專利名稱：輸電線全雙工數(shù)據(jù)通信的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及將通信信號耦合到電力分布系統(tǒng)中，更具體地，涉及在輸電線和其他有較大的驅(qū)動點(diǎn)阻抗變化的電線上的全雙工通信。
背景技術(shù)：
雖然可以實現(xiàn)通過輸電線連接的調(diào)制解調(diào)器之間的數(shù)據(jù)通信，但是需要考慮到這樣的輸電線中大幅變化的驅(qū)動點(diǎn)阻抗。通常，電力線調(diào)制解調(diào)器可以包括高頻發(fā)射器和高頻接收器，它們需要在不同頻帶上同時工作。在使用擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器的情況下，發(fā)射和接收頻帶相對較寬。不幸的是，高頻功率放大器(如通常在發(fā)射器的輸出級使用的)并不是完全線性的。它們的非線性會在傳輸頻帶之外的很寬頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生互調(diào)(IM)產(chǎn)物。這些互調(diào)產(chǎn)物中的一部分會落在接收器的頻段內(nèi)，并且對從遠(yuǎn)端的另一臺調(diào)制解調(diào)器傳來的輸入信號產(chǎn)生干擾。
理想地，發(fā)射器功率應(yīng)該只到達(dá)與調(diào)制解調(diào)器的輸出端連接的輸電線上，而發(fā)射器的輸出不應(yīng)該到達(dá)接收器的輸入端。然而，對于電力線調(diào)制解調(diào)器來說，一對輸電線端子同時用于發(fā)射器的輸出和接收器的輸入。在全雙工通信中，當(dāng)發(fā)射器和接收器同時工作時，應(yīng)用一種叫作“混合耦合器(hybrid coupler)”的三端口網(wǎng)絡(luò)將發(fā)射器和接收器連接到線路上。理想地，對于輸入信號從輸電線端口到接收器之間應(yīng)該是無損連接，發(fā)射器和輸電線端子之間應(yīng)該是無損連接，并且發(fā)射器和接收器之間應(yīng)該完全隔離。
這樣的網(wǎng)絡(luò)原來是為模擬電話設(shè)計的，因為它同樣需要通過一對線來發(fā)送和接收。全雙工混合耦合器能夠提供發(fā)射器-接收器之間很高的隔離，但是隔離程度取決于調(diào)制解調(diào)器阻抗與負(fù)載阻抗之間的匹配精確度。對于模擬電話網(wǎng)絡(luò)來說，這樣的精確阻抗匹配并不是問題，但是對于輸電線網(wǎng)絡(luò)來說，從輸電線端子看來負(fù)載阻抗在所關(guān)注的頻帶上變化很大，而發(fā)射器和接收器之間的混合隔離會受到嚴(yán)重的破壞。
當(dāng)大量的寄生發(fā)射器輸出落入接收器的輸入頻帶內(nèi)時，接收器的信噪比會大幅度降低，而輸電線阻抗失配會導(dǎo)致一些這樣的寄生能量到達(dá)接收器的輸入端。這會導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤或者為了保持可接受的誤碼率而被迫降低數(shù)據(jù)傳輸率。
圖1圖示了連接到發(fā)射器輸出級100的輸出端103上的普通混合耦合器110，它由調(diào)制解調(diào)器的低功率發(fā)射器106驅(qū)動?；旌像詈掀?10也連接到作為調(diào)制解調(diào)器的負(fù)載的通信線路上，并具有由總阻抗ZL115表示的阻抗?；旌像詈掀?10還與接收器125的輸入端120連接。對于全雙工調(diào)制解調(diào)器來說，發(fā)射器輸出級100是典型的推挽式的，以消除其差動輸出端103之間的偶次諧波能量。理想地，當(dāng)混合耦合器110的標(biāo)稱設(shè)計阻抗值與阻抗ZL115相等時，在發(fā)射器輸出端103和接收器輸入端120之間沒有饋通。但是，在實際情況中輸電線的阻抗是一個復(fù)變量，當(dāng)混合耦合器110的標(biāo)稱設(shè)計阻抗值與阻抗ZL115不相等時，輸出端103和輸入端120之間的衰減會降低到非常低的水平，并且大量不希望有的IM產(chǎn)物會到達(dá)接收器125。
例如，線路阻抗ZL115為12.5歐姆電阻，那么漏入接收器125的傳輸信號的電平僅比全發(fā)射器輸出弱6dB。在更典型的情況，也就是ZL115是一個復(fù)數(shù)阻抗而不是單純的電阻時，泄漏會更厲害。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實施例包括用于全雙工調(diào)制解調(diào)器的混合耦合電路和相應(yīng)的方法。第一變壓器具有初級和次級繞組，次級繞組與初級繞組的匝數(shù)比為1∶1。第一變壓器的初級繞組連接在調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射器的輸出端上。一對發(fā)射器輸出電阻串聯(lián)地連接在各個發(fā)射器輸出端之間并連接到相應(yīng)的通信線端子上。第二變壓器具有初級和次級繞組，次級/初級匝數(shù)比與負(fù)載匹配情況下發(fā)射器輸出端之間的電壓和輸出電阻的負(fù)載側(cè)端子上的電壓的比值相對應(yīng)。第二變壓器的初級繞組與通信線路并聯(lián)。變壓器的次級繞組反相串聯(lián)，從而(i)消除發(fā)射器傳輸過來的信號，(ii)為從通信線路到接收器的信號提供通路。
在進(jìn)一步的實施例中，可以在線路阻抗和第二變壓器的初級繞組之間連接衰減器(attenuation pad)，以改善線路阻抗失配條件下的饋通消除性能。


通過以下的詳細(xì)說明，結(jié)合附圖，可以更清楚地理解本發(fā)明。
圖1圖示了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用于全雙工的普通混合耦合器。
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的混合耦合器。
圖3圖示了全雙工混合耦合器的另外一個實施例。
具體實施例方式
圖2圖示了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的用于全雙工的混合耦合器270。典型的固態(tài)高頻線路驅(qū)動器100(例如可以用做調(diào)制解調(diào)器發(fā)射器輸出級)通常有接近于零的輸出阻抗。通過外部電阻205實現(xiàn)阻抗匹配和限流。為了舉例說明，使用特定的輸電線標(biāo)稱阻抗值，例如50歐姆。對這里由ZL115表示的標(biāo)稱50歐姆的輸電線負(fù)載，端子對220之間的發(fā)射器電壓是在驅(qū)動器端子對103處的一半。
如果端子220兩點(diǎn)間電壓可以翻倍并從端子103兩點(diǎn)間的電壓中減去，則所得到的電壓可以很好地消除發(fā)射器電壓。圖2示出了通過增加變壓器250和變壓器255做到這一點(diǎn)，變壓器255的匝數(shù)比是變壓器250匝數(shù)比的2倍，而變壓器250和變壓器255的次級串聯(lián)，以提供差動輸出，這個輸出通過接收器端子120連接到接收器125的輸入端。
與在接收器端子120處消除發(fā)射器信號相反，該電路通過變壓器255把接收到的線路信號傳送給接收器125。變壓器250不提供電壓，因為其初級繞組由發(fā)射器輸出級(線路驅(qū)動器100)的極低輸出阻抗而短接，這個短路狀態(tài)反映為變壓器250的次級上的接近于零的阻抗。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以歸納出變壓器250和變壓器255的變壓比，以補(bǔ)償端子對103和220上的預(yù)期電壓比，并可以改變它們的絕對比值以便于實現(xiàn)與接收器125的最佳阻抗匹配。因此，1∶1和2∶1可以是3∶1和6∶1，它們達(dá)到同樣的消除效果。在負(fù)載匹配的情況下，變壓器255的右側(cè)繞組上的電壓是線路驅(qū)動器100上電壓的一半。所以，如果變壓器255把這個一半電壓升高到6倍，而變壓器250把這個全電壓升高到3倍，那么相減后到達(dá)接收器235的電壓是零。
在阻抗匹配的條件下，電阻205(其總和選擇為等于標(biāo)稱調(diào)制解調(diào)器阻抗)將載入輸入信號的50％或者6dB。變壓器255的變壓會恢復(fù)原始接收信號的幅值，雖然阻抗水平是調(diào)制解調(diào)器標(biāo)稱阻抗的兩倍。不過，變壓器250和255的次級反相串聯(lián)，以(i)消除從發(fā)射器線路驅(qū)動器100傳輸來的信號，(ii)為從通信線路(即端子220)到接收器125的信號提供通路。
圖3圖示了一個電路的原理圖，該電路采用了穩(wěn)定從調(diào)制解調(diào)器電橋270端看去的阻抗ZL Modem365的方法，以改善大幅變化的輸電線阻抗ZL115的影響。圖3的電路利用了阻性衰減器360的阻抗穩(wěn)定特性，設(shè)計為特征阻抗與調(diào)制解調(diào)器標(biāo)稱阻抗相等的H型網(wǎng)絡(luò)衰減器。如果阻性衰減器360安裝在調(diào)制解調(diào)器線路端子323和輸電線端子320之間，那么從電橋270看過去的終端阻抗ZL Modem365的變化大幅度減小，而電橋270減小發(fā)射器線路驅(qū)動器100和接收器125之間的泄漏的能力大為加強(qiáng)。
例如阻性衰減器360這樣的阻性衰減器有終端阻抗，例如ZL Modem365，其取決于在阻性衰減器360使用的電阻值和負(fù)載阻抗ZL115。用極限情況來舉例說明一下，短路負(fù)載阻抗ZL115會減小ZL Modem365，但不會減到零，而開路負(fù)載阻抗ZL115會增加ZL Modem365，但不會增加到無窮大。同樣地，對于不太劇烈變化的ZL115，ZL Modem365的變化會比ZL115更平緩。這樣就起到了在輸電線負(fù)載阻抗ZL115變化時保持從端子323看過去的阻抗ZL Modem365穩(wěn)定的效果。這個益處是以信號電平為代價獲得的，信號電平的降低就是損失。
緩沖器衰減增加時阻性衰減器360的穩(wěn)定效果也會增強(qiáng)，但是代價是降低了由ZL115體現(xiàn)的到達(dá)輸電線的發(fā)射器功率電平以及接收器125的接收信號?？梢蕴岣呔€路驅(qū)動器100的輸出級功率以補(bǔ)償衰減器損耗，從而將傳輸?shù)絑L115的調(diào)制解調(diào)器輸出功率恢復(fù)到初始水平，要小心不要增加IM失真的電平。
對接收器的信號-IM泄漏噪聲比的影響是很復(fù)雜的。一方面，信號水平被阻性衰減器360衰減。然而，經(jīng)常會遇到的情況是線路阻抗與調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)稱阻抗差別很大，阻性衰減器360改善從電橋270看到的阻抗匹配的效果可以減小發(fā)射器的IM產(chǎn)物饋通，從而實現(xiàn)接收器的信號-互調(diào)噪聲比的總體改善。
對圖2和3所示電路進(jìn)行一系列模擬，結(jié)果列在下表1-3中。例如，阻性衰減器360的10dB衰減針對輸電線阻抗相對于標(biāo)稱值的偏離實現(xiàn)了發(fā)射器-接收器信號泄漏的如下改善，如表1-3所示。
表1 發(fā)射器-接收器的饋通w/21v發(fā)射器輸出

表2接收器性能

表3到達(dá)負(fù)載的發(fā)射輸出功率

例如，在表1的第一行可以看到當(dāng)輸電線負(fù)載電阻為12.5歐姆，或者調(diào)制解調(diào)器的標(biāo)稱阻抗的四分之一時，圖2中的混合電路270僅在接收器輸入端子處將發(fā)射器信號衰減5.9dB，而當(dāng)增加了圖3所示的10dB阻性衰減器360之后，該指標(biāo)改善到了26dB，有20.1dB的提高。表2示出了平均接收功率改善了-33.1-(-19.1)或者14dB。表2中的接收功率損耗與表1中的發(fā)射器-接收器饋通比率從-33.1-(-13.7)＝19.6dB改善到了-19.1-(-31.1)＝12dB，或者說有了19.6-12＝7.6dB的提高。表3示出了平均發(fā)送功率降低了5.2-(-4.6)＝9.8dB，但是可以通過把線路驅(qū)動器200的輸出提高到1W來進(jìn)行補(bǔ)償。
典型的高線性度發(fā)射器線路驅(qū)動器100的IM產(chǎn)物比載波低45dB。另外26dB的隔離使接收器端子處的IM產(chǎn)物比發(fā)射器低71dB，這是從線路上的其它調(diào)制解調(diào)器接收到的受到強(qiáng)衰減的信號的幅值水平。在IM泄漏衰減僅為標(biāo)出的5.9dB時(見表1的第1行)，IM產(chǎn)物比接收信號強(qiáng)-5.9-45+71＝20.1dB。
雖然公布了本發(fā)明的多種示例性實施例，然而對本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，顯而易見，本發(fā)明可以有各種修改和變化。因此，本發(fā)明涵蓋所有落入所附權(quán)利要求及其等同變換范圍內(nèi)的各種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種用于包含發(fā)射器和接收器的全雙工調(diào)制解調(diào)器的耦合電路，所述電路包括第一變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，其中所述初級繞組與所述發(fā)射器相連；第二變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，其中所述第二變壓器的所述初級繞組與通信線路相連；所述第一變壓器的所述初級繞組的端子與所述第二變壓器的所述初級繞組的端子之間的電阻，其特征在于，所述第一變壓器和所述第二變壓器的所述次級繞組反相串聯(lián)，并與所述接收器相連，以將從所述發(fā)射器到所述接收器的信號電平降到最低。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合電路，其特征在于，所述耦合電路(i)將來自所述發(fā)射器的第一信號耦合到所述通信線路中；并且(ii)將來自所述通信線路的第二信號耦合到所述接收器中。
3.如權(quán)利要求1所述的耦合電路，其特征在于，所述第一變壓器的次級/初級匝數(shù)比為1∶1，而所述第二變壓器的次級/初級匝數(shù)比為2∶1。
4.如權(quán)利要求1所述的耦合電路，其特征在于所述第二變壓器的匝數(shù)比是所述第一變壓器的2倍。
5.如權(quán)利要求1所述的耦合電路，還包括連接在所述第二變壓器的所述初級繞組與所述通信線路之間的衰減器。
6.如權(quán)利要求5所述的耦合電路，其特征在于，在所述調(diào)制解調(diào)器的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發(fā)射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
7.一種用于包含發(fā)射器和接收器的全雙工調(diào)制解調(diào)器的耦合電路，所述電路包括第一變壓器，其具有連接在所述發(fā)射器的第一輸出端和第二輸出端上的初級繞組，其中所述第一變壓器具有次級繞組，其次級/初級匝數(shù)比為1∶1；一對電阻，所述一對電阻中的第一個電阻與所述第一輸出端和通信線路的第一導(dǎo)體串聯(lián)，所述一對電阻中的第二個電阻與所述第二輸出端和所述通信線路的第二導(dǎo)體串聯(lián)，其中這些電阻阻值的總和組成了所述調(diào)制解調(diào)器的阻抗；以及第二變壓器，其具有并聯(lián)地連接在所述通信線路的所述第一導(dǎo)體及第二導(dǎo)體上的初級繞組，其中所述第二變壓器具有次級繞組，次級/初級匝數(shù)比對應(yīng)于負(fù)載匹配條件下所述發(fā)射器的所述輸出端與所述通信線路的所述導(dǎo)體之間的電壓比，其中，所述第一變壓器和第二變壓器的所述次級繞組反相串聯(lián)，以(i)消除從所述發(fā)射器傳輸過來的信號，并且(ii)為從所述通信線路到所述接收器的信號提供通路。
8.如權(quán)利要求7所述的耦合電路，還包括連接在所述第二變壓器的初級繞組和所述通信線路之間的衰減器。
9.如權(quán)利要求8所述的耦合電路，其特征在于，在所述調(diào)制解調(diào)器的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配的條件下，所述衰減器改善所述發(fā)射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
10.一種耦合具有發(fā)射器和接收器的全雙工調(diào)制解調(diào)器的方法，所述方法包括將第一變壓器的初級繞組與發(fā)射器相連；將第二變壓器的初級繞組與通信線路相連；將電阻連接到所述第一變壓器的所述初級繞組的端子和所述第二變壓器的所述初級繞組的端子之間；將所述第一變壓器的次級繞組和所述第二變壓器的次級繞組反相串聯(lián)；以及將所述第一變壓器和第二變壓器的所述次級繞組耦合到所述接收器上，從而將從所述發(fā)射器到達(dá)所述接收器的信號電平降到最低。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述耦合電路(i)把來自所述發(fā)射器的第一信號耦合到所述通信線路中；(ii)把來自所述通信線路的第二信號耦合到所述接收器中。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第一變壓器的次級/初級匝數(shù)比為1∶1，而所述第二變壓器的次級/初級匝數(shù)比為2∶1。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述第二變壓器的匝數(shù)比是所述第一變壓器的兩倍。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括在所述第二變壓器的所述初級繞組和所述通信線路之間連接衰減器。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在所述調(diào)制解調(diào)器的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發(fā)射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
16.一種耦合具有發(fā)射器和接收器的全雙工調(diào)制解調(diào)器的方法，所述方法包括將第一變壓器的初級繞組跨接在所述發(fā)射器的第一輸出端和第二輸出端之間，其中所述第一變壓器的次級/初級匝數(shù)比是1∶1；連接一對電阻，其中所述一對電阻中的第一個電阻與所述第一輸出端和通信線路第一導(dǎo)體串聯(lián)，所述一對電阻中的第二個電阻與所述第二輸出端和所述通信線路的第二導(dǎo)體串聯(lián)；將第二變壓器的初級繞組并聯(lián)地連接在所述通信線路的所述第一導(dǎo)體和第二導(dǎo)體上，其中所述第二變壓器具有次級繞組，次級/初級匝數(shù)比對應(yīng)于負(fù)載匹配條件下所述發(fā)射器的所述輸出端與所述通信線路的所述導(dǎo)體之間的電壓比；以及把所述第一變壓器和第二變壓器的次級繞組反相串聯(lián)，從而(i)消除從所述發(fā)射器傳輸過來的信號，并且(ii)為從所述通信線路到所述接收器的信號提供通路。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括在所述第二變壓器的初級繞組和所述通信線路之間連接衰減器。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，在所述調(diào)制解調(diào)器的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發(fā)射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
全文摘要
提出了一種具有發(fā)射器和接收器的全雙工調(diào)制解調(diào)器的耦合電路。該耦合電路包括(a)第一變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，初級繞組與發(fā)射器相連；(b)第二變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，第二變壓器的初級繞組與通信線路相連；以及(c)第一變壓器的初級繞組的端子與第二變壓器的初級繞組的端子之間的電阻。第一變壓器和第二變壓器的次級繞組反相串聯(lián)，并與接收器相連，以將從發(fā)射器到接收器的信號電平減小到最低。
文檔編號H04B1/74GK1650534SQ03809642
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月29日
發(fā)明者耶胡達(dá)·切恩 申請人:安比恩特公司