適用于白光通信系統(tǒng)的電力線載波組網(wǎng)模塊探究

王賀 母一寧 樊海波 王美婷 朱焱 劉春陽(yáng)

摘 要：為了解決白光通信的上行傳輸困難、組網(wǎng)復(fù)雜等問(wèn)題，本文提出利用電力線載波模塊進(jìn)行組網(wǎng)配對(duì)。在現(xiàn)有的供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)電力傳輸線模型展開(kāi)了研究，從信道阻抗特性、信道噪聲、信道衰減等角度出發(fā)，探究對(duì)信號(hào)傳輸成功率的影響。然后從三個(gè)方面對(duì)電力線載波信道進(jìn)行分析，指出阻波器、改變調(diào)制方法均可以提升通信可靠性。

關(guān)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(fā)展，低碳環(huán)保等理念的提出，LED作為一種新型光源將逐漸替代傳統(tǒng)光源[1]。使用LED進(jìn)行白光通信，這種通信方式具有很強(qiáng)的安全性、保密性、抗干擾性。其系統(tǒng)分為調(diào)制解調(diào)、上行鏈路、下行鏈路[2]。其中現(xiàn)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(wèn)題。因此為了解決這些問(wèn)題，采用電力線載波通信的方法作為上行鏈路實(shí)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(zhì)，電力線載波（PLC，Power Line Carrier）通信是以輸電線路為載波信號(hào)傳輸媒介的電力系統(tǒng)通信[3]。

阻抗特性會(huì)影響信號(hào)發(fā)送設(shè)備與接收設(shè)備之間的傳輸功率比，阻抗匹配能夠提高發(fā)射與接收功率，所以阻抗匹配也是一個(gè)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(fù)載的接入與接出，會(huì)使電力線阻抗具有時(shí)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(huì)影響到信號(hào)傳輸速率和影響傳輸質(zhì)量。

信道內(nèi)干擾或信道噪聲是描述信道傳輸特性的重要參數(shù)，在分析噪聲的時(shí)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(huán)境惡劣，電力線上的噪聲可認(rèn)為是由終端設(shè)備引起的背景噪聲與脈沖噪聲的疊加，要遠(yuǎn)比高斯白噪聲模型復(fù)雜。需要按信道噪聲源對(duì)其進(jìn)行分析和歸類，如下：

（1）背景噪聲：主要由低功率的設(shè)備引起的噪聲，背景噪聲占據(jù)著整個(gè)信道，功率譜密度較低，而且功率譜密度和頻率與時(shí)間的特性關(guān)系有關(guān)，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻也無(wú)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(shí)間變化，晝夜強(qiáng)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(xiàn)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(xiàn)在工頻或工頻的整數(shù)倍處，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，頻率帶寬及功率都較大，功率譜密度會(huì)隨頻率的升高而降低；

（5）隨機(jī)脈沖噪聲：主要由接入負(fù)載的突發(fā)性開(kāi)關(guān)操作或閃電引起。隨機(jī)脈沖噪聲具有很強(qiáng)的隨機(jī)性且持續(xù)時(shí)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(shí)會(huì)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(rèn)為是背景噪聲，因?yàn)槠潆S時(shí)間變化緩慢，而后兩種的時(shí)變性較強(qiáng)且會(huì)引起信道內(nèi)功率譜密度的突發(fā)劇烈變化，給數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)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(tǒng)的阻抗失配引起，會(huì)引信號(hào)產(chǎn)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(hào)傳輸?shù)臅r(shí)延特性等因素會(huì)引起。

本文首先從實(shí)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(hào)頻率與長(zhǎng)度、電壓、電流的關(guān)系。通過(guò)研究傳輸特性、信道特性得出了電力傳輸線路對(duì)信號(hào)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(gè)方面闡述了復(fù)雜的電力線通信環(huán)境，提出相應(yīng)的解決辦法。最終為實(shí)現(xiàn)白光通信組網(wǎng)奠定一定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋小慶，趙梓旭，陳克偉，廖自力.可見(jiàn)光通信應(yīng)用前景與發(fā)展挑戰(zhàn)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)，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(shù)字部分的低功耗物理設(shè)計(jì)與驗(yàn)證[D].復(fù)旦大學(xué)，2012.

[4]高峰，董亞波. 低壓電力線載波通信中信號(hào)傳輸特性分析[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)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(yáng)，男，研究生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51602028）