低压电力线载波通信干扰因素的解决及其发展现状

摘要：文章主要讨论了限制低压电力线载波通信的主要因素，提出了在电力线载波通信中干扰问题的两种解决方法，扩频通信技术和OFDM技术，并展望了低压电力线载波通信在未来的发展前景。

关键词：低压电力线，载波通信，扩频通信，正交频分复用(OFDM)

　　电力线载波通信（PLC）是电力系统特有的、基本的通信方式，它是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。用电力线作为网络接入方案，可利用已有的电力配电网络进行通信，不需要重新布线，且电力线网络分布广泛，接入方便，多用户能够共享宽带，因此，PLC宽带接入技术具有得天独厚的优势，它也成为解决宽带网络“最后1公里”问题最具竞争力的技术之一。

　　但是，低压电力线并不是专门用来传输通信数据的。它的拓扑结构和物理特性都与传统的通信传输介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等不同。它在传输通信信号时信道特性相当复杂，负载多，噪声干扰强，信道衰减大，信道延时，通信环境相当恶劣。本文主要对低压电力线通讯信道的载波传输特性进行了系统的分析，提出了对信号干扰问题的两种解决方法，分别可以采用OFDM和扩频通信两种技术来克服信道中的干扰问题，而且也简要地介绍了我国现代低压电力线载波通信的发展现状。

1 信道特性分析

　　低压电力线是给用电设备传送 50Hz 电能的，利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。低压电力线信道的通信环境恶劣，存在变化的阻抗，不可预测的噪声干扰，强烈的信号干扰，强烈的信号衰减，这些都是有信道本身的特性决定的，因此，需要对信道特性进行详细的分析。

1.1 阻抗特性分析

　　为了使耦合到电力线上的发射信号功率最大，载波机的输出阻抗应该与电力线上接受机的输入阻抗相匹配。由于电网上有大量的电力负载和电力设备（如无功补偿电容等）随机的接入、切出，这些器件对载波信号的衰减非常严重，其高频等效阻抗变化范围很大，有时小于0.1Ω，有时候突然增大到几十欧姆。这就使其信号衰减值严重时会达到100dB以上，很难做到输入阻抗的匹配，因此，在设计载波发射机时，难以保证载波机的输出阻抗和电力线的输入阻抗相匹配，从而给通信系统设计带来一定的困难。另外当电力线路负载严重时，发送耦合电路的内阻也不可忽视，它也会分去相当一部分功率。图1（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期）用对数绘出了实测的输入阻抗与频率的关系数据。

1.2 噪声分析

　　分析高频信号在低压电力线上传输时，由于不同的原因会出现多种衰减。信号衰减主要有两部分组成：一是耦合衰减；二是线路衰减。理论上，可以将耦合器的内阻做得相当小，所以衰减就主要决定于线路衰减。实验表明，信号的衰减是距离的函数，一般为40～100dB/km。在农村电网衰减最大，500m就达到50dB；在城市，250m大约20dB；在郊区，250m也能够达到20dB；但在工业区衰减较小，750m长的线路仅为30dB。

　　电力线路上的干扰源包括脉冲噪声和等幅振荡波干扰。脉冲噪声具有瞬间、高能和覆盖频率范围广的特点，因而对于载波信号传输的影响相当大，不仅会造成信号误码率高，使得接受装置无法正确接受；另外，它还有可能使接收设备内部产生自干扰，严重影响整个系统的工作。等幅振荡波干扰源包括有意干扰和无意干扰两种。两者的工作频率在50kHz～300kHz之间，这些频率正好是大多数载波信号的频率范围，因而这种干扰所占的比重也较高。我们分别对不同地域（城市、工业区、乡村）做了大量实验，结论是可以用干扰噪声的时变线性滤波电路作为低压电力线的基本参考模型来克服电力线的噪声。低压电力线路的背景噪声主要来源于以下几个方面：

(1) 与50Hz电网电压频率同步的噪声。一般是由工作在工频的开关器件产生的，如可控硅(SCR)器件，其频率成分是50Hz及其各次谐波。

(2) 白噪声。有负载和电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，如电动机产生的干扰；

(3) （3）脉冲噪声。主要有某些电器突然开关造成的，以及从高压输电变压器感应过来的噪音，特点是频谱款、时间短。

(4) 周期性噪声。如电视机的行频及各次谐波。

　　背景噪声是典型离散高斯型的，它对载波通信系统影响较稳定。其余的是脉冲噪声，它对通信系统可以产生突发性影响引起瞬间的高误码率，甚至造成通信中断。在这两种噪声中，对载波通信系统产生主要影响的是脉冲噪声。由于我国对电器上网的电磁兼容性没有欧美国家控制的严格，因此我国电力网的衰减和干扰要比欧美严重得多。通过前面对低压电力线载波信道传输特性的分析可以看出，低压电力线载波通信的客观环境是非常恶劣的，要达到稳定通信的效果，必须采用先进的技术手段来克服这些困难。

2 扩频通信技术和OFDM技术

　　扩频通信技术和OFDM技术是近几年得到快速发展的数字通信技术，两者都具有抗干扰能力强，通信速率高的优点，对于以低压电力线为传输媒介的场合是较好的通信手段。然而由于它们的调制原理不同，在实际应用中又存在差异。

2.1 扩频通信原理

　　我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽。例如语音信息的带宽大约为20Hz～20kHz,普通电视图像信息带宽大约为6MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量压缩传输带宽，即使在普通的调频通信上，人们最大也只把信号带宽放宽到信息带宽的十几倍左右，这些都采用了窄带带宽。

　　扩频通信属于宽带通信技术，通常的扩频信号带宽与信息带宽之比将高达几百甚至几千倍。我们用信息论和抗干扰理论来解释。根据仙农(C.E.Shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即仙农公式


式中 C——信息的传输速率

S——有用信号功率

W——频带宽度

N——噪声功率

　　由式中可以看出，为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，即加大带宽W或提高信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，使有用信号功率在接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也有可能检测出来。扩频通信就是用带宽传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

　　扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接受端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽ΔF之比称为处理增益GP，即 GP =W/ΔF，它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频通信的其它一些性能也大都与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要新能指标。系统的抗干扰容限MJ定义如下：
式中(S/N)O为输出端的信噪比；LS为系统损耗。

　　由此可见，抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比，扩频处理增益增高后，抗干扰容限大大提高。根据扩频增益不同，甚至在负的信噪比条件下，也可以将信号从噪声的淹没中提取出来，在目前常用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信方式。通常的扩频通信设备总是将用户信息（待传输信息）的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，已尽可能地提高处理增益。

2.2 正交频分复用（OFDM）技术

　　OFDM是一种无线环境下的高速传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而OFDM技术的主要思想就是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，具有频率选择性，但是每个子信道是相对平坦的，在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，因此就可以大大消除信号波形间的干扰。由于在OFDM系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重叠的，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提高了频谱利用率。

OFDM 技术的优点如下：

（1）频带利用率高

（2）抗频率选择性衰落和窄带干扰性能好

（3）传输速度快

(4) 抗多径干扰能力强

(5) 可以选用基于IFFT/FFT的OFDM实现方法

　　OFDM技术的推出其实是为了提高载波的频谱利用率，或者是为了改进对多载波的调制用的，它的特点是各子载波相互正交，使扩频调制后的频谱可以相互重叠，从而减小了子载波间的相互干扰。在对每个载波完成调制以后，为了增加数据的吞吐量，提高数据传输的速度，它又采用了一种叫作HomePlug的处理技术，来对所有将要被发送数据信号位的载波进行合并处理，把众多的单个信号合并成一个独立的传输信号进行发送。另外OFDM之所以备受关注，其中一条重要的原因是它可以利用离散傅立叶反变换/离散傅立叶变换（IDFT/DFT）代替多载波调制和解调。

　　正交频分复用（OFDM）技术是把高速信息传送数据流分解成若干个子信息流，用低速数据流调制若干个子载波。通过串并转化分别调制在N个子载波上 ,其关系见式[（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期]

　　同理，在接受端可以通过离散付氏变换获得原信号序列。利用数字信号处理技术，采用DSP器件，由快速付氏变换和反变换来实现OFDM，其结构见图（2）（略，详见《电工仪表与公用表计行业信息》第7期）。

　　通过对上面两者的比较，扩频通信的功率比较低，而OFDM的功率谱重叠，其调制效率比较高。一般来说，1Mbps量级场合多采用扩频通信方式，对于超过10Mbps的场合，采用OFDM方式为宜，多载波正交频分（OFDM）复用将是解决传输频带利用的有效方法。

3 我国PLC技术的发展现状

　　我国研究PLC技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1997年开始研究PLC技术，主要考虑PLC技术用于低压抄表系统。2000年开始引进国外的PLC芯片，研制了2Mbps的样机。后来，在国内率先研制成功2Mbpd和14Mbps高速电力线通信系统，建立我国第一个电力线宽带接入实验网络。深圳国电科技有限公司2000年开始研制户内PLC产品。目前，采用美国Intellon公司的14Mbps芯片研制的用于户内联网的PLC产品也在小范围试验。下一步准备采用DS2公司的45Mbps芯片，研制传输速率达到20Mbps的户内PLC

　　联网设备。国电通信中心首先采用韩国Xeline公司研制开发的32Mbps芯片的PLC组网设备，在小区内进行Internet的接入试验。使小区内居民均实现了通过电力线上Internet网，实验网络运行稳定，家电的使用对上网基本没有影响，上网桌面速率达到2Mbpd，用户发映良好。

　　预计未来数年，随着高速上网愈来愈普及，新技术将把电线、无线和电话线这三种技术和而为一，让使用者通过高速网络连线，轻松将计算机、各种电子设备、安全系统和家电串联成家庭网络。

4 小结

　　目前，PLC技术在我国的应用还处在试验阶段，还未形成适合我国国情的成熟产品，存在着缺陷和问题。PLC产品的研发、推广和应用设计政策法规、电网安全、电磁兼容、技术体制、准入标准等多方面的问题。对PLC产品的应用和推广既要积极，又要慎重。为满足现代电力系统发展的需要，适应全球通信发展的大趋势，是我国电力通信向高速率、宽频带、大容量方向发展，我们提倡大力发展应用更为先进的通信手段。电力线载波作为电力通信网中以强有力的手段，有着雄厚的发展基础和广阔的市场，应有其使用的生存和发展的环境和空间，它不会简单地消失或停滞不前。

　　我们已经看到，电力线载波系统成为应用最为广泛的通信手段。虽然电力线载波通信存在许多技术上、工程上、和管理上的困难，但是随着我国电力事业的飞速发展，在今后的几年内，通过技术的不断进步，管理上的不断提高，问题会逐渐得到解决的。