復(fù)合耦合技術(shù)在低壓電力線通信設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

引言

電力線通信( Power Line Communication，PLC)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。PLC 在歐洲( 德國(guó)、英國(guó)、瑞典等)發(fā)展得較快，最近，英國(guó)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)，從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

中國(guó)電力系統(tǒng)也已組建國(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)。

但是，低壓電力線是一種通信環(huán)境非常惡劣的信道，許多問題有待進(jìn)一步研究。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了很大的困難。因此，低壓電力線通信必須首先解決以下2 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。

上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術(shù)問題，以下從這兩方面介紹其設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。

1 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:① 必須進(jìn)行強(qiáng)電隔離;② 確保較高的載波信號(hào)加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)”。接口電路模型如圖1所示。

圖1 接口電路模型。

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:

式中，設(shè)i′ 、i″分別為i 的一、二階導(dǎo)數(shù)，則：

對(duì)于式(1)，通過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)式(1)求導(dǎo)，則可得到二元二階方程組：

式(2)同時(shí)含有2 個(gè)未知函數(shù)i1( t) 和i2( 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)，uc1(t)，uc2( t)，其定解條件直接由電路的初始儲(chǔ)能情況給出。當(dāng)無初始儲(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。

通過對(duì)上述接口電路數(shù)學(xué)模型的分析、化簡(jiǎn)可知，基于“復(fù)合耦合技術(shù)”的接口電路模型，電路的主要參數(shù)是可以通過線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解，接口電路的原理清晰，計(jì)算復(fù)雜度較小，符合低壓電力線載波通信要求，是簡(jiǎn)潔、可行的。

2 ST 7538 電力線接口電路的設(shè)計(jì)

2. 1 ST 7538 調(diào)制解調(diào)芯片

ST 7538 載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK 調(diào)制解調(diào)器芯片。ST 7538 內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過耦合變壓器等少量外部器件，即可連接到電力網(wǎng)中。ST 7538功能強(qiáng)大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術(shù)，如果能夠很好地利用其多頻段性，就可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。ST7538 作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠(yuǎn)程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。

除此之外，該芯片還有以下主要特點(diǎn):

(1) 有8 個(gè)可編程( 載波) 頻率，即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 內(nèi)部集成電力線驅(qū)動(dòng)接口，并且提供可編程電壓控制和電流控制;(3) 可編程通信速率高達(dá)4 800 b /s;(4) 極低的功耗，在接收狀態(tài)下功耗只有5 mW;(5) 接收靈敏度很高，接收靈敏度為1 mVRMS。

2. 2 接口電路框圖

ST 7538 電力線收發(fā)信號(hào)通道框圖設(shè)計(jì)如圖2 所示。接收信號(hào)通道由耦合電路、濾波電路、保護(hù)電路、電壓放大電路組成。發(fā)送信號(hào)通道由電壓放大電路、功率放大電路、濾波電路、保護(hù)電路、耦合電路組成。

電力線接口首先是一個(gè)耦合電路，用于FSK信號(hào)的傳輸與接收，同時(shí)也是一個(gè)濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉220 V/50 Hz 的電力信號(hào)、噪聲信號(hào)和浪涌信號(hào)。

圖2 ST 7538 的電力線收發(fā)信號(hào)通道框圖。

由于希望系統(tǒng)使用時(shí)有較遠(yuǎn)的通信距離，就必須要求模塊發(fā)送端有足夠大的功率輸出，而大輸出功率的放大電路不宜長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，否則容易過熱損壞;若設(shè)計(jì)高要求的大輸出功放電路，會(huì)增加系統(tǒng)成本。為此，系統(tǒng)采用如圖2 框圖中的發(fā)送放大電路電源控制，使系統(tǒng)只有處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路才能得到合適的工作電源而工作;系統(tǒng)處于接收狀態(tài)時(shí)，發(fā)送電路中的電壓放大和功率放大電路因得不到電源而不工作;而模塊中的接收信號(hào)通路的電壓放大電路是始終工作的。

2. 3 耦合保護(hù)窄帶濾波接口電路

根據(jù)上述接口電路的模型，可設(shè)計(jì)出低壓電力線通信發(fā)送端的接口電路，如圖3 所示。

圖3 載波發(fā)送端接口電路。

在發(fā)送電路中，三極管和變壓器組成調(diào)諧功率放大電路。該諧振變壓器TRANS4 有著雙重作用:

① 耦合載波信號(hào);

② 使通信電路與220 V/50 Hz的強(qiáng)電隔離，C14為耦合電容。

前級(jí)功放輸出的信號(hào)經(jīng)諧振網(wǎng)絡(luò)選頻，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82. 05 kHz，C11 =1 000 pF，經(jīng)計(jì)算可得電感L 的取值在3. 76 mH左右。實(shí)用時(shí)，一般通過調(diào)節(jié)變壓器一次繞組電感量來調(diào)節(jié)中心頻率。C10 = 0. 56 μF，經(jīng)計(jì)算可得電感L4 = 6. 73 μF( 實(shí)用L4 = 6. 8 μF)，變壓器設(shè)計(jì)為部分接入功放，① 考慮阻抗匹配的需要;② 使變壓器及電力線側(cè)負(fù)載變化對(duì)諧振特性的影響最小。選取在電力線上的元件C10、C11、R35、CNR、L4時(shí)，既要考慮它們的通載波、隔離220 V/50 Hz 的強(qiáng)電能力，還要考慮器件的耐壓和功率、電路使用的安全及有效性。R35、CNR 還兼有展寬通頻帶的作用，但信號(hào)增益有所下降。

變壓器TRANS4 將電力線與接口電路的其余部分相隔離，發(fā)送信號(hào)送至電力線;然后，從電力線上取接收載波信號(hào);最后，濾除來自電力線上的干擾噪聲。

信號(hào)經(jīng)變壓器二次側(cè)、L4、C11、C10、CNR、R35耦合至電力線上，變壓器二次側(cè)、L4、C11、C10、CNR、R35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)算出經(jīng)變壓器二次側(cè)、L4、C11、C10、CNR、R35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):

式中，R、C、L 分別為雙口網(wǎng)絡(luò)的等效電阻、電容、電感。

低壓電力線通信接收端的接口電路如圖4 所示。電力線側(cè)的接口電路部分接收和發(fā)送信號(hào)共用，接收信號(hào)時(shí)，信號(hào)從交流220 V 的插座送入電力線，經(jīng)0. 5 A 熔斷器保護(hù)電路，由C10、CNR、R35、C11、變壓器線圈組成的降壓選頻電路( 中心頻率設(shè)計(jì)為82. 05 kHz) 及變壓器耦合后，經(jīng)由C12、C13及變壓器線圈組成的并聯(lián)諧振回路選頻，再經(jīng)L3、C9組成的濾波耦合到運(yùn)放進(jìn)行電壓放大及整形，放大整形后的信號(hào)輸入到電力線載波芯片。

圖4 載波接收端接口電路。

3 接口電路的仿真試驗(yàn)及分析

根據(jù)接口電路的電壓轉(zhuǎn)移函數(shù)，對(duì)雙口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。在此，重點(diǎn)分析在不同低壓電力線阻抗條件下帶通濾波器的通頻帶，即該接口電路的頻率特性。頻率特性是*價(jià)該接口電路耦合性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。仿真顯示，當(dāng)電力線電阻為2、10、20、50、70、100 Ω 時(shí)，幅頻特性情況如表1 和表2 所示。

對(duì)50 Hz /220 V 強(qiáng)電的相對(duì)抑制力( dB)=

表1 不同電力線阻抗及不同中心頻率下的輸出幅度(Uop /V) 輸入信號(hào)幅度= 1 V。

表2 不同電力線阻抗的上、下限截止頻率及通頻帶。

從表1 和表2 的分析結(jié)果可見:電力線阻抗越大，接口電路的通頻帶就越寬，對(duì)信號(hào)的耦合性能也就越好，但選擇性差;反之，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)分析知，低壓電力線的統(tǒng)計(jì)阻抗一般在5 ～ 1 5 Ω之間[2]。因此，ST 7538電力線載波芯片所使用的60 ～ 132. 5 kHz 的載波信號(hào)均在通頻帶( 衰減小于3 dB) 范圍內(nèi)。也就是說，以82. 05 kHz 作為低壓電力線通信接口電路的中心頻率是合理的。用電力線載波芯片ST7538 其他載波頻率來收、發(fā)信號(hào)，也可用此接口電路。此接口電路有如下特性:① 滿足載波發(fā)射高阻抗的要求，提高了載波的加載效率;② 在滿足信號(hào)的耦合性能的同時(shí)，還兼顧對(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)試過程中，通過調(diào)節(jié)電感磁來調(diào)節(jié)電感量，使通頻帶達(dá)到最佳。在基于電力線載波芯片ST 7538 低壓電力線載波通信實(shí)驗(yàn)中，選用82. 05 kHz 作為低壓電力線通信的中心頻率，設(shè)負(fù)載阻抗為5 ～ 15 Ω。試驗(yàn)結(jié)果表明，能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)點(diǎn)控、群控?zé)艚M( 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信);能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)( 信號(hào)中心頻率1 kHz ，頻率范圍0. 02 ～ 10 kHz) 的傳輸( 實(shí)現(xiàn)模擬通信);能實(shí)現(xiàn)對(duì)正弦波形信號(hào)( 頻率范圍0. 01 ～100 kHz)的傳輸(實(shí)現(xiàn)模擬通信)。

4 結(jié)語(yǔ)

基于“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的 “復(fù)合耦合技術(shù)”，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)了基于ST 7538 的低壓電力線載波通信的接口電路。仿真試驗(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，較好的幅頻特性，又能完全地隔離電力網(wǎng)50 Hz的工頻信號(hào)，且接口電路的通用性強(qiáng)，故可廣泛應(yīng)用于低壓電力線通信系統(tǒng)。