目前，載波通信技術有多種實現方案，載波信號調制方式、中心頻點、路由協議和信號禍合方式等各不相同。盡管每種技術都有其獨特的優越性，但也有其不利因素。就國內產品而言，已進入多元化時代，主要應用的就有鼎信、東軟、曉程、力合微、瑞斯康、盛吉高科和彌亞微等廠家。各廠家的載波通信模塊的性能均有所差異，廠家提供的抄表產品性能指標通常都符合標準。但由于測試裝備有限，測試手段有一定局限性，無法對載波通信產品的通信功能進行合理驗證，致使產品性能的檢驗與應用需求脫節，所以有必要進行相關的測試和評估，為選用合適的載波設備提供技術支持和依據。鑒于以上原因，國內外相關機構正在從測試方法、測試設備、測試平臺以及評價機制等方面對載波設備的通信性能測試進行積極地研究和探索。本文介紹了一種信道參數可控的載波通信測試設備，并就進一步的性能測試應用中存在的問題進行一些探討。

一、一種載波通信性能測試設備的研制

1、總體研制思路

電力線載波通信性能測試設備的研制，主要考慮3個方面的因素作為設計指導原則。一是實驗室環境下模擬低壓配電網電力線傳輸信道特點；二是參考電力行業以及國家相關標準要求的測試項目；三是以測試主機為交互中心，以傳輸信道參數可程控調節為手段，建立自動化的載波通信性能測試裝置。

近年來，針對電能采集標準相關的政策法規相繼出臺，并在測試項目和可操作性方面不斷完善。諸如DL/T698-2010《電能信息采集與管理系統標準》、Q/GDW 1373-2013《電力用戶用電信息采集系統功能規范》、Q/GDW1374-2013《電力用戶用電信息采集系統技術規范》和Q/GDW 1379-2013《電力用戶用電信息采集系統檢驗技術規范》等。對這些規范的理解及大量的測試研究成為設備研制的基礎。

2、設備組成

測試設備的構建以模擬低壓電力線傳輸環境為主要任務，其架構如圖1所示。主要組成部分包括：三相凈化穩壓電源、程控相位選擇模塊、載波隔離器、測試主機系統、程控衰減網絡、程控負載選擇網絡、噪聲發生器和信號測量部分。信道模擬裝置包括程控衰減網絡、程控噪聲源和程控阻抗模擬器，以模擬載波信號傳輸環境。而信號測量模塊包括頻譜分析儀和數字示波器，人工電源網絡提供載波電平測試阻抗參考環境，保證測試結果符合相關標準和規范要求。

3、測試流程簡述

三相交流凈化穩壓電源、高性能隔離器和人工電源網絡實現整體測試環境與市電網絡的有效隔離；測試主機充當載波系統主站的功能；測試主機通過以太網/USB/串口(RS232或RS485)總線連接配測設備(例如抄控器、集中器或載波通信模塊)和被測設備(例如單相、三相智能電表或各種載波通信模塊)，從而實現對測試環境的控制，同時進行數據互通。

系統能夠按照預先設計的測試流程，在通信信道中加入可控噪聲，改變信道衰減與接入阻抗。在測試主機的控制之下，配測設備按照家電國網公司通信協議，通過圖1所示的電力線傳輸路徑，經由可變衰減器(可選模擬線纜)與被測設備進行載波通信；被測設備接收控制、抄表等命令，回傳狀態、電能值等系列數據，從而形成基于低壓載波通信體制的傳輸通道。通過測試各種條件下采集終端、載波電能表的通信效果，測量載波模塊的各項參數和指標，并據此分析、診斷和評估載波模塊的通信性能。

對照相關標準對測試項目的要求，例如載波信號頻率測試、最大輸出電平和頻帶外干擾電平測量、通信傳輸成功率測試以及規約符合性測試等，在所研制的測試設備上都可以順利進行。但是，其中的噪聲注入缺乏定量描述，而關于衰減量的插入又難以準確把握，基于一定信噪比容限下信道誤碼率的測試和接收靈敏度測試尚不規范。下面僅就電力線載波通信抗噪聲性能和靈敏度測試問題做一些淺顯探討。

二、抗噪聲性能測試

在實驗室環境下，不加噪聲測試信道誤碼率或者通信傳輸成功率基本上沒有明顯意義。低壓電力線對于載波抄表具有高衰減、強干擾和阻抗結構可變等動態時變特征，現場信道環境惡劣。目前還缺乏權威機構針對低壓電力線的特征進行全面有效的測試和分析，甚至家用電器對載波抄表的影響還沒有正式的測試數據。因此，測試設備注入噪聲的方式、類型和電平等因素在測試測量中尤顯突出。

1、干擾源的注入策略

圖2為低壓電力線載波通信抗噪聲性能測試原理框圖。低壓電力線噪聲由多類復雜噪聲共同組成，包括背景噪聲、隨機脈沖噪聲和周期脈沖噪聲。為了逼近現場噪聲場景，在電力線載波傳輸鏈路上疊加不同的干擾源，同時調節干擾強度。據此試驗信道環境測試信道信噪比和通信成功率，所疊加的干擾源可分為以下4種。

（1）背景噪聲。指在發生、檢查、測量和記錄系統中與有用信號無關的一切干擾。背景噪聲是典型離散高斯型的，共對載波通信系統影響較穩定。

（2）脈沖噪聲。具有瞬間、高能和覆蓋頻率范圍廣的特點，因而對于載波信號傳輸的影響相當大，不僅會造成信號誤碼率高；還有可能使接收設備內部產生自干擾，嚴重影響整個系統的工作。

以上兩種噪聲可以由噪聲/任意函數發生器產生。

（3）白噪聲加脈沖噪聲。電力線路中這兩類噪聲通常并存。

（4）現場環境噪聲。由噪聲模擬器產生，通過在不同場合(城市、農村和山區)、不同時間段(白天、晚上)和不同天氣(晴天、陰雨天)等場景下，對低壓電力線現場背景噪聲的采集和錄制，將錄制的背景噪聲進行分析和歸類，形成一個現場背景噪聲的噪聲庫，再從噪聲庫中選取相應的噪聲，通過D/A轉換、噪聲放大還原電力線現場信道環境，疊加到測試鏈路中。

噪聲模擬器屬于測試測量數據采集設備，可以自己研制，也可以采用專業公司提供的測試采集解決方案。例如，美國國家儀器(NI)公司的數字化儀，結合NI Labview采集控制、存儲分析軟件和Matlab分析軟件，能夠完成對電力線噪聲信號的采集、保存和數據深加工。

2、抗噪聲性能試驗流程

試驗項目為一定信噪比條件下的通信成功率測試，噪聲環境有4種，即白噪聲、同頻噪聲、脈沖噪聲和場景模擬噪聲。以RMS方式對噪聲和信號強度進行測量，測量帶寬超過信號傳輸帶寬，由信號分析儀完成，通信成功率由測試主機按照標準協議實現，衰減量和噪聲疊加均由主機程控?；玖鞒倘缦?。

（1）初始狀態下，選擇衰減器處于10~20dB衰減量。

（2）調節信號發生器發射功率和衰減量，設定初始噪聲功率（如-5dBm、-10dBm或者其他值）。

（3）改變噪聲類型，如白噪聲、同頻噪聲、脈沖噪聲、白噪聲+脈沖噪聲和現場場景噪聲。

（4）逐漸增大噪聲功率，在每組信噪比條件下進行100次載波通信測試，記錄通信成功率，直到通信成功率低于95%(或者其他標準值，如99% )，記錄此時的噪聲功率為載波通信模塊的抗噪聲性能指標。

測試評估。針對不同的噪聲類型和噪聲功率，會形成一定的信噪比條件，通信成功率也會隨之變化，據此可以判斷其抗噪性能。例如對于脈沖噪聲條件，如果在-10dBm時達不到通過成功率，則認為試驗不通過；而對于白噪聲，達不到-5dBm的條件時，則判斷為試驗不通過。信噪比條件判斷臨界值需要行業標準。

三、靈敏度測試及抗衰減性能測試

在用電信息采集系統相關系列規范中，專網無線、公網無線都提到了接收靈敏度指標，但對電力線載波信道僅有傳輸誤碼率性能要求，而沒有靈敏度方面的性能要求。因而，有業內人士提出需要增加適當的通信能力指標和環境適應性指標來針對低壓電力線的惡劣環境和時變特性，通信能力應該有接收靈敏度和抗干擾性指標，還要有系統性的考核指標，特別是系統抄收時間、中繼路由及自適應性。

針對靈敏度性能測試，也有不少測試從業人員進行了深入的研究，并提出了一些測試方案和優秀算法。如圖3所示，基于本文的測試設備，從原理上講滿足靈敏度測試的技術要求，但是在實際操作中需要澄清并解決一個問題，即載波隔離，即載波衰減問題。如果不能在測試環境中很好地解決這個問題，所謂的靈敏度性能測試和抗衰減性能測試就很難量化其技術指標。

圖3 靈敏度和抗衰減性能測試回路

1、測試方法及存在的問題分析

基于圖3的抗衰減性能和靈敏度測試原理如下。

衰減性能測試參考方法。在電力線載波信道上介入衰減量可調的電力線衰減器。衰減量從50~60dB開始逐步增加，在每一組衰減值條件下進行100次載波通信測試，記錄通信成功率。直至通信成功率低于95%，記錄此時的衰減值作為載波通信模塊抗衰減性能。

靈敏度參考測試方法。逐漸調節程控電力線衰減器的衰減幅度，直到“被測載波通信設備”剛好能夠成功接收到“配測載波設備”發送的載波信號為止，抄收30次成功率高于90%，此時記錄程控衰減器的衰減量為k，用頻譜儀測量“配測載波設備”的信號功率為X，則“被測載波通信設備”的接收靈敏度C=X-k （dBuv）。

從以上測試原理及方法不難看出，抗衰減性能測試和靈敏度測試都基于兩個前提條件，一是在工頻強電線路上完全隔離了載波信號，至少達到斷開衰減通道的情況下無法成功通信；二是調節衰減器能夠真正的實現對載波信號由通到斷的漸進過程。由此可見，建立一條工頻強電信號的獨立通道，是實現靈敏度和抗衰減特性測試的必要條件，圖4為其原理結構。

2、關于載波隔離器的實現

載波耦合器的設計已經是成熟技術，而載波隔離器的實現也有很多種方式，大多采用基于電力衰減器的隔離方式?？梢杂啥嗉塋C衰減電路通過程控繼電器構成，圖5為典型的二級LC衰減結構。許多載波通信模塊供應商都提供與其產品相對應的成品衰減器。

從理論上講，多級LC衰減級聯結構，將能夠使通信不成功，但在實際測試中，幾乎不可能。發現隨著串聯級數的增加(試驗達到7級，每級標稱衰減59dB )，開始抄表不成功，多次抄表之后，慢慢由部分抄通到全部抄通。

當然，有效實現載波隔離形成獨立交流市電通道的方式有很多種，有文獻資料設計了AC-DC-AC轉換器加鎖相環的方法。從目前試驗的情況看，很大原因不是衰減器的問題，而是載波模塊的通信方式問題。因為大部分廠家的通信模塊，其載波發射功率超過了標準規范要求的電平，帶外干擾也超標；而且其調制方式、速率也會根據線路環境作出調整。也就是說，載波通信模塊的功率、速率，甚至調制方式都有自適應能力。

3、關于程控衰減網絡的構建

程控衰減網絡的構建方式，在測試設備中試驗了以下兩種。

（1）采用多級LC衰減電路?；诔炭乩^電器構成，原理上與前述隔離器相同。如果采用這種結構，可以去掉載波耦合器。

（2）采用微波同軸程控衰減器構造。經過載波耦合器隔離交流強電之后，只有載頻小信號(100kHz以上的頻率，標準要求最大為15dBm)，因此采用常規成熟的微波同軸衰減器是沒有問題的。

另外，經典的T型和π型電阻衰減網絡也能用以衰減電力線載波信號，結合程控繼電器達到程控衰減的目的。

經過試驗，測試設備可以對部分通信模塊實現靈敏度測試。

四、結束語

所研制的載波通信性能測試設備能夠按照國家電網公司相關標準執行系列性能測試；但還需要在測試線路中增加現場環境背景噪聲模擬功能，才能有效進行抗噪聲性能測試；尤其在抗衰減性能測試和靈敏度性能測試中還需要進一步解決載波隔離問題，同時針對程控衰減網絡提出了一些構建方法。在問題探討中，就載波通信模塊的功率和速率自適應情況提出了個人看法，以期隨著通信及測試標準的不斷完善以及測試從業人員的努力，能夠提供更加完善的測試裝備。