隨著網絡技術的發展，人們進入了信息化、網絡化時代，智能小區、家庭自動化將逐漸成為人們生活的主題。家庭網絡是智能小區、家庭自動化的基本單元。家庭網絡以家庭網關為中心、網絡平臺為核心，通過家庭總線技術(HBS)互連所有可以互聯的住宅商品(包括網絡家電、計算機、三表、安防產品等)，組建家庭智能化網絡系統，實現家庭網絡化、信息化、智能化^[1]。
　　電力網絡是世界上已有的最廣的有線網絡，是人們生活必不可少的。利用電力線組建網絡無需架線，不破壞住宅結構，連接方便快捷，是當今世界研究的一個熱點。PLC家庭網絡就是利用電力線進行通信而實現的智能家庭網絡系統，圖1給出了PLC家庭網絡的基本方案。在PLC家庭網絡中，網絡數據由與電力負載相連的電力線傳送，并通過HomePlug協議交互，采用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)正交頻分復用調制方式^[2]。由于電力線是專為傳送工頻電力而設計，對高頻載波信號衰減很大，干擾嚴重。因此，如何增加電力線通信的可靠性、提高傳輸速度成為電力線通信技術的關鍵。

　　目前，PLC網絡產品的速率都號稱達到45M以上，但由于它們采用傳輸電能的相線-零線承載載波信號，高頻載波信號受到了嚴重的衰減和干擾，實際傳輸速率遠遠達不到理論值。本文通過對相線-零線、零線-地線的分析與測試，提出了利用零線-地線承載載波信號，提高數據傳輸可靠性與速率的方案，使通信效果得到一定改善。
1 低壓電力線特性
1.1 輸入阻抗與傳輸特性
　　低壓電力線的輸入阻抗直接影響到信號耦合的效率，是低壓電力線傳輸特性^[3]的重要參數。

　　電力負載是影響電力線輸入阻抗的重要原因之一。這一點可以從較典型的計算機電源電路(見圖2)中得到證明。該電路中虛線框內為抗干擾電路，可以防止外部干擾信號" title="干擾信號">干擾信號進入電源內部，也能阻止開關電源產生的高次諧波串入電網，這部分電路對電力線的特性影響很大。從圖2中可以看出，起決定作用的是C1，R1、R2由于阻值大不足以造成影響；其它元件由于扼流圈L1的存在影響甚微，當頻率為10MHz時，阻抗為：
　　
　　如此小的阻抗會使有用的載波信號損失殆盡，這正是電力線通信中令人頭痛的問題。
　　總體上看，電力線對高頻載波信號的衰減^[4]隨傳輸距離增加而增大，并與負載情況有很大關系。由于電力線上負載繁多，并且接入具有隨機性，電力線變得非常復雜并具有時變特性，不僅同一時間不同地點的特性不一樣，而且同一地點不同時間的特性也大不一樣。圖3是一個網絡在兩個不同地點的阻抗特性。從圖中可以看出，電力線上的輸入阻抗隨著頻率的變化而劇烈變化，變化范圍超過1000倍！但是，輸入阻抗并不是簡單地隨頻率的增大而減小。由于負載與電力線本身組合成的電路存在若干共振點，這樣的諧振通常是由容性負載引起的，在這些共振點上阻抗較小。同時，由于負載會在電力線上隨機地連上或斷開，所以在不同時間，電力線的輸入阻抗也會發生很大幅度的改變。由于低壓電力線輸入阻抗的劇烈變化，發射機功率放大器的輸出阻抗和接收機的輸入阻抗難以與之匹配，因而給電路設計帶來很大的困難，對本來就存在PAR問題的OFDM調制更為突出。
　　電力線的傳輸特性直接反映高頻信號的傳輸情況，因而更能說明負載對PLC信號的影響，特別是距離發射機較遠而又靠近接收機的負載。當負載為容性時，電力線的傳輸特性急劇惡化。因為連接線的電感試圖隔離網絡中的各元件，并在高頻時消除遠端連接負載對輸入阻抗的影響，遠端負載對輸入阻抗的影響是很小的，但對傳輸特性卻十分明顯。
1.2 噪聲特性
　　電力線上存在的復雜干擾也嚴重影響著電力線上的數據傳輸。低壓電力線作為高頻信號的傳輸通道，有比明線、電纜等其它類型的通道高得多的噪聲干擾。這些干擾不僅來自某些自然現象，更多的是來自低壓電力線連接的負載。多類負載都會對電網產生干擾噪聲，各種干擾噪聲主要來源于以下幾方面^[5]。
　　可控硅器件和電源電路產生的工頻倍頻諧波，每秒要切換50次，引起時域上的一系列噪聲脈沖，或頻域上的比工頻更高次的諧波噪聲，如無級調速器、可控整流設備等。由于負載與電網不同步而產生的具有平滑功率譜的干擾，該類噪聲的功率譜密度相對較低，是頻率的衰減函數，如普通電動機產生的干擾。開關電子設備產生的單脈沖噪聲及雷電干擾，這種脈沖噪聲的持續時間為幾微秒到幾毫秒。非同步周期的噪聲，這類噪聲大多數為帶調制幅值的正弦干擾信號，如電視機、顯示器行掃描頻率及各類電子鎮流器。
2 低壓電力線在家庭網絡中的改進
　　在傳統電力線載波通信中，使用相線-零線(單相或多相線路)或相線-相線(多相線路)承載信號。由于電力負載跨接在線路上，干擾信號直接竄入線路，并且使載波信號衰減很大，這必然要求發射機具有較大的輸出功率，導致OFDM正交頻分復用的PAR(峰均功率比)較高的問題惡化，過多的高頻信號也會超出標準并影響電力負載的正常工作。
　　根據家庭居室的有關電氣標準，家庭內部要裝配獨立地線，而地線連接電器外殼或接地點，起安全保護作用，與相線和零線沒有太多的直接聯系(如圖4所示)。大部分電力負載在零線-地線上的等效阻抗幾乎為無窮大(只有分布電容的影響)，這一點也可以從圖2看出：在零線-地線通路上，高頻載波信號已被扼流圈L1、L2阻斷，除去分布與耦合電容的影響，阻抗幾乎為無窮大。對其它一些兩線插頭的電器，這個問題就不言而喻了。另外，干擾信號也沒有直接進入零線-地線，只有較少的耦合信號。

　　如果在用戶電源輸入端插入阻波器，將內外網隔離，一方面能防止外網干擾信號串入內網，另一方面對于內網的高頻載波信號來說，阻波器的阻抗為無窮大。同時，由于采用零線-地線承載載波信號，PLC載波信號與負載阻抗分用不同的線路(如圖5所示)，則線路阻抗與空載電力線阻抗差不多，相比之下能降低發射功率、提高信噪比，因而能增加信號傳輸的速率與可靠性，OFDM的PAR問題也能得到緩解。
3 實驗結果
　　為了證明分析的正確性，筆者對某住宅進行了測試。該住宅為1992年修建的鋼筋混凝土混合結構住宅樓的一樓，兩室一廳，面積50余平米。住宅電纜為阻燃管套裝的暗線敷設，并布有獨立地線，有電冰箱、電視機、電腦、調光燈、電風扇各一臺。在住宅電源輸入端插入如圖5所示的阻波器，用5V的正弦波作為輸入信號。考慮到HomePlug使用的頻段為4.3MHz~20.9MHz，筆者對4MHz~21MHz的18個頻點分別在相線-零線與零線-地線上進行測試。
　　實驗1為測試電力線的阻抗特性，采用圖6(a)所示的電路測試，測量結果如圖6(b)所示。

　　實驗2為測試電力線的傳輸特性，采用圖7(a)所示電路測試，測量結果如圖7(b)所示。測量中信號注入點距測試點約5m。考慮到實際智能電器的PLC載波信號取自各自的電源輸入端，為消除電器電源電纜的影響，真實地反映高頻載波信號的傳輸情況，筆者直接從負載的電源電路獲取測試信號，此處負載選用計算機。
　　實驗3為測試調光燈產生的噪聲干擾，用示波器對調光燈所接的插座進行測試，測量結果如圖8所示。

　　從測量結果來看，零線-地線上的阻抗特性有一定改善，傳輸特性改善明顯，對高頻信號的衰減明顯減小，干擾噪聲也明顯減少，這對電力線通信是有利的。

　　為了檢驗電力線網絡改進對網絡性能的影響，采用某品牌的電力線網絡產品進行測試比較。兩臺PLC產品之間電力線長度約為5m，第一臺電腦與第二臺電腦通過10M網卡連接，第一臺電腦還與第三臺電腦通過14M PLC網絡產品連接，如圖9所示。測試中各電腦配置如下：
　　電腦1：100M網卡，IP：172.16.24.1
　　電腦2：10M網卡，IP：172.16.24.2
　　電腦3：14M PLC Modem，IP：172.16.24.3
　　首先在第一臺電腦上用Any speed對另兩臺電腦進行Ping測試，測試結果見圖10。從圖中可以看出，10M網卡網絡速度(上面一條曲線)穩定在1040kbps(8.32Mbps)左右，改善前PLC網絡速度(下面一條曲線)為206kbps(1.65Mbps)，且波動較大，改善后速度提高到504kbps(4.03Mbps)，并且比較穩定。

　　然后，用NetIQ公司的Qcheck測試軟件對網絡進行測試。該軟件和Chariot測試軟件類似，通過統計一個預定長度和格式的腳本文件無差錯地從一臺服務器傳送到另一臺服務器的時間，來測試組網的電腦對之間的性能。操作系統采用Windows 2000 Professional (SP1)，測試平臺包括一個控制臺程序(安裝在電腦1)和三個代理端(Endpoint)程序。表1為測試結果。

　　以上測量結果表明，使用零線-地線的載波方案對PLC網絡的多項性能都有一定改善。
　　未來的PLC家庭網絡中，速率與可靠性是必須解決的問題。零線-地線對高頻載波信號的衰減比相線-零線少，而且干擾信號也小。使用零線-地線承載載波信號，讓PLC載波信號與負載阻抗分用不同的線路，能減輕線路對載波信號的衰減與干擾，提高PLC通信的速率與可靠性。
參考文獻
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