2.1.1 电力线载波通信原理
母线母线图2.1电力线载波通信的原理框图
上图所示为实现电力线载波通信的原理框图。图中A端为发电厂、B端为变电所，发电厂产生的50Hz电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后供给用户。
例如我们利用电力线实现电话通信，将1路0.3～3.4kHz的语音信号直接送到电力线上进行传输，这样会受到强大的50Hz电流干扰，在接收端难以选出语音信号而无法实现通信。所以，要在电力线上进行直接音频通信。经实践证明，把1路0.3～3.4kHz的语音信号，通过变频将语音信号频谱搬移到高频频段，如40kHz以上的高频信号在电力线上传输，在接收段用滤波器就比较容易选出。如将多路语音信号分别采用不同频率的载波进行变频，在电力线上就可以进行多路载波电话通信。
利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线上。常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。它由耦合电容C和结合滤波器F组成。耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。而对50Hz电流具有极大的衰减，防止50Hz电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安全的目的。图中电力线上传输的50Hz电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全的。阻波器T是一个调谐电路，其电感线圈能通过很大50Hz电流的强流线圈，保证50Hz电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信号通过，能起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。
电力线载波通信在两个方向采用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上来回传送，是双频带二线制双向通信。其具体过程为：A端的语音信号(0.3~3.4)
毕业论文 基于电力线载波通信、基于OFDM技术、应用MAXIM公司芯片做了一个电力线通信终端
经差接系统，与频率为f1的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为f1+(0.3~3.4)kHz的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器F1、耦合电容器C1送到电力线的耦合相线上。由于阻波器T1的存在，高频信号沿电力线传输到B端，再经过B端的C2、F2送入B端载波设备。中心频率为f1的收信带通滤波器滤出f1+(0．3—3．4)kHz的高频信号，经过放大、解调以后得到A端的语音信号。按照相同的方式，将B端的语音信号通过f2+(0.3~3.4)kHz的高频信号传输到A端，这样就可以实现双向电力线载波通信。
电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。但电力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。实际上，电力线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。
图2.2电力线载波设备原理框图
图2．2中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到50Hz工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。在实际选择频带时，还必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。国内统一的使用频带为40～500kHz。
电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。同一发电厂、变电所中不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每相
毕业论文 基于电力线载波通信、基于OFDM技术、应用MAXIM公司芯片做了一个电力线通信终端
电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用。要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比40～500kHz窄。
2.1.2 电力线载波通道基本特性分析
电力线载波信号是在传送50Hz输电线上进行传输的。为了在电力线上传送平高频信号，必须在电力载波设备和电力线之间加装耦合电容器、结合滤波器以及阻断高频信号的阻波器。电力线载波通信高频信号传送通道组成时，常用的耦合方式有相地耦合方式和相相耦合方式两种。电力线载波通道衰减频率特性决定于电力线本身的结构尺寸、长度、线种、地面高度、导线排列、有无换位和分支、大地导电率等因素。采用相地耦合方式的电力线高频通道的衰减特性常用下面经验公式表示
b KfL 0.4n ClC
式中Ｌ——电力线的长度，km；
——高频信号的频率，kHz：
Ｋ——系数，对35kV线路取12.2×10-3，110kV线路取8.7×10-3，220kV
线路取6.5×10-3，400～500kV线路取7.2×10-3；
n——电力线路的端数，一般取n=2；
c——高频电缆每千米的衰减，dB／km；
lC——两端高频电缆的总长度，km；
电力线的衰减频率特性，从上式可以得出频率越高衰减越大，另外，同一线路采用相地耦合方式比相相耦合方式的衰减要大。电力线的线路特性阻抗与耦合方式也有关。目前我国的电力线相地耦合情况下的输入阻抗一般选300～400欧姆(110kV的线路为400欧姆，220kV的线路为350欧姆，500kV的线路为300欧姆)。
毕业论文 基于电力线载波通信、基于OFDM技术、应用MAXIM公司芯片做了一个电力线通信终端
2.2 电力线通信信道的传输特性
2.2.1 信号衰减
对于低压电力线通信来说，信号衰减十分严重，可以达到100dB／km。衰减的主要原因并不在于电力线本身的阻抗，而是电力线上并连着的许多负载，尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容。对载波通信信号来说，调整电网功率因数的大电容相当于短路。另外，当负载很小时，发送耦合电路的内阻也会分去相当一部分的功率。总的来说，电力线上的信号衰减存在以下几个特点：信号衰减随着频率的上升而增大：信号衰减随着距离的增加而增大：在一些特定的频率点上，有可能发生窄带衰减；电力网上的电力负载极大地影响载波信号的衰减。由于负载情况随着时间发生变化，因此在任何给定的频率点上，衰减也会随着时间变化，其变化范围可高达20dB。