低压电力线信道噪声特性分析

0 引言
    电力线通信(power line communications，PLC)是以电力线作为通信媒介的一种通信方式。电力线从来就不是一种理想的通信介质，但随着技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得PLC的实用化成为可能。如何进一步提高在电力线的通信性能，实现高速、可靠的长距离通信，依赖于对通信信道特性的准确把握。电力线通信信道环境的恶劣，使得对其信道模型的建立显得更为重要。由于电力线是非专用通信线路，其中各种干扰的时变性、随机性等特点，使得建立其通用的精确模型困难很大。一般都是通过对电力线进行大量参数测定后，根据统计数据，参照无线通信的信道分析建模方法，给出特定环境下的相对模型。本文在对电力线噪声进行分类讨论后，对三种主要噪声给出较为准确的试验数据统计模型。

1 电力线通信信道特点
    由于低压电力线主要任务是在短距离内对50／60 Hz电能实行分配，故与专用的通信线路相比，其信道环境极为恶劣。主要有：
    (1)在广阔的范围内遇到干扰信号。如用户的各种电气设备，特别是陈旧的和有质量缺陷的电器，会给电力线上传送的信号带来灾难性的干扰。
    (2)电力网络上的阻抗随负载的变化而会有大幅度的变化，且具有较强的时变性。
    (3)由于存在较强的衰减特性，使得电力线上的各个节点表现出的性能也不尽相同。
    影响电力线通信可靠性的主要因素有：噪声电平高、阻抗变化大、信号电平衰减剧烈等。所以在对低压电力线通信信道建模时需要考虑噪声、阻抗和衰减三方面。本文将主要对噪声特性进行分析与讨论。

2 电力线噪声及其分布
    电力线上的噪声源分为非人为噪声和人为噪声。非人为噪声是自然现象所引起的，如雷电在电力线上引起的噪声；人为噪声来自各种电器、机电产品和电力线自身引起，电力线的主要噪声并不是加性白高斯噪声，基本特性是极短的时间周期内都可能发生变化。
2．1 噪声分类
    低压电力线上的噪声一般划分为5种类型，其功率谱分别如图1中所示。

    (1)有色背景噪声
    由电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度(PSD)随频率增加而减小。
    (2)窄带噪声
    这是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其强度在24 h内变化不定。一般情况下，由于电离层的反射，夜间干扰比较严重，而白天的干扰却较小。
    (3)与工频异步的周期性脉冲噪声
    通常由大功率电器设备开关的周期性的开闭动作产生，其功率谱为离散的谱线。重复率在50～200 kHz范围内。
    (4)与工频同步的周期性脉冲噪声
    主要是电力设备按50 Hz频率工作产生的脉冲，重复率为50 Hz或100 Hz。持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。
    (5)突发性脉冲噪声
    闪电或网络上负载的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。脉冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出50 dB。
2．2 噪声测量
    低压电力线信道噪声测试的框图如图2所示。电力线噪声通过耦合网络耦合至示波器，示波器获取噪声数据并存储后再传输至PC机进行谱分析。耦合网络主要有两个作用：一是使测试仪器与220 V的强电隔离，保证测试设备的安全；二是耦合网络中的滤波器对测试频段外的噪声进行滤波，减少干扰。

2．3 噪声分析
    电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立。根据对低压信道噪声数据时域和频域数据的分析，这里我们把电力线上的噪声分成三类来分析，其分别是：背景噪声、突发性脉冲噪声和周期性脉冲噪声。
    (1)背景噪声
    如上所述，背景噪声包括有色噪声和窄带噪声。背景噪声的主要特性是低功率的噪声源，随频率的增大而减小，通常可保持几秒或几分钟，有时甚至几小时不变。其在不同频段的功率谱密度也随一定时间保持稳定。又称为稳态的背景噪声。通常晚上的背景噪声比白天大，图3为白天和晚上所测背景噪声时域波形与功率谱。

    图3(a)和(b)为在白天和晚上的噪声时域采样波形，(c)为白天、晚上噪声PSD的比较。晚上的有色背景噪声和窄带干扰PSD比白天高出约5～15 dB。背景噪声晚上较高的可能原因是晚上用电负载的增加。
    (2)脉冲噪声
    脉冲噪声是随时间(以ms或μs级计)变化而变化，功率谱密度较高，在数据传输中出现错误主要就是由脉冲噪声引起，尤其是突发性脉冲噪声。由于突发性脉冲噪声是一随机事件，故其特性可用随机变量来描述。典型的突发性脉冲噪声是因开关瞬态而引起的。这些脉冲的波形类似于衰减正弦波或重叠的衰减正弦波。

3 噪声模型
    如上所分析，用仿真方法对电力线通信信道内的噪声建模，我们可根据各种噪声间相互独立的原理对其中主要的三种噪声分别建模：背景噪声、突发性脉冲噪声和周期性脉冲噪声。
3．1 背景噪声
3．1．1 有色背景噪声
    按图4用白噪声源经过滤波生成，噪声整形滤波器可用传递函数(Z变换)来描述：

    式中，函数的分子部分B(Z)表示的是移动平均(MA)部分，其分母A(Z)表示的是自回归(AR)部分。模型参数由噪声源的方差σ2和滤波器系数组成。通过使用AR处理模型，即：B(Z)=1，参数可以用Burg算法得到。由于有色背景噪声的功率谱密度随时间的变化很慢，所以一般只有在改变模拟的噪声环境时，该参数才需要变更。
3．1．2 窄带噪声
    窄带噪声可通过如下N个独立的正弦函数叠加来描述：

   
    幅度与频率由统计结果得出，相位随机。式中，fi为每个载波的频率；Ai(t)为幅度；ψi为相位。
3．2 突发性脉冲噪声
    根据观察，多数脉冲的包络呈三角形且脉冲的下降较上升沿长，因此仿真中利用三角形包络的正弦波模拟单个脉冲。而且通过前面对突发性脉冲噪声的功率谱的分析，可以考虑脉冲噪声可以用叠加衰减的正弦波来描述它。通过对计算脉冲噪声功率谱可以分析得到构成脉冲噪声的主要正弦波频率及它们的幅度比，再用这些叠加的正弦波乘以包络，最后在叠加上背景噪声便得到其时域模型。图5是仿真结果，可以看出模型在时域上和原数据吻合度较好。由于该模型是通过频域分析来建立的，其在频域上也能很好的反应突发性脉冲噪声的特点。

3．3 周期性脉冲噪声
    对周期性脉冲噪声进行时域建模。根据观察，多数脉冲的包络呈三角形且脉冲的下降沿较上升沿长，因此仿真中利用三角形包络的正弦波模拟单个脉冲。正弦波的频率和幅值以及脉冲出现的周期由对大量测量结果的统计得到。噪声模型为将脉冲模型与背景噪声模型叠加的结果。其具体建模方法大体上与突发性脉冲噪声的建模方法相同。图6给出仿真结果，从结果可以看出模型较好地描述了时域和频域特性。实践证明通过以上方法所建立的噪声模型在时域上和频域上都能较好地模拟低压电力线噪声。

4 结论
    本文在对电力线信道进行简要讨论后，对电力线噪声进行了详细的分类讨论，对主要干扰电力线通信的背景噪声、突发性脉冲噪声和周期性脉冲噪声，给出了根据试验统计数据得出的模型。但由于电力线干扰的时变性、随机性等的特点，上述模型的精确性还依赖于特定的试验环境，对模型的进一步优化还有待更多试验数据的获取。