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1、宽带电力线通信系统的电磁干扰评估资助项目：国家自然科学基金项目, 60871081,60671055, 60771060；高等学校博士学科点专项科研基金，20070013002, 20070013004；信息安全国家重点实验室（中国科学院研究生院）开放课题车树良1, 2，张洪欣2，吕英华2，阳彪21中央民族大学 理学院；2北京邮电大学 电子工程学院摘要：在分析宽带电力线通信信道及室内拓扑结构的基础上，建立了电力线电磁辐射模型，提出了电力线电磁干扰的评估方法。关键词：电力线通信；电磁干扰；评估Electromagnetic Interference Evaluation of Broad-ban
2、d Power Line CommunicationChe Shuliang1, 2, Zhang Hongxin2, Lu Yinghua2, Yang Biao21The Centre University for Nationalities, College of Science2Beijing Univesity of Posts and Telecommunications, School of Electronic Enginnering2State Key Laboratory of Information Security（Graduate School of Chinese
3、Academy of Sciences）Abstract: Based on the analysis of channel and indoor topology structure about Broad-band Power Line Communication(BPLC), the electromagnetic radiation model of BPLC is set up. Then, the evaluation method of electromagnetic interference of BPLC is presented.Key Word: Power Line C
4、ommunication; Electromagnetic Interference; Evaluation1. 引言通信的发展要真正实现到个人，即无论任何人(whoever)在任何时候(whenever)和任何地方(wherever)都能自由地与世界上任何人(whomever)进行任何形式(whatever)的通信。基于这一目标，下一代通信要求在全球范围内实现无缝覆盖，同时可以进行包括语音、文本、图像、视频等在内的高速多媒体通信。而目前没有任何一种单一技术或方式可以完美的完成这一任务，因此下一代通信网络应该是一个包含多种通信技术、通信系统的综合网络，其中接入网的发展是最活跃的部分。电力线通信
5、作为宽带无线接入的方案之一重新引起关注，主要是因为结合正交频分复用等技术，PLC能够充分利用最为普及的电力线网络资源，建设速度快、投资少、室内无需布线，用户通过遍布各个房间的电源插座即能进行高速上网，实现“有线移动”，具备了其他接入方式不可比拟的优势1。目前国际电力线通信技术发展最快最成熟的是欧洲和北美地区。我国是世界上较早开展PLC技术研究和宽带接入应用的国家，开通了我国以电力线为传输介质的PLC宽带接入Internet试验小区，实现了利用电力线同时上网和打电话1。PLC有着强劲的发展势头，但是由于高速率的数据在电力线上传输会因起较强的电磁辐射，直接对自身及其它无线通信设备产生干扰。本文主要
6、讨论PLC系统统产生的电磁干扰评估。2. 电力线通信电磁辐射建模对PLC信道的建模，需要考虑电力线信道的多径、频率选择性、衰减及阻抗的随机性等。电力线通信中高频信号衰减受电缆长度以及频率的影响2-6。这种传导衰减可以分解为天线模和传输线模，经过特性分析，电力线上的传导衰减传输线模分量比天线模分量占优势，因而可以用电力线上的衰减传输线模分量近似表示整个传导衰减。由平行传输线理论，单位长度的传输线的传输系数r： （1）其中R,L,G和C是电力线的基本电参数。当信号频率在1MHz和30MHz之间，化简得： (2)其中，的含义是指趋肤效应的影响，是指电力线绝缘材料的绝缘损耗。单位长度电线的电阻抗主要由
7、趋附效应所决定，并且和成正比。单位长度电缆的电导率G主要受介电材料（PVC塑料）的耗散系数影响，和频率f成比例。因此电力线传输在30MHz以内频率信号的信道是一个和频率f有关的衰落信道，传输系数r中的实数部分为衰减系数可以写成：, （3）其中常数k1和k2主要由材料和环境综合而成。进一步改写可得： （4）一般一个局域网内的构成材料都是一种类型，因此系数k1,k2,都是常数，而k的可以根据试验测得，取值范围比较小0.50.7之间。总之整个电力线在高频段的信号衰减可以写成3： （5） 为了方便电力线辐射的计算，可以将电力线等效为如下的模型4：Fload1F1F2FNFload2DLDLDLNDLI
8、c1Ic2Vo1Vo2接收发送图1 电力线传输计算模型Figure 1 computational model of PLC transmission其中参数矩阵为：，R1，R2 ，L1，L2，C1，C2，M，G11，G12，G22分别为电路的单位电阻、电感、电容、互感、电导等。N为PLC线路段数。 电力线传输的电压电流用矩阵表示为5： （6）其中，Vin1，Vin2，Iin1，Iin2分别为第i段的电压和电流，Vo1，Vo2，Io1，Io2分别为接收端的开路电压和电流。第i段的共模电流为：Iic = Iin1+ Iin2 （7）近似将整个线路分割成N个单元，可以由此计算PLC的共模辐射，即P
9、LC的电磁辐射： （8） （9）其中H为磁场强度，可以由空间电磁场的关系转化为电场强度，A为磁矢势。3.电力线辐射模型3.1 室内典型电力线拓扑模型图2给出了一个室内典型电力线传输拓扑模型2。图2 典型电力线拓扑结构Figure 2 typical topology structure of PLC整个网络包括了一条主干线路和三条开端分支，它们的长度分别L1,L2，L3,L4，分别为12m，3m，3m和3m。为了简化结构，A和E的阻抗是匹配的，中间节点为B,C,D，接入点F,G,H是对信号产生反射的节点，其反射系数为rij1, 传输系数为tij其中i1，2，7即路径数。各段电缆是同一型号，对空
10、间任意一点的辐射，都是由这四条线路共同作用的结果。3.2 电力线辐射的计算流程1）按照图2搭建电力线通信模型，其中电力线调制解调器采用INT5500。利用EMSCAN近场测试仪测试的电磁辐射如图3所示；图3 典型电力线辐射场Figure3 radiation of typical PLC2）建立PLC电磁辐射仿真平台，按照HomePlug AV协议规定的频谱模板注入OFDM信号，计算近场电磁辐射。其中所用的电力线拓扑结构如图2所示，初始参数设置为A、E两点负载匹配，其它终端节点开路；3）调节步骤1中的仿真参数，如线路衰减常数、线路子段终端的负载等，直到观察点的仿真结果与测试结果相一致为止；4）
11、按照HomePlugAV的发射频谱模板7，如图4，注入OFDM信号，根据公式（6）-（9）计算评估点的辐射场；图4 HomePlug AV关于PLC的发射功率谱7 Figure4 emission power spectrum of PLC according to HomePlug AV4. PLC电磁辐射评估结果设PLC的发射功率为10mw，根据上述的PLC电磁辐射计算流程，就可以评估PLC在空间的电磁辐射。其中注入PLC的信号源以HomePlg AV的频谱模板（图4）为发射标准，得到的发射功率谱如图5所示。计算得到的PLC在UWB频段的干扰信号如图6所示。图5. PLC发射功率谱密度Fi
12、gure5 emission power Spectral density of PLC 图6 PLC在UWB频段的干扰Figure6 interference of PLC in UWB frequency band5. 结论本文给出了针对PLC电磁干扰的评测方案。按照这种方法，可以评测不同发射功率的PLC对其它系统的电磁干扰。参考文献：1 齐淑清.电力线通信（PLC）技术与应用M，北京：中国电力出版社，2005，82. Manfred Zimmermann and Klaus Dostert. A Multipath Model for the Powerline ChannelJ. IE
13、EE transactions on communications, APRIL 2002, vol. 50, NO. 4：553-559.3. Thomas Banwell. Accurate indoor residential plc model Suitable for channel and emc estimationC, 2005 IEEE 6th Workshop on Signat Processing Advances in Wireless Communications, 2005: 985-990.4 Kingo Miyoshi, Nobuo kuwabara, Cal
14、culation of Radiating Magnetic Field from Indoor AC Mains Cable Using Four-Port NetworkC, 2005 IEEE Workshop on Signat Processing Advances in Wireless Communications, 2005: 1002-1007.5 Mridula Karduri, Mickey D. Cox. Near-Field Coupling Between Broadband Over Power Line (BPL) and High-Frequency Comm
15、unication SystemsJ, IEEE Transactions on power delivery, 2006,5:1-7. 6 James C. Richards. Characterization of Access Broadband Over Power Line (BPL) Systems by MeasurementsC, US Government work 2005: 982-987.7 HomePlug AV SpecificationS, version 1.0, 2005,12作者简介：车树良（1972-），男，云南人，硕士，毕业于北京邮电大学，中央民族大学理学院工程师。主要从事无线通信、嵌入式系统、传感器等方面的研究工作，发表论文数10篇，主持和参加科研项目5项。张洪欣（1969），男，山东人，博士，北京邮电大学副教授。中国电子学会DSP应用专家委员会委员，在国际国内重要学术刊物及国际国内会议发表论文80余篇，其中SCI、EI、ISTP检索40余篇。主持国家自然科学基金等科研项目4项，主研项目7项，获得优秀期刊论文奖2项、校级教学成果二等奖1项，申请者申请专利3项。主要从事无线通信与环境电磁学、生物医学工程等方面的研究工作
