低压电力线载波通信的仿真软件开发

０

引

言

低压电力线载波通信的过程十分复杂，负载变化对现场的传输特性和输入特性影响很大。为了理解这种情况对载波通信设备和调制方式的作用，这里提出并实现了一个低压电力线载波通信仿真软件系统，阐述其模型结构、操作界面和实现方法；说明其提供阻抗特性、衰减特性和干扰特性的能力，以及仿真实现方法和观察调制方式引起的信号波形畸变情况和数据传输的可靠性示例。

１载波通信的信道模型结构

低压电力线载波通信的信道模型通常采用多径

传输的信道传递函数［１］

：

Ｈ!"ｆ＝Ｎ

ｉ＝１

#ｇｉｅ

ａ０＋ａ１ｆｋ

!"

ｌｃｅ－ｊ２!ｌｉ

ｖｐ（１）

式中ｌｉ和ｇｉ分别代表沿第ｉ条反射路径的电力线长度和传输因子；ａ０、ａ１、和ｋ代表电力线的衰减参数；ｖｐ代表波在电力线上的传播速度。

这一模型揭示了系统的频率特性本质，为实际仿真模型的检验提供了理论依据。实际仿真模型中的信道是在均匀传输线的基础上，连接不同负载电路，形成某些谐振结构，从而得到与监测数据相似的频率特性曲线。如图１所示，调整传输线等效电路和模拟负载电路中的参数配置，就可以人为改变低阻抗区频率、最低阻抗值等信道特性。考虑到电力线网络的复杂拓扑结构影响，仿真系统可以形成总线型、环型、星型和树型等不同结构。为在模型中通过叠加方式引入随机噪声信号，也需建立一个能够改变概率分布和相关特性的随机噪声发生器。图２是现场监测［２］得到的电力线载波通信的阻抗特性和传输衰减特性曲线。

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｐｏｗｅｒｌｉｎｅｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ（ＰＬＣＣ），ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｏｐｏｓｅｓａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓａｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｒｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌａｎｄｎｏｉｓｅ，ａｓｗｅｌｌａｓａｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓｓｏｆｔ－ｗａｒｅ，ｗｅｃａｎｃｈａｎｇｅｔｈｅｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｌｉｎｅｃｈａｎｎｅｌａｎｄｔｈｅｌｏａｄｃｉｒｃｕｉｔｓｔｏｏｂｓｅｒｖｅｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｃａｒｒｉｅｒｓｉｇｎａｌｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｍｐｅｄａｎｃｅ，ａｔｔｅｎｕａ－ｔｉｏｎａｎｄｎｏｉｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｌｅａｒｎｔｈｅｗａｖｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｏｆｓｉｇｎａｌａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．ＦｉｎａｌｌｙｐｒｏｖｉｄｅａｕｓｅｆｕｌｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒＰＬＣＣｐｒｏｄｕｃｔｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅ；ｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

ＬＩＵＳｉ－ｊｉｕ，ＺＨＡＯＹａｎ－ｙａｎ

（ＤｅｐｏｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓ．ｏｆＴｅｃｈ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅｐｏｗｅｒｌｉｎｅ

ｃａｒｒｉｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

摘要：针对低压电力线载波通信的复杂环境，本文提出并实现了一种计算机仿真系统，给出了动态模型和噪声的仿真算法，以及具体应用的示例。通过改变传输线、负载模拟电路的拓扑结构和参数，可以观察载波通信信号在不同信道阻抗特性、衰减特性和噪声特性下的工作情况，了解不同调制方式所引起的底层信号波形畸变和上层数据传输的可靠性，从而为电力线载波通信的产品设计提供依据。关键词：低压电力线；载波通信；系统仿真中图分类号：ＴＭ９３４；ＴＰ８４

文献标识码：Ｂ

文章编号：１００１－１３９０（２００７）０６－０００８－０４

低压电力线载波通信的仿真软件开发＊

刘思久，赵岩岩

（哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨１５０００１）

＊国家自然科学基金资助项目（６０３７２１０４）

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２仿真系统的操作界面和功能设置

仿真软件系统的主操作界面如图３所示，在主界面中央一目了然地展示了电力线网络拓扑结构。电网结构分为总线型、树型、星型和环型等不同形式，可由左上方的下拉式列表框选择。

从显示的电力线拓扑结构中可以看到组成传输线的串联电感－电阻与并联电容的基本结构，也可以清楚地看出所连接的负载结构，以及输入－输出信号和所加噪声的位置。通过鼠标点击它们，可显示出有关的参数，包括等效电路的电导（或电阻）、电感、电容，以及模拟电路所表示的传输线参数，如线长、线距、导线截面积等具体数值，也包括负载的种类、参数，以及噪声的性质和参数等。信号的注入端和检测端则分别给出输入信号和输出信号的参数。

由于上述数据作为典型环境的模拟电路并不需要经常改变（不变的环境参数有益于不同被测对象的分析比较），因此主操作界面对这些数据采取只看不改的原则，而将这些数据的设置功能放到主菜单系统启动的相应子窗口下分别完成。

仿真系统标题下显示的是低压电力线载波通信仿真软件的一级菜单名称，包括文件、设置、测试、运行、选项和帮助等项，其下为下拉子菜单，整个菜单树结构如图４所示。

子菜单“文件”中存储参数文件将仿真过程所设置的所有参数保存到用户指定的文件中，从而避免每次仿真都要进行参数设置的麻烦，也便于在相同测试条件下不同测试对象的比较。文件的保存和加载均会弹出一个标准的文件选择对话框，允许用户自行选择路径。子菜单“设置”中包括线路参数、负载参数、噪声参数和信号参数的设置。子菜单“测试”中包括信道传输、输入阻抗、干扰噪声等信道本身特性的测试。由于信道的这些基本特性都与频率直接相关，因此实际测试过程也是采用扫频的正弦信号通过信道的仿真模型直接进行仿真试验得到的。这种方法直观可靠，可以通过自由调整参数来改变特性曲线的形态，并通过与实测特性的比较来说明其作为实际信道特性的依据。子菜单“运行”中主要包含两项内容，一是用来观察任意波形的输入信号在仿真实现的信道作用下，如何引起系统输出的畸变，从而为通信产品提供设计依据和改进思路；二是通过上层数据文件建立的连续输入数据编码，解释成具体底层信号波形后，由仿真实现的信道形成输出波形，再根据指定的解码方式获得解码数据，以致最终得到一定调制／解调方式下的通信误码率。子菜单“选项”则提供包括诸如颜色、背景、字体、工作方式等一些有关软件界面的辅助设置。

３仿真软件的实现方法

选择不同的电网构形实际上就是选择不同的数

图１传输线加负载的基本模型结构

图２实测［２］得到的阻抗特性和传输衰减特性

图３仿真软件系统的主操作界面图４仿真软件的功能选择菜单

（ａ）阻抗特性（ｂ）传输衰减特性

９

－－

…

…

…

…

…

……………

…

…

图５

传输线加负载的基本模型结构

据文件路径，然后调用不同的结构示意图文件、参数文件和数据文件。执行程序是统一设计的，只是对不同路径下的文件的参数和数据进行不同解释后执行不同的算法，因此这里仅以总线式拓扑结构为例，说明系统的工作原理和实施要点。

由图５所示的实际模拟电路可以看出，这种带有负载电路的电力线等效电路具有很强的规律，总是由一个电阻－电感组成的一阶惯性环节后跟一个电容形成的积分环节，且前后均有相互联接的反馈通道。这样，如果简单地对整体直接进行等效离散化，不仅形成高阶系统计算复杂，而且只能观测最终的输入输出关系。于是考虑把整个系统拆分为若干个简单一阶环节（或积分环节），不仅简化了各环节的等效离散化过程，又能直接观察到各实际电路节点的工作状态，还可方便地加入非线性环节。

实际仿真过程分两步进行，先根据各环节之间相互联接的情况计算每个环节的输入值；再按各环节的输入／输出之间动态关系（积分）进行等效离散化，仿真计算各环节的输出值。如此反复循环，最终得到系统各节点的时域状态序列曲线。

例如图５描述的各环节相互联接关系可用如下连接矩阵来表示：

ｕ!"１ｕ!"

２ｕ!"３ｕ３!"

４#

$$$$$$$$$$$$$$$$%

&’’’’’’’’’’’’’’’’(＝－Ｒ－１０……１０－１…

…０１

－Ｒ…

…

#$$$$$$$$$$$$$$$$%

&’’’’’’’’’’’’’’’’(ｙ!"１ｙ!"２ｙ!"

３ｙ３!"４#

$$$$$$$$$$$$$$$$%

&

’’’’’’’’’’’’’’’’(

（２）

其中ｕ（ｉ）和ｙ（ｉ）分别为各环节的输入／输出，可看

出第２个环节的输入等于第１个环节的输出与第３个环节输出的差。

同时，各环节内部的输入－输出关系（积分）则均可描述为：

ｙ!"ｋ＝ｙｋ－!"１＋Ｔ?ｕｋ－!"１＋１２

Ｔ?ｕ!!"

ｋ（３）

用差分代替微分：

ｕ!!"ｋ＝ｕ!"ｋ－ｕｋ－!"

１)*Ｔ（４）

并用ｕ!ｋ－!"１来近似代替ｕ!!"

ｋ，可得：ｙ!"ｋ＝ｙｋ－!"１＋Ｔ＋１

２!"

?ｕｋ－!"１－１２

Ｔ?ｕｋ－!"２（５）

显然，这里存在一拍的纯延迟可以确保反馈的实现，但引起的相位延迟则会在采样时间较大时引起系统稳定性问题，故应减小采样时间。

针对图５所示的高阶（３４阶）系统，取采样时间为

１０ｎｓ，输入信号频率为１００ｋＨｚ，采样点数为１０００。所

用仿真时间约为１０ｓ左右，完全可以满足工程的实际

需要。

随机噪声作为电力线载波通信信道的一种重要特性，也由仿真软件系统产生。根据各噪声相互独立的原理，将噪声信号耦合到电力线模拟信道中的指定处。其基本原理是先产生一个高斯分布的白噪声信号，然后通过数字滤波器转换为有色噪声，用于系统的信道背景噪声。具体做法是利用ＶＢ自带的Ｒｎｄ函数产生均匀分布的噪声信号序列ｘ（ｋ），然后根据中心极限定理（数目足够多的ｎ个随机变量的代数和构成的随机变量服从正态分布），可以得到正态分布的白噪声信号：

Ｚ＝

６ｉ＝１

+ｘｉ

－!"６１２

（６）

滤波器的传递函数Ｈ（ｘ）可描述为：

Ｈｍｏｄ!"ｚ＝Ｂ!"

ｚＡ!"

ｚ＝

１＋ｍ

ｉ＝１

+ｂｉｚ－１

１＋ｎ

ｉ＝１+ａｉｚ

－１

（７）

图６

噪声发生器

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图８系统底层通信信号的传输示例对比

图７

系统传输特性的频率特性曲线

专门设计的噪声发生器如图６所示，图中左下角的文本框、中部的参数表和拉动条可以设置数据长度和滤波器系数，可计算和显示实际噪声序列的概率分布、相关函数、功率谱，并进而算出噪声的方差。最终产生的噪声序列由列表框列出，也显示在波形图中，并存储在文本文件中供仿真系统使用。

４系统的使用方法和应用示例

仿真系统信道本身的基本特性包括信道传输特

性、输入阻抗特性、干扰噪声特性，都与频率直接相关，故均可通过如图７所示的频率特性图来表现。

具体工作过程依据位于操作界面左上角的数据表给出的频点（第一列数据），即以该频率的正弦波作为输入信号，其幅值由第２列确定，表中第３、４列用于描述输出、输入数据之间的幅值与相角关系，逐行依次进行测试，即可做出频率特性。同时将输入／输出的波形显示在操作界面下部的示波图中，以监视其是否工作在线性状态。频率特性图以对数坐标绘制，其坐标参数可通过左上部的列表框自由设置。图７所示最终仿真得到的系统传输特性曲线与图２（ｂ）中现场监测得到的传输衰减特性曲线Ａ１相似，细节还可通过参数进行调整。

仿真软件的主要作用是检查不同通信设备底层波形在复杂的低压电力线载波通信线路中可能产生的畸变。如图８所示，软件操作界面用双踪示波器方式显示输入、输出信号的波形畸变。由于仿真实验时存在过渡过程，故可选择起始值来观测稳态情况。仿真过程本身也有一些参数，如仿真计算的采样周期、仿真过程的总采样长度、仿真纪录的长度和起点，均可通过列表选择框选项后，再拉动滚动条选择具体数值。仿真过程经常使用文件方式完整地存取设置的参数，包括输入信号波形、噪声类型和参数、干扰加入方式等信息。

图８以ＦＳＫ调制方式为例，说明调制参数对波形畸变的影响。首先选择编码“１”为１００ｋＨｚ正弦波、编码“０”为５０ｋＨｚ正弦波，传送数据选为“１０１００１１０”，然后点击运行按钮，即可在示波显示框中显示出根据

ＦＳＫ调制方式产生的调制信号和经过电力线载波信

道后收到的输出波形，可以看出此刻尽管存在明显的

衰减，但仍能进行正确的解码，接收数据不变。而若将调制频率改为１５０ｋＨｚ和２００ｋＨｚ，则从图８下部波形中可以看出明显的畸变，以致传输数据发生错误。

上述示例表明，利用仿真软件灵活改变调制方式和信号参数，就可直接观察其在电力线载波通信信道中的波形畸变和误码情况，为用户提供参考。

５结束语

仿真软件通过运行程序来模拟低压电力线的载

波通信信道，检查信道对通信信号的影响、考察不同调制信号和调制方法的区别，从而帮助通信设备的设计者直观地了解低压电力线载波通信信道的特性，探索改进产品的措施。

参

考文献

［１］ＫｌａｕｓＤｏｓｔｅｒｔ著，栗宁等译．电力线通信［Ｍ］．北京：中国电力出版社，

２００３．［２］高锋，董亚波．低压电力线载波通信中信号传输特性分析［Ｊ］．电力系统自动化，２０００．［３］刘

芳，刘思久．低压电力线载波通信的信道模型与模拟系统［Ｄ］．哈

尔滨理工大学学报，２００６．作者简介：

刘思久（１９４９－），男，哈尔滨工业大学教授，长期从事自动化测试与控制的科研与教学工作。

赵岩岩（１９８２－），男，哈尔滨工业大学研究生。

收稿日期：２００７－０４－１０

（杨长江编发）

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