摘 要:為了利用低壓電力線實現(xiàn)可靠的載波通信,接口電路的設(shè)計是問題的關(guān)鍵。其難點在于:一方面,要求載波信號的加載效率高;另一方面,要求電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾。為此,采用了“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)”,很好地解決了這一難題?;谶@種“復(fù)合耦合技術(shù)”,分析并設(shè)計了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果表明:該接口電路既有較高的載波信號加載效率,又能完全地隔離電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號。因此,該接口電路可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞:載波通信;低壓電力線;接口電路;設(shè)計?
一、前言
電力線通信,簡稱PLC(Power Line Communication),是以電力網(wǎng)作為信道進(jìn)行載波通信的一種有線通信方式。電力線載波通信與其他通信方式相比,能充分利用現(xiàn)有的電力線資源,即利用電力線進(jìn)行通信,實現(xiàn)信息的傳輸。因而,電力線通信具有很好的開發(fā)前景和應(yīng)用價值[1]。
最近,英國在電力線媒介開發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展,用戶可通過電力線進(jìn)入Internet網(wǎng),它從簡單的數(shù)據(jù)傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。法國已推出了電力線調(diào)制解調(diào)器集成電路,使住宅智能化產(chǎn)品向市場化方向進(jìn)一步推進(jìn)。電力線通信目前在歐洲(德國、英國、瑞典等)發(fā)展得較快。德國與英國是目前世界上唯一制定電力線通信規(guī)則的國家[2]。中國電力系統(tǒng)已組建國電通信中心,并向信息產(chǎn)業(yè)部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015年建成全國統(tǒng)一的聯(lián)合電力網(wǎng)通信系統(tǒng),其前景極其可觀。
但是,低壓電力線是一種通信環(huán)境非常惡劣的信道,有許多問題有待進(jìn)一步研究[3]。低壓電力線傳送著220 V/50 Hz的電能,在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點,給低壓電力線通信帶來了很大的困難[4]。因此,低壓電力線通信必須首先解決以下兩個難題:
(1)電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾;同時,考慮到整個通信系統(tǒng)的安全,必須進(jìn)行強電隔離;
(2)低壓電力線上并接的所有用電器的“統(tǒng)計載波阻抗”要高,以確保較高的載波信號加載效率。
上述問題,正是低壓電力線通信的接口技術(shù)問題,下面從這兩方面介紹其設(shè)計原理和實現(xiàn)方法。
二、接口電路的模型
根據(jù)低壓電力線通信接口技術(shù)的要求:一方面,必須進(jìn)行強電隔離;另一方面,要確保較高的載波信號加載效率。為此,必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)”,其接口電路模型如圖1所示。
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該電路的關(guān)鍵物理量是2個回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數(shù)學(xué)模型:
對(1)式,通過不同的處理將得到不同的數(shù)學(xué)模型。對圖1所示的雙RLC耦合回路進(jìn)行去耦處理,得到2個獨立的RLC串聯(lián)回路。對(1)式求導(dǎo),則可得到二元二階方程組:
(2)式同時含有2個未知函數(shù)i?1(t)和i?2(t)的二階導(dǎo)數(shù),不便直接求解。
若將RLC串聯(lián)回路表示成二元一階方程,則由2個RLC回路便可得到四元一階方程組:
該方程組含有4個未知數(shù):i1(t),i2(t),,。其定解條件,直接由電路的初始儲能情況給出,當(dāng)無初始儲能時,為齊次初始條件,即:
設(shè)所有電路元件都是非時變性元件,則所對應(yīng)的常系數(shù)線性一階常微分方程組,可轉(zhuǎn)化成線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。?
三、接口電路的實現(xiàn)
根據(jù)上述的理論分析與建立的數(shù)學(xué)模型,可設(shè)計出低壓電力線通信發(fā)送端的接口電路,如圖2所示。?
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在發(fā)送電路中,三極管Q1和變壓器T1組成調(diào)諧功率放大電路。這里諧振變壓器T1有著雙重作用:一方面,耦合載波信號;另一方面,使通信電路與220 V/50 Hz的強電隔離。在Q1和前級運放之間通過一個電路R1耦合載波信號,這個電阻還可避免后級電路產(chǎn)生自激振蕩,此電阻的另一功能是增加放大器的負(fù)載阻抗。
前級運放輸出的信號經(jīng)R1輸入到功率放大管Q1,再經(jīng)Q1和諧振網(wǎng)絡(luò)組成的單調(diào)諧放大器放大耦合到交流電力線上。其調(diào)諧回路的諧振頻率應(yīng)滿足:
若將中心頻率選在460 kHz[5],電容取值為22 nF,經(jīng)計算可得電感L的取值在5.3 μH左右,即通過調(diào)節(jié)變壓器初級繞組電感量來調(diào)節(jié)中心頻率。
變壓器T1將電力線與接口電路的其余部分相隔離,將發(fā)送信號送至電力線;從電力線上取接收載波信號;濾除來自電力線上的干擾噪聲。
信號經(jīng)L1、L2、C1、C2耦合至電力線上,C1、C2、L1、L2組成了帶通濾波器,而低壓電力線阻抗R具有時變特性。由此,可計算出C1、C2、L1、L2和低壓電力線阻抗R組成的雙口網(wǎng)絡(luò)的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù):
四、接口電路的仿真
根據(jù)該接口電路的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù),對此雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了計算機仿真分析。這里,著重分析了在不同的低壓電力線阻抗條件下,此帶通濾波器的通頻帶,即該接口電路的頻率特性。其頻率特性是評價該接口電路耦合性能的一項重要指標(biāo)。仿真顯示了當(dāng)電力線電阻為2 Ω、5 Ω、10 Ω、15 Ω、30 Ω、50 Ω、100 Ω時,通頻帶的情況,其頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。
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從圖3的分析結(jié)果可見:電力線阻抗越大,接口電路的通頻帶越寬,對信號的耦合性能就越好,但選擇性差;電力線阻抗越小,接口電路的通頻帶越窄,對信號的耦合性能就越差,但選擇性好。經(jīng)統(tǒng)計分析得知,低壓電力線的統(tǒng)計阻抗一般在5~15 Ω之間[6]。因此,所使用的429~503 kHz的信號均在通頻帶(衰減小于3 dB)范圍內(nèi),也就是說,以460 kHz作為低壓電力線通信接口電路的中心頻率是合理的。一方面,滿足了載波發(fā)射高阻抗的要求,提高了載波的加載效率;另一方面,在滿足信號的耦合性能的同時,也兼顧了對頻率選擇性的要求,從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。
在電路的具體安裝和調(diào)試過程中,通過調(diào)節(jié)電感磁芯來調(diào)節(jié)電感量,使通頻帶達(dá)到最佳。電容選用22 nF/450 V,電感量在5~6 μH之間。
關(guān)于接收端接口電路的設(shè)計,其基本原理和分析方法是相同的,這里不再重述,而直接給出低壓電力線接收端接口電路,如圖4所示。圖4中的二極管D1、D2起限幅作用,用來保護(hù)后續(xù)電路。??
通過實驗,發(fā)射端接口電路和接收端接口電路都達(dá)到了設(shè)計要求。應(yīng)用該接口電路進(jìn)行低壓電力線通信實驗,取得了很好的通信效果。?
五、結(jié)論
基于“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)”,從理論上分析并建立了低壓電力線載波通信的接口電路”的數(shù)學(xué)模型,由此設(shè)計了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結(jié)果和實驗結(jié)果表明,該接口電路既有較高的載波信號加載效率,又能完全地隔離電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號。因此,該接口電路可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信系統(tǒng)。
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