基于扩频通信的电力噪声分析曲宙强，付丽君（沈阳工业学院信息分院，辽宁沈阳110015）


1　低压电力线路的噪声分析
　　总体来说低压电力线路的噪声来源可以分为以下几种。
1．1　电力负载的高频谐波污染
　　近些年来，随着电力电子技术的发展，电力电子设备在工业、交通以及民用上得到了广泛的应用，在电网上产生了大量谐波，对电力设备、电力用户和通信线路造成十分严重的影响。
　　含半导体非线性元件的电力装置是电力系统的主要谐波源，它们遍布于整个电力系统的各个电压等级，按一定规律开闭不同电路，将谐波电流注入系统。
式中：ω———基波角频率；
t———时间；
I_d———整流输出电流有效值。
　　由式（1）可以看出：谐波电流有效值In正好等于基波电流有效值I0的1／n倍（n为谐波次数），如果由于负载的关系使得I0比较大的话，则谐波电流对于电力通信的影响非常严重。
　　不同的装置产生的谐波波形不同，按傅里叶级数展开的谐波次数、谐波系数也相对不同，但它们相互叠加的结果足以将信号湮没，故必须予以抑制。
1．2　负载接入断开瞬间的噪声
　　电力系统的负载复杂、多变，其接入、断开的时间是随机的，特别是在其接入电力网络的一瞬间，由于手或机械触头的原因会产生电压或电流抖动并伴有瞬时过压或过流。如图2所示，波形出现了无数的尖脉冲，它与后面提到的白噪声都是影响数字通信的重要因素。
　　不同的负载得到的波形不尽相同，对之进行傅里叶变换，其频谱将是无限丰富的，特别是瞬时过压毛刺足以对通信信号造成强有力的干扰。1．3　白噪声
　　同其它通信电路一样，具有正态分布的白噪声中带电粒子的随机运动而产生的。电力线路上进行通信也必须考虑白噪声的影响。从理论上说，白噪声有无限的频谱，但在一定的频带范围内（往往很宽），它的幅值是基本不变的。
　　一般情况下我们用近似公式来描述白噪声的功率PNP：

式中：k———玻耳兹曼常数；
T———绝对温度；
　　B———系统的等效噪声频带宽度。
1．4　其它干扰
　　由于低压线路大多是架空明线，且不象双绞线、同轴电缆和光缆那样有较强的抗干扰能力，所以诸如大气变化、雷电和电磁场等都会对它产生干扰。由于环境的不同等诸多原因，很难建立一个数学模型来描述此类干扰。
2　扩频载波的原理
　　扩频载波通信与一般常规通信不同，它用伪随机编码将基带信号的频谱加以扩展，形成与伪随机编码信号带宽相同的低功率谱密度信号，并进行发射。使用不同的伪随机编码，不同用户可在同一频段、同一时间工作而互不影响或影响很小。这些特性决定了扩频通信不易受到干扰，也不易干扰别人。
2．1　扩频增益
　　反映扩频通信的重要参数是扩频增益G，其定义为频谱扩展后的信号带宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即

　　设P₁为信号的功率，P₂，P₃，……，P_m为不同干扰信号的功率，N₀为带宽B₂内噪声和其它外干扰功率谱密度，则解调输入信噪比γ_SNR，in为

　　从而得到扩频信号解调前后信噪比之比

　　式（5）说明扩频载波对于噪声有明显的抑制作用。
2．2　频谱图
图4是扩频载波的频谱变换图。
f₀—载波带宽；f_c—二分之一扩频带宽；f_d—二分之一基带带宽3　基于扩频通信的电力噪声分析
　　正是由于扩频通信对于信噪比有明显的改善作用，所以在噪声非常严重的电力线上利用扩频载波是电力通信的发展方向。现在有很多公司纷纷推出了自己的扩频电力通信模块。下面我们来分析一下扩频载波对于电力线上不同噪声的抑制情况。
设扩频载波通信系统发射的信号s（t）为


式（6）～式（10）中：　　
A———振幅；
ω₀———载波信号的角频率；
φ₀———载波信号的相位；
φ———本地载波信号的相位；
　　α———卷积积分因子；
C_PN（t）———用户伪随机序列；
d（t）———基带信号；
　　n（t）———噪声信号。
Ad（t－β）———解调的时延为β的基带信号。
3．1　扩频载波对高次谐波的抑制

式中：N_n———n次谐波的振幅；
ω_n———n次谐波的角频率；
　　φ_n———n次谐波的相位。


　　由式（12）可见输出谐波功率为原噪声功率的1／G，扩频载波对于扩频通带范围内的谐波信号抑制G倍，G越大（扩频编码越长），抑制能力就越强。
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