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1、尹中图分类号：T N 9 2 5套单位代码：学号：寸阂石浊六学1 0 4 2 5S 0 9 0 7 0 9 7 9硕学位论文C h i n aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u mM a s t e rD e g r e eT h e s i s低压电力线信道噪声特性的研究R e s e a r c ho f t h eL o w-v o l t a g eC h a n n e lN o i s eC h a r a c t e r i s t i c学科专业：信息与通信工程研究方向：无线通信系统与技术作者姓名：厉康指导教师：洪利教授二。一二年五月，j
2、，艘。国7萼竹jR e s e a r c ho ft h eL o w-v o l t a g eC h a n n e lN o i s eC h a r a c t e r i s t i cAT h e s i sS u b m i t t e df o rt h eD e g r e eo fM a s t e rC a n d i d a t e：L iK a n gS u p e r v i s o r：P r o f H o n gL iC o l l e g eo fC o m p u t e r&C o m m u n i c a t i o nE n g i n e e
3、r i n gC h m aU n i v e r s i t yo fP e t r o l e u m(E a s t C h i n a)呲6叭以02吣70刁Y关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学(华东)或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：
4、历盈氐日期：Z a l L 年月7日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版)，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部f-j(机构)送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：压盈指导教师签名：日期：Z t l 7 z 年月J 日日期：z a j 乞年多月J 日摘要电力线通信(P o w e rL i n eC o m m u n i c
5、a t i o n，P L C)已经成为我国智能用电中一项重要的本地通信技术。利用低压电力线作为通信线路具有投资少和维护成本低的优点，然而低压电力线并非专用的通信线路，线路上阻抗变化大、干扰噪声大、信号电平衰减剧烈的特点，使得电力线上实现高质量的通信非常困难。其中，复杂、多样、时变的信道噪声在通信过程中会导致系统误码率增加，是影响电力线通信质量的关键因素。因此研究分析低压电力线噪声信道特性，并建立相应的噪声模型对于载波通信系统的设计和仿真测试以及智能用电技术的发展具有重要意义。为研究我国智能用电9 k H z -5 0 0 k H zP L C 频段内信道噪声随频率和地点的变化规律，并建立电力
6、线信道背景噪声和脉冲噪声的频域模型，本课题对低压电力线不同电力环境下的载波接入点处噪声进行测量、分析与建模。通过采用电感耦合和电阻电容耦合相结合的复合耦合技术，设计了一种具有优良传输特性的耦合电路。针对W e l c h 法在噪声功率谱估计中分辨率低和曲线粗糙不平滑的不足，提出一种基于加窗B u r g 算法的噪声功率谱分析方法，与传统的噪声功率谱分析相比，该方法具有更好的谱估计性能。对低压电力线信道噪声分析表明，在9 k H z-一5 0 0 k H z 频段内的噪声幅度从十几d B 到上百d B 之间变化，总体上随频率的增加呈下降趋势；9 k H z 2 5 0 k H z 之间背景噪声比
7、较严重；同一地点A 相、B 相、C 相的信道背景噪声相对一致，脉冲噪声不同。根据噪声特性分析结果，用M a tl a b 软件对测量数据进行处理，并应用指数函数拟合的方法建立背景噪声功率谱密度曲线模型，用高斯函数拟合的方法建立脉冲噪声的频域噪声模型。对特定环境下建立的噪声模型与实际测量的噪声进行仿真和比较，结果表明：通过模型建立的信道噪声参数与实际测量噪声特性参数的范围基本一致，信道噪声功率谱与实际测量得到的功率谱相符，由此证明了数据处理的正确性以及模型的合理性。关键词：低压电力线通信，噪声测量方法，噪声特性分析，噪声模型，B u r g 算法R e s e a r c ho ft h eL
8、o w-v o l t a g eC h a n n e lN o i s eC h a r a c t e r i s t i cL iK a n g(I n f o r m a t i o n&C o m m u n i c a t i o nE n g i n e e r i n g)D i r e c t e db yP r o f H o n gL iA b s t r a c tP o w e rL i n eC o m m u n i c a t i o n(P L C)h a sb e c o m ea l li m p o r t a n tl o c a lC o m m
9、u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi nC h i n a si n t e l l i g e n tP o w e r 鲥d U s i n gp o w e rl i n ea sc o m m u n i c a t i o nl i n eh a ss o m eb e n e f i t sf o rl e s si n v e s t m e n ta n dl o wm a i n t e n a n c ec o s t H o w e v e r,l o wv o l t a g ep o w e rl i n e sW a sn o
10、tf i r s tu s e df o rs p e c i a lc o m m u n i c a t i o nl i n e s，S Ot h ei m p e d a n c ev a r i a t i o n so nt h ew a y,n o i s ei n t e r f e r e n c ea n dt h es i g n a ll e v e la t t e n u a t i o nv i o l e n tm a k ei tv e r yd i f f i c u l tt oa c h i e v eh i g hq u a l i t yc o m
11、m u n i c a t i o n A m o n gt h e m，t h ec o m p l e x，v a r i e t ya n dt i m e v a r y i n gc h a n n e ln o i s ei nt h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sC a ni n c r e a s et h eb i te n o rr a t e a n dn o i s ei so n eo ft h ek e yf a c t o r st oi n f l u e n c et h eq u a l i t yo fe l
12、 e c t r i cc o m m u n i c a t i o n T h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho fe l e c t r i cl o wv o l t a g en o i s ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i c sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n tp o w e rc o n s u m p t i o nt
13、e c h n o l o g ya n dt oe s t a b l i s ht h ea c c u r a t en o i s em o d e lf o r c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m I no r d e rt os t u d yt h er e g u l a rp a t t e r nf o rc h a n n e ln o i s eo nf r e q u e n c ya n dt h ep l a c ev a r i a t i o n sw i t h i nt h ef r e q
14、u e n c yf r o m9 k H zt o5 0 0k H z、j l，i t l lr e s p e c tt oC h i n a si n t e l l i g e n tp o w e rc o n s u m p t i o n，a n dt oe s t a b l i s hn o i s ef r e q u e n c yd o m a i nm o d e lf o rb a c k g r o u n dn o i s ea n di m p u l s i v en o i s e，t h i ss u b j e c th a sm e a s u r
15、e dc a r r i e ra c c e s sp o i n t su n d e rd i f f e r e n te n v i r o n m e n t,t h en o i s ea n a l y s i sa n dm o d e ls i m u l a t i o na l s oh a v eb e e nd o n e Ag o o dt r a n s f e r r i n gc o u p l i n gc i r c u i th a sb e e nd e s i g n e db yc o m p o s i t i n gi n d u c t a
16、 n c ea n dc a p a c i t a n c ec o u p l i n gc i r c u i t Aw i n d o wB u r ga l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e dt 0i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fl o wd i s t i n g u i s hr a t ea n dr o u g hc u r v i n gc o m p a r i n gw i 也t h eW e l c ha l g o r i t h m T h ea n a l y s
17、i sr e s u l t ss h o wt h a tw i t h i nf r e q u e n c yb a n df r o m9 k H zt o5 0 0 k H zn o i s ev a r i e sf r o mm o r et h a nt e nd bt oah u n d r e dd ba n di ng e n e r a li td e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e m e n to ff r e q u e n c y T h eb a c k g r o u n dn o i s eb e t w e e n9
18、 k H za n d2 5 0 k H zi sm o r es e r i o u s I nt h es a m el o c a t i o nAp h a s e，Bp h a s e，Cp h a s eb a c k g r o u n dn o i s ei sa c c o r d a n c ew h i l ei m p u l s en o i s ei sd i f f e r e n t A c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a lr e s u l t，e x p o n e n t i a lf u n c t i o
19、 ni su s e dt of i tb a c k g r o u n dn o i s em o d a la n dG a u s s i a nf u n c t i o ni su s e dt of i ti m p u l s i v en o i s em o d e l C o m p a r i n gt h ee s t a b l i s h e dn o i s em o d e la n dr e a l i s t i cn o i s ep o w e rs p e c t r u md e n s i t y,t h er e s u l t si n d
20、i c a t ec h a n n e lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t e db ym o d e la n dc a l c u l a t e db ym e a s u r e m e n td a t aa r eb a s i c a l l ys a m e，n o i s ep o w e rs p e c t r u md e n s i t yj E i tt ot h es t a t i s t i c so fm e a s u r e dd a t a,t h e r e
21、f o r et h em e t h o do fd a t aa n a l y s i si sc o r r e c ta n d。n o i s em o d e li sr e a s o n a b l e K e yw o r d s：L o wv o l t a g ee l e c t r i cc o m m u n i c a t i o n,n o i s em e a s u r e l I l e n tm e t h o d，n o i s ec h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s，n o i s em o d e
22、l，B u r ga l g o r i t h m目录第一章绪论11 1 研究背景及意义l1 2 信道特点及噪声分类21 3 国内外研究现状41 4 研究内容及方法71 5 论文组织结构8第二章噪声测量方法1 02 1 耦合电路要求1 02 2 耦合电路分类1 l2 2 1 电容耦合电路112 2 1 电感耦合电路一152 3 噪声测量方案1 62 4 本章小结1 9第三章低压电力线信道噪声分析方法一2 03 1 经典功率谱估计方法2 03 1 1 周期图法2 03 1 2 相关图(B T)法2 13 1 3 巴特利特(B a r t l e t t)法2 23 1 4W e l c h；去
23、：1 33 2 现代功率谱估计方法2 43 2 1B u r g 算法2 53 2 2 加窗B u r g 算法。2 73 3 功率谱估计方法比较2 83 4 本章小结3 0第四章低压电力线噪声(9 k H z 5 0 0 k H z)特性分析3 14 1 不同电力环境下噪声特性3 24 2 同一地区不同台区测量点噪声3 34 3 同一台区不同测量点噪声3 54 4 同一测量点A 相、B 相、C 相噪声3 84 5 本章小结4 1第五章低压电力线噪声(9 k H z -5 0 0 k H z)建模与仿真4 25 1 时域噪声模型4 25 1 1 有色背景噪声4 25 1 2 窄带噪声4 35
24、1 3 循环平稳噪声4 35 1 4 周期性脉冲噪声4 45 1 5 随机脉冲噪声4 55 2 频域噪声模型4 65 2 1 背景噪声频域模型：4 85 2 2 脉冲噪声频域模型一5 05 2 3 模型参数统计特性5 25 3 本章小结5 4总结一5 5主要工作一5 5主要创新点5 6进一步的研究工作5 6参考文献5 7攻读硕士期间取得的学术成果6 l致谢6 2中国石油大学(华东)硕士学位论文第一章绪论1 1 研究背景及意义电力线通信(P o w e rL i n eC o m m u n i c a t i o n)是P L C 技术的简称，是目前十分看好的具有光明前景的本地通信技术，另外投
25、资少，见效快的优点使得电力线作为通信媒介具有十分广阔的市场前景n 羽。利用现有的低压电力线作为通信介质，能够充分利用我国电力线资源丰富的优势，将会大大降低基础建设成本，简化通信设备线路及整个网络的布局，同时会对我国的现代化建设产生巨大的促进作用3。早在2 0 世纪9 0 年代初，一些国家就开始在电力线通信方面进行研究，目前电力线通信技术已经取得了较大的发展，特别是随着微电子技术和信号调制技术的发展，P L C 芯片技术的发展使电力线通信技术的实用化成为可能，目前正朝着实用化和规模化方向发展H 1，电力线通信技术以其诱人的前景和巨大的市场潜力正在为世界所关注。低压电力线网络是一个用户最多、分布最
26、广、必不可少的动力能源传输网络，同时也是一个日益被看好的、具有光明前景的数字通信网络拍儿剐。然而低压电力线最初作为输电线路并不是专用的通信线路，与专用的通信介质相比，电力线传输质量不够优良。低压配电网络的结构类型复杂，并且线路中连接了大量不同种类的电器负载，导致电力线作为数据传输介质，具有噪声干扰大、阻抗变化剧烈、信号电平衰减剧烈等特点 儿羽，信号不适合在低压电力线中传播，并且严重降低了低压电力线通信的可靠性，使得电力线通通信技术的发展和推广受到制约。选择低压电力线信道适合的纠错编码方式、调制解调方式1 和自适应传输技术有助于提高电力线通信质量，这些技术研究的基础是必须深入了解低压电力线信道特
27、性。电力线信道噪声特性是影响电力线通信非常重要的一个因素。研究并分析噪声特性对于解决网络中通信信道的稳定性，维持网络通信的可靠性都具有非常重要的意义n 州1 1 1。由于我国的配电网结构和欧美国家的电网结构相比有较大差别，同时我国对低压电器设备电磁兼容性能的要求不如欧美国家控制的严格，低压配电网的电磁污染要比发达国家严重得多，导致许多在欧美国家成熟的电力线通信技术应用在我国的低压配电网上通信效果很不理想n 2 儿埘，甚至根本无法使用，因此必须发展适合我国低压配电网结构和电器负载设备的低压电力线通信技术。本课题对我国的低压配第一章绪论电网中的噪声特性进行实际测量和分析研究，总结我国低压电力线信道
28、噪声的一般规律，为载波通信设备的研发和设计提供参考，促进我国电力线通信技术的发展。1 2 信道特点及噪声分类低压配电网中电力线不是一种均匀分布的传输导线，是一种复杂是传输介质，网络中电器负荷种类繁多，大量设备的开关操作具有随机性。网络拓扑结构复杂，不同于中压和高压输电网络，低压配电网是一个开发式，结构呈树形并向周围辐射的网络，整个配电网内的通信线路之间相互影响。直接面向用户的电力线通信信道中存在强烈的信号衰耗、变化剧烈的阻抗以及不可预测的大量噪声干扰，这些低压电力线信道自身特点n 铂使得电力线信道具有很强的时变性和频率选择性，导致通信环境恶劣。(1)信号衰耗大，时变性强。P L C 信道通信频
29、率的选择中需要考虑的一种重要因素就是各种频率信号在电力线信道中衰耗的程度。电力线自身一般由金属导体加工制作，阻抗较小，不随时间变化，对不同频率信号衰减很小。低压配电网中线路复杂，各种类型的电器设备随机的接入或断开导致信号幅度的变化是衰减的重要原因，并且具有非常强的时变性。不同频率的信号在电力线信道中衰减程度不同，配电线路上连接了各种电感特性或电容特性的设备，设备之间相互影响，并且有可能组成谐振电路，对某些频率的信号衰减较大，另外具有电容特性的设备对频率越高的信号衰减越大。衰减不仅与信号频率有关和传输距离也有密切的联系，研究表明n 羽，通常情况下电力线信道中信号经过的距离越远，衰减程度越大，但是
30、由于阻抗变化的时变性，传输距离远的可能比传输距离近的衰减程度小。(2)信道阻抗变化剧烈。在低压电力线通信系统设计中，阻抗匹配是一个重点考虑的问题，阻抗特性关系到接收机和发射机的效率问题。由于负载类型的不同，线路上电容设备和电感设备相互影响，在某些频率上的阻抗很小，而某些频率上的阻抗很大，并不能完全满足阻抗随频率的增加而减小的规律。电力线上的阻抗具有很强的时变性，即使是在相同的测量点，不同时间测量的阻抗值也不一样n 6 ，这给载波发送和接收设备的设计带来了一个很大的挑战，特别是耦合电路的设计，很难做到电力线信道中的阻抗和载波接收设备的输入阻抗达到完全匹配，载波通信设备的设计和开发要尽量做到阻抗匹
31、配，提高信号输出效率和接收效率。2中国石油大学(华东)硕士学位论文(3)信道噪声干扰大。电力线信道噪声是影响电力线中信号传输质量的一个重要因素之一。低压电力线是非专用通信信道，和目前的数据传输质量较好的介质(如光纤、同轴电缆或双绞线)相比，低压配电网络结构复杂，连接的负载众多且经常发生变化，噪声强度在不同配电网网络中也不同，具有非常强的时变性。因此电力线信道中的噪声不能简单归结为加性高斯白噪声(A W G N)或平稳随机噪声，由于信道噪声形式多样，噪声来源复杂，很难用统一的数学模型来描述所以电力线信道噪声特性，目前主要根据噪声源的不同对噪声进行分类n 别，研究不同类型的噪声的特性有助于了解整体
32、的信道噪声特性。通常将电力线上宽带范围内的噪声归纳总结为5 类，如图1-1 所示噪声分类，各种噪声的功率谱密度图如图1-2 所示。有色背景噪声：电力线上用电设备工作时会产生一定的噪声，背景噪声是由功率比较低的噪声源重叠到一起形成的，背景噪声在较宽的频谱上持续存在。研究表明，背景噪声与频率相关，总体上随着频率的升高，噪声幅度表现出下降的趋势n 钔，另外有色背景噪声随时间变化缓慢，通常以分钟甚至小时为单位变化，基本可以看成是一种平稳的随机噪声信号。背景噪声在时间是持续存在，并且每个频带范围内都会有背景噪声，不同地区的背景噪声不同，背景噪声的幅度与配电网中的电器复杂类型有关。与系统频率无关的窄带噪声
33、：窄带噪声大多是由无线广播信号对电力线信道影响而成，频谱上主要表现为正弦调幅信号，信号的功率谱密度较高，占用的频带较窄，通常情况下晚上的窄带噪声幅度要高于白天的窄带噪声幅度，这是由于晚上的无线广播信号较多，并且夜晚电离层的反射对电力线通信信道也有一定的影响。与工频异步的周期性噪声：这类脉冲噪声主要是由大功率的电器设备工作时产生的和工频周期异步的一类噪声，其中电视机和电脑显示器工作时会产生不同扫描频率的噪声，其频谱表现为具有离散特性的线谱，脉冲持续时间较短，脉冲幅度较高。另外打印机和传真机工作是也会产生周期性的脉冲噪声，频率范围在5 0 k H z 到2 0 0 k H z 之间。与工频同步的周
34、期性噪声：由于低压配电网中连接了大量的用电设备，目前开关电源在用电设备中应用广泛，开关电路的打开和关闭会产生一定的切换脉冲噪声，周期一般为工频周期的倍数，这种脉冲持续时间比较短洲。这种周期性脉冲噪声在低频范围内功率谱密度较高，频率升高，脉冲功率下降。与频率无关的随机脉冲噪声：由于低压电网中设备的开关操作具有随机性，电器3第一章绪论设备工作时相互之间的影响也具有随机性，这些都会产生随机脉冲噪声，这类噪声没有一定的规律，而且脉冲噪声影响的频带范围较宽。从文献的测量结果来看，异步脉冲噪声的产生时间和脉冲持续时间都具有随机性，通常在几个微秒到几个毫秒之间，但脉冲干扰的幅度较高，比背景噪声的幅度要高出许
35、多，有时可达3 0 d B 以上，其功率谱的突然上升，会导致数据在传输过程中出现突发错误，使误码率升高。i 一j信号发送信号接收图1-1 电力线信道中的各种噪声F i g l 1D i f f e r e n tt y p e so fn o i s ei np o w e rl i n ec h a n n e lr。一一j图1 2电力线信道中各种噪声的P S DF i g l。2P S Do fn o i s e si np o w e rl i n ec h a n n e l1 3 国内外研究现状低压电力线是一种复杂的传输媒介，线路上存在的大量噪声是影响电力线通信质量的重要因素，掌握电
36、力线信道噪声特性对于设计有效可靠的通信系统具有重要意义。世界各大公司以及国内外科研单位的很多学者正在进行关于电力线信道噪声特性分析和信道噪声建模方面的研究。其中高速的宽带电力线信道噪声研究较多，而窄带低速的电力线信道噪声研究较少。在国内，张众发，江志心等人测量了室内两个场合的低压电力线信道噪声(3 0 M H z4中国石油大学(华东)硕士学位论文以下)并进行了噪声特性分析。利用数字存储示波器捕获时域噪声数据，依据W e l c h 功率谱估计算法对噪声做功率谱密度分析，并得出结论：噪声的来源非常复杂，并具有强烈的时变特性与方位特性。测量系统如图1-3 所示，电力网络_|耦合电路_ 一存储示波器
37、P c图卜3 噪声测量框图F i 9 1 3f r a m eo fn o i s em e a s u r e m e n t耦合电路的作用是从输电线路上获取噪声信号，存储示波器的作用是测量并存储时域的噪声数据。与存储示波器相连的P C 可以在时域数据上对噪声做针对性的分析，如观察时域波形和分析噪声幅度特征。该测量电路应用设备简单可行，能够测量时域的波形，进行功率谱估计在频域上进行特性分析，耦合电路的设计没有考虑阻抗变化对测量结果的影响。赵云峰，汪晓岩等馏2 1 测量了1 到3 0 M t t z 频率范围内的噪声，同时对噪声基本特性进行了分类和讨论。建立了色背景噪声、窄带噪声和脉冲噪声三种
38、主要的噪近似的模型函数。通过W e l c h 方法对噪声频谱进行功率谱分析，噪声特性分析指出电力线噪声间相互独立，并且和地点、时间以及电器负载等因素相关。与工频异步的周期性脉冲噪声、窄带噪声以及有色噪声都可以归并为背景噪声。背景噪声的主要是大量低功率的噪声源的叠加，通常较长时间内变化缓慢，随频率的增大而减小，背景噪声的功率谱密度也在一定时间内保持不变，具有稳态性。虽然在试验统计数据上对脉冲噪声和背景噪声建立了模型，但是模型还不够精确，还需要依赖于特定环境对该模型迸一步优化。李平，赵志辉瞳3 3 等对低压电力线信道的脉冲噪声特性进行分析并建立脉冲噪声统计模型，指出随机脉冲噪声对高速电力线通信影
39、响较大，统计模型是在对脉冲噪声状态进行分群，通过过渡状态，运用马尔可夫链方程进行分析的基础上建立的，模型的各参数值是通过马尔可夫链方程的F r i t c h m a n 模型拟合实际测量的概率曲线确定。该模型拟合得到脉冲噪声的间隔时间和脉冲的宽度的概率分布曲线。该模型可以用来验证和测试粗粒度的编码方式，虽然模型参数得到了简化，但是分组状态的划分还需要根据特定环境选取合适的阀值。5第一章绪论王乔晨，郭静波乜4 3 等在对低压配电网噪声进行了时域和频域上的测量，在此基础上，对1 0 0k H z-4 5 0k H z 频率范围内的低压电网噪声特性进行了重点研究，并给出连续时间一天内的噪声观测结果
40、。该文不仅讨论了电力线上信道噪声测量方法，而且对噪声进行分类。通过实验，分析各种噪声的特性及产生原因，以及各种噪声如何影响扩频通信传输效果，指出在扩频通信系统中，噪声的影响最为明显，在1 0 0k H z -4 5 0k H z 范围内的背景噪声主要为白噪声。姜霞等人口研采用T e k t r o n i x 公司的T D S 2 1 0 型数字记忆示波器实验测量传输距离小于1 0 0 米，频率范围在5 k H z 一1 M H z 的信号及噪声，并用维格纳一威利时频分析法分析了现场数据的信道噪声频带分布特性，信号衰减特性，信号时延以及谐振和反射现象。分析结论表明低压配电网中的噪声对低频载波信
41、号有很大的影，且噪声成分复杂，频率较低时影响较大，载波频率较高时，噪声的影响减小。该文运用R E N Y I 信息法初步研究分析实验室范围内噪声对载波的影响，得出一些对载波通信可以用来参考的结论，但进行实际应用还必须进行综合考虑。对噪声特性的深入了解还需对不同电力环境噪声进行长时间的测量分析和研究。在国外，Y H i r a y a m a 等人啪1 对实验室的宽带电力线信道噪声进行了测量并分析噪声的频谱，噪声幅度的分布和噪声的统计特性，对不同频率噪声的统计特性包括噪声的自相关性，概率密度函数，相关系数，噪声幅度的分布性等都进行了详细分析，同时证实了噪声的循环平稳特性，发现对于不同的频率带的噪
42、声幅度是不同的，高斯噪声模型在频率较低的频带内符合噪声特性，但不能够很好的拟合高频带的噪声，高频噪声更趋近于脉冲噪声。该研究对低频电力通信具有参考意义。Z i m m e r m a n n M 等人测量了1 M t t z 到2 0 M H z 的背景噪声和脉冲噪声，脉冲噪声的测量包括脉冲幅度，宽度，和脉冲间隔等。通过对脉冲噪声的时域和频域分析并且和背景噪声相对比，脉冲噪声对信号传输的影响比背景噪声更大些。该文指出信道噪声可以表示为各种不同类型的噪声在同一信道中的叠加。另外还讨论了电力线信道背景噪声模型，窄带干扰模型和时变基于离散马尔科夫链脉冲干扰模型。M a s a a k iK a t
43、a y a m a 等人嘲对自己实验室的电力线噪声特性进行了测量，测量范围为O H z 到5 0 0 K H z。电力线噪声并非白噪声而是具有复杂的噪声功率谱，该文把电力线的噪声作为时变的非静止的高斯过程来处理，通过不同参数的高斯函数的组合来拟合当前的6中国石油大学(华东)硕士学位论文电力线噪声特性。该模型能够通过少量的参数表现电力线的时变和非白噪的特点比传统的电力线信道噪声有更良好的特性。C o r t e s，J A 等人啪3 对室内2 5 M H z 以内的宽带噪声进行测量并研究，主要研究了脉冲噪声特性，并根据噪声特性对脉冲噪声进行分类，其中有随机脉冲噪声、和系统频率相关的周期噪声以及与
44、系统频率无关的周期噪声。另外分别对实验室，校园办公室，学生公寓和独立住宅进行测量，并在时域和频域上详细分析脉冲噪声的持续时间，脉冲幅度，重复次数和中心频率宽度结果表明脉冲噪声具有循环平稳特性，但是并没有给出一定的脉冲噪声模型。C a n e t eF J 等人建立了一个基于F P G A 的电力线通信信道硬件仿真模型啪3。仿真频率带宽达3 0 M n z 并能够仿真信道的时变性和产生不同的信道干扰。该模型可以产生循环平稳的噪声，脉冲噪声，窄带干扰，采样频率1 0 0 M H z 以及工频频率抖动等功能，能够简单模拟室内电力线信道环境并辅助设计通信模块，但是一些参数还需要修改以及一些算法不够完善
45、还需重新设计，该模型对于电力线信道噪声硬件仿真平台设计具有一定的参考价值。总之，国内外众多的科研学者对低压电力线信道噪声进行研究，并取得了很多的研究成果，对电力线噪声特性有了一定的认识和了解，但是由于电力线强烈的时变特性很难建立一个准确有效统一的信道噪声模型，大多是按经验模型进行处理，很多相关理论的提出还有待完善。国内外针对于1 旺I z 以上的宽带高速电力线信道特性研究较多，而对于9 k H z 到5 0 0 k H z 的窄带低速电力线信道的研究较少，国内缺少对该频率范围的噪声特性研究，同时缺少对不同电力环境的噪声数据的测量。因此本课题对于研究我国智能用电频段的噪声特性和提高窄带低速的低压
46、电力线通信的可靠性就有重要的意义。1 4 研究内容及方法本文主要研究低压电力线通信信道9 k H z 至5 0 0 k H z 智能用电频率范围内的噪声特性并建立信道模型，设计该频段内准确实用的噪声测量系统，并对多个不同电力环境下是载波接入点处的噪声数据进行测量和分析处理，建立不同电力环境下相应的噪声模型，为载波通信技术的研究和通信产品的设计提供参考。课题整体上主要围绕着噪声测量系统，噪声功率谱分析方法与信道噪声建模几个方面进行。7第一章绪论1 研究低压电力线信道噪声测量方法电力线噪声测量方法有宽带噪声测量和窄带噪声测量，不同带宽的噪声信号测量电路复杂程度不同，需要根据测量对象和环境选取合适的
47、测量设备和测量方案。本课题综合分析和比较不同的噪声测量方法，总结噪声测量方案的设计要求，研究并设计9 k H z至5 0 0 k H z 智能用电频率范围内低压电力线信道噪声的测量方案。2 研究低压电力线信道噪声功率谱分析方法目前有许多噪声功率谱估计方法，主要分为经典功率谱分析方法和现代功率谱分析方法，不同的功率谱估计方法有不同的优缺点和适用范围，本文研究并比较不同功率谱估计的特性，选择适合电力线信道噪声的分析方法，选取分辨率高和曲线平滑的功率谱估计方法。3 研究建立适合我国电力线信道环境的噪声特性模型。由于配电网内电器设备繁多并且噪声时变性较强，很难建立统一的噪声模型。我国的电力线信道环境比
48、国外的信道环境更加恶劣和不稳定，主要原因是国内生产的许多电器设备都不符合国际标准，会产生更加复杂的噪声。本课题分析目前的研究成果包括噪声时域噪声模型和频谱噪声模型，结合已经测量的噪声数据，对于测量的结果需要分析和研究建立我国特定环境下相应的信道噪声特性模型。本课题采用现场数据测量与理论仿真相结合的研究路线。低压电力线信道噪声特性研究是一门实践性与理论性很强的研究工作，只有测量真实的试验数据和理论仿真后才可能或可以被应用到实际中去。本课题将设计开发结合特定环境下的测量方法并测量信道噪声数据，对居民区、实验室、办公区等多种典型信道环境噪声进行大量的分类测量，并深入分析已有的背景噪声A R 白噪声模
49、型，脉冲噪声离散马尔科夫链模型和非白噪声的循环平稳高斯模型，以及具有统计特性的噪声功率谱密度曲线拟合模型，通过借鉴前人的研究成果和思路，设计适用于我国特定环境的信道噪声模型并通过模拟软件对其进行模拟验证，对所得数据模型进行分析与比较，说明该模型可行性和有效行。1 5 论文组织结构全文共分为五章，各章的内容如下：第一章为绪论，介绍课题的研究背景及意义，低压电力线信道特点及噪声分类，国8中国石油大学(华东)硕士学位论文内外研究现状，给出本课题研究内容与方法，以及论文整体的组织结构第二章为低压电力线信道噪声测量方法，通过分析不同类型的耦合电路的优缺点和适用范围，总结耦合电路设计的基本要求，设计符合测
50、量要求的9 k H z，-5 0 0 k H z 窄带噪声的测量方案，并对耦合电路进行仿真验证和实际电路的测试分析。第三章为低压电力线信道噪声分析方法，介绍了经典功率谱估计和现代功率谱估计，并从理论上分析比较了不同功率谱分析方法之间的区别，提出一种分辨率和准确性较好的电力线信道噪声的功率谱分析方法。第四章为低压电力线噪声(9 k H z 一-5 0 0 k H z)特性分析，在数据处理的基础上分析同一台区下不同测量点的噪声特性，以及同一测量点A 相、B 相、C 相噪声特性。通过分析和比较不同电力环境下的噪声功率谱，得到低压电力线信道噪声随频率和地点的变化特性，总结电力线噪声特性规律。第五章为低