隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，人們進(jìn)入了信息化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，智能小區(qū)、家庭自動(dòng)化將逐漸成為人們生活的主題。家庭網(wǎng)絡(luò)是智能小區(qū)、家庭自動(dòng)化的基本單元。家庭網(wǎng)絡(luò)以家庭網(wǎng)關(guān)為中心、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為核心，通過家庭總線技術(shù)(HBS)互連所有可以互聯(lián)的住宅商品(包括網(wǎng)絡(luò)家電、計(jì)算機(jī)、三表、安防產(chǎn)品等)，組建家庭智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)化、信息化、智能化^[1]。
　　電力網(wǎng)絡(luò)是世界上已有的最廣的有線網(wǎng)絡(luò)，是人們生活必不可少的。利用電力線組建網(wǎng)絡(luò)無需架線，不破壞住宅結(jié)構(gòu)，連接方便快捷，是當(dāng)今世界研究的一個(gè)熱點(diǎn)。PLC家庭網(wǎng)絡(luò)就是利用電力線進(jìn)行通信而實(shí)現(xiàn)的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，圖1給出了PLC家庭網(wǎng)絡(luò)的基本方案。在PLC家庭網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)由與電力負(fù)載相連的電力線傳送，并通過HomePlug協(xié)議交互，采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復(fù)用調(diào)制方式^[2]。由于電力線是專為傳送工頻電力而設(shè)計(jì)，對(duì)高頻載波信號(hào)衰減很大，干擾嚴(yán)重。因此，如何增加電力線通信的可靠性、提高傳輸速度成為電力線通信技術(shù)的關(guān)鍵。

　　目前，PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的速率都號(hào)稱達(dá)到45M以上，但由于它們采用傳輸電能的相線-零線承載載波信號(hào)，高頻載波信號(hào)受到了嚴(yán)重的衰減和干擾，實(shí)際傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值。本文通過對(duì)相線-零線、零線-地線的分析與測(cè)試，提出了利用零線-地線承載載波信號(hào)，提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性與速率的方案，使通信效果得到一定改善。
1 低壓電力線特性
1.1 輸入阻抗與傳輸特性
　　低壓電力線的輸入阻抗直接影響到信號(hào)耦合的效率，是低壓電力線傳輸特性^[3]的重要參數(shù)。

　　電力負(fù)載是影響電力線輸入阻抗的重要原因之一。這一點(diǎn)可以從較典型的計(jì)算機(jī)電源電路(見圖2)中得到證明。該電路中虛線框內(nèi)為抗干擾電路，可以防止外部干擾信號(hào)" title="干擾信號(hào)">干擾信號(hào)進(jìn)入電源內(nèi)部，也能阻止開關(guān)電源產(chǎn)生的高次諧波串入電網(wǎng)，這部分電路對(duì)電力線的特性影響很大。從圖2中可以看出，起決定作用的是C1，R1、R2由于阻值大不足以造成影響；其它元件由于扼流圈L1的存在影響甚微，當(dāng)頻率為10MHz時(shí)，阻抗為：
　　
　　如此小的阻抗會(huì)使有用的載波信號(hào)損失殆盡，這正是電力線通信中令人頭痛的問題。
　　總體上看，電力線對(duì)高頻載波信號(hào)的衰減^[4]隨傳輸距離增加而增大，并與負(fù)載情況有很大關(guān)系。由于電力線上負(fù)載繁多，并且接入具有隨機(jī)性，電力線變得非常復(fù)雜并具有時(shí)變特性，不僅同一時(shí)間不同地點(diǎn)的特性不一樣，而且同一地點(diǎn)不同時(shí)間的特性也大不一樣。圖3是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在兩個(gè)不同地點(diǎn)的阻抗特性。從圖中可以看出，電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，變化范圍超過1000倍！但是，輸入阻抗并不是簡(jiǎn)單地隨頻率的增大而減小。由于負(fù)載與電力線本身組合成的電路存在若干共振點(diǎn)，這樣的諧振通常是由容性負(fù)載引起的，在這些共振點(diǎn)上阻抗較小。同時(shí)，由于負(fù)載會(huì)在電力線上隨機(jī)地連上或斷開，所以在不同時(shí)間，電力線的輸入阻抗也會(huì)發(fā)生很大幅度的改變。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，發(fā)射機(jī)功率放大器的輸出阻抗和接收機(jī)的輸入阻抗難以與之匹配，因而給電路設(shè)計(jì)帶來很大的困難，對(duì)本來就存在PAR問題的OFDM調(diào)制更為突出。
　　電力線的傳輸特性直接反映高頻信號(hào)的傳輸情況，因而更能說明負(fù)載對(duì)PLC信號(hào)的影響，特別是距離發(fā)射機(jī)較遠(yuǎn)而又靠近接收機(jī)的負(fù)載。當(dāng)負(fù)載為容性時(shí)，電力線的傳輸特性急劇惡化。因?yàn)檫B接線的電感試圖隔離網(wǎng)絡(luò)中的各元件，并在高頻時(shí)消除遠(yuǎn)端連接負(fù)載對(duì)輸入阻抗的影響，遠(yuǎn)端負(fù)載對(duì)輸入阻抗的影響是很小的，但對(duì)傳輸特性卻十分明顯。
1.2 噪聲特性
　　電力線上存在的復(fù)雜干擾也嚴(yán)重影響著電力線上的數(shù)據(jù)傳輸。低壓電力線作為高頻信號(hào)的傳輸通道，有比明線、電纜等其它類型的通道高得多的噪聲干擾。這些干擾不僅來自某些自然現(xiàn)象，更多的是來自低壓電力線連接的負(fù)載。多類負(fù)載都會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生干擾噪聲，各種干擾噪聲主要來源于以下幾方面^[5]。
　　可控硅器件和電源電路產(chǎn)生的工頻倍頻諧波，每秒要切換50次，引起時(shí)域上的一系列噪聲脈沖，或頻域上的比工頻更高次的諧波噪聲，如無級(jí)調(diào)速器、可控整流設(shè)備等。由于負(fù)載與電網(wǎng)不同步而產(chǎn)生的具有平滑功率譜的干擾，該類噪聲的功率譜密度相對(duì)較低，是頻率的衰減函數(shù)，如普通電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的干擾。開關(guān)電子設(shè)備產(chǎn)生的單脈沖噪聲及雷電干擾，這種脈沖噪聲的持續(xù)時(shí)間為幾微秒到幾毫秒。非同步周期的噪聲，這類噪聲大多數(shù)為帶調(diào)制幅值的正弦干擾信號(hào)，如電視機(jī)、顯示器行掃描頻率及各類電子鎮(zhèn)流器。
2 低壓電力線在家庭網(wǎng)絡(luò)中的改進(jìn)
　　在傳統(tǒng)電力線載波通信中，使用相線-零線(單相或多相線路)或相線-相線(多相線路)承載信號(hào)。由于電力負(fù)載跨接在線路上，干擾信號(hào)直接竄入線路，并且使載波信號(hào)衰減很大，這必然要求發(fā)射機(jī)具有較大的輸出功率，導(dǎo)致OFDM正交頻分復(fù)用的PAR(峰均功率比)較高的問題惡化，過多的高頻信號(hào)也會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)并影響電力負(fù)載的正常工作。
　　根據(jù)家庭居室的有關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)，家庭內(nèi)部要裝配獨(dú)立地線，而地線連接電器外殼或接地點(diǎn)，起安全保護(hù)作用，與相線和零線沒有太多的直接聯(lián)系(如圖4所示)。大部分電力負(fù)載在零線-地線上的等效阻抗幾乎為無窮大(只有分布電容的影響)，這一點(diǎn)也可以從圖2看出：在零線-地線通路上，高頻載波信號(hào)已被扼流圈L1、L2阻斷，除去分布與耦合電容的影響，阻抗幾乎為無窮大。對(duì)其它一些兩線插頭的電器，這個(gè)問題就不言而喻了。另外，干擾信號(hào)也沒有直接進(jìn)入零線-地線，只有較少的耦合信號(hào)。

　　如果在用戶電源輸入端插入阻波器，將內(nèi)外網(wǎng)隔離，一方面能防止外網(wǎng)干擾信號(hào)串入內(nèi)網(wǎng)，另一方面對(duì)于內(nèi)網(wǎng)的高頻載波信號(hào)來說，阻波器的阻抗為無窮大。同時(shí)，由于采用零線-地線承載載波信號(hào)，PLC載波信號(hào)與負(fù)載阻抗分用不同的線路(如圖5所示)，則線路阻抗與空載電力線阻抗差不多，相比之下能降低發(fā)射功率、提高信噪比，因而能增加信號(hào)傳輸?shù)乃俾逝c可靠性，OFDM的PAR問題也能得到緩解。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　為了證明分析的正確性，筆者對(duì)某住宅進(jìn)行了測(cè)試。該住宅為1992年修建的鋼筋混凝土混合結(jié)構(gòu)住宅樓的一樓，兩室一廳，面積50余平米。住宅電纜為阻燃管套裝的暗線敷設(shè)，并布有獨(dú)立地線，有電冰箱、電視機(jī)、電腦、調(diào)光燈、電風(fēng)扇各一臺(tái)。在住宅電源輸入端插入如圖5所示的阻波器，用5V的正弦波作為輸入信號(hào)?？紤]到HomePlug使用的頻段為4.3MHz~20.9MHz，筆者對(duì)4MHz~21MHz的18個(gè)頻點(diǎn)分別在相線-零線與零線-地線上進(jìn)行測(cè)試。
　　實(shí)驗(yàn)1為測(cè)試電力線的阻抗特性，采用圖6(a)所示的電路測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖6(b)所示。

　　實(shí)驗(yàn)2為測(cè)試電力線的傳輸特性，采用圖7(a)所示電路測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖7(b)所示。測(cè)量中信號(hào)注入點(diǎn)距測(cè)試點(diǎn)約5m?？紤]到實(shí)際智能電器的PLC載波信號(hào)取自各自的電源輸入端，為消除電器電源電纜的影響，真實(shí)地反映高頻載波信號(hào)的傳輸情況，筆者直接從負(fù)載的電源電路獲取測(cè)試信號(hào)，此處負(fù)載選用計(jì)算機(jī)。
　　實(shí)驗(yàn)3為測(cè)試調(diào)光燈產(chǎn)生的噪聲干擾，用示波器對(duì)調(diào)光燈所接的插座進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

　　從測(cè)量結(jié)果來看，零線-地線上的阻抗特性有一定改善，傳輸特性改善明顯，對(duì)高頻信號(hào)的衰減明顯減小，干擾噪聲也明顯減少，這對(duì)電力線通信是有利的。

　　為了檢驗(yàn)電力線網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，采用某品牌的電力線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試比較。兩臺(tái)PLC產(chǎn)品之間電力線長(zhǎng)度約為5m，第一臺(tái)電腦與第二臺(tái)電腦通過10M網(wǎng)卡連接，第一臺(tái)電腦還與第三臺(tái)電腦通過14M PLC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品連接，如圖9所示。測(cè)試中各電腦配置如下：
　　電腦1：100M網(wǎng)卡，IP：172.16.24.1
　　電腦2：10M網(wǎng)卡，IP：172.16.24.2
　　電腦3：14M PLC Modem，IP：172.16.24.3
　　首先在第一臺(tái)電腦上用Any speed對(duì)另兩臺(tái)電腦進(jìn)行Ping測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見圖10。從圖中可以看出，10M網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)速度(上面一條曲線)穩(wěn)定在1040kbps(8.32Mbps)左右，改善前PLC網(wǎng)絡(luò)速度(下面一條曲線)為206kbps(1.65Mbps)，且波動(dòng)較大，改善后速度提高到504kbps(4.03Mbps)，并且比較穩(wěn)定。

　　然后，用NetIQ公司的Qcheck測(cè)試軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試。該軟件和Chariot測(cè)試軟件類似，通過統(tǒng)計(jì)一個(gè)預(yù)定長(zhǎng)度和格式的腳本文件無差錯(cuò)地從一臺(tái)服務(wù)器傳送到另一臺(tái)服務(wù)器的時(shí)間，來測(cè)試組網(wǎng)的電腦對(duì)之間的性能。操作系統(tǒng)采用Windows 2000 Professional (SP1)，測(cè)試平臺(tái)包括一個(gè)控制臺(tái)程序(安裝在電腦1)和三個(gè)代理端(Endpoint)程序。表1為測(cè)試結(jié)果。

　　以上測(cè)量結(jié)果表明，使用零線-地線的載波方案對(duì)PLC網(wǎng)絡(luò)的多項(xiàng)性能都有一定改善。
　　未來的PLC家庭網(wǎng)絡(luò)中，速率與可靠性是必須解決的問題。零線-地線對(duì)高頻載波信號(hào)的衰減比相線-零線少，而且干擾信號(hào)也小。使用零線-地線承載載波信號(hào)，讓PLC載波信號(hào)與負(fù)載阻抗分用不同的線路，能減輕線路對(duì)載波信號(hào)的衰減與干擾，提高PLC通信的速率與可靠性。
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