石磊信号论文

信号与系统论文题目：配电网信号传输特性的测量结果与分析姓名：石磊班级：电气08-8班学号：01号成绩：摘要测量配电网扩频信号传输特性不同于一般条件下有源网络或无源网络的传输特性测量。

因为配电网扩频通信系统一般是在配电网正常工作的条件下进行通信。

配电网上的负荷随时间随机投切势必造成信号传输特性的时变性。

设计实际的扩频通信系统需要考虑上述低压配电网对扩频信号的传输衰减特性、噪声特性以及群时延特性对接收效果的影响。

关键字配电网；信号；传输；幅频特性；测量；系统英文翻译electric distribution network；signal；transmission；frequency-amplitude characteristic；survey；system引言以配电网作为信号传输媒介实现通信是最近几年国内外电气工程与网络工程等多学科领域关注的热点前沿研究课题。

扩频通信技术的应用为解决配电网电力线可靠通信提供了一条新途径。

一般情况下，配电网电力线扩频通信系统在配电网上的通信效果既与系统所采用的扩频技术本身有关（如调制方式、使用的频带等），同时又与配电网本身的拓扑结构、负载特性等有关，因此设计实际的配电网电力线扩频通信系统必须对此两方面作统一考虑。

而两者的有机结合点则是扩频信号在配电网中的传输特性。

配电网的扩频信号传输特性通常是指扩频信号在配电网传输时的传输衰减特性，即信号传递函数的幅频与相频特性或群时延特性。

在发送端信号功率一定的条件下，配电网的信号传递函数决定了接收端所接收到的信号强度。

接收效果同时还与配电网的高频噪声有关。

信号传递函数特性与噪声特性一同构成了配电网通信信道特性。

目前已有的配电网通信信道特性研究主要针对欧洲标准频带3～148．5 kHz 或某些非标准试验频带且多以试验研究为主。

Olaf G．Hooijen对荷兰阿姆斯特丹市一居民区低压电力线网络的通信信号在9～95kHz频率范围内的信号幅度衰减与相移、噪声分布等进行了大量测量［2］；Morgan H．L．Chan等研究了5个不同建筑物内配电线路在20～240 kHz频率范围内一些离散频率上信号幅度的衰减规律［3］；M．Tanaka研究了一日本建筑物内电力线上10kHz-10MHz 频率范围内的一些离散频率上信号在短距离范围（30m)的传输损耗以及噪声功率谱分布［4］；C.Hensen研究了德国Paderbon大学实验内电力线上通信信号在1-30MHz频率范围内传输10m时的传输衰减特性与噪声特性［5］：D.Liu等研究了美国一居民房间内电力线通信信号在1-60MHz频率范围内的平均衰减与平均时延以及噪声功率谱分布。

为设计和实现100-400kHz频率范围的采用线性调频扩号方式（Chirp)的低压电力线扩频通信系统，对应用区域的220V配电网进行了工业试验研究。

本文的工作侧重于配电网的扩频信号传输特性，同时兼顾噪声特性。

首先讨论配电网扩频信号传输特性、相频特性与群时延特性的测量结果及分析，并讨论了影响接收效果的噪声特性；根据配电网信道的一般特性提出了设计扩频通信系统时的补偿对策，现场明所提出的对策非常有效。

配电网扩频信号传输特性的测量测量配电网扩频信号传输特性不同于一般条件下有源网络或无源网络的传输特性测量。

因为配电网扩频通信系统一般是在配电网正常工作的条件下进行通信，所以其传输特性的测量也只有在此条件下才有意义。

这样就涉及到如何实现强电（50 Hz，220V电能信号）的隔离和弱电（100～400 kHz扩频信号）的耦合，以及在不对网络进行开路、短路处理的条件下，如何测量网络的扩频信号传输特性等两个问题。

为此笔者设计了一个以网络分析仪为核心的测量系统，如图1所示。

将待测的配电网和两个网络耦合器连同高频传输电缆线在通信信号的频率范围内等效为一个双口高频网络，该网络可以用S参数来描述，见图2。

由图2可得端口的散射方程b2＝S21 a1＋S22 a2（1a）b1＝S11 a1＋S12 a2（1b）式中S参数角标规定第一个为输出口、第二个为输入口；S11为输入反射系数；S21为正向传输系数；S12为反向传输系数；S22为输出反射系数。

配电网扩频信号传输特性的测量归结为配电网的S21的测量。

选用网络分析仪HP4395A实现配电网扩频信号传输特性的测量，该仪器具有测量传输参数功能。

测试信号B与激励扫频信号R之比正比于待测网络的正向传输系数，式中c1与c2是专用的功率分配器的分配系数。

HP4395A内部的幅相接收机将该比值的幅频和相频分别处理，即可显示出待测网络的幅频和相频特性曲线。

实际测量时，希望得到配电网的扩频信号传输特性，而不是配电网＋耦合网络＋高频传输电缆的传输特性。

为实现此目的，首先将图2（a）中的配电网去掉并将两个耦合器相接作为校准网络，测出该校准网络在规定频率范围内的传输特性。

将该传输特性作为一个校准基础，对测量系统在相同频率范围内进行校准，使得测量系统的幅频特性为0 dB、相频特性为0°。

然后再对图2（a）网络进行测量，显示器上显示的传输特性即为配电网的传输特性。

低压配电网扩频信号传输特性测量结果与分析采用上述测量方案，笔者在国家电力公司东北公司所属的赤峰松山供电局松政线1538线15号台区进行了为期半个多月的现场试验工作，完成了配电网扩频信号传输特性、噪声特性的测量和实际扩频通信系统的通信等多项内容的试验。

1 典型同相传输特性按图1将网络耦合器和网络分析仪置于变台下，将另一网络耦合器置于远端被测点，用高频传输电缆将接收信号引回到网络分析仪的测试端B。

网络分析仪的工作频率范围选为50～500 kHz（比扩频通信系统的带宽略大一些），分辨频率带宽（IFBW）取为1 kHz。

图3－5给出了变台与试验现场某一远端点的同相传输试验结果。

其中图3是信号传输的幅频特性，图4是相频特性图，图5群时延频率特性。

由图3的幅频特性可知，随着频率的增高，信号衰减从（100 kHz，－15．58 dB）逐渐增大到（400k Hz，－32．60 dB），两点相差17 dB且趋势上基本呈线性递减规律，对其作线性拟合有（3）式中f的单位为Hz。

这意味着对于等幅的线性调频信号（其频谱在带内为均匀分布），在接收端收到的信号幅度将随频率的升高而线性变小，其波形包络呈锥形。

同时注意到幅频特性中有5点传输衰减幅度有较大的变化，它们是传输极小值点（122 kHz，－45 dB），（131 kHz，－40 dB），（218 k Hz，－39dB），传输极大值点（263 kHz，－15 dB），（306 kHz，－22 dB）。

造成这些传输极值点的原因有三种：一是网络中的负载对以上频率构成了谐振电路［7］；二是由于配电网电力线的分叉，造成了多路径信号传输［8］；三是驻波效应［9］。

三种原因可以独立存在，也可以共存。

图4的相频特性随频率线性递减变化（大趋势如图中的线性拟合线），图5的群时延特性近似为常数。

在上述特殊频点相频特性和群时延特性都发生了很大的变化。

2 传输特性的时变性配电网上的负荷随时间随机投切势必造成信号传输特性的时变性。

为研究其时变性，利用HP4395A的编程功能在试验现场对变台和某一远端点之间的同相传输特性进行了连续测量记录，测量时间间隔为5 min。

图6是一组传输特性中的幅频特性的连续测量样本曲线，图7是同时测得的群时延特性样本曲线。

笔者注意到所测得的传输特性曲线图大致相同，具有某种内在不变性。

实际上由大数定律可知，在相对较短时间内（如半小时左右）的传输特性随时间变量是一个平稳随机过程，可以应用随机过程理论对其建模与分析。

限于篇幅，这里仅给出图7群时延数据的一阶矩与二阶矩。

经计算［10］有平均群时延τ＝1．32μs，标准差στ＝6．34μs。

进一步可估算出被测配电网两点间电力线（架空铝裸线）的长度约为396 m。

3 高频噪声特性配电网的高频噪声是影响接收效果的主要因素之一。

产生噪声的机理是多方面的，从通信系统的角度讲我们更关心进入通信频带（100～400 kHz）的噪声。

配电网的噪声尤以变压器付边侧的噪声最为严重。

利用TDS220数字示波器与HP4395A的频谱分析仪功能对变压器付边侧的噪声的时域与频域特性分别进行测量，在耦合器弱电侧测得的典型噪声如图8与图9所示。

从图8的时域波形可以看出随机背景噪声中混有周期性干扰，其幅度较大（峰－峰值为3．24 V），但其频率为20 kHz左右，属通信频带以外的噪声。

从图9的功率谱密度曲线可以看出，频率低于150 kHz时噪声功率谱密度值较大且随频率增高呈衰减趋势；频率高于150 kHz时，噪声功率谱密度值变化幅度不大、近似为常数，表现为白噪声特性。

配电网电力线扩频通信系统的实现对策设计实际的扩频通信系统需要考虑上述低压配电网对扩频信号的传输衰减特性、噪声特性以及群时延特性对接收效果的影响。

为补偿配电网的信号传输幅度随频率升高而线性衰减的实际特性，分别在发送端与接收端对线性调频信号的幅值随频率作线性提升处理，见图10。

发送通道的提升实现采用高Q值的低通滤波器，该滤波器一方面限定发送信号于400kHz以内，不对中频无线电广播（465 kHz以上）构成干扰，另一方面实现高频信号的提升。

接收通道的扩频通信信号的提升由高频放大器实现，该放大器对前级带通滤波器的带内信号进行放大，放大倍数随频率的升高而作线性增长，且根据接收信号的强度进行自适应调整，以适应低压配电网对信号传输衰减的时变性。

对于电力线上的噪声，在接收通道加带通滤波器（100～400 kHz）以衰减通信信号频带以外的噪声。

对于群时延特性，因本系统的设计传输码率为10 kbps，Ts＝100μs，由上述测量知群时延标准方差的典型值στ＝6．34μs远小于Ts，故采用CRC纠错码作为信道编码。

现场试验表明，采用上述补偿技术及信道纠错码技术后，在以上所述特性的网络上通信成功率为 100％。

结论结合100～400 kHz频带范围内线性调频信号方式的低压电力线扩频通信系统的设计与实现，对实际配电网的扩频信号传输特性进行了试验研究。

设计了以网络分析仪为核心的测量系统新方案；讨论分析了220 V配电网对扩频信号传输的衰减特性、相位与群时延特性、噪声特性；提出了对扩频通信系统的输入与输出通道在频域上作线性提升均衡、接收通道带通滤波以及采用纠错码技术减小群时延离散性所造成的符号间串扰的补偿对策；本文的研究工作对低压配电网通信理论与应用的研究具有重要的理论与实际意义。

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