專利名稱：低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置，屬電氣工程技術(shù)領(lǐng)域。
以電力線作為信號(hào)傳輸媒介實(shí)現(xiàn)通信是各國電力、通信、網(wǎng)絡(luò)等研究與產(chǎn)業(yè)部門一直致力研究開發(fā)的技術(shù)。電力線通信通常以電力網(wǎng)絡(luò)的電壓等級(jí)劃分，可以分為高壓電力線通信(100KV以上)、中壓電力線通信(1KV～100KV)和低壓電力線通信(1kV以下，380V/220V)。就電力線通信信道特性而言，高壓電力線通信環(huán)境最好，其次是中壓電力線環(huán)境，最差的是低壓電力線通信環(huán)境。低壓電力線通信又稱作低壓配電網(wǎng)通信。從所應(yīng)用的通信技術(shù)角度劃分，電力線通信技術(shù)分為窄帶調(diào)制技術(shù)與寬帶(擴(kuò)頻)調(diào)制技術(shù)。
在低壓配電網(wǎng)通信技術(shù)的研究開發(fā)方面，英國、德國、美國、日本、比利時(shí)、以色列等國的研究機(jī)構(gòu)先后從不同角度對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行過研究。
國際上現(xiàn)有的低壓配電網(wǎng)電力線通信技術(shù)主要有兩類歐洲標(biāo)準(zhǔn)類與非歐洲標(biāo)準(zhǔn)類。
歐洲標(biāo)準(zhǔn)類泛指采用歐洲CENELEC標(biāo)準(zhǔn)EN50065-1(工作頻帶范圍在3～148.5kHz，最大功率25W)的配電網(wǎng)通信技術(shù)。由于該頻帶范圍較窄(最大145.5kHz)，所以適于采用窄帶調(diào)制技術(shù)(如ASK,FSK,PSK)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸速率除了與帶寬有關(guān)外，還與該頻率范圍配電網(wǎng)的噪聲有關(guān)。根據(jù)國際上公開發(fā)表的研究成果和清華大學(xué)電機(jī)系在中國實(shí)際配電網(wǎng)的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果，在該頻帶內(nèi)配電網(wǎng)的噪聲水平在-40～-80dBmW/Hz，呈較高水平。所以只能實(shí)現(xiàn)較低的傳輸速率(一般為2.4kbit/s或更低)。如果在該頻段采用擴(kuò)頻技術(shù)，因?yàn)閹捿^小，擴(kuò)頻所能夠獲得的處理增益值為18左右，擴(kuò)頻優(yōu)越性的效果并不明顯。
非歐洲標(biāo)準(zhǔn)類泛指采用非歐洲CENELEC標(biāo)準(zhǔn)EN50065-1的配電網(wǎng)通信技術(shù)。典型的非歐洲標(biāo)準(zhǔn)有美國的FCC標(biāo)準(zhǔn)(100～450 kHz，最大功率25W)。清華大學(xué)電機(jī)系在中國實(shí)際配電網(wǎng)的工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明在該頻率范圍內(nèi)的配電網(wǎng)的噪聲為白噪聲，噪聲水平在-90dBmW/Hz，遠(yuǎn)低于歐洲標(biāo)準(zhǔn)頻段的噪聲水平，同時(shí)由于FCC頻段的帶寬為CENELEC帶寬的兩倍多，所以可以在FCC頻段達(dá)到較高的傳輸速率(一般為9.6kbit/s以上)和更大的擴(kuò)頻處理增益(接近44)。
基于歐洲標(biāo)準(zhǔn)或FCC標(biāo)準(zhǔn)，一些公司生產(chǎn)有滿足標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)器芯片(或稱MODEM)。如滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)的MODEM芯片ST7536，ST7537；如滿足FCC標(biāo)準(zhǔn)的MODEM芯片LM1893,AN192,SSCP200等；這些商業(yè)化調(diào)制解調(diào)器芯片具有對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的輸出數(shù)字信號(hào)調(diào)制為連續(xù)時(shí)間信號(hào)功能，或?qū)⒔邮盏降囊颜{(diào)制信號(hào)解調(diào)為數(shù)字信號(hào)功能。
應(yīng)用商業(yè)化調(diào)制解調(diào)器芯片構(gòu)成系統(tǒng)時(shí)需要根據(jù)具體的應(yīng)用對(duì)象和環(huán)境作應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。調(diào)制解調(diào)器芯片本身只要求輸入輸出信號(hào)為滿足一定要求的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。當(dāng)應(yīng)用對(duì)象的通信環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，芯片本身無自動(dòng)調(diào)整功能(動(dòng)態(tài)范圍，信噪比等)。這是已有商業(yè)化調(diào)制解調(diào)器芯片的缺陷所在。同時(shí)也是設(shè)計(jì)高性能配電網(wǎng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
在低壓配電網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)通信所面臨的主要問題是(1)信道的變化衰減-不同接入點(diǎn)、不同時(shí)間變化范圍大，并且與網(wǎng)絡(luò)上的負(fù)載投切關(guān)聯(lián)性較大，經(jīng)常有傳輸零點(diǎn)；(2)隨機(jī)干擾與噪聲-來自各種用戶的諧波污染、背景噪聲等使線路上的干擾與噪聲的峰-峰值可達(dá)20V上下。
最近幾年的研究表明采用寬帶電力線擴(kuò)頻通信技術(shù)可以在一定程度上克服低壓電力線通信的惡劣通信環(huán)境，與窄帶通信方式或窄帶擴(kuò)頻方式相比具有明顯的優(yōu)越性。
本發(fā)明的目的是提出一種低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置，針對(duì)配電網(wǎng)信道的變化衰減、變化的干擾與噪聲的特性，該裝置對(duì)配電網(wǎng)的通信環(huán)境具有自適應(yīng)能力，自動(dòng)尋求最優(yōu)通信信道實(shí)現(xiàn)可靠通信。在電力系統(tǒng)通信、配電自動(dòng)化、表計(jì)(電表、水表、氣表)的自動(dòng)抄收、樓宇自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)電力工業(yè)和通信、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。
本發(fā)明提出的低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置，該裝置包括電力線耦合器、接收帶通濾波器、線性提升接收信號(hào)放大器、擴(kuò)頻收發(fā)器、頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器、增益可調(diào)發(fā)送功率放大器、中央處理器CPU和外圍接口電路，其中的電力線耦合器實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的上、下電力線，阻止電網(wǎng)電能信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)并對(duì)高于額定值的電能信號(hào)實(shí)施旁路與鉗位保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配等；其中的接收帶通濾波器對(duì)由電力線耦合器耦合過來的的高頻通信信號(hào)與噪聲進(jìn)行濾波；其中的線性提升接收信號(hào)放大器對(duì)已濾波的接收信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大倍數(shù)隨頻率的升高線性增大，同時(shí)對(duì)超限的信號(hào)進(jìn)行限幅，經(jīng)該放大器處理的接收信號(hào)送擴(kuò)頻收發(fā)器作解擴(kuò)處理；其中的擴(kuò)頻收發(fā)器對(duì)接收放大器來的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理使其變成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)送中央處理器處理，或?qū)⒅醒胩幚砥魈幚硭蛠淼臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，使其成為擴(kuò)頻信號(hào)后送發(fā)送濾波器；其中的頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器對(duì)由擴(kuò)頻收發(fā)器發(fā)出的擴(kuò)頻信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償(高頻提升)；其中的增益可調(diào)發(fā)送功率放大器對(duì)發(fā)送濾波器輸出的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行功率放大后經(jīng)電力線耦合器送低壓配電網(wǎng)，放大倍數(shù)由中央處理器控制；其中的中央處理器CPU控制整個(gè)系統(tǒng)的工作；其中的外圍接口電路包括通信進(jìn)程顯示以及其它應(yīng)用接口。
本發(fā)明提出的低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和配電網(wǎng)現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)表明所發(fā)明的低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置已達(dá)到如下技術(shù)性能(1)工作頻率范圍100kHz～400kHz(2)調(diào)制方式線性調(diào)頻擴(kuò)頻(3)功率輸出0.1W～5W自動(dòng)可調(diào)
(4)接收信號(hào)靈敏度1毫伏(5)無中繼傳輸距離1公里(220V配電網(wǎng))(6)傳輸速率10kbit/s(7)對(duì)不同傳輸性能的不同配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)功能(8)自動(dòng)尋求最優(yōu)性能信道進(jìn)行通信與已有的采用歐洲電力線通信標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)相比，有以下優(yōu)越性(1)發(fā)明了配電網(wǎng)信道補(bǔ)償技術(shù)。本發(fā)明的發(fā)送與接收通道的特殊設(shè)計(jì)使本收發(fā)裝置能夠自動(dòng)補(bǔ)償配電網(wǎng)信道對(duì)線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)的衰減(參見圖1)，對(duì)不同傳輸性能的不同配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)功能。從而保證接收信號(hào)靈敏度和遠(yuǎn)距離配電網(wǎng)可靠通信。
(2)發(fā)明了配電網(wǎng)通信信道自動(dòng)尋優(yōu)技術(shù)。因?yàn)榕潆娋W(wǎng)的復(fù)雜性，同相與同相之間，異相與異相之間構(gòu)成通信信道性能差異很大。這里采用三相收發(fā)技術(shù)，通過自動(dòng)測試找到最優(yōu)性能的通信信道，從而進(jìn)一步保證本發(fā)明的性能指標(biāo)以及實(shí)用性。
(3)100kHz～400kHz頻率范圍內(nèi)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)具有較好的抗干擾能力(處理增益44)，同時(shí)由于該頻率范圍內(nèi)的電力網(wǎng)絡(luò)噪聲水平低于歐洲標(biāo)準(zhǔn)頻段，所以從原理上保證了系統(tǒng)性能好于采用歐洲標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明所設(shè)計(jì)的低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置的原理框圖。該原理框圖僅給出三相發(fā)送與接收通電路中的一相。
圖2是本發(fā)明所提出的低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置的發(fā)送與接收通道的一種典型頻率特性。由圖可見，該閉環(huán)系統(tǒng)的增益隨頻率線性增長，自動(dòng)補(bǔ)償配電網(wǎng)對(duì)線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)的衰減。
圖3是本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置中A相部分的電路原理圖。
圖4是本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置中B相部分的電路原理圖。
圖5是本發(fā)明設(shè)計(jì)的裝置中C相部分的電路原理圖。
圖6是主控及接口部分的電路原理圖。
下面結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
結(jié)合圖3所示的A相部分的電路原理圖和圖6所示的主控及接口部分的電路原理圖，描述本裝置的工作原理如下電力線耦合器實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的上、下電力線，阻止電網(wǎng)電能信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)并對(duì)高于額定值的電能信號(hào)實(shí)施旁路與鉗位保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配等；在圖3中對(duì)應(yīng)用于耦合高頻信號(hào)的高頻耦合變壓器T1、用于旁路與鉗位高于額定值電能信號(hào)的壓敏電阻MOV1、用于阻止工頻電能信號(hào)且通過高頻信號(hào)的耦合電容CPC、用于對(duì)輸入信號(hào)的幅度進(jìn)行限幅保護(hù)的齊納二極管CR1、CR2。
接收帶通濾波器，該濾波器對(duì)由電力線耦合器耦合過來的的高頻通信信號(hào)與噪聲進(jìn)行濾波；濾波器的工作頻帶與線性調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍相同，即100kHz～400kHz。電路的實(shí)現(xiàn)包括電阻R20、電感L4、電容C36、電感L5、電阻R600、電阻R700、電阻R800、電容C34、電容C340、電感L6、電容C35、電容C350等；其中R600、R700、R800的作用是使濾波器帶內(nèi)的特性為平坦特性。
線性提升接收信號(hào)放大器，對(duì)已濾波的接收信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大倍數(shù)隨頻率的升高線性增大，同時(shí)對(duì)超限的信號(hào)進(jìn)行限幅，經(jīng)該放大器處理的接收信號(hào)送擴(kuò)頻收發(fā)器作解擴(kuò)處理。該放大器包括用于限制輸入信號(hào)幅度的雙向二極管D8，用于放大高頻信號(hào)的三極管Q4、用于溫度補(bǔ)償用的二極管D5及其用于設(shè)置放大器靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數(shù)的電阻R26、R27、R24、R29、電容Ch等，該放大器的放大倍數(shù)隨頻率的升高線性增大。
擴(kuò)頻收發(fā)器，該收發(fā)器對(duì)接收放大器來的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理使其變成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)送中央處理器處理，或?qū)⒅醒胩幚砥魈幚硭蛠淼臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，使其成為擴(kuò)頻信號(hào)后送發(fā)送濾波器；由集成電路SSC-P300實(shí)現(xiàn)。
頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器，對(duì)由擴(kuò)頻收發(fā)器發(fā)出的擴(kuò)頻信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償(高頻提升)。包括由電容C8、C9、電阻R3、R2、R131、R19、三極管Q3構(gòu)成的射極跟隨器以及由電容C22、C25、電感L2、電阻R1構(gòu)成的高端頻段具上揚(yáng)特性的低通濾波器(-3dB頻率為400kHz)。
增益可調(diào)發(fā)送功率放大器，該功率放大器對(duì)發(fā)送濾波器輸出的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行功率放大，然后經(jīng)電力線耦合器送低壓配電網(wǎng)。放大倍數(shù)由中央處理器控制，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻發(fā)送信號(hào)的自適應(yīng)功率放大。包括用于程控的電位器VAR1(集成電路DS1809)與用于功率放大的放大器U4700(集成電路LM4700)；用于直流工作點(diǎn)的隔離與高頻交流信號(hào)的耦合的電容C23、Cin；用于程控電位器VAR1內(nèi)部控制的齊納二極管Dv1、電容Cv1；用于放大器外部的電阻Rin、RB、Ci、Ri、Rf；用于保護(hù)放大器的電感L1、用于耦合信號(hào)的電容C18；用于保護(hù)放大器用的二極管D6、D13和齊納二極管D15、D16。
中央處理器CPU控制整個(gè)系統(tǒng)的工作。包括中央處理器MC68HC705C9A，用于實(shí)現(xiàn)三相接收控制邏輯的“與”門電路U7A(集成電路74HC31)。
外圍接口電路，實(shí)現(xiàn)通信進(jìn)程顯示以及其它應(yīng)用接口功能等。包括用于RS232標(biāo)準(zhǔn)接口用于與其它微機(jī)的串行通信接口電路U6(集成電路MAX232)；用于A相接收顯示的三極管QA1、發(fā)光二極管LA1、電阻RA4；用于A相發(fā)送顯示的三極管QA2、發(fā)光二極管LA2、電阻RA5；用于B相接收顯示的三極管QB1、發(fā)光二極管LB1、電阻RB4；用于B相發(fā)送顯示的三極管QB2、發(fā)光二極管LB2、電阻RB5；用于C相接收顯示的三極管QC1、發(fā)光二極管LC1、電阻RC4；用于C相發(fā)送顯示的三極管QC2、發(fā)光二極管LC2、電阻RC5；用于RS232通信進(jìn)程顯示的三極管Q1、Q2，發(fā)光二極管L1、L2，電阻R4、R5。
權(quán)利要求
1.一種低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置，其特征在于，該裝置包括電力線耦合器、接收帶通濾波器、線性提升接收信號(hào)放大器、擴(kuò)頻收發(fā)器、頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器、增益可調(diào)發(fā)送功率放大器、中央處理器CPU和外圍接口電路，其中的電力線耦合器實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)的上、下電力線，阻止電網(wǎng)電能信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)并對(duì)高于額定值的電能信號(hào)實(shí)施旁路與鉗位保護(hù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗的匹配等；其中的接收帶通濾波器對(duì)由電力線耦合器耦合過來的的高頻通信信號(hào)與噪聲進(jìn)行濾波；其中的線性提升接收信號(hào)放大器對(duì)已濾波的接收信號(hào)進(jìn)行放大處理，放大倍數(shù)隨頻率的升高線性增大，同時(shí)對(duì)超限的信號(hào)進(jìn)行限幅，經(jīng)該放大器處理的接收信號(hào)送擴(kuò)頻收發(fā)器作解擴(kuò)處理；其中的擴(kuò)頻收發(fā)器對(duì)接收放大器來的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理使其變成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)送中央處理器處理，或?qū)⒅醒胩幚砥魈幚硭蛠淼臉?biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，使其成為擴(kuò)頻信號(hào)后送發(fā)送濾波器；其中的頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器對(duì)由擴(kuò)頻收發(fā)器發(fā)出的擴(kuò)頻信號(hào)在頻域內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償即高頻提升；其中的增益可調(diào)發(fā)送功率放大器對(duì)發(fā)送濾波器輸出的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行功率放大后經(jīng)電力線耦合器送低壓配電網(wǎng)，放大倍數(shù)由中央處理器控制其中的中央處理器CPU控制整個(gè)系統(tǒng)的工作；其中的外圍接口電路包括通信進(jìn)程顯示以及其它應(yīng)用接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低壓配電網(wǎng)三相電力線擴(kuò)頻通信收發(fā)裝置,該裝置包括電力線耦合器、接收帶通濾波器、線性提升接收信號(hào)放大器、擴(kuò)頻收發(fā)器、頻域補(bǔ)償發(fā)送濾波器、增益可調(diào)發(fā)送功率放大器、中央處理器CPU和外圍接口電路。本發(fā)明的裝置能夠自動(dòng)補(bǔ)償配電網(wǎng)信道對(duì)線性調(diào)頻擴(kuò)頻信號(hào)的衰減,對(duì)不同傳輸性能的不同配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)具有自話應(yīng)功能。從而保證接收信號(hào)靈敏度和遠(yuǎn)距離配電網(wǎng)可靠通信。
文檔編號(hào)H04B3/54GK1297289SQ0013586
公開日2001年5月30日 申請(qǐng)日期2000年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者郭靜波, 王贊基 申請(qǐng)人:清華大學(xué)