高速電力線通信系統(tǒng)的傳輸特性

姚思煒

（廣東電網(wǎng)公司湛江供電局，廣東 湛江 524005）

0 引 言

隨著因特網(wǎng)的迅速發(fā)展，將家庭網(wǎng)絡(luò)與室內(nèi)其他電子設(shè)備聯(lián)系起來的需求不斷增大。作為構(gòu)造該網(wǎng)絡(luò)的一種方法，電力線通信（PLC）有著很大的發(fā)展?jié)摿?。PLC是利用電力傳輸?shù)木€路，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，高速通信通過高頻帶（2～30MHz）實(shí)現(xiàn)。無論從經(jīng)濟(jì)角度還是便利的角度上看PLC都是優(yōu)秀的系統(tǒng)，因?yàn)椴恍枰惭b新的線路用于數(shù)據(jù)通信，與因特網(wǎng)連接也可以通過PLC調(diào)制器實(shí)現(xiàn)。

1 電力線的傳輸損耗特性

圖1 電力線模型

1.1 電力線模型

如圖1所示，使用非分支模型和輸出類型分支模型，用于模擬電能傳輸線路的模型。當(dāng)測量電力線的傳輸損耗特性時(shí)，使用的導(dǎo)線長度為1.6m，分支長度也只有1.6m，“open”終止條件的衰減峰會在頻率25MHz發(fā)生，與PLC調(diào)制器的頻帶2MHz到30MHz相比，顯然太高。因此，本文加入了長度為2.5m和4m的分支，如圖1（b）所示，就可以獲取“open”和“short”的終止條件在頻帶2MHz到30MHz的衰減峰。

1.2 傳輸損耗特性的測量

如圖2所示為傳輸損耗特性的電力線模型測量系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分析儀。電力線模型使用平衡式的傳輸線，而從網(wǎng)絡(luò)分析儀引出的傳輸線是非平衡式的傳輸線。因此，在電力線模型和同軸電纜的連接處安裝了換衡器。電力線模型安裝在金屬板的高10cm處，以便抑制金屬板帶來的干擾。圖3所示是電力線模型傳輸損耗特性的測量結(jié)果。換衡器的插入損耗通過網(wǎng)絡(luò)分析儀的正?；δ軓臏y量結(jié)果中被除掉。

首先是分支的終止條件是“open”測量結(jié)果，一個(gè)－20dB甚至更大的急劇衰減峰值在PLC調(diào)制器的頻率范圍2MHz～30MHz中出現(xiàn)。此衰減峰值隨著分支的增大會移動到低頻率范圍。當(dāng)分支的終止條件是“short”時(shí)，隨著分支的縮短在低頻率范圍的傳輸衰減會非常大，分支長度為10cm時(shí)在頻率5MHz時(shí)為25dB，但是頻率越高時(shí)傳輸損耗會得到改進(jìn)。另外，分支為4m長度，在低頻率范圍損耗不會很大，但是衰減峰值在20MHz頻率時(shí)產(chǎn)生，而這個(gè)頻率恰恰是PLC調(diào)制器的頻帶。因此，可以分析用于PLC調(diào)制器的傳輸速度特性的電力線模型傳輸損耗帶來的影響。

圖2 測量系統(tǒng)

圖3 測量結(jié)果

2 PLC調(diào)制器OFDM信號的傳輸速度特性

2.1 測量方法

測量系統(tǒng)設(shè)置在如圖4所示的屏蔽室內(nèi)。正常情況下PLC調(diào)制器與交流電源直接連接。但是這里的測量系統(tǒng)為了抑制電源耦合而使用了直流電。首先，發(fā)送和接收電腦與PLC調(diào)制器連接，而每一個(gè)傳輸線模型則如圖1所示。其次，通過PLC調(diào)制器進(jìn)行連接的發(fā)送端電腦和接收端電腦的通信鏈路，是在物理層建立和測量得到的傳輸速率。

2.2 模擬方法

如圖5是模擬模型的簡化圖示，而模擬條件如表1所示。

（1）OFDM調(diào)制是在傳輸端PLC調(diào)制器完成。

（2）傳輸線通過數(shù)字濾波模塊得到模仿。電力線中寬頻和恒信號衰減（－30dB或－50dB）通過ATT（衰減器）模塊得到模擬。設(shè)備的熱噪音使用AWGN（高斯噪音）模塊得到模擬。整合PLC調(diào)制器的接收端，以及已經(jīng)完成OFDM的恢復(fù)處理。

（3）傳輸速率的計(jì)算基于接收位和采樣速率，接收位是所有發(fā)送位減去錯誤位所得。

在以上的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬，然后與測量值相比較。

表1 模擬參數(shù)

圖4 傳輸速度測量模型

圖5 模擬系統(tǒng)

2.3 測量和計(jì)算結(jié)果

根據(jù)其對應(yīng)的電力線模型和終止條件，傳輸速率的測量結(jié)果如表2、表3所示。表2所示是沒有衰減器的情況，傳輸速率達(dá)到190M－200Mbps，幾乎是PLC調(diào)制器的理想狀態(tài)。除了當(dāng)分支長度為0.1m，終止條件是“short”時(shí)的傳輸速率為180Mbps，超過－20dB寬帶衰減在低頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生，如圖3（b）所示。即使衰減插入增大到－30dB，如表2所示的傳輸速率與沒有衰減器時(shí)表現(xiàn)出同樣的趨勢。然而，當(dāng)插入衰減增大到－50dB時(shí)，如表3所示傳輸速率降低大概20～30Mbps。特別是分支長度為0.1m，終止條件為“short”時(shí)，傳輸速率從178Mbps減低到132Mbps。當(dāng)分支長度為4m時(shí)，無論終止條件如何，傳輸速率下降程度基本一致。因此，既然傳輸速率受到輸出條件，如分支長度和終止條件的影響，那么認(rèn)為通過插入50dB的衰減可以測量得到PLC調(diào)制器的傳輸極限。

表2 傳輸速率測量結(jié)果（ATT0到30 dB）

表3 傳輸速率測量結(jié)果（ATT50 dB）

通過MATLAB計(jì)算出來的PLC調(diào)制器的傳輸速率結(jié)果，與測量得到的基本一致，兩者的誤差在許多輸出類型分支條件下都是7Mbps之內(nèi)。當(dāng)插入表格2中的0～30dB的衰減，計(jì)算結(jié)果也和測量得到的基本一致，兩者的誤差在15Mbps之內(nèi)。因此，可以確定PLC調(diào)制器的OFDM信號傳輸速率的計(jì)算方式是合理的。

3 結(jié)束語

本文討論測量電力線的傳輸損耗特性，以及其對PLC調(diào)制器的傳輸速率的影響。為了檢驗(yàn)電力線線路的傳輸損耗特性對OFDM信號的傳輸速率造成的影響，通過增加電力線路長度，衰減峰會在PLC調(diào)制器所用的頻帶里出現(xiàn)，同時(shí)插入50dB的正常衰減，可以在傳輸極限的狀態(tài)下測量傳輸速率。

從本文中得到的測量結(jié)果中，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

（1）PLC調(diào)制器在頻率范圍2MHz～30MHz會產(chǎn)生－20dB甚至更大的急劇衰減峰值，而且此峰值會隨著分支長度的增加移動到低頻率范圍。

（2）即使插入損耗高達(dá)30dB，傳輸速率依然可以達(dá)到190Mbps到300Mbps，基本上是PLC調(diào)制器的理想狀態(tài)。但是插入損耗為50dB時(shí)，傳輸速率會下降20～30Mbps。

（3）通過MATLAB計(jì)算出來的PLC調(diào)制器的傳輸速率結(jié)果，與測量得到的基本一致，因此，可以確定PLC調(diào)制器的OFDM信號傳輸速率的計(jì)算方式是合理的。

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