中壓電力線多載波通信的研究.pdf

1、電力線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)分布最為廣泛的網(wǎng)絡(luò)之一，研究基于電力配電網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)具有重大的實(shí)用價(jià)值。本文側(cè)重于對(duì)線路阻抗、多經(jīng)反射和噪聲的研究，旨在通過(guò)對(duì)中壓配電網(wǎng)信道特性的研究，建立合適的信道模型以選擇適合于高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男滦屯ㄐ偶夹g(shù)，包括調(diào)制方式、編碼技術(shù)、使用頻帶和發(fā)送功率等，并進(jìn)行詳細(xì)分析和研究，從而為后續(xù)的高速PLC產(chǎn)品的研制開(kāi)發(fā)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。論文首先通過(guò)對(duì)中壓電力線載波信道特性的研究，建立合適的信道模型和信道仿真模型；

2、然后根據(jù)該模型提出中壓電力線環(huán)境的OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)方案，分析、選擇了適合該信道環(huán)境的自適應(yīng)調(diào)制類(lèi)型，提出了限制發(fā)射功率條件下的比特分配方案；接著為了在實(shí)際應(yīng)用中盡量減輕信號(hào)盲區(qū)的影響，分析用10kV線路上的配電線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)的駐波；為了克服電力線信道中的脈沖噪聲，提出了基于OFDM的脈沖噪聲處理算法。主要取得如下幾方面的成果： 1．重點(diǎn)對(duì)中壓配電線載波信道特性進(jìn)行了深入的研究。 對(duì)該信道的噪聲特性、阻抗特性和衰減特

3、性進(jìn)行了詳細(xì)而深入的分析，并在分析和測(cè)量的基礎(chǔ)上，綜合前人成果提出了噪聲(包括背景噪聲、窄帶噪聲和脈沖噪聲)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了電力線多徑衰落模型，從而建立了中壓配電線載波信道模型。并且結(jié)合電力線信道多徑衰落的特點(diǎn)，對(duì)路徑到達(dá)時(shí)間和路徑的幅度分布進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)電力線信道的阻抗調(diào)制特性，采用信道控制模塊來(lái)調(diào)節(jié)信道衰減參數(shù)和噪聲參數(shù)，從而建立了信道仿真模型。該模型根據(jù)信道不同位置和時(shí)段的特點(diǎn)劃分了最優(yōu)、典型和惡劣等信道狀態(tài)，體現(xiàn)了

4、信道時(shí)變特性。從而為中壓配電線載波系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)和依據(jù)，這是一件非常重要的基礎(chǔ)性工作。 2．對(duì)中壓配電線載波信道中的駐波進(jìn)行了計(jì)算分析。 由于電力線信道存在信號(hào)盲區(qū)，而中壓載波信道的信號(hào)盲區(qū)主要由駐波影響而產(chǎn)生，因此分析10kV線路的配電線數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出現(xiàn)的駐波，可以在實(shí)際應(yīng)用中盡量減輕信號(hào)盲區(qū)的影響。本文采用一種簡(jiǎn)化方法來(lái)計(jì)算單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗和分支導(dǎo)納矩陣，并以此進(jìn)行中壓配電線上的駐波分析。發(fā)現(xiàn)當(dāng)超過(guò)一定的頻率范

5、圍或在傳導(dǎo)性很差的地平面上(或者二者同時(shí)存在)，長(zhǎng)期沿用的以Carson公式為基礎(chǔ)的分析方法因忽略了大地介質(zhì)的影響，而對(duì)配電線上電壓駐波幅度的分析過(guò)于樂(lè)觀。因而對(duì)于不同頻率和不同位置的駐波計(jì)算可以采用不同的方法，從而可以有效避免或減小信號(hào)盲區(qū)的影響。本文分析方法可為中壓配電線上的載波通信提供更加安全可靠的設(shè)計(jì)參考。 3．根據(jù)本文提出的信道模型，給出了中壓配電線載波信道自適應(yīng)OFDM信號(hào)設(shè)計(jì)方調(diào)制案。 根據(jù)中華人民共和國(guó)有

6、關(guān)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于中壓配電線通信系統(tǒng)的信號(hào)頻帶、發(fā)射機(jī)輸出功率和物理層數(shù)據(jù)格式等要求，給出了信道的均方根(rms)延遲擴(kuò)展σ<,rms>的估計(jì)算法和OFDM系統(tǒng)參數(shù)的選擇方案。從而為中壓電力線信道OFDM系統(tǒng)的建立提供了依據(jù)。 針對(duì)中壓配電線信道的實(shí)際條件，分析了三類(lèi)自適應(yīng)比特分配算法的特點(diǎn)，并對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了比較。仿真證明，L-C算法的總體性能最優(yōu)，而H-H算法的BER性能最好。在此基礎(chǔ)上提出了限制發(fā)射功率條件下的比特

7、分配方案，比已有的同類(lèi)典型算法的計(jì)算復(fù)雜度明顯降低，運(yùn)算速度更快，BER性能稍有降低。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真，表明了本算法的正確性和有效性。 4．提出了基于消隱非線性的OFDM多載波電力線系統(tǒng)脈沖噪聲檢測(cè)算法和閾值最優(yōu)化算法。 如果閾值選取得當(dāng)，這種算法對(duì)中低信噪比時(shí)的性能有所改進(jìn)，高信噪比時(shí)的性能只有些許下降。但這種算法的閾值選擇是關(guān)鍵，為此又提出了OFDM系統(tǒng)中消隱非線性的閾值最優(yōu)化算法，并在優(yōu)化閾值的基礎(chǔ)上，計(jì)算了消隱器

8、輸出信噪比，對(duì)系統(tǒng)的SNR增益進(jìn)行了估計(jì)。在OFDM系統(tǒng)子載波足夠多的情況下，該算法結(jié)果和仿真結(jié)果吻合得很好。 5．對(duì)中壓電力線系統(tǒng)中的編碼和調(diào)制進(jìn)行了研究。 在理論上詳細(xì)分析了中壓PLC信道中脈沖噪聲和多徑效應(yīng)對(duì)單載波和OFDM系統(tǒng)的影響。仿真結(jié)果與分析結(jié)果吻合很好。通過(guò)分析可知，在脈沖噪聲影響下，OFDM系統(tǒng)的BER性能取決于脈沖噪聲的到達(dá)時(shí)間，平均持續(xù)時(shí)間和功率譜密度。并且只有在重度干擾的情況下，脈沖噪聲才能對(duì)OF

9、DM系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。多徑效應(yīng)對(duì)OFDM系統(tǒng)的影響要比脈沖噪聲大的多。在未加保護(hù)間隔的情況下，不同子載波數(shù)OFDM系統(tǒng)的BER曲線均出現(xiàn)了誤碼平臺(tái)。當(dāng)GI長(zhǎng)度大于信道的最大延遲時(shí)，可以消除誤碼平臺(tái)，大大提高OFDM系統(tǒng)性能。 測(cè)試了編碼OFDM電力線載波系統(tǒng)的BER性能，分別使用BPSK、QPSK和16QAM調(diào)制。信道編碼則使用了RS碼、卷積碼和Turbo碼，為了提高系統(tǒng)性能，使用了分塊交織。在性能上，BPSK調(diào)制比其它兩種調(diào)制