电力线的物理特性及其在PLC网络中的应用

PLC技术的物理通道是电力线。电力线原本不是用来传输数据的，因此其物理特性参数的选取主要取决于电力传输，主要有电压和频率，例如110V/60Hz。

这节介绍电力线的某些物理特性，这样便可以更好地理解电力线在数据传输方面的能力（包括优点和缺点）。

阻抗

电力线可以用阻抗Z来表征其特性（电力网络中各种组件的电阻、电感和电容的模值），它不是一个固定值。电气设备经常从电力网络上连接或断开，这改变了线路的阻抗，因此很难对通信媒介建立起模型，传输信道也是一样的。

与此同时，电气设备的阻抗是与工作模式、速率、时间、设计等情况相关的函数。

研究表明，典型的民用供电设备阻抗在10Ω～1kΩ之间。

电容和电感

连接到电力网络中的各种设备都有一定电容和电感，其数值与电路中电流和频率（在50Hz或60Hz的线性变化）有关。

电路或电偶极子的电感（L）也被称为自感，其表示的是通过电路时电流的感应通量值。在具有非零磁导率（μ）的材料中，产生磁场强度（H）和磁感应强度（B）。

在有界表面的材料中，例如典型的电缆，电路中的电流所产生的磁场会引起感应通量的变化，电感或许局限于电路，或者与其他电路相互作用。

电感可以用磁通量（Φ）和电流（I）的函数来表示，其公式为

在正弦电压的情况下（家庭用电的情况下），用欧姆法则可以有效地表达这个关系式等式，这样一来，电感便是电压（U）、电流（I）、频率（f）的函数，即

电容（C）也称电路的容量，表达的是两个相邻的，带有相反电荷的导电表面体产生的电场中所蕴藏的能量值。

这个蕴藏的能量，也就是电容与形成电场的两个电偶极子中所带电量成正比。电量可以从电通量（Ψ）角度表示，并且与偶极子的两个表面之间电动势（V^[1]）有关。

㊁原书作者将电容单位描述为库仑，意为单位电压下的情况。实际上电容的国际单位是法拉。——译者注

在正弦电压的情况下（家庭用电的情况下），用欧姆法则可以有效地表达这个关系等式，这样一来，电容就是电压（U）、电流（I）、频率（f）的函数，即

电路的阻抗是由电阻（R）、电感（L）和电容（C）组成的，它们一起从电力角度完整地描述了阻抗特性。

这些特性作为网络中电流的函数，影响着整个网络的运行。从计算机科学方面看，这些特性形成了一个特别的物理层模型，旨在获取尽可能高的信道传输质量。

利用欧姆法则，阻抗可以用综合了电阻、电感、电容特性的复数来表示，j表示复数的虚部。

㊂原书作者在表达阻抗时，可能因疏忽致公式有误，写成了Z=R+j2πfL+。——译者注

当电流通过多个电路时，串联、并联的复杂网络阻抗形成它们的联合阻抗。每个部分随时都可能连接或断开。同样，各种阻抗会影响电流的产生，并影响到磁场和电场的产生。从信道传输的观点看，这些属性会有惊人的应用，我们在后续章节中将予以分析。

既然电感和电容特性的不断变化将直接影响到物理传输信道，那么PLC传输技术就必须予以优化和加强。

电磁噪声和骚扰

由于电力线上或其周围连接有各种电气设备，传输信道就会存在有一定强度的噪声。

线路上或其周围的不同噪声类型如下：(www.xing528.com)

1）电气设备关闭和开启的脉冲噪声；

2）宽带白噪声，即其功率谱密度在所有频率上相同；

3）在不同频率上的周期性噪声；

4）谐波噪声，其频率为网络中设备使用频率的线性倍数（如50Hz产生300Hz、600Hz等的谐波）。

总之，噪声用信噪比（SNR）来量化，通常用dB值度量。

除了电力线中的噪声，连接在电力网络，或者未连接但距离电力线很近的设备也会在传输信道上产生一定的骚扰电平。这种复杂技术问题被称为电磁兼容（EMC）问题。

从电磁兼容（EMC）观点看，每个电气设备都会产生电子干扰，它可能是传导式的（通过电力网网络传输）或者是辐射式的（在无线电环境中辐射）。

欧洲的CENELEC和国际IEC的许多工作组都建立了标准，明确包括电力线设备不同种类的电气设备骚扰权威的限值。同时，欧洲的ETSI和国际的ITU电信标准化组织也正在研究骚扰门限，优化传输信道，并且研究信号处理技术，使得PLC获得最好的性能。IEEE也正致力于这类问题，以优化OSI模型中的物理层。

国际无线电干扰特别委员会（ISRIC）第三工作组在150kHz和30MHz频段上界定了PLC电气设备的骚扰允许限值。

PLC收到的和引起的电磁兼容骚扰是另一个方面的研究课题。该课题的研究目标是对每一个（类）设备的发射电平制定标准，以便在此电平条件下得到高效的传输信道。

衰减

无线电信号通过电波传输时，其能量衰减是距离的函数；DSL信号通过PSTN的同轴电缆时，其衰减也是距离的函数。与此类似，电信号能量同样也是传输距离的函数。

在使用PLC网络时必须考虑电力线的这些特性。正如在第8章（见表8.10），为了使得PLC网络能提供更好的服务，我们将更加仔细地研究参数的选择。这些参数根据信号的距离函数以及衰减等情况有很大的差别。

电力网络的阻抗变化会在某些频率上导致多径效应，因其信号的开槽或者幅度激增。在家庭网络中，根据电力网络的内容和拓扑结构，电力线信号衰减在20～60dB范围内。

对于一个工作于20MHz以上频率的系统，其电能表和电路断路器的最小衰减为30dB。对于20MHz以下的系统，其平均衰减为50dB。而且，在某些频率下，好的PLC耦合器能将衰减减少10～15dB。

HomePlug1.0调制解调器的信号频率4～25MHz之间，其功率谱密度为-50dBm/Hz。我们可以在第8章的表8.10中看到这些值。

表2.2总结了重要电力线网络设备的衰减值。

表2.2 主要配电网络中电气设备的衰减

许多对家用电力配电网的研究表明，平均信号衰减为50dB/km。

相线之间的耦合

当电力线中存在高频变化的电信号时，它会在电力线附近产生磁场，这就称作耦合。

当感应耦合发生在同一电力网络的不同组件之间时，这种耦合称作串扰。如果是不同的电力网络，它们之间通过大地电流实现耦合。

频率响应

根据电力线的特性（材料、组成、年份等）不同，对高频信号的反应即信号的传播能力差别很大。

我们将在第8章（见表8.11）详细地说明使用PLC网络时这些特性的结果，以及当选择网络拓扑结构和电缆时怎样考虑。

接口灵敏度

电气设备中存在模拟接口，通过它们和电力线介质进行耦合（感性和容性）。PLC可以通过这些接口，在电力线上传输数字信号。

根据所使用的电子元器件，模拟接口的灵敏度特性使PLC信号传输中衰减不致过大。灵敏度可以用电力线和数字电路之间的阻抗来建模。