基于低压电力线载波技术的油井通信系统

3 耦合电路

3．1 低压电力线网络噪声

低压电力线系统上的噪声较为复杂，不仅因为它是一个时变系统，而且会因接入不同的电器对系统的信号产生回波、驻波、谐振等影响。低压电力线上的噪声可分为以下几类：

(1)有色背景噪声。是由电力线上许多小功率噪声源叠加而产生的干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度(PSD)随频率的增加而降低。

(2)窄带噪声。是一种频带很窄的噪声，多为调幅的正弦信号，主要由中短波广播信号的干扰而产生，其强度在24h内变化。

(3)与工频异步的周期脉冲噪声。这种噪声主要由开关电源产生，大部分按50～200 kHz频率重复，在频域上是一些离散谱，而这些频率上的噪声与Chirp波形同处于一个频带内。在实验初期，通过电力线传送的数据经常产生误码，主要就是第3种类型的干扰导致。通过FFT分析发现，这种高频噪声分布在100～400 kHz之间，而且幅度较大，使信噪比低于0．5。

如图3所示，有剧烈抖动的曲线信号为从1：1耦合器次级测得的市电干扰。试验中，将市电经过简单的高通滤波器，滤除50 Hz及其谐波的干扰，发现仍有高频噪声，此即周期脉冲干扰。下侧图像为其FFT，两根粗垂线之间代表100～400 kHz频带，可见，周期脉冲噪声与Chirp信号处于同一频带范围内，所以该噪声会使信号产生乱码。

3．2 耦合电路设计

为消除周期脉冲的干扰，针对其频率设计了专门的耦合电路，如图4所示，由两部分组成，分别是预滤波电路和高通滤波电路。

首先介绍RC电路：C2为1μf电容，耐压为270 V；R3为1 MΩ；功率为100 W。在加市电信号后，电容将50 Hz及其谐波等低频部分保留到RC网络上，将高频部分传递至变压器原级。但RC电路不能完全消除高频噪声，所以需要加入预滤波电路。

预滤波电路在市电接入前放置，也就是电力线与通信系统接触前，通过一个RC低通滤波网络，这可在市电作为通信信号载体之前，将其固有的周期脉冲噪声滤除，而且对后续的系统工作不会产生负面影响，低通滤波器的频域分析如图5所示。


4 结果与分析

结合扩频通信技术和耦合器前端滤波设计，进行了400 m，600 m，1 000 m，1 200 m的数据发送接收实验，符合预期结果，截取的数据信号如图6所示。

实验在1 200 m时，一串数字信号通过电力线传递的验证试验。信号在单片机与电力线载波模块之间以数字形式传递，在电力线上表现为模拟信号即Chirp波形。如前文所述，Chirp波形用两种相位表示0和1，在信号发送前会传送消息头，待确定消息头正确发送后停止等待，开始发送信号。

具体，发送数字信号为0011223344556677，由电脑传递给单片机，进而通过电力线传送井上系统。井上系统再通过串口将信号交由计算机显示。接收信号证明，如图7所示，电力线噪声没有对数字信号造成干扰，信号被正确接收，误码率低于10e-5。

尽管如此，发现耦合器次级的接收信号仍有一些微弱噪声，这是耦合器在市电复杂噪声的激励下产生的毛刺和干扰。这些干扰会使数据传输结果产生一定的误码情况。所以对耦合器的选择需要满足一定的参数，系统中耦合器选择0．25 mH电感，12匝绕线的订制变压器。

5 结束语

介绍了电力线载波技术的特点和应用。对实际中电力线噪声干扰，设计了扩频通信系统并加以耦合电路以辅助，从而良好地消除了复杂噪声，实现远距离的油井通信。系统在电力线数据通信、与工控计算机通信、传感器采样控制等方面均表现可靠、性能稳定。