曹 亮，蔣覲陽

蘭州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅蘭州 730000

1 概述

電力線（PL）可能是一種廉價(jià)和良好的網(wǎng)絡(luò)選項(xiàng)，在這個(gè)意義上，他們幾乎是一個(gè)普遍目前的基礎(chǔ)設(shè)施。然而，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)牟襟E，來克服高衰減，噪聲和信號耦合相關(guān)的問題。在本文中，我們提出了一個(gè)使用窄帶傳輸可在配有RJ-11接口全雙工傳輸能力的系統(tǒng)中使用的計(jì)劃，它被設(shè)計(jì)成收發(fā)器。該系統(tǒng)使兩個(gè)背景噪音損壞的一個(gè)通道，通過室內(nèi)電力線路設(shè)置使用自己的56Kbps的調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行個(gè)人電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 電力線背景噪聲的概況

噪聲是有色背景噪聲，窄帶干擾，定期沖動（異步和同步交流電源）和異步脈沖噪聲。第一三者共同構(gòu)成的背景噪聲，因?yàn)樗麄內(nèi)匀辉趲追昼娚踔翈讉€(gè)小時(shí)內(nèi)固定。背景噪聲和定期沖動與交流電源同步是窄帶傳輸[1]中的主導(dǎo)因素。作為一個(gè)初步的要求，選擇最適合在室內(nèi)PL設(shè)置傳輸?shù)念l率波段，背景噪聲是短暫的時(shí)間內(nèi)取得，并存儲在一個(gè)使用一個(gè)通用接口總線（GPIB）接口數(shù)字存儲的PC示波器，并進(jìn)行離線分析。 DSO是通過一個(gè)合適的耦合器連接到PL [圖1]作為高阻抗提供230V，50Hz PL信號及其諧波的高通濾波器（fc=25 kHz），以及低阻抗通信頻率。還包括提供電隔離變壓器（TT），其隨著電容C1構(gòu)成一個(gè)高通濾波器的要求切斷。

圖1 耦合器的設(shè)計(jì)

3 收發(fā)器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

配備56Kbps的調(diào)制解調(diào)器的兩臺電腦被認(rèn)為是通過PL網(wǎng)絡(luò)作為測試數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備。基帶傳輸信號從調(diào)制解調(diào)器（0 kHz～4kHz）的工作在一個(gè)非常低的信號功率，即使功率在增加，使兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β拾l(fā)射機(jī)是不可能實(shí)現(xiàn)的，是因?yàn)榇嬖谶@些頻率高噪音。 PL阻抗（20Ω～190Ω）與被設(shè)計(jì)工作在600Ω的電話線調(diào)制解調(diào)器的輸出阻抗相比也非常低。下面給出了設(shè)計(jì)收發(fā)器的結(jié)構(gòu)部分，如圖2所示。

3.1 混合

活躍 的混合電路的第一個(gè)收發(fā)器（HY1）到（TR1）的轉(zhuǎn)換，是從第一個(gè)調(diào)制解調(diào)器，到一臺電腦（MODEM1）四線線路，從而實(shí)現(xiàn)接收到傳送（T）的分離，然后從第二個(gè)調(diào)制解調(diào)器（MODEM2）作進(jìn)一步的信號調(diào)理（圖2）。混合輸入是一個(gè)1∶1的變壓器（T1），在調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射頻率的阻抗是一條電話線的繞組。 HY1（圖3）由一個(gè)緩沖A1，一個(gè)差分放大器A2和一個(gè)電位器P1構(gòu)成，后來調(diào)整，以盡量減少從MODEM2收到的MODEM1傳輸線反射信號的組件?；夭〒p耗（ERL）在傳輸路徑的混合產(chǎn)生適當(dāng)?shù)恼{(diào)整后的P1是6 dB，這是從調(diào)制解調(diào)器發(fā)送信號（50%）相均衡。反射回波可以完全無效，只有T1的次級調(diào)制解調(diào)器的信號頻率的阻抗是無限的，然而這是不可能的，因此需要一個(gè)額外的回音消除殘余回聲抵消到最低限度。第二個(gè)收發(fā)器的混合HY2（TR2）連接到另一臺電腦MODEM2也同樣調(diào)整。

圖2 收發(fā)器的框圖

3.2 振幅調(diào)制器和解調(diào)器

從混合傳輸基帶信號到振幅調(diào)制載波（170千赫TR1和TR2為430千赫）使用全雙工連接，并在PL后傳給合適的功率放大（PA）（圖2）MC1495K（M）IC。雙頻率被用來防止被放大的信號反映在同一收發(fā)器的接收路徑。 PL噪聲在這些頻率比較少，并沒有在這個(gè)范圍內(nèi)無線信號的干擾。

3.3 線路調(diào)諧器和耦合器

一個(gè)合適的LC電路耦合器（圖2）是用來調(diào)整從PL接收到的信號收發(fā)器[2]。電路調(diào)整TR1和TR2，分別為430kHz和170kHz。調(diào)諧器的目的是從其他收發(fā)器和高阻抗的所有其他頻段提供低阻抗傳入的載波頻率。它的功能是防止從收發(fā)器放大傳輸信號，反饋到接收在同一側(cè)，也最大限度地減少輸入的PL噪聲限制帶寬到相應(yīng)的調(diào)整頻率。

圖3 收發(fā)器，回聲消除

4 電力線網(wǎng)絡(luò)

該收發(fā)器在PL網(wǎng)絡(luò)測試（圖4）總長度100.25m的長度分行各2.55m。配電箱（DB）的形式從配電室（DR）的電源插座。MODEM1是連接插頭1和MODEM2通過收發(fā)器在網(wǎng)絡(luò)上各點(diǎn)（通過插頭2-8）網(wǎng)絡(luò)[3]。加熱器和白熾燈等不同的家庭負(fù)荷連接各點(diǎn)的PL兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器之間的連接是為每個(gè)安裝嘗試。

圖4 分布式網(wǎng)絡(luò)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

合適的注意事項(xiàng)（AT）命令集[4]，用于建立連接使用的操作系統(tǒng)的超級終端設(shè)備之間的兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器。最初，電話線是用來在兩個(gè)調(diào)制解調(diào)器之間的測試整個(gè)設(shè)置的有效性。對于這一點(diǎn)，一個(gè)調(diào)制解調(diào)器使用“ATDxxx”命令“ATA”應(yīng)該是接收器的其他調(diào)制解調(diào)器的命令行為的撥號器。撥號調(diào)制解調(diào)器配置，無需等待撥號音撥號接通后，調(diào)制解調(diào)器連接是在全雙工模式下的狀態(tài)表示“連接”在“超級終端”窗格。然后取出電話線和調(diào)制解調(diào)器插入到PL通過收發(fā)器。調(diào)制解調(diào)器之間的連接嘗試不同負(fù)載條件下，使用AT命令。調(diào)制解調(diào)器之間的連接是建立在不同的范圍從33.6Kbps～1.2Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率取決于調(diào)制解調(diào)器的輸入和可用帶寬上收到的S / N （圖5）和（圖6）。對于每一個(gè)位置的調(diào)制解調(diào)器和不同的負(fù)載，信號發(fā)射機(jī)功率都進(jìn)行調(diào)整，以盡量減少從調(diào)制解調(diào)器的音頻范圍內(nèi)的信號失真。1.2Kbps的連接時(shí)獲得的第二個(gè)收發(fā)器連接到插頭8，其中采用了DB的路徑。獲得最佳的連接（33.6Kbps的）時(shí)是沒有任何負(fù)載直接連接到調(diào)制解調(diào)器插件1和插件7。

圖5 帶寬為33.6Kbps的連接

圖6 帶寬為1.2Kbps的連接

6 窄帶傳輸?shù)碾娏€收發(fā)器的發(fā)射頻率的通道容量的估算

窄帶收發(fā)器的使用頻帶寬度（BW）傳輸信道容量的估計(jì)。對于這一點(diǎn)，從100kHz到530kHz（由FCC允許）的PL噪音模擬使用逆累積分布和離散傅立葉逆變換方法[5]模擬當(dāng)?shù)氐腜L噪聲。使用產(chǎn)生噪聲樣本的隨機(jī)數(shù)的方法復(fù)制在每一個(gè)仿真通道的不可預(yù)知的噪聲。據(jù)估計(jì)在170kHz和430kHz帶信道容量，帶寬為4kHz（由收發(fā)器所使用的帶寬），使用香農(nóng)信道容量定理得出傳輸信號功率1mW。在模擬時(shí)，PL假設(shè)是有任何損失和缺口的理想特性。

7 結(jié)論

在本文中，利用室內(nèi)的PL已作為網(wǎng)絡(luò)之間傳輸使得兩個(gè)使用其56內(nèi)部Kbps的調(diào)制解調(diào)器的電腦，并且是在全雙工模式下得到的數(shù)據(jù)。一個(gè)合適的收發(fā)器的設(shè)計(jì)和測試，可以克服噪音，衰減和信號耦合相關(guān)的問題。分別獲得33.6Kbps和1.2Kbps的之間不同的連接率，前者是最大的調(diào)制解調(diào)器調(diào)制得到的。在不同的負(fù)載條件下所獲得的利率是高度依賴收到的信號功率和噪聲。然而，接收信號功率差別很大，即使是在觀察小帶寬。這可以歸因于兩個(gè)頻率，由于頻率依賴通道阻抗不同的發(fā)射功率，不同的傳遞函數(shù)的每個(gè)設(shè)置的通道，并在收發(fā)器中使用的各種頻率相關(guān)參數(shù)之間的低效耦合。依據(jù)香農(nóng)定理對PL發(fā)射頻率使用的通道能力的估計(jì)，但遠(yuǎn)高于在實(shí)驗(yàn)中獲得更大。雖然在實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)傳輸率是相當(dāng)?shù)偷?，在某些情況下，這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，可用于監(jiān)測數(shù)據(jù)，如低速率的緩慢變化的物理參數(shù)，如濕度，溫度等自動抄表和通過PL應(yīng)用。稍作修改，使廉價(jià)的電話聽筒般的聲音信號，以及溫度和濕度信號實(shí)現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)移，還能監(jiān)測一些模擬信號。

[1]E Biglieri, and P D Torino.Coding and Modulation for a horrible Channel.IEEE Communication Magazine，2003，41(5)：92-8.

[2]M Zimmermann, and K Dostert.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broad-band Powerline Communications. IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility，2002，44(1)：249-58.

[3]M Katayama, T Yamazato, and H Okada.A Mathematical Model of Noise in Narrowband Power Line Communication Systems.Int J Selected Areas in Communication，2006，24(7)：1267-76.

[4]B Tiru, and P K Boruah, Multipath effects and adaptive transmission in presence of indoor power line background noise, Int J Commun Syst，2010，23：63-76.

[5]B Tiru, and P K Boruah.Some Characteristics of Power Line Under Typical Laboratory Condition.Proceedings of the National Symposium on Instrumentation-302005：515-20.