低壓寬帶電力載波通信耦合裝置的研究

張 霞， 周 克， 何 威, 張 超

(1. 貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025; 2. 珠海慧信微電子有限公司，廣東 珠海 519085)

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低壓寬帶電力載波通信耦合裝置的研究

張 霞1， 周 克1， 何 威2, 張 超1

(1. 貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025; 2. 珠海慧信微電子有限公司，廣東 珠海 519085)

依據(jù)寬帶耦合裝置的設計要求，采用電容耦合技術設計出滿足高速 寬帶載波通信要求的耦合電路，并對已有的載波收發(fā)電路進行改進。通過計算采用五階切比雪夫Ⅰ型帶通濾波電路對接收端的信號進行濾波，以便更準確地接收有用信號，利用Mutisim12對以上電路的濾波性能和耦合性能進行仿真分析。最后對設計出的耦合裝置進行測試。結果表明，該電容耦合裝置能滿足高速寬帶載波通信的要求。

寬帶載波； 電容耦合； 濾波電路； 性能測試

0 引 言

寬帶耦合裝置的作用是讓有用載波信號耦合到電力線中，實現(xiàn)電力線通信的器件。文獻[2]提出了一種窄帶電力線載波通信耦合電路的設計方法，但傳統(tǒng)輸電線載波通信中成熟的窄帶耦合裝置已不適用于高速寬帶信號的傳輸；文獻[3]提出了一種寬帶電力線載波通信耦合技術，僅針對中壓線路，而低壓網(wǎng)絡比中壓網(wǎng)絡復雜得多；文獻[4]提出了低壓寬帶電力載波通信耦合裝置的設計，其濾波特性不平坦，還需改進。因而，很有必要研究高頻載波信號的寬帶耦合裝置。

1 寬帶耦合裝置的設計要求

低壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構復雜，其通信信道具有阻抗特性、時變性、頻率選擇性、噪聲干擾強且信號衰減大等特性，所以設計的寬帶耦合裝置必須滿足信號的最佳傳輸要求，即滿足頻帶要求、工作衰減、高頻阻抗特性和抗噪聲干擾特性。

寬帶PLC的載波頻率范圍如下，美國為4～20 MHz，主要用于戶內(nèi)；歐洲為1.6～10 MHz和10～30 MHz，是ETSI標準，CENELEC標準分界點為13 MHz；中國尚無寬帶PLC標準[5]，本文在設計寬帶電容耦合電路選取的通頻帶為2～30 MHz，中心頻率16 MHz。配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構和負載的不定性導致不同頻率點線路負載阻抗和線路特性阻抗瞬時變化，因而配電網(wǎng)電力線路的特性阻抗與線路的負載阻抗差別較大[6]，基于以上特性，設計要求通帶內(nèi)工作衰減小于2 dB，帶外衰減大于40 dB；寬帶低壓電力線載波通信的調(diào)制解調(diào)采用性能較好的正交頻分復用(OFDM)技術，OFDM技術的抗頻率選擇性衰落能力強，但在寬頻帶范圍內(nèi)調(diào)制要求頻帶具有線性等傳輸特性，為滿足高頻匹配原則，在通帶范圍內(nèi)要求信號工作衰減基本平坦又較低。高頻載波信號噪聲電平高，傳輸衰減大，各種干擾多，線路耦合阻抗時變快[7]，要求設計的耦合裝置能隔離50 Hz工頻信號的各種噪聲干擾。

耦合器設計的主要原則是能適應低壓配電網(wǎng)的開放式網(wǎng)絡結構及其復雜多樣的網(wǎng)絡特性，滿足高頻寬帶信號傳輸要求，匹配相位特性及阻抗特性，克服不利的電網(wǎng)網(wǎng)絡特性及電力線信道特性，考慮到實際應用的方便性與經(jīng)濟性[8]。

2 寬帶電容耦合裝置的設計

低壓電力線寬帶耦合電路常用電容耦合和電感耦合兩種方式，因電感耦合的傳輸性能較電容耦合性能差，衰減大[2-4]，測試發(fā)現(xiàn)信號經(jīng)耦合變壓器耦合衰減為12 dB，所以本文僅設計電容耦合電路。電力線通信利用耦合電路將信號注入到電力線上，再通過載波發(fā)送電路將信號放大，在電力線另一端利用載波接收電路將有用信號提取出來，所以還需設計改良的載波收發(fā)電路。

2.1 電容耦合電路的設計

電容耦合器是以耦合電容為主要元件進行直接耦合的一種耦合裝置，它可以將高頻信號注入電網(wǎng)，也可以直接從電力線上接收高頻信號[9]。電容耦合電路如圖1所示，高頻X電容C10的一端接低壓電力線接入點，另一端與耦合變壓器T1相連。C10和電阻R2構成一階高通濾波器，濾除摻雜在載波信號中的低頻噪聲信號和偽信號，保證有用高頻載波信號通過，提供盡可能小的衰減和線性幅頻、相頻特性。設R2和C10組成的RC濾波器截止頻率為150 kHz，由f0=0.5πR2C10，計算取C10=0.0047 μF，R2=187 Ω。耦合變壓器T1隔離強、弱電，同時使信號線平衡。TVS為瞬變抑制二極管，防止電網(wǎng)上的強干擾及電壓浪涌，保護電路器件。R1為C10的卸荷電阻，通常取10 MΩ。

骨科臨床實習是學生對于理論知識向臨床實踐轉(zhuǎn)變的重要過程，當前的醫(yī)療制度改革與社會醫(yī)療需求對臨床實習教學提出更高的要求[1]，探索一種新的提高教學質(zhì)量的骨科臨床實習教學模式具有重要意義[2]。PBL是以學生為主體臨床教學方法，對提高學生綜合素質(zhì)有積極作用[3-4]。近年來骨科學各種新理論、新技術不斷更新，3D打印技術的應用極大地提高了骨科臨床與教學的質(zhì)量[5]。因此，本研究以脛骨平臺骨折為教學模型，對傳統(tǒng)教學方法與新型教學方法（3D打印技術、PBL教學法）的教學效果差異進行比較評價，現(xiàn)報告如下。

圖1 電容耦合電路

2.2 載波信號接收電路的設計

(1)

(2)

將|K(jλ)|2=ε2cos(N·arccosλ)代入δ1，得到通帶內(nèi)波紋參數(shù)ε為:

(3)

將|K(jλ)|2=ε2ch2(N·arcchλ)代入δ2，可得:

(4)

(5)

代入指標值解得N≥4.61，取N=5。求歸一化傳遞函數(shù)H(p)，p是歸一化頻率λ的拉氏變換，p=jλ,

(6)

(7)

(8)

由式(8)得到電路設計參數(shù)，在Multisim12里繪制載波信號接收端耦合電路，其中包含五階切比雪夫Ⅰ型帶通濾波電路，如圖2所示。

圖2 載波信號接收電路

圖2中電路左側(cè)星型二極管穩(wěn)壓電路的作用是抑制火、零線間的差模尖峰信號和火、零線與地線間的共模尖峰信號。對于差模尖峰信號，D2和D3構成一個雙向穩(wěn)壓管；對于共模尖峰信號，該星型結構相當于兩個雙向穩(wěn)壓管，可有效地保護帶通濾波網(wǎng)絡免受差模、共模干擾。R4和R7是并聯(lián)諧振網(wǎng)絡的隔離電阻，R5模擬電力線輸出阻抗，R7模擬耦合電路輸出阻抗。R5、R7均取50 Ω以滿足阻抗匹配。在帶通濾波網(wǎng)絡右側(cè)，穩(wěn)壓二極管D4、D5構成雙向限幅電路，防止信號幅度太大損壞后續(xù)信號解碼電路。

2.3 載波信號發(fā)送端電路的設計

載波信號發(fā)送端電路見圖3，前級輸入的高頻載波信號經(jīng)signal輸入到三極管Q1及外圍元器件組成的單調(diào)諧功率放大器進行選頻功率放大，通常可將載波信號的輸出功率提高幾十倍，然后信號經(jīng)調(diào)諧網(wǎng)絡耦合到電力線上。在Q1發(fā)射極接入電阻R3可有效防止電路自激，調(diào)整C3值可微調(diào)調(diào)諧網(wǎng)絡的震蕩頻率。

圖3 載波信號發(fā)送電路

制作耦合器時應將初、次級線圈圍繞在環(huán)形氧鐵磁芯上，匝數(shù)少，匝間距離大以減少線圈的漏感和分布電容；采用高頻鐵氧體(如鎳鋅鐵氧體)以減少磁芯功率損耗；采用高導磁率磁芯，加大環(huán)形磁芯橫截面積。

3 寬帶耦合電路的性能測試

3.1 仿真性能測試

按電容耦合裝置電路圖(見圖4)，在Multisim 12中進行實時仿真，不同頻點波特測試儀1和波特測試儀2測得的帶通濾波頻點波形圖和高通濾波性能波形圖分別如圖5和圖6所示。

由圖5可以看出，圖5(a)和圖5(d)在截止頻率1～30 MHz處，阻帶衰減均達到-50 dB以上，比預期效果好。由圖5(b)和圖5(c)可知，電容耦合裝置的帶通濾波網(wǎng)絡的通頻帶為2～30 MHz，通帶內(nèi)工作衰減基本平坦，紋波最大為-3 dB，滿足設計要求。

圖4 電容耦合裝置電路圖

(a)(b)(c)(d)

圖5 帶通濾波頻點波形圖

圖6為電容耦合裝置進行強弱電分離和分壓端的高通濾波性能示意圖，能夠允許150 kHz以上的高頻信號通過，有效隔絕了工頻和其他低頻噪聲的干擾，對2～30 MHz的載波信號的衰減接近0。

圖6 高通濾波性能波形圖

3.2 實物性能測試

按圖7所示框圖搭建測試電路。信號發(fā)生器的掃描信號設置為1～30 MHz，通過屏蔽電纜連接電容耦合裝置，將信號注入到電力線，再同去耦合裝置將掃頻信號輸入到頻譜分析儀，調(diào)整頻譜分析儀的分析帶寬為1～30 MHz，以得到電容耦合器的工作衰減特性曲線，如圖8所示。測試結果表明，在1～30 MHz范圍內(nèi)工作衰減基本處于-4～-9 dB，即高通電容耦合器的衰減性能為-4～-9 dB，衰減特性較平坦，滿足設計需求。

圖7 電容耦合裝置性能測試框圖

圖8 電容耦合器的工作衰減特性曲線

4 結 語

由以上的分析可知，一個良好的寬帶耦合器對低壓寬帶載波通信具有重要的意義，本文采用X電容隔離壓降，經(jīng)計算分析后使用切比雪夫帶通濾波器二次濾除高頻干擾和噪聲信號，使得信號在1～30 MHz頻帶內(nèi)以較高的信噪比在電力線上傳輸。仿真與性能測試表明，寬帶耦合電路在通帶內(nèi)比已有的寬帶耦合電路衰減要小且較為平穩(wěn)，能有效的隔絕工頻和其他噪聲的干擾，滿足寬帶載波通信的需求。

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A Study of the Coupling Device for Low Voltage Power Line Carrier Communication

ZHANGXia1,ZHOUKe1,HEWei2,ZHANGChao1

(1. School of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Zhuhai Wellthing Microelectronics Co., LTD, Zhuhai 519085, China)

The coupling device is crucial for high efficient and reliable utilization of broadband power line carrier communication. Based on the design requirements of broadband coupling device, a coupled circuit is designed based on the capacitive coupling technology to satisfy the requirement for high speed broadband carrier communication. Also the existing carrier transceiver circuits are improved, the fifth order Chebyshev type I band-pass filter circuit is used to filter the signal at the receiving end so that desired signals can be received accurately. The filtering and coupling performances of the designed circuit are simulated and analyzed by Mutisim 12. Finally, the physical device of the designed circuit is tested, the result shows that the capacitive coupling device meets the requirements of high-speed broadband carrier communication.

broadband carrier; capacitive coupling; filter circuit; performance test

2015-05-14

貴州省科技廳技術基金項目(20147614);貴州省科學技術基金項目(20132125); 貴州大學研究生創(chuàng)新基金項目(2015007)

張 霞(1991-)，女，貴州畢節(jié)人，碩士生，從事電力線載波通信技術研究。Tel.:15285116021;E-mail:1191893483@qq.com

周 克(1977-)，男，博士，副教授，主要從事通信信號處理、智能電網(wǎng)技術等研究。

Tel.:18908511477;E-mail:462665185@qq.com

TN 913.6

A

1006-7167(2016)08-0067-04