適用于白光通信系統的電力線載波組網模塊探究

王賀 母一寧 樊海波 王美婷 朱焱 劉春陽

摘 要：為了解決白光通信的上行傳輸困難、組網復雜等問題，本文提出利用電力線載波模塊進行組網配對。在現有的供電系統的基礎上對電力傳輸線模型展開了研究，從信道阻抗特性、信道噪聲、信道衰減等角度出發，探究對信號傳輸成功率的影響。然后從三個方面對電力線載波信道進行分析，指出阻波器、改變調制方法均可以提升通信可靠性。

關鍵詞：白光通信；電力線載波；信道阻抗；信道噪聲；信道衰減

隨著綠色發展，低碳環保等理念的提出，LED作為一種新型光源將逐漸替代傳統光源[1]。使用LED進行白光通信，這種通信方式具有很強的安全性、保密性、抗干擾性。其系統分為調制解調、上行鏈路、下行鏈路[2]。其中現有的上行鏈路一般采用射頻、紅外激光等方法，但存在保密性降低、電磁輻射、人眼安全的等問題。因此為了解決這些問題，采用電力線載波通信的方法作為上行鏈路實施方案。電力線是最普遍、覆蓋范圍最為廣闊的一種物理介質，電力線載波（PLC，Power Line Carrier）通信是以輸電線路為載波信號傳輸媒介的電力系統通信[3]。

阻抗特性會影響信號發送設備與接收設備之間的傳輸功率比，阻抗匹配能夠提高發射與接收功率，所以阻抗匹配也是一個基本要求[5]。電力線可等效成電感、電阻及電容，因此電力線自身阻抗變化不是很大。但不同種類負載的接入與接出，會使電力線阻抗具有時變性，早成阻抗難匹配。電力傳輸線的噪聲干擾及衰減特性也會影響到信號傳輸速率和影響傳輸質量。

信道內干擾或信道噪聲是描述信道傳輸特性的重要參數，在分析噪聲的時候，使用了加性高斯白噪聲作為信道噪聲與干擾模型。但是傳輸環境惡劣，電力線上的噪聲可認為是由終端設備引起的背景噪聲與脈沖噪聲的疊加，要遠比高斯白噪聲模型復雜。需要按信道噪聲源對其進行分析和歸類，如下：

（1）背景噪聲：主要由低功率的設備引起的噪聲，背景噪聲占據著整個信道，功率譜密度較低，而且功率譜密度和頻率與時間的特性關系有關，通過對信號進行擴頻也無法徹底去除背景噪聲，而且得不到任何增益；

（2）窄帶噪聲：一般是由中、短電磁波引起的。窄帶噪聲的頻譜帶寬小，且隨時間變化，晝夜強度不同，通常晝高夜低；

（3）周期性脈沖噪聲：多是由顯示器引起。噪聲的重現頻率一般為50～200Hz；

（4）諧波噪聲：多由可控硅整流器件引起。諧波噪聲一般出現在工頻或工頻的整數倍處，持續時間較長，頻率帶寬及功率都較大，功率譜密度會隨頻率的升高而降低；

（5）隨機脈沖噪聲：主要由接入負載的突發性開關操作或閃電引起。隨機脈沖噪聲具有很強的隨機性且持續時間很短，因此具有較寬的頻帶和較大的功率，其功率譜密度有時會比背景噪聲高出50db，能夠影響很寬的頻帶。

通常情況下，前三種可認為是背景噪聲，因為其隨時間變化緩慢，而后兩種的時變性較強且會引起信道內功率譜密度的突發劇烈變化，給數據傳輸帶來很大的誤差，是主要的信道噪聲。

信道衰減主要包括耦合衰減與傳輸衰減。耦合衰減主要是電力線與通信系統的阻抗失配引起，會引信號產生幅值上的降低或衰減，傳輸衰減可由電力線自身的熱損失、電磁輻射、電磁干擾、信號傳輸的時延特性等因素會引起。

本文首先從實際角度分析并建立了電力線載波通信模型，得出了電力線的載波信號頻率與長度、電壓、電流的關系。通過研究傳輸特性、信道特性得出了電力傳輸線路對信號的影響。為了提高電力線載波模塊的傳輸效率，從信道干擾、信道衰減、輸入阻抗是三個方面闡述了復雜的電力線通信環境，提出相應的解決辦法。最終為實現白光通信組網奠定一定基礎。

參考文獻：

[1]宋小慶，趙梓旭，陳克偉，廖自力.可見光通信應用前景與發展挑戰[J].激光與光電子學進，2015，52（08）：36-44.

[2]JM Kahn，R Barry. Wireless infrared communications [J].Proceedings of the IEEE，1997， 85（2）：265-298.

[3]韓健. 智能電表控制芯片數字部分的低功耗物理設計與驗證[D].復旦大學，2012.

[4]高峰，董亞波. 低壓電力線載波通信中信號傳輸特性分析[J].電力系統自動化，2000，10：36-40

[5] Shannon CE. A mathematical theory of communication： part II[J].Bell Syst，Tech，2008， 23（16）：623-628.

通信作者：

劉春陽，男，研究生導師。

基金項目：國家自然科學基金青年科學基金項目（No.51602028）