论文电力线载波通信课程设计

论⽂电⼒线载波通信课程设计基于0FDM技术的低压电⼒线载波通信芯⽚的设计——LME2980芯⽚设计组成员：
⽬录
摘要（全组负责）
第⼀章绪论(1,3部分，负责，2部分负责)
1、低压电⼒线载波通信介绍
2、电⼒线通道特性
2.1电⼒线信道噪声特性分析
2.1.1电⼒线信道噪声特性分析
2.1.2同步于⼯频的周期脉冲噪声建模与仿真
2.1.3异步于⼯频的周期脉冲噪声建模与仿真
2.1.4随机脉冲噪声
2.1.5合成噪声与实测结果
2.2电⼒线信道传输与衰减特性
2.2.1电⼒传输线参数分析
2.2.2衰减特性的实际模拟
2.3低压电⼒线的阻抗特性
3.正交频分复⽤OFDM
3.1OFDM 介绍
3.2OFDM 技术的特点
第⼆章低压电⼒线载波通信模块硬件设计（全组负责）
1、OFDM电⼒线载波芯⽚LME2980概述
1.1 LME2980主要特点及技术指标
1.2 LME2980主要应⽤范围
1.3 LME2980引脚图
1.4引脚定义
1.5 主要电⽓特性
2、OFDM电⼒线载波硬件设计
2.1电⼒线载波数据传输系统
2.2电⼒线载波通信芯⽚电路模块
2.2．1 LME2980芯⽚
2.2.1.1晶体振荡器
2.2.1.2 编程使能控制
2.2.1.
3.其他部分外围电路
2.2.2⽹络地址管理
2.2.3接⼝电路
2.2.4微处理器部分
2.3信号发送和接收模块
2.3．1信号放⼤滤波电路
2.3.2过零检测电路
2.4电⼒线接⼝部分电路模块（耦合电路）
第三章低压电⼒线载波通信模块软件设计（1部分由彭柳负责，2，3部分由责）
1、软件模型层次设计
2、物理层
2.1 A/D 转化
2.2调相
3、链路层
3.1 CRC检错校验
3.2差错控制
3.3介质访问控制
3.3.1 CSMA
3.3.2带冲突检测的载波侦听多路访问CSMA/CD 3.3.3 CSMA/CA(Collision Avoid：冲突避免)协议第四章总结（全组负责）
参考⽂献（负责）
摘要
在绪论部分，介绍了低压电⼒线载波通信、电⼒线通道特性、OFDM技术三⼤内容。

在低压电⼒线载波通信中，分析回顾了电⼒线在载波的历史，提出具有研究价值的OFDM电⼒线载波通信。

在电⼒线通道特性中，通过对电⼒线信道噪声的分析，仿真与建模，得到异步于⼯频的周期脉冲噪声和随机噪声等合成噪声数据波形，然后⽤传输线模型分析了电⼒线传输和衰减特性，结合噪声分析得出实际上⽹络特性将决定信道的频率特性，信号传输的衰减通常会较严重。

并在此基础上分析了阻抗特性。

在OFDM技术中，对OFDM的特性进⾏了分析，得到结论采⽤正交频分复⽤（OFDM）调制技术的芯⽚设计的电⼒载波数据传输系统能很好的解决数据传输过程中信号衰减⼤、码间⼲扰严重、频谱利⽤率不⾼的应⽤难题。

在硬件电路部分，以LME2980为中⼼设计了电⼒线载波通信芯⽚电路模块、信号发送和接收模块、电⼒线接⼝部分电路模块三⼤模块。

在电⼒线载波通信芯⽚电路模块中，对以LME2980为中⼼的电⼒载波电路进⾏了介绍，描述了晶体振荡电路、编程使能控制电路、⽹络管理芯⽚、退耦电路、接⼝电路。

其次，介绍了微处理器与在信号发送和接收模块中，为了使信号能有⾜够的能量在电⼒线传输以及在进⼊电⼒线之前排除其他谐波的⼲扰，设计了信号输⼊滤波电路，信号放⼤滤波电路，过零检测电路。

信号输⼊滤波电路过滤混⼊信号的谐波，对信号进⾏进⼀步的滤波。

信号放⼤电路为信号进⾏放⼤和简单滤波，最后信号耦合电路将信号耦合到电⼒线上。

过零检测电路为主芯⽚提供标准。

在软件部分，⾸次明确分析了软件模型的层次结构由物理层，链路层，应⽤层构成，其次对物理层和链路层进⾏了详细介绍。

在物理层，主要功能是定义接⼝和介质的物理特性。

对物理层的是主要是从编码、调制解调和复⽤三个⽅⾯进⾏的。

设计中线路编码采⽤差分曼切斯特编码，调制⽅式采⽤相对调相，复⽤⽅式采⽤的是正交频分复⽤(OFDM)。

在链路层，⾸先运⽤CPC校验码对信号进⾏检错和纠错，之后进⾏组帧，这⾥选⽤⾯向⽐特的成帧，组帧后，在LLC⼦层中选择ARQ协议（回退N帧ARQ协议）对帧进⾏差错控制，在MAC⼦层选择随机访问控制协议中的CSMA/CA协议（带冲突避免的载波侦听多路访问）协调多个设备对共享链路的访问，避免冲突，保证信号的正常传输。

第⼀章绪论
1.低压电⼒线载波通信介绍
低压电⼒线载波通信是利⽤220V输电线路作为⾼频信号传输通道的⼀种通信⽅法。

根据频率搬移，频率分割原理，将原始信号对载波进⾏多次调制，搬移不同线路传输频带，然后送⼊线路进⾏传输，从⽽实现多路通信。

低压电⼒线通信发展得较早，但由于低压电⼒线信道噪声⼲扰和时变衰减等固有缺陷的影响，传输数据率⼀直停留在kbit量级，主要⽤于实现远程抄表。

最近⼀两年
的技术发展及相关标准的推出，使利⽤低压电⼒线传输⾼速数据成为可能。

在低压输电线路上进⾏数据传输时由于不能越过变压器，导致这⼀技术在⼀些地区（⼀个变压器带的⽤户不多，从合适的成本增加）的应⽤受到限制。

最新耦合器的推出及在中压电⼒线上数据传输的开拓史的该项技术的推⼴应⽤市场⽬前基本明朗起
来。

随着低压电⼒线载波通信研究的发展，正交频分复⽤技术应⽤于220V 电⼒线⽤⼼成为了⼀个新的研究⽅向。

OFDM 技术的应⽤已有近40年的历史，主要⽤于军⽤的⽆线⾼频通信系统。

但是，⼀个OFDM 系统的结构⾮常复杂，从⽽限制了其进⼀步推⼴。

直到70年代，⼈们提出了采⽤离散傅⾥叶变换来实现多个载波的调制，简化了系统的结构，近年来DSP 技术的发展，使得OFDM 技术更趋于实⽤化。

⼋⼗年代，⼈们开始研究如何将OFDM 技术应⽤于⾼速MODEM 。

进⼊九⼗年代以来，OFDM 技术的研究深⼊到⽆线调频信道上的宽带数据传输。

OFDM 由于其具有能够有效克服多途径回声反射的特点，在⽆线通信尤其是移动通信领域获得了⾼度重视。

⽬前，OFDM 技术已经被⼴泛应⽤于⼴播式的⾳频和视频领域和民⽤通信系统中。

针对低压电⼒线通信信道的多径效应和时变性，OFDM 技术应⽤于低压电⼒线通信也同样能够取得提⾼通信质量的效果，是⼀个很有价值的研究课题。

尽管由于有关技术问题尚需完善和改进，低压电⼒线载波通信尚未进⼊商业化运作阶段，但我们完全有理由相信，随着科学技术的不断发展和应⽤，低压电⼒线载波通信在未来⼏年有着极其诱⼈的前景和潜在的巨⼤市场。

2.电⼒线通道特性
电⼒线信道是电⼒线通信系统中⾮常重要的⼀部分，电⼒线载波通信的其他研究都是建⽴在信道特性研究的基础上。

电⼒线信道具有复杂的噪声特性，衰减特性和阻抗特性，并且在不同地点以及不同的时间段，特性⼜有较⼤的不同，表现出时变性。

为了能有效进⾏电⼒线载波通信，必须对电⼒线信道进⾏合理的假设，采取合适的模型来分析信道特性。

由于电⼒线信道通信环境恶劣，信号传输可能经历多条路径并附有较⼤的起伏和波动，⽽OFDM 技术具有强⼤的抗多径衰落与抗⼲扰能⼒，能够在电⼒线中实现可靠的快速传输数据。

2.1电⼒线信道噪声特性分析
研究信道噪声特性，可以知道在实际通信过程中应该如何避免噪声对通信质量带来的影响，以使在硬件与编码等⽅⾯采取更有针对性的措施，从⽽提⾼通信质量。

通过对电⼒线信道分析和建模，掌握信号在信道中的传输特性，才能有针对性的采⽤适合于电⼒线环境的通信⽅案。

2.1.1电⼒线信道噪声特性分析
低压电⼒线的⽹络结构复杂，连接的负载众多且经常变化，因此信道的噪声⾮常复杂，不能简单归结为加性⾼斯⽩噪声(AWGN)。

电⼒线信道的噪声主要是由电⽹中⼯作的各种⽤电设备产⽣，不同地点、不同时间电⽹中⽤电设备不同，因此电⼒线信道的噪声必然随着时间和地点等不同⽽变化，主要分为以下5种噪声:
(1)窄带噪声:通常的频率范围为1-22MHz ，这类噪声⼤多为带调制幅值的⼲扰信号，主要由引⼊电⼒线的中短波⽆线⼴播频带信号所引起，在夜间有最⾼幅值，⽩天相对较低。

窄带噪声部分可通过N 个独⽴的正弦函数叠加来描述，如式2.1所⽰: ()()[]1sin 2N
narrow i i i i n t A t f t π?==+∑
其中，每⼀个正弦分量由它的频率i f 幅值()i A t 和相位i ?来描述。

频率i f 通过国内中短波⼴播电台频率表可以知道，中波频率范围为531-1602KHz,频率间隔为9KHz ，短波频率范围为2.3-26MHz 。

幅值Ai(t 在时间上既可以是常数，也可采⽤与AM ⼴播信号近似的调制幅值，在实验室环境测量的窄带噪声功率谱在-85-65dBm 之间缓慢变化。

载波相位可在区间()0,2π上⽤独⽴于时间的随机数选择。

(2)有⾊背景噪声:这种噪声具有相对低的功率谱密度(PSD: Power Spectral Density)，且是频率的衰减函数，在较低的频段PSD 有显著的增加。

它主要是由各种低功率的噪声源如电脑、调光器产⽣，可以造成频率⾼达3OMHz 及以上的⼲扰。

它的功率谱密度随时间变化缓慢，可能在⼏分钟或⼏⼩时内保持平稳变化，可由不同幅度的在不同频段的⼀些⽩噪声源近似。

从频域来看，下⾯的模型能较好的模拟背景噪声的功率谱密度，其表达式为:
()5( 3.9510)10k f N f --?=[W/Hz],
其中K 服从均值为-8.64，⽅差为0.5的正态分布。

(3)与⼯频同步的周期性脉冲噪声:它主要是由可控硅整流器件造成的，频率为5OHz 或其整数倍。

该种脉冲持续时间⼀般很短，频谱较宽且PSD 随频率的变⼤⽽降低，噪声功率⼤。

与⼯频异步的周期性脉冲噪声:其重复频率⼀般为50-200Hz ，主要来源于计算机(扫频60-80Hz 或电视机等显⽰器，脉冲频率同步于这些显⽰器的扫描频率。

随机脉冲噪声:闪电或电⽹上负载(如电容器组、冰箱、空调等)的接⼊撤出操作都会产⽣脉冲噪声，每个脉冲噪声都有很宽的频带。

它出现的时间是随机的，持续时间从⼏微秒到⼏毫秒，它的功率谱密度⼀般会⽐背景噪声⾼出50dB 以上。

通常窄带噪声和有⾊背景噪声的幅度均⽅根值随时间变化缓慢，它们可以归纳为背景噪声，⽽后三类噪声由于它们的幅度随时间变化较为迅速，可以认为它们是脉冲噪声。

下⾯将对幅值较⼤且变化迅速的脉冲噪声进⾏分析并建⽴模型，然后⽤MATLAB 软件对该三类噪声环境进⾏仿真。

2.1.2同步于⼯频的周期脉冲噪声建模与仿真
同步于⼯频的周期脉冲噪声主要由可控硅(SCR)调节器件所产⽣，其主要重复频率为50Hz 和100Hz ，这种噪声持续时间短，甚⾄只有微秒级，其功率谱幅度随着频率增加⽽减⼩。

⽬前SCR 器件在家庭、办公室中的电器使⽤很普遍如调光灯、电风扇、复印机等，产⽣了⼤量的谐波⼲扰，SCR 器件本⾝为⾮线性元件，每⼀个⼯频周期内在导通与截⽌各产⽣⼀次冲击电压。

⼀个SCR 在⼀个⼯频周期内产⽣的噪声可以表⽰为:
1,0pisp period imp open imp close N N N t T ---=+≤≤ 其中，()sin 2open t
imp open open open open N A e f t t τπ?--??=-+??
总的同步于⼯频的周期脉冲噪声可以表⽰为:
()(),close,,,1close,close,,1sin 2sin 2open i i t l pisp open i open i open i i t l i i close i i N A e
f t t nT A e
f t t nT ττπ?π?--=-=??=--++--+??
∑∑
n=1, 2, 3... 其中，T=0.02s ,l 为SCR 器件的数量。

同步于⼯频的周期脉冲噪声，它的重复周期为0.02s ，在⼀个周期中由于SCR 会产⽣开和关两次动作，因此在⼀个周期中产⽣的脉冲噪声与SCR 开关的数量有关。

在仿真过程中利⽤随机过程产⽣脉冲噪声的幅度，到达时间等参数，来模拟同步于⼯频的周期脉冲噪声，各参数确定如下:
(1)脉冲频率f:取为50Hz 和100Hz 。

(2)脉冲幅度:脉冲幅度按照功率按不超过-45dB 对应的幅度范围内，即0—f(-45)范围内随机产⽣，其中f(-45)表⽰将-45dBm 转换成幅度后的对应值。

(3)脉冲宽度:导通时产⽣的脉冲宽度按SCR 导通时间范围为1.9~11.0微秒内随机产⽣，关断时产⽣的脉冲宽度按SCR 关断时间范围为15~150微秒内随机产⽣。

(4)脉冲时间:在⼀个周期内，假设给定第⼀个脉冲发⽣时间，第⼆个脉冲就可由周期和脉冲间隔确定。

第⼀个脉冲的时间，可由周期和两个脉冲宽度之外的时间T-Topen-Tclose 来确定,T 是⼯频周期即0.02s,Topen,Tclose 分别是SCR 器件导通与关断时所产⽣的脉冲宽度)，即在[0,T-Topen-Tclose]内随机产⽣。

(5)脉冲间隔:对⼀个周期内的脉冲来说，是SCR 导通时和关断时产⽣的脉冲之间的间隔，该间隔可由两个脉冲的宽度、第⼀个脉冲的时间Ta:和周期T 来确定，即在[0,T-Tar-Topen-Tclose]内随机产⽣。

图2.1同步于⼯频周期脉冲噪声数据波形
假设SCR 开关的个数为10，完成以上参数确定后，利⽤Matlab 仿真得到的数据波形如图2.1所⽰，截取图中左⽅15.1w15.2ms 内的同步⼯频脉冲噪声，波形如图2.1右⽅所⽰。

2.1.3异步于⼯频的周期脉冲噪声建模与仿真
异步于⼯频的周期脉冲噪声的来源，⼀⽅⾯是由电脑、电视机等电器的显⽰
屏的⾏频扫描及相关谐波，如15.6KHz 频率的噪声由PAL 扫描制式产⽣;第⼆⽅⾯是由电脑等电器的开关电源产⽣的周期性脉冲
噪声，它们都与⼯频50Hz 没有相关联，故称异步于⼯频的周期性脉冲噪声。

⼀个周期内，由显⽰器产⽣的的异步周期脉冲噪声，可表⽰如下:
1sin 2()piap t
piap period piap piap piap N A e f t t T τπ?--??=--+??(2.6)
其中,T 为脉冲的周期。

所有的异步⼯频脉冲噪声由各个周期内的脉冲噪声相加，可表⽰为:
1sin 2(),1,2,3piap t l piap piap piap piap i N A e
f t t T n τπ?-=??=--+=??∑ (2.7)
其中l 为显⽰器的个数，式中各参数确定如下:
(1)脉冲频率:通过查找脉冲重复频率可知，电视机显⽰器的⾏扫描频率分两部分，⼀种是固定的数值15.75KHz 和15.625KHz ，另外⼀种则是在28KHz~120KHz 随机产⽣，本仿真的脉冲频率在[28,120]KHz 内随机产⽣。

(2)脉冲宽度:由于重复频率为50KHz~200KHz ，脉冲宽度在[5,20]us 内随机产⽣。

(3)脉冲时间:对脉冲的⼀个周期⽽⾔，该时间可根据脉冲周期减去脉冲宽度,即在[0,T-tw]的时间内随机产⽣。

图2.2异步于⼯频的周期脉冲噪声数据波形
(4)脉冲幅度:测得最⾼的脉冲幅度可⾼出背景噪声40dB ，在⽤电的低峰期，与背景噪声相⽐，异步脉冲噪声功率谱⾼l0dB 左右，由背景噪声功率谱为-85dBm~-65dBm ，则脉冲幅度在-75dBm~25dBm 功率值对应的幅度区间内随机产⽣。

假设电视机显⽰器与电脑显⽰器都为5台，由于在观察区间内，同⼀台显⽰器可能产⽣多次脉冲周期噪声，所以在仿真过程中应包含同⼀台显⽰器产⽣的全部脉冲噪声，然后再将全部电视和电脑显⽰器所产⽣的脉冲噪声按脉冲出现时间合成噪声。

通过Matlab 对噪声建模仿真，得到如图2.2所⽰的异步于⼯频的周期脉冲噪声数据波形。

2.1.4随机脉冲噪声
随机脉冲噪声由电⽹内开关瞬时的开断引起，如电器的开关操作、⽕花塞的放电过程等，它以⽆规律的间隔时间出现在局部电⽹中，持续时间从⼏微秒到⼏个毫
秒不等，与背景噪声相⽐，其功率谱通常⾼出50dB ，也就是说在脉冲噪声中，随机脉冲噪声⼀般具有最⼤的瞬时功率，这可能导致传输的数据部分甚⾄全部发⽣错误。

随机噪声有多种模型如Gilbert-Elliot 模型、马尔科夫模型等[25]，本⽂采⽤马尔科夫模型。

Poisson 过程是⼀种具有独⽴增量的马⽒过程，它的定义为:有⼀Poisson 分布的冲激脉冲串经过⼀线性时不变滤波器，则滤波器输出是⼀个随机过程，即
()()
1()N t i i t h t S ξ==-∑
其中()h t 是滤波器的冲激响应，
i S 是第1个冲激响应出现的时刻，()N t 是[0,T]内进⼊滤波器输⼊端的冲击响应的个数，它服从Poisson 分布，即 {}()
()!k t T P N T k e k λλ-== k =0,1,2,3…
其中λ是单位时间内的平均脉冲数。

由下式代表的随机过程称为过滤的Poisson 过程，给定关于过滤的Poisson 过程的3个基本假设:
l)研究过程⽐h(t)的脉冲持续时间⼤得多;
2) h(t)是具有因果性的滤波器;
3)被研究的时刻t ⼤于h(t)的脉冲持续时间,在此假设条件下有:
()()(y)1t
jvh t T e dy f v e λ
ξφ--?=
由于()h t 具有因果性，其持续时间T>>z 。

同时t>a τ，在(t-T, 0)和(t, T)内
有h(t)=0。

，因此可以得到:
()()(y)10T
jvh e dy f v e λξφ-?=
在假设条件下，随机过程()t ξ的特征函数与时间t ⽆关，就是说()t ξ的⼀维概率密度与时间t ⽆关，这样的随机过程为严平稳过程，由此⽅法可以得到随机脉冲噪声。

取脉冲宽度在1ms 以下，脉冲间隔在50ms 以下，采样频率为1MHz,得到仿真结果如图2.3所⽰:从图中可以看出脉冲噪声的随机性，且具有较⼤的幅度，其对通信质量影响较⼤。

图2.3随机噪声仿真波形
2.1.5合成噪声与实测结果
在相同的采样频率的条件下，将以上五种噪声仿真结果在时域上取⼀致并进⾏叠加，形成更加接近实际的低压电⼒线通信环境中的噪声信号，合成得到的在
0-2ms的时间内波形如图2.4所⽰。

图2.4合成噪声波形
⽤低频频谱仪观察室内电⼒线的噪声情况，测得结果有:(a)电⼒线中噪声频率分布很⼴，从⼏⼗Hz到⼏⼗MHz;(b)低频噪声的能量较⼤，且随时间和测量地点的不同⽽变化;(c)开关⽤电设备时(⽇光灯，电脑等)，可以观察到幅值很⼤的脉冲。

(d)电⽹中⽤电器不同时，噪声有变化，各种噪声由不同的特定负载产⽣。

从实际观测的结果来看，与前⾯的噪声理论分析是相符的。

2.2电⼒线信道传输与衰减特性
实际低压电⽹的线路可分为单相传输和三相传输两种，单相传输可⽤多径传输模型或传输矩阵模型进⾏分析，本节主要⽤传输矩阵模型分析单相传输的情形，并从传输线的⾓度来分析电⼒线对传输信号的衰减作⽤。

2.2.1电⼒传输线参数分析
电⼒线⽹络的物理特性不同于普通的通信介质(如双绞线、光纤、同轴电缆)，须对它的传输特性参数进⾏研究。

电⼒线是分布参数⽹络，信号的幅度和相位在传输过程时都会发⽣⼀定的变化，电⼒线可通过其集总参数来描述，其集总参数等效电路如图2.5所⽰.图中集总参数由R,L,G,C四种元件构成，其中v(z,t)表
⽰z 点点t 时刻电线上的瞬时电压，相应的i(z,t)表⽰相应位置t 时刻的电流;R 是每⽶长度的电阻值,G 是每⽶长度的电导,L 是每⽶长度的电感(H/m)，C 是每⽶长度的电容(F/m)。

,
z ?+
-
+-(V z ,)z t ?
图2.5传输线的集总参数等效电路
传输线的两个参数传输常数Y 和特征阻抗Zo 表⽰如下
:
j γαβ=+=
0Z =(2.13)
由于现实中室内布线复杂，⽐如⽕线与零线之间可能相隔⽐较远、或者地线没有良好接地等，都会对传输线参数造成影响，因此以上的建模是在理想的情况下进⾏的，与实际测量情况有⼀定出⼊。

实际情况中，针对长距离传输应⽤时，PLC 通信的等效电路图(包括电⼒线与负载部分)如图2.6所⽰图中Vs
Rs 为发射部分，C1为耦合电容，R1,L1为变压器线圈的等效，R2,L:为电⼒线的单位长度参数的分布参数，Z 为负载电阻。

S
V S R 2R
V
图2.6 PLC 通信系统等效电路图
设传输矩阵为A B T C D ??=
根据上述等效电路计算有:
2112111
eq eq eq eq s C L sC R A s C L sC R ++=+
32122112211221211()()()eq eq eq eq eq eq s C L L s C R L C R L s C R R L L R R B s C L sC R +++++++=+11
1C sL R =+ 121211
()()s L L R R D sL R +++=+ 根据计算上⾯的ABCD 矩阵参数，可以得到图2.6的PLC 等效电路的⼀些重要性质，计算得出图中各参数的范围如下:24s R =-Ω ,121C C F µ== ，10.02R =Ω，10.5L mH =，20.001/R m m =Ω，20.001/L mH m =。

由这些参数可以计算出传输函数，得到幅度响应和相位响应曲线。

2.2.2衰减特性的实际模拟
通过上⾯传输线参数的分析以及矩阵模型的计算，可以知道电⼒线的⼀些基本参数如分布电阻、分布电容等。

在实际中，图2.7中的两种电路均能很好的模拟电⼒线的衰减特性，可以达到60dB 以上的衰减，模拟的传输距离相当于实际中⼏百⽶甚⾄⼏千⽶的距离。

由于实际衰减是变化的，图中R, L 和C 为可变参数，并可加⼊噪声对传输线的电磁兼容及电⽹谐波对传输信号的影响。

图2.7两种电⼒线的衰减特性模型电路
为简单起见，采⽤图中右⽅的电路进⾏，通过改变开关即可得到不同的衰减特性。

在空载时仅串联接⼊电阻电容测试结果如表2.1所⽰:从表中可以看出，⽆论是串联电阻还是电阻，还是电阻与电容同时接⼊，它们的输出都没有变化。

负载时，串联元件对输出有较⼤影响，与电阻电容的量值也有关系。

接同样阻的电阻负载时，串联⼤电容对输出影响较⼩，因为⼤电容的电抗值要⼩。

⽽串联的元件，可以是电阻和电容的并联，当串联电阻较⼩⽽负载电阻较⼤时，此时串联的电容量值⼤⼩对输出影响不⼤。

由于有各种电器及分布线会导致各种噪声和阻抗变化，此处的集总元件仅只能模拟电⼒线的衰减特性，对实际传输信号的幅度进⾏有效控制，实际上⽹络特性(分⽀长度，相应的位置，导线与负载类型)将决定信道的频率特性，信号传输的衰减通常会较严重。

2.3低压电⼒线的阻抗特性
低压电⼒线载波通信信道的输⼊阻抗是指在信号发送端与接收端耦合接触点处电⼒线的等效阻抗，它的⼤⼩对通信信号耦合的效率有直接影响，是低压配电⽹⽤作载波通信信道的⼀个⾮常重要的参数。

电⼒线⽹络结构基本都是树型结构，⽹络中分⽀众多且电抗不匹配，复电抗随接⼝所插设备不同⽽变化。

电抗值从⼏
欧姆到⼏千欧姆，不匹配的电抗其典型值是150-250欧姆，发送端、接收端的负载不匹配都会引起信号的损耗。

电⼒线阻抗的时变性与复杂性体现在:
(1)输⼊阻抗是时间的函数。

负载的接⼊和断开随时间不断变化，电⼒线的输⼊阻抗会发⽣较⼤幅度的改变。

由于负载类型的不同，家⽤电器的开关，功率因数补偿电容的接⼈撤出，使电⼒线的阻抗变化剧烈，范围甚⾄超过1000倍。

(2)输⼊阻抗是传输信号频率的函数。

在没有负载的情况下，理想的电⼒线可看成传输线，且具有均匀的阻抗分布。

在负载电容及电⼒线的分布电感作⽤下，输⼊阻抗随频率的增⼤⽽减⼩;电⼒线接⼊⽤电器时，输⼊阻抗应该会减⼩。

并且输⼊阻抗不⼀定是⼀般情况下的随频率的增⼤⽽减⼩，有时甚⾄与之相反。

通过对100KHz ⾄2MHz 频率范围内的输⼊阻抗进⾏测量，并对数据进⾏最⼩⼆乘法拟合，得到输⼊阻抗与频率的关系为2|Z | 1.22100.06f -=??-，式中频率的单位为KHz,阻抗单位为欧姆。

由式可知，在100KHz-400KHz 输⼊阻抗值较低。

由于电⼒线的输⼊阻抗随机变化且可能很剧烈，与阻抗测量的时间、地点、载波信号的频率及⽤电负载情况等都有关，在设计载波发射模块时，难以保证功率放⼤器的输出阻抗和电⼒线的输⼊阻抗相匹配，给电路设计带来⼀定的困难。

3.正交频分复⽤OFDM
由以上分析可知，电⼒线具有恶劣的信道特性，要利⽤电⼒线进⾏较为理想的通信，即达到专线通信的标准，必须从多⽅⾯(如频谱利⽤率、功率利⽤率、载波频率、噪声抑制能⼒等) 考虑，选择⼀种最佳通信⽅案。

传统的窄带技术⽆法适应电⼒线的特性，特别是更难适应我国的电⽹特点，在⼯程中不宜选⽤。

⽬前，低压电⼒线载波通信中应⽤的调制技术主要是正交频分复⽤OFDM
和扩频技术。

3.1 OFDM 介绍
OFDM （正交频分复⽤）技术实际上是MCM （Multi-CarrierModulation ，多载波调制）的⼀种。

其主要思想是：将信道分成若⼲正交⼦信道，将⾼速数据信号转换成并⾏的低速⼦数据流，调制到在每个⼦信道上进⾏传输。

正交信号可以通过在接收端采⽤相关技术来分开，这样可以减少⼦信道之间的相互⼲扰（ICI ）。

每个⼦信道上的信号带宽⼩于信道的相关带宽，因此每个⼦信道上的可以看成平坦性衰落，从⽽可消除符号间⼲扰。

⽽且由于每个⼦信道的带宽仅仅是原信道带宽的⼀⼩部分，信道均衡变得相对容易。

3.2 OFDM 技术的特点
1）有效降低衰减对通信质量的影响
低压电⼒线上普遍存在着频率选择性衰落，⽽且这种衰减还具有时变性。

电⼒线⽹络中的各种不确定性因素使得⽹络中经常发⽣突发性的衰减。

OFDM 系统将突发性的衰减造成的误码分散到了各个互不相关的⼦信道上，从⽽变为随机性的误码。

这样就可以利⽤编码纠错技术恢复出所传输的信息。

2）抗码间⼲扰（ISI ）能⼒强
在电⼒线信道中，由于存在多径效应，多个信号在不同的路径传输，所以到达接收机时会有⼀定时延，这就造成ISI 。

OFDM 将⾼速的串⾏数据分割为Ⅳ个⼦信号．这样分割后码元的速率降低了Ⅳ倍。

周期延长Ⅳ倍。

同时再在码元间加⼊保护间隙和循环前缀，这样只要数字码元周期⼤于最⼤延时时间就可以有效抑制
ISI ⼲扰。

3）频谱利⽤率⾼
OFDM 允许重叠的正交⼦载波作为⼦信道，⽽不是传统的利⽤保护频带分离⼦信道的⽅式，提⾼了频率利⽤效率。

4）OFDM 对频率偏移⽐较敏感。

由于⼦信道的频谱相互覆盖，这就对它们之间的正交性提出了严格的要求。

由于信道的时变性，在传输过程中出现的信号频谱偏移或发射机与接收机本地振荡器之间存在的频率偏差，都会使OFDM 系统⼦载波之间的正交性遭到破坏，导致载波间⼲扰（ICI）。

因此，采⽤正交频分复⽤（OFDM）调制技术的芯⽚设计的电⼒载波数据传输系统能很好的解决数据传输过程中信号衰减⼤、码间⼲扰严重、频谱利⽤率不⾼的应⽤难题。

但在电⼒线上的数据传输，还未达到令⼈满意的⽔平，这在⼀定程度上限制了电⼒载波通信的⼴泛应⽤。

因此，利⽤电⼒线载波的⽅式传输数据时，需要进⾏以下⼏⽅⾯考虑：
1）较⾼的频谱利⽤率，以适应电⼒线信道有效带宽窄的特点。

2）较好的功率利⽤率，能把功率集中在有效的频带中，降低功率损失。

3）较强的噪声抑制能⼒，并能在信噪⽐很低的情况下正常⼯作。

4）载波频率的选取，尽可能使电⼒线呈现较⾼的输⼊阻抗，减⼩对载波信号的衰减。

第⼆章低压电⼒线载波通信模块硬件设计
1.OFDM电⼒线载波芯⽚LME2980概述
LME2980是⼒合微电⼦推出的全球领先的⾼性能1280⼦载波OFDM电⼒线载波芯⽚，也是国内⾸款窄带OFDM低压电⼒线载波芯⽚，针对国内电⽹环境及低压电⼒线载波通信应⽤需求⽽优化设计，具有国际领先的技术及性能。

LME2980通信芯⽚是专门为电⼒线介质作为通信信道⽽设计的OFDM通信芯⽚。

该芯⽚通信可靠性⾼，采⽤⾼效帧中继转发策略，在⼤⼤提⾼载波通信通信数据速率的同时，具有对电⼒线信道的⾃适应能⼒以及有效的抗频率选择性衰减和抗⼲扰能⼒。

芯⽚内置MCU,可以运⾏各种⽤户定义的MACA层协议及载波通信应⽤程序。

同时，芯⽚集成宽动态范围⾃动增益控制接收前端放⼤器，低功耗设计，使⽤简单，⽅便，为智能电⽹⽤户⽤电信息采集系统和电⼒线通信载波提⾼了⾼性能的芯⽚解决⽅案。

1.1 LME2980主要特点及技术指标：
■载波频率及带宽：在500kHz范围内⽀持⽤户定义的任意起始及终⽌频率。

完全⽀持中国电⼒线载波专⽤频段（3-500kHz），欧洲CENELEC A/B/C波段，ARIB 及FCC波段。

■调制技术：1280⼦载波OPDM
■数据速率：与⼯作带宽及⼦载波数有关，最多1280⼦载波，最⾼⽤户数据速率306kbps
■⼦载波调制⽅式：BPSK,QPSK,16QAM，具有鲁棒模式。