(diào) 器本 地載 波放 大 器 濾 波 器f1f1f2f2AF 1 /F 2 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 電力線上開(kāi)設(shè)電力線載波的頻譜不能重復(fù)使用。要想重復(fù)使用相同頻譜，至少應(yīng)相隔兩段電力線路。這就使得同母線的各條電力線上所能共同利用的頻譜，還要比 40～ 500kHz 窄。 電力線載波通道基本特性分析 電力線載波信號(hào)是在傳送 50Hz 輸電線上進(jìn)行傳輸?shù)摹榱嗽陔娏€上傳送平高頻信號(hào)，必須在電力載波設(shè)備和電力線之間加裝耦合電容器、結(jié)合濾波器以及阻斷高頻信號(hào)的阻波器。電力線載波通信高頻信號(hào)傳送通道組成時(shí)，常用的耦合方式有相地耦合方式和相相耦合方式兩種。電力線載波通道衰減頻率特性決定于電力線本身的結(jié)構(gòu)尺寸、長(zhǎng)度、線種、地面高度、導(dǎo)線排列、有無(wú)換位和分支、大地導(dǎo)電率等因素。采用相地耦合方式的電力線高頻通道的衰減特性常用下面經(jīng)驗(yàn)公式表示 式中 Ｌ ——電力線的長(zhǎng)度， km； ?——高頻信號(hào)的頻率， kHz： Ｋ ——系數(shù)，對(duì) 35kV 線路取 103， 110kV 線路取 103， 220kV 線路取 103， 400～ 500kV 線路取 103； n——電力線路的端數(shù)，一般取 n=2； ——高頻電纜每千米的衰減， dB／ km； Cl ——兩端高頻電纜的總長(zhǎng)度， km； 電力線的衰減頻率特性，從上式可以得出頻率越高衰減越大，另外，同一線路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰減要大。電力線的線路特性阻抗與耦合方式也有關(guān)。目前我國(guó)的電力線相地耦合情況下的輸入阻抗一般選 300～ 400 歐姆 (110kV 的線路為 400 歐姆， 220kV 的線路為 350 歐姆， 500kV 的線路為 300 歐姆 )。 CC lnLfKb ???? 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 電力線通信信道的傳輸特性 信號(hào)衰減 對(duì)于低壓電力線通信來(lái)說(shuō)，信號(hào)衰減十分嚴(yán)重，可以達(dá)到 100dB／ km。衰減的主要原因并不在于電力線本身的阻抗，而是電力線上并連著的許多負(fù)載，尤其是那些用于調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容。對(duì)載波通信信號(hào)來(lái)說(shuō)，調(diào)整電網(wǎng)功率因數(shù)的大電容相當(dāng)于短路。另外，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，發(fā)送耦合電路的內(nèi)阻也會(huì)分去相當(dāng)一部分的功率?？偟膩?lái)說(shuō)，電力線上的信號(hào)衰減存在以下幾個(gè)特點(diǎn)：信號(hào)衰減隨著頻率的上升而增大：信號(hào)衰減隨著距離的增加而增大：在一些特定的頻率點(diǎn)上，有可能發(fā)生 窄帶衰減 ；電力網(wǎng)上的電力負(fù)載極大地影響載波信號(hào)的衰減。由于負(fù)載情況隨著時(shí)間發(fā)生變化，因此在任何給定的頻率點(diǎn)上，衰減也會(huì)隨著時(shí)間變化，其變化范圍 可高達(dá) 20dB。 多徑干擾 多徑效應(yīng)是指信號(hào)經(jīng)過(guò)不同路徑到達(dá)目的地時(shí)，由于信號(hào)的延遲而產(chǎn)生相互干擾的現(xiàn)象。低壓電力網(wǎng)由于所連接的設(shè)備數(shù)量巨大、種類(lèi)繁多，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗隨時(shí)處于動(dòng)態(tài)變化之中。這樣有些用電設(shè)備會(huì)工作在阻抗不匹配的狀態(tài)，造成信號(hào)的反射，從而使有用信號(hào)可能經(jīng)過(guò)不同的路徑到達(dá)接受點(diǎn)。由于信號(hào)在每條路徑上經(jīng)歷的時(shí)間 不同，延遲信號(hào)在接收端與原始信號(hào)疊加產(chǎn)生干擾，即多徑干擾。 當(dāng)多徑信號(hào)延遲較短時(shí)，這種干擾可以忽略。如果延遲較長(zhǎng)，就會(huì)使有用信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾。 噪聲分析 在電力 線通信中，線路上的損失和多徑效應(yīng)之外，噪聲是影響電力線通信的最重要的因素。與其它通信信道不同，電力線信道不是加性高斯白噪聲信道。電力線信道中頻率在數(shù)百 KHz 至 20MHz 范圍內(nèi)的噪聲分為以下五類(lèi)： (1) 有色背景噪聲：它的功率譜密度相對(duì)較低，并且隨頻率變化。這種噪聲主要由各種低功率噪聲源共同引起，它的功率譜密度隨時(shí)間變化較慢，通常為幾分鐘，甚至幾小時(shí)。 (2) 窄帶噪聲：絕大多數(shù)為調(diào)幅的正弦信號(hào)。這種噪聲主要由中短波發(fā)射的廣播臺(tái)的介入引起，并且它的幅度通常隨著時(shí)間變化。 (3) 與主頻不同步的周期性沖擊噪聲：絕大多數(shù)情況下，這些沖擊噪聲的重 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 復(fù)頻率在 50kHz 到 200kHz 之間，在頻域中，它們體現(xiàn)為以重復(fù)頻率為隔的離散譜線。這種噪聲主要由電力設(shè)備的開(kāi)關(guān)引起。 (4) 與主頻同步的周期性沖擊噪聲：這些噪聲的重復(fù)頻率為 50kHz 或 100kHz并且與電源周期同步，他們持續(xù)的時(shí)間很短，通常為毫秒級(jí)，并且功率譜密度隨著頻率的升高而呈下降趨勢(shì)。這種噪聲主要由與電源同步工作的電力設(shè)備引起。 (5) 不同步的沖擊噪聲：這種噪聲主要由電力線上連接的設(shè)備的瞬時(shí)開(kāi)關(guān)引起。這些沖擊的持續(xù)時(shí)間從幾毫秒到幾微秒 不等，并且它們的到達(dá)時(shí)間是隨機(jī)的。這種噪聲的功率譜密度有時(shí)候能達(dá)到比背景噪聲高出 50dB 以上。如圖 所示。 對(duì)于前面 3 種噪聲，由于第 2 種窄帶噪聲通常是隨著時(shí)間 (白天或黑夜 )的變化而變化， OFDM 系統(tǒng)考慮這類(lèi)噪聲作為背景噪聲，第 3 種類(lèi)型周期脈沖噪聲有高的重復(fù)率，而且很低的功率譜密度 (PSD)，所以也可以看作一種背景噪聲。這三種類(lèi)型被分作背景噪聲。 而噪聲 (4)和 (5)通常是隨時(shí)間變化的，幾微秒或幾毫秒 就會(huì)變化。在這樣的噪聲發(fā)生的情況下，可以很明顯地看到噪聲功率譜密度較大，這會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍劐e(cuò)誤或突發(fā)錯(cuò)誤 。在 OFDM 系統(tǒng)中對(duì)這些噪聲通常的解決辦法是或者避免使用這些頻段，或者是在這些噪聲頻段上采用低比特速率的子信道。 圖 信道 五類(lèi)噪聲示意圖 電力線信道傳輸模型 根據(jù)文獻(xiàn) 【 2】 ，通用的電力線信道傳輸模型為 ： ?? ???? Ni fjdfaafi iikgi eefgfH 1 2)()( 10)()( ?? π （ ） C h a n n e lS ( t ) R ( t )①② ③ ④ ⑤p s dfp s dfff fp s d p s d p s d 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 其中： i 表示路徑數(shù)目，延時(shí)最短時(shí)系數(shù) i=1； a0， a1 表示衰落參數(shù)； k 表示衰落因子指數(shù)； gi 表示路徑 i 的權(quán)衡因子，通常是復(fù)數(shù)，為該路徑的反射因子／傳輸因子； di 表示路徑 i 的長(zhǎng)度； τi 表示路徑 i 的時(shí)延； 信道的實(shí)時(shí)性由延時(shí)項(xiàng)公式第三部分來(lái)體現(xiàn)，隨著信道長(zhǎng)度和頻率的變化而產(chǎn)生低通特性，信道衰落由衰落項(xiàng)公式第二部分來(lái)體現(xiàn)，而權(quán)衡因子包公式第一部分括反射因子和傳輸因子，一般是復(fù)數(shù)，而且是與頻率相關(guān)。在大多數(shù)的實(shí)際情況下，頻率相關(guān)權(quán)衡因子 gi；能被簡(jiǎn)化成非頻率相關(guān)的復(fù)數(shù)，可以表示為路徑的權(quán)值。另外考慮到延時(shí) τi，信道長(zhǎng)度 di。，與相速 Vp。之間的關(guān)系： () 其中 0c 是在真空中的光速， r? 為絕緣材料的介電常數(shù)。 所以可以把式 ()中 τi，用式 ()來(lái)代替，從而得到簡(jiǎn)化的信道傳輸模型： ? ? ? ????? Nivdfjii piedfAgfH12, π 電力線上的損耗引起了衰減 A(f,d)，隨路徑的長(zhǎng)度和頻率的增加而增加，接收端的信號(hào)應(yīng)該是各條路徑上信號(hào)的疊加。 傳輸信號(hào)隨著長(zhǎng)度和頻率的增加而衰減，長(zhǎng)度為 L 的傳輸線的頻率響應(yīng)可以用復(fù)傳輸常數(shù)表示為： ???? jCjGLjRr ????? ))(( 39。39。39。39。 式中參數(shù) R’、 L’、 G’和 C’分別表示導(dǎo)線的電阻、電感、電導(dǎo)及電容是由主傳輸線決定的。線路參數(shù) C’和 L’可以由幾何維數(shù)和一些材料特性粗略估計(jì)，考慮兆赫茲的頻率范圍，單位長(zhǎng)度的阻抗與頻率開(kāi)根號(hào)成正比；單位長(zhǎng)度的導(dǎo)電率 G’主要受絕緣材料的損耗因子影響，因此它與頻率成正比。對(duì)典型的幾何結(jié)構(gòu)和材料的線路來(lái)說(shuō)，通常在兆赫茲的頻率范圍內(nèi)有 39。39。 LR ??? ， 39。39。 CG ??? ，這樣，線pirii vdcd ??0?? 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 路可以看作為是具有實(shí)數(shù)特征阻抗 ZL 的低損耗信道。那么，復(fù)傳輸常數(shù)可以簡(jiǎn)化為： fjkfkfkr 321 ??? 這里常數(shù) ki(i=1， 2， 3)體現(xiàn)的是材料和幾何參數(shù)。傳輸常數(shù)的實(shí)部用 a 表示，代表衰減因子，隨著頻率的增加而增加。而對(duì)于一條特定的信道， a 和 f 的 確切關(guān)系，是和廠成正比，還是和頻率開(kāi)根號(hào) 成正比，還是和兩者都有關(guān)系，要決定于是 k1 還是 k2 起主導(dǎo)作用。基于這些推導(dǎo)和對(duì)測(cè)量的頻率響應(yīng)的更進(jìn)一步的分析，可以得出對(duì)衰減因子的近似方程為： kfaafa 10)( ?? 僅用三個(gè)參數(shù)就可以表征典型電力線信道的特征 。得到電力線信道衰減為： dfaadfa keedfA )()( 10),( ??? ?? 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 3 OFDM 原理和關(guān)鍵技術(shù) OFDM 技術(shù)原理 目前，國(guó)際上高速電力線通信采用的調(diào)制技術(shù)重要有三類(lèi)：?jiǎn)屋d波類(lèi)、擴(kuò)展頻譜類(lèi) (主要是應(yīng)用 CDMA)和 OFDM(正交頻分復(fù)用 )調(diào)制技術(shù)。 OFDM 采用 FFT 和IFFT 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，可以方便地使用數(shù)字信號(hào)處理器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用保護(hù)間隔和循環(huán)前綴來(lái)抗多徑，從而有效地降低 ISI(碼間干擾 )和 ICI(信道間干擾 )。 OFDM技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶環(huán)路 ADSL、數(shù)字音頻廣播 DAB，、高清晰度電視 HDTV 等系統(tǒng)中，它作為一種成熟的技術(shù)，有其獨(dú)特的優(yōu)缺點(diǎn)。 OFDM 調(diào)制是一種正交多載波調(diào)制方式。在傳統(tǒng)的數(shù)字通信系統(tǒng)中，符號(hào)序列被調(diào)制到一個(gè)載波上進(jìn)行串行傳輸，每個(gè)符號(hào)的頻率可以占有信道的全部可用帶寬。 OFDM 調(diào)制方式是將可用的頻譜分成 N 個(gè)頻帶較窄、相對(duì)低速率傳輸?shù)淖虞d波，子 載波的幅頻響應(yīng)相互重疊和正交。每個(gè)子載波可以使用不同的調(diào)制方式，也可以使用相同的調(diào)制方式，比較常用的有 BPSK、 QPSK 和 QAM 等。串行傳輸?shù)姆?hào)序列也被分成長(zhǎng)度為 N 的段，每段內(nèi)的 N 個(gè)符號(hào)分別調(diào)制 N 個(gè)子載波，一起發(fā)送。也就是說(shuō)， OFDM 是把一組高速傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)來(lái)傳輸，雖然每個(gè)子載波的傳輸速率并不高，但是所有子信道加起來(lái)就可以獲得很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。 圖 OFDM 子信道頻譜 中國(guó) 礦業(yè)大學(xué) 20xx 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 在 OFDM 系統(tǒng)中，各子載波在整個(gè)符號(hào)周期上是正交的，即加于符號(hào)周期上的任何兩個(gè)子載波的乘積等于零，因此各子載波信號(hào)頻譜可以互相重疊，大大提高了頻帶利用率。如圖 31 這樣即使各載波上的信號(hào)頻譜間存在重疊，也能無(wú)失真的復(fù)原。顯然，當(dāng)載波間的最小間隔等于符號(hào)周期倒數(shù)的整數(shù)倍時(shí)，即可 以滿足正交條件。為實(shí)現(xiàn)最大頻譜效率，一般取載波最小間隔等于符號(hào)周期的倒數(shù)。 當(dāng) OFDM 所有子載波的頻譜疊加在一起