低壓電力線載波通信的接口電路設(shè)計(jì)

摘 要：為了利用低壓電力線實(shí)現(xiàn)可靠的載波通信，接口電路的設(shè)計(jì)是問(wèn)題的關(guān)鍵。其難點(diǎn)在于：一方面，要求載波信號(hào)的加載效率高；另一方面，要求電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號(hào)不能給載波通信系統(tǒng)帶來(lái)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。基于這種“復(fù)合耦合技術(shù)”，分析并設(shè)計(jì)了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該接口電路既有較高的載波信號(hào)加載效率，又能完全地隔離電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號(hào)。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(jì)？

一、前言

電力線通信，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)信息的傳輸。因而，電力線通信具有很好的開(kāi)發(fā)前景和應(yīng)用價(jià)值［１］。

最近，英國(guó)在電力線媒介開(kāi)發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，用戶可通過(guò)電力線進(jìn)入Internet網(wǎng)，它從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。法國(guó)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(chǎng)化方向進(jìn)一步推進(jìn)。電力線通信目前在歐洲（德國(guó)、英國(guó)、瑞典等）發(fā)展得較快。德國(guó)與英國(guó)是目前世界上唯一制定電力線通信規(guī)則的國(guó)家［２］。中國(guó)電力系統(tǒng)已組建國(guó)電通信中心，并向信息產(chǎn)業(yè)部正式申請(qǐng)了牌照。國(guó)家電力公司計(jì)劃在2015年建成全國(guó)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(wèn)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(diǎn)，給低壓電力線通信帶來(lái)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(gè)難題：

（1）電力網(wǎng)50　Hz的工頻信號(hào)不能給載波通信系統(tǒng)帶來(lái)太大的干擾；同時(shí)，考慮到整個(gè)通信系統(tǒng)的安全，必須進(jìn)行強(qiáng)電隔離；

（2）低壓電力線上并接的所有用電器的“統(tǒng)計(jì)載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號(hào)加載效率。

上述問(wèn)題，正是低壓電力線通信的接口技術(shù)問(wèn)題，下面從這兩方面介紹其設(shè)計(jì)原理和實(shí)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(qiáng)電隔離；另一方面，要確保較高的載波信號(hào)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。

？

該電路的關(guān)鍵物理量是2個(gè)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(duì)（1）式，通過(guò)不同的處理將得到不同的數(shù)學(xué)模型。對(duì)圖1所示的雙RLC耦合回路進(jìn)行去耦處理，得到２個(gè)獨(dú)立的RLC串聯(lián)回路。對(duì)（1）式求導(dǎo)，則可得到二元二階方程組：

（2）式同時(shí)含有2個(gè)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(gè)RLC回路便可得到四元一階方程組：

該方程組含有４個(gè)未知數(shù)：i１（t），i２（t），，。其定解條件，直接由電路的初始儲(chǔ)能情況給出，當(dāng)無(wú)初始儲(chǔ)能時(shí)，為齊次初始條件，即：

設(shè)所有電路元件都是非時(shí)變性元件，則所對(duì)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(shí)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(jì)出低壓電力線通信發(fā)送端的接口電路，如圖2所示。？

？

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(hào)；另一方面，使通信電路與220 V/50 Hz的強(qiáng)電隔離。在Q1和前級(jí)運(yùn)放之間通過(guò)一個(gè)電路R1耦合載波信號(hào)，這個(gè)電阻還可避免后級(jí)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(jí)運(yùn)放輸出的信號(hào)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(jì)算可得電感L的取值在5.3　μH左右，即通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器初級(jí)繞組電感量來(lái)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(hào)送至電力線；從電力線上取接收載波信號(hào)；濾除來(lái)自電力線上的干擾噪聲。

信號(hào)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(shí)變特性。由此，可計(jì)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(duì)此雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)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(píng)價(jià)該接口電路耦合性能的一項(xiàng)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(shí)，通頻帶的情況，其頻率響應(yīng)曲線如圖3所示。

？

從圖3的分析結(jié)果可見(jiàn)：電力線阻抗越大，接口電路的通頻帶越寬，對(duì)信號(hào)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(duì)信號(hào)的耦合性能就越差，但選擇性好。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得知，低壓電力線的統(tǒng)計(jì)阻抗一般在5～15 Ω之間［６］。因此，所使用的429～503　kHz的信號(hào)均在通頻帶（衰減小于3 dB）范圍內(nèi)，也就是說(shuō)，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(hào)的耦合性能的同時(shí)，也兼顧了對(duì)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(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)電感磁芯來(lái)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(jì)，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(lái)保護(hù)后續(xù)電路。？？

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)射端接口電路和接收端接口電路都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用該接口電路進(jìn)行低壓電力線通信實(shí)驗(yàn)，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(jì)了“低壓電力線載波通信的接口電路”。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該接口電路既有較高的載波信號(hào)加載效率，又能完全地隔離電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號(hào)。因此，該接口電路可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信系統(tǒng)。