低压电力线通信信道噪声测量装置的设计

郭昊坤，黄瑾瑜，张文洁，汤仁彪

（江阴职业技术学院 电子信息工程系，江苏江阴，214405）

0 引言

低压电力线通信(low-voltage power line communication，简称LPLC)技术是指利用低压(220/380V)配电线路作为通信介质，实现数据、话音、图像等综合业务传输的通信技术[1]。然而，低压电力线不是专用通信信道，信道中的噪声干扰比其他通信信道更加复杂，噪声会使信号误码率增加，通信质量降低，严重时甚至导致通信完全失效[2]。因此，有必要对低压电力线通信信道中的噪声进行研究，而要研究其噪声的前提就是要把噪声准确测量出来。本文设计了一种低压电力线通信信道噪声测量的电路，并对其进行仿真研究分析。

1 总体方案设计

由于低压电力线通信信道频率约在0.1M-40M Hz之间，因此其噪声测量方式即把低压电力线通过耦合网络耦合至示波器。其中耦合网络主要有两种设计方法[3-6]：一是利用高频变压器隔离220V的强电，以保证设备安全，然后再通过对应频率的滤波器滤出所需要研究频带的噪声；二是利用电感耦合器与高频信号耦合，得到所要研究的背景噪声。由于第二种测量方法需要专门制造的相关配套耦合器才能实现，因此在实验室，笔者拟采用第一种测量方法来进行仿真测试，即让电力线先通过高频变压器，隔离工频50Hz的220V强电，得到高频信号，再通过带通滤波器得到对应频带的噪声。而对应带通滤波器采用一个100KHz高通滤波器和一个40MHz低通滤波器组合得到。故而，现在所要设计的即为一个100KHz高通滤波器和一个40MHz低通滤波器。

2 100KHz高通滤波器设计

首先，进行参数的设定：在100KHz处 衰 减 3dB，fc=100KHz，在50KHz处衰减60dB，fs=50KHz,RS=0，RL=100Ω。为了将已知参数归一化，陡度计算结果为2。选择归一化低通滤波器，使其在2rad/s时提供超过60dB的衰减，查看文献[7]中相应曲线，选择10阶归一化巴特沃兹低通滤波器，其归一化低通滤波器参数如图1所示。

图1 10阶归一化巴特沃兹低通滤波器

再将归一化低通滤波器变换为高通电路，即把原来的电感、电容替换为原来原件倒数值的电容、电感，如图2所示。

图2 转换后的10阶高通电路

最后，对上述高通电路进行去归一化操作，再结合实际情况及具体仿真结果进行优化，得到100K Hz的10阶巴特沃兹高通滤波器如图3所示。

图3 100KHz高通滤波器

对上述电路进行仿真验证，设定频率分别为5KHz、50KHz、100KHz、10MHz，其结果如图4所示。

图4 高通滤波器示波器仿真图

由仿真结果可得，该高通滤波器在电源频率在100K Hz前示波器输出图像电压几乎为零，如图4(a)、(b)所示；当电源频率达到100K Hz及以上时，正常滤波，输出图像与理论值基本一致，如图4(c)、(d)。

3 40MHz低通滤波器设计

首先，进行参数的设定：在40M Hz处 衰 减3dB，在200MHz处衰减20dB，为了将已知参数归一化，陡度计算结果为2。根据文献[7]，选择3阶0.1dB切比雪夫滤波器，其归一化图如图5所示。

图5 3阶归一化切比雪夫低通滤波器

对上述低通滤波器进行去归一化操作，再结合实际情况及具体仿真结果进行优化，得到40M Hz的3阶 0.1dB切比雪夫低通滤波器如图6所示。

图6 40MHz3阶0.1dB切比雪夫低通滤波器

对上述电路进行仿真验证，设定频率分别为10MHz、40MHz、60MHz、100MHz，其 结果如图7所示。

由仿真结果可得，该低通滤波器在电源频率在40M Hz前示波器输出图像电压峰值与理论值基本一致，如图7(a)、(b)所示；当电源频率到达40MHz时，输出图像电压峰值出现短暂纹波，即比理论值大，但很快就开始衰减，如图7(c)、(d)所示，电压几乎为零；因此可达到较好的滤波效果。

图7 低通滤波器示波器仿真图

4 测量

将上述装置进行安装调试测量，实测的一组噪声图如图8所示。将示波器相关数据保存至电脑中，如图9所示，即可对相关噪声进行进一步的研究，为后续研究打下了坚实的基础和理论数据。

图8 某一时刻所测量的噪声

图9 某一时刻所测量的噪声保存至电脑的分析图

5 结语

为测量低压电力线通信信道中的噪声，设计了一种把低压电力线通过耦合网络耦合至示波器的测量方法。该方法中的耦合网络电路是利用高频变压器隔离220V的强电，以保证设备安全，然后再通过对应频率的滤波器滤出所需要研究频带的噪声。其中，带通滤波器采用一个100KHz高通滤波器和一个40MHz低通滤波器组合得到。确定了所设计高通滤波器和低通滤波器的相关参数，并进行仿真验证，仿真结果表明，所设计的滤波器可达到较好的滤波效果。