零线-地线提高PLC家庭网络的性能

摘要：采用零线-地线承载载波信号，提高基于电力线通信PLC（Power Line Communication）的家庭网络性能，让PLC载波信号与电力负载分别使用不同的线路，大大降低了负载对载波信号的衰减与干扰，有效地提高了载波信号的信噪比，增加信号传输的速率与可靠性。 关键词：PLC低压电力线 传输特性 噪声特性 零线-地线 随着网络技术的发展，人们进入了信息化、网络化时代，智能小区、家庭自动化将逐渐成为人们生活的主题。家庭网络是智能小区、家庭自动化的基本单元。家庭网络以家庭网关为中心、网络平台为核心，通过家庭总线技术（HBS）互连所有可以互联的住宅商品（包括网络家电、计算机、三表、安防产品等），组建家庭智能化网络系统，实现家庭网络化、信息化、智能化[1]。 电力网络是世界上已有的最广的有线网络，是人们生活必不可少的。利用电力线组建网络无需架线，不破坏住宅结构，连接方便快捷，是当今世界研究的一个热点。PLC家庭网络就是利用电力线进行通信而实现的智能家庭网络系统，图1给出了PLC家庭网络的基本方案。在PLC家庭网络中，网络数据由与电力负载相连的电力线传送，并通过HomePlug协议交互，采用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交频分复用调制方式[2]。由于电力线是专为传送工频电力而设计，对高频载波信号衰减很大，干扰严重。因此，如何增加电力线通信的可靠性、提高传输速度成为电力线通信技术的关键。 目前，PLC网络产品的速率都号称达到45M以上，但由于它们采用传输电能的相线-零线承载载波信号，高频载波信号受到了严重的衰减和干扰，实际传输速率远远达不到理论值。本文通过对相线-零线、零线-地线的分析与测试，提出了利用零线-地线承载载波信号，提高数据传输可靠性与速率的方案，使通信效果得到一定改善。 1 低压电力线特性 1.1 输入阻抗与传输特性 低压电力线的输入阻抗直接影响到信号耦合的效率，是低压电力线传输特性[3]的重要参数。 电力负载是影响电力线输入阻抗的重要原因之一。这一点可以从较典型的计算机电源电路（见图2）中得到证明。该电路中虚线框内为抗干扰电路，可以防止外部干扰信号进入电源内部，也能阻止开关电源产生的高次谐波串入电网，这部分电路对电力线的特性影响很大。从图2中可以看出，起决定作用的是C1，R1，R2由于阻值大不足以造成影响；其它元件由于扼流圈L1的存在影响甚微，当频率为10MHz时，阻抗为： 如此小的阻抗会使有用的载波信号损失殆尽，这正是电力线通信中令人头痛的问题。 总体上看，电力线对高频载波信号的衰减[4]随传输距离增加而增大，并与负载情况有很大关系。由于电力线上负载繁多，并且接入具有随机性， 电力线变得非常复杂并具有时变特性，不仅同一时间不同地点的特性不一样，而且同一地点不同时间的特性也大不一样。图3是一个网络在两个不同地点的阻抗特性。从图中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，变化范围超过1000倍！但是，输入阻抗并不是简单地随频率的增大而减小。由于负载与电力线本身组合成的电路存在若干共振点，这样的谐振通常是由容性负载引起的，在这些共振点上阻抗较小。同时，由于负载会在电力线上随机地连上或断开，所以在不同时间，电力线的输入阻抗也会发生很大幅度的改变。由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，发射机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之匹配，因而给电路设计带来很大的困难，对本来就存在PAR问题的OFDM调制更为突出。 电力线的传输特性直接反映高频信号传输情况，因而更能说明负载对PLC信号的影响，特别是距离发射机较远而又靠近接收机的负载。当负载为容性时，电力线的传输特性急剧恶化。因为连接线的电感试图隔离网络中的各元件，并在高频时消除远端连接负载对输入阻抗的影响，远端负载对输入阻抗的影响是很小的，但对传输特性却十分明显。 1.2 噪声特性 电力线上存在的复杂干扰也严重影响着电力线上的数据传输。低压电力线作为高频信号的传输通道，有比明线、电缆等其它类型的通道高得多的噪声干扰。这些干扰不仅来自某些自然现象，更多的是来自低压电力线连接的负载。多类负载都会对电网产生干扰噪声，各种干扰噪声主要来源于以下几方面。 可控硅器件和电源电路产生的工频倍频谐波，每秒要切换50次，引起时域上的一系列噪声脉冲，或频域上的比工频更高次的谐波噪声，如无级调速器、可控整流设备等。由于负载与电网不同步而产生的具有平滑功率谱的干扰，该类噪声的功率谱密度相对较低，是频率的衰减函数，如普通电动机产生的干扰。开关电子设备产生的单脉冲噪声及雷电干扰，这种脉冲噪声的持续时间为几微秒到几毫秒。非同步周期的噪声，这类噪声大多数为带调制幅值的正弦干扰信号，如电视机、显示器行扫描频率及各类电子镇流器。 2 低压电力线在家庭网络中的改进 在传统电力线载波通信中，使用相线-零线（单相或多相线路）或相线-相线（多相线路）承载信号。由于电力负载跨接在线路上，干扰信号直接窜入线路，并且使载波信号衰减很大，这必须要求发射机具有较大的输出功率，导致OFDM正交频分复用的PAR（峰均功率比）较高的问题恶化，过多的高频信号也会超出标准并影响电力负载的正常工作。 图6、7 根据家庭居室的有关电气标准，家庭内部要装配独立地线，而地线连接电器外壳或接地点，起安全保护作用，与相线和零线没有太多的直接联系（如图4所示）。大部分电力负载在零线-地线上的等效阻抗几乎为无穷大（只有分布电容的影响），这一点也可以从图2看出：在零线-地线通路上，高频载波信号已被扼流圈L1、L2阻断，除去分布与耦合电容的影响，阻抗几乎为无穷大。对其它一些两线插头的电器，这个问题就不言而喻了。另外，干扰信号也没有直接进入零线-地线，只有较少的耦合信号。 如果在用户电源输入端插入阻波器，将内外网隔离，一方面能防止外网干扰信号串入内网，另一方面对于内网的高频载波信号来说，阻波器的阻抗为无穷大。同时，由于采用零线-地线承载载波信号，PLC载波信号与负载阻抗分用不同的线路（如图5所示），则线路阻抗与空载电力线阻抗差不多，相比之下能降低发射功率、提高信噪比，因而能增加信号传输的速率与可靠性，OFDM的PAR问题也能得到缓解。 3 实验结果 为了证明分析的正确性，笔者对某住宅进行了测试。该信宅为1992年修建的钢盘混凝土混合结构信宅楼的一楼，两室一厅，面积50余平米。住宅电缆为阻燃管套装的暗线敷设，并布有独立地线，有电冰箱、电视机、电脑、调光灯、电风扇各一台。在住宅电源输入端插入如图5所示的阻波器，用5V的正弦波作为输入信号。考虑到HomePlug使用的频段为4.3MHz～20.9 MHz，笔者对4MHz～21MHz的18个频点分别在相线-零线与零线-地线上进行测试。 实验1为测试电力线的阻抗特性，采用图6（a）所示的电路测试，测量结果如图6（b）所示。 实验2为测试电力线的传输特性，采用图7（a）所示电路测试，测量结果如图7（b）所示。测量中信号注入点距测试点约5m。考虑到实际智能电器的PLC载波信号取自各自的电源输入端，为消除电器电源电缆的影响，真实地反映高频载波信号的传输情况，笔者直接从负载的电源电路获取测试信号，此处负载选用计算机。 实验3为测试调光灯产生的噪声干扰，用于波器对调光灯所接的插座进行测试，测量结果如图8所示。 从测量结果来看，零线-地线上的阻抗特性有一定改善，传输特性改善明显，对高频信号的衰减明显减小，干扰噪声也明显减少，这对电力线通信是有利的。 为了检验电力线网络改进对网络性能的影响，采用某品牌的电力线网络产品进行测试比较。两台PLC产品之间电力线长度约为5m，每一台电脑与第二台电脑通过10M网卡连接，第一电脑还与第三台电脑通过14M PLC网络产品连接，如图9所示。测试中各电脑配置如下： 电脑1：100M网卡，IP：172.16.24.1 电脑2：10M网卡，IP：172.16.24.2 电脑3：14M PLC Modem,IP:172.16.24.3 首先在第一台电脑上用Anyspeed对另两台电脑进行Ping测试，测试结果见图10。从图中可以看出，10M网卡网络速度（上面一条曲线）稳定在1040kbps(8.32Mbps)左右，改善前PLC网络速度（下面一条曲线）为206kbps(1.65Mbps),且波动较大，改善后速度提高到504kbps（4.03Mbps），并且比较稳定。 图10 然后，用NetIQ公司的Qcheck测试软件对网络进行测试。该软件和Chariot测试软件类似，通过统计一个预下长度和格式的脚本文件无差错地从一台服务器传送到另一台服务器的时间，来测试组网的电脑对之间的性能。操作系统采用Windows2000Professional(SP1),测试平台包括一个控制台程序（安装在电脑1）和三个代理端（Endpoint）程序。 以上测量结果表明，使用零线-地线的载波方案对PLC网络的多项性能都有一定改善。 未来的PLC家庭网络中，速率与可靠性是必须解决的问题。零线-地线对高频载波信号的衰减比相线-零线少，而且干扰信号也小。使用零线-地线承载载波信号，让PLC载波信号与负载阻抗分用不同的线路，能减轻线路对载波信号的衰减与干扰，提高PLC通信的速率与可靠性。