CN101073042B - 用于数据通信的电感耦合器装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种系统，该系统包括(a)用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和多个电性并联导线的第一子集之间的数据信号的第一电感耦合器，以及(b)用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述多个电性并联导线的第二子集之间的数据信号的第二电感耦合器。还提供了两种设置这种系统的方法。

Description

用于数据通信的电感耦合器装置
技术领域
本发明涉及数据通信，特别涉及具有普通配电系统的位置之间的电力线通信(PLC)。
背景技术
如同公知的宽带电力线(BPL)，PLC是一种通过现有的电力线，例如传输电流的导线，以高频完成数据传输的技术。电流通常在50-60赫兹(Hz)的频率范围通过电力线传输。在低压线上，电流与90至600伏的电压一起传输，在中压线上，电流与2400至3500伏的电压一起传输。数据信号的频率大于或等于1兆赫兹(MHz)，数据信号的电压从1伏到十几伏。数据通信可以采用不同的调制方案，例如调幅、调频、脉冲调制或扩频调制。
PLC技术的一种基本元件是电感耦合器(inductive coupler)，所述电感耦合器用于耦合传送至和来自电力线的PLC信号。电感耦合器有效地减小了电力线的射频(RF)阻抗。
由于电流只能流过闭合电路或环路，导线上从一点流向另一点的信号电流必须具有“回路”以闭合环路。当需要在每个位置都具有电感耦合器的两个位置之间进行电力线通信时，可以减小射频回路阻抗。在电力线技术中，使用单一导体，例如导线，回路阻抗包括两个位置之间导线的阻抗，加上回路中所有其他阻抗的总和。回路中的阻抗相对于导线自身的固有阻抗(inherent impedance)可以很高，所述回路中的阻抗包括帮助完成回路的分流装置的射频阻抗。高射频阻抗减小了由电感耦合器感应的信号电流的大小，因此增加两个位置之间的信号衰减。
发明内容
提供了一种利用多个平行的导线而减小衰减的通信路径。这个系统的第一实施例包括(a)用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和多个电气平行导线的第一子集之间的数据信号的第一电感耦合器，以及(b)用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述多个电气平行导线的第二子集之间的数据信号的第二电感耦合器。
这个系统的另一个实施例包括安装在第一导线上的第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号，以及安装在所述第一导线上的第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号，所述第一导线与第二导线电气平行，所述第二导线上既没有安装第一电感耦合器也没有安装第二电感耦合器。
还提供了设置这种系统的一种方法。一方面，该方法包括(a)在多个电气平行导线的第一子集上安装第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一子集之间的数据信号，以及(b)在多个电气平行导线的第二子集上安装第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第二子集之间的数据信号。
另一方面，该方法包括在第一导线上安装第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号；以及在所述第一导线上安装第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号，所述第一导线与第二导线电气平行，所述第二导线上既没有安装第一电感耦合器也没有安装第二电感耦合器。
附图说明
图1是建筑物中安装有电感耦合器的用于数据通信的电路图；
图2是安装在多根平行导线之一上的电感耦合器的示意图；
图3是图1的一部分的示意图；
图4A-4B是表示图1的电路的多种变化的示意图；
图5A-5D是表示图1的电路的其他变化的示意图；
图6是在高层建筑物中两部份上升组(two-segment riser set)的示意图；
图7是利用单根中性线进行数据通信的单端传输线的装置示意图。
具体实施方式
本发明提供了用于在两根或多根相互电性并联的导线上RF通信的系统和方法。这种设置在电力传输线，例如中压和高压的高空和地下线中，以及在多单元住宅和高层建筑物的配电系统中是普遍的，所述设置用于增加电流传输能力。并联导线可以用作单相、中性或接地电路。
通过现有的电力线，通信信号可以在通信设备之间传输，所述通信设备位于结构或结构组中分离的位置，所述现有的电力线通向所述结构或结构组。并联电力线作为射频信号的低衰减路径。这里描述的系统和方法使得通信信号在通信装置(例如调制解调器)之间传送，所述通信装置分隔地位于不同的区域或建筑物楼层。
图1建筑物中的电路图。配电电路100将电力分配到建筑物(未示出)中的多个位置。通过相线101a、101b和101c并且通过中性线101d将电力分配到电路100。相线101a-101c和中性线101d可以由成束导线制成。
保险丝和开关板105电连接到相线101a-101c和中性线101d。汇流排(buss bar)110a、110b、110c和110d通过保险丝和开关板105分别从相线101a、101b和101c和中性线101d接收电力。
一组上升部(riser segment)，即下文中的“上升组部115”，电连接到汇流排110a-101d。可以包括多个上升组部115，然而只示出了一个上升组部115。上升组部115包括上升导线部，即下文中的“上升部120a、120b、120c和120d”。上升部120a-120d中的每一个由多根相互电性并联的导线形成。在图1中，上升部120a-120d显示为每个具有两个电性并联的导线。例如，上升部120d设有导线121a和121b。上升部120a-120d中的任何一个可以包括两个以上的导线。
在上升组部115的顶部，例如在建筑物的高层，上升部120a、120b、120c和120d分别连接到汇流排160a、160b、160c和160d。馈送分配板180从汇流排160a-160d接收电力并且通过电线190将电力分配到多个负载，例如多个房间(未示出)。
然而导线121a和121b彼此电性并联，它们形成一个环。导线121a包括上部区域195和下部区域125。导线121b包括上部区域200和下部区域130。
在区域130内的一位置处电感耦合器135被安装在导线121b上。在区域200内的一位置处电感耦合器165被安装在导线121b上。因此，电感耦合器135安装在导线121b的第一位置上，电感耦合器165安装在导线121b的第二位置上。导线121a既不具有安装于其上的电感耦合器135也不具有安装于其上的电感耦合器165。实际上，在安装电感耦合器135和165之前，导线121a和121b需要相互沿区域130和200物理分隔。
通信装置150，例如调制解调器，连接到电感耦合器135，并且通信装置170连接到电感耦合器165。
图2更详细地表示出电感耦合器135。电感耦合器135包括磁芯205、电线210和端口215。
磁芯205是分裂式的芯，具有当彼此位置相邻时形成孔220的两个“C”形部分。非磁性间隙例如空气间隙225可以通过在芯205磁路中的芯205的所述部分之间插入非磁性材料形成，因此增加了电感耦合器135的容量，从而能够在高的电流频率运行而不会出现显著的磁饱和度(magnetic saturation)。因此，通过分隔两个“C”形部分，电感耦合器135可以安装在导线121b上或从导线121b上拆除。当电感耦合器135安装在导线121b上时，如图2所示，导线121b穿过孔220。电线210也穿过孔220，并且终止于端口215。
电感耦合器135可以看作变压器，导线121b作为线圈，电线210作为另一个线圈。这里导线121b是单匝线圈(one-end winding)，电线210也可以是单匝线圈，或是多匝的线圈。
电感耦合器135在导线121b和端口215之间耦合RF信号。通信装置150通过端口215连接到电感耦合器135。因此，电感耦合器135使得导线121b和通信装置150之间能够进行数据信号通信。
图3是上升部120d的示意图。在汇流排110d和160d，导线121a和121b连接在一起，因此形成一个环。电感耦合器135和165夹在导线121b上，RF信号的通信受益于由上升部121b、汇流排110d和160d以及上升部120d形成的环的相对较低的阻抗。
在通信装置150和170之间通过上升部120d利用数据信号传输进行通信。这种装置提供了在通信装置150和170之间非常低的信号衰减路径。
图4A和4B表示在多个电性并联的导线的子集中的电感耦合器135和165的典型实施例。即，导线121a和121b组成多个电性并联的导体，其中导线121a是所述多个导线的子集405a，导线121b是所述多个导线的子集405b。子集405a是对子集405b的补集。也就是说，子集405a和405b相互不包括任何相同的导体，而子集405a和405b的并集包括所有导体。
在图4A中，电感耦合器135和电感耦合器165都安装在导线121b上，因此它们都安装在同一子集上，即子集405b。这种结构类似于图1的结构。导线121a不具有安装于其上的电感耦合器135或165。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号(modem transmitter signal)首先连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121b和121a形成的环中感应电流。导线121b中的电流到达耦合器165，并且感应产生耦合器165端口的输出电压，所述耦合器165连接到第二调制解调器的接收器，产生原始数据通信信号的复制数据。
在图4B中，电感耦合器135安装在导线121b上，电感耦合器165安装在导线121a上。因此，电感耦合器135和165安装在互补的子集上。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号首先连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121b和121a形成的环中感应电流。导线121a中的电流到达耦合器165并感应产生耦合器165端口的输出电压，所述耦合器165连接到第二调制解调器的接收器，产生原始数据通信信号的复制数据。
图5A-5D表示替换图1所示的结构。图5A-5D中的每一个示出了多个导线，即三根导线121a、121b和121c，所述三根导线相互电性并联。
在图5A中，电感耦合器135和电感耦合器165都安装在导线121b上。导线121a不具有安装于其上的电感耦合器135或165，并且导线121c不具有安装于其上的电感耦合器135或165。导线121b是多个导线的一个子集，因此，电感耦合器135和165安装在同一个子集上。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121a、121b和121a形成的环中感应电流。导线121b中的电流到达耦合器165，感应产生耦合器165端口的输出电压。电感耦合器165产生的信号通过耦合器165的端口传输到第二调制解调器的接收器，原始数据通信信号的复制数据。
在图5B中，电感耦合器135和165各自安装在两根导线121a和121b上。导线121c不具有安装于其上的电感耦合器135或165。导线121a和121b组成多个导线的一个子集，因此，电感耦合器135和165安装在同一个子集上。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121a、121b和121a形成的环中感应电流。导线121a和121b中的电流到达耦合器165，感应产生耦合器165端口的输出电压。在电感耦合器165产生的信号通过耦合器165的端口传输到第二调制解调器的接收器，原始数据通信信号的复制数据。
在图5C中，电感耦合器135安装在导线121b上，电感耦合器165安装在导线121a和121c上。导线121b组成多个导线的子集515，并且导线121a和121c组成子集510，所述子集510与子集515互补。因此，在图5C中，电感耦合器135和165安装在互补子集上。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121a、121b和121a形成的环中感应电流。导线121a和121b中的电流到达耦合器165，感应产生耦合器165端口的输出电压。在电感耦合器165产生的信号通过耦合器165的端口传输到第二调制解调器的接收器，原始数据通信信号的复制数据。
在图5D中，电感耦合器135安装在导线121b上，电感耦合器165安装在导线121a上。导线121c不具有安装于其上的电感耦合器135或165。导线121b组成多个导线的第一子集，并且导线121a组成多个导线的第二子集。这些子集既不是彼此相同的也不是互补的。在应用中，例如在从耦合器135向耦合器165发送通信信号的过程中，调制解调器发射机信号连接到耦合器135的端口。调制解调器发射机信号在由导线121a、121b和121a形成的环中感应电流。导线121a中的电流到达耦合器165，感应产生耦合器165端口的输出电压。电感耦合器165产生的信号通过耦合器165的端口传输到第二调制解调器的接收器，原始数据通信信号的复制数据。
假如有多于两根的并联导线承载单一的电路，例如在图5A-5D中所示，则电感耦合器135或任何其他的电感耦合器可以安装在一根导线(如图5A)、两根导线(如图5B)或任何数量的导线上。电感耦合器135和165可以耦合在同一根或多个导线上，或者安装在不同的导线或并联导线的不同子集上。而且，多根导线中的每一根可以具有多个并联的导体。
在图4A、4B和5A-5D中明显看出，维持一个环以保持通信信号的低阻抗路径。通信信号可以容易地沿这些低阻抗路径传输。
图6表示多个上升部，即馈送建筑物中的多个楼层的高楼配电系统600。类似于图1中描述的电路100，系统600包括相线101a、101c、中性线101d、保险丝和开关扳105、汇流排110a-110d、包括上升部120a-120d的上升组部115、电感耦合器135和165、通信装置150和170。面板605耦合上升组部115和不同的负载610之间的电力，所述面板605位于中间楼层。通过上升组部615，电源分配持续向上至面板675。类似于图1所描述的电路100，通过上升部120d和电感耦合器135及165，通信装置150与通信装置170通信。
调制解调器650连接到电感耦合器635，并且调制解调器670连接到电感耦合器665。调制解调器650通过上升部620d与调制解调器670通信，电感耦合器635和665连接到所述上升部620d。上升部620d将电源传送到面板675。因为由上升导线部120d形成的环没有到达面板675，转发器625连接在调制解调器170和调制解调器650之间，并且向上或向下转播数据。转发器625可以是任何在调制解调器170和650之间耦合数据信号的装置。利用这种结构，数据传输可以在整个建筑物中持续转播。
在另一个实施例中，例如转发器的装置可以安装在一个或多个面板，例如面板605附近，所述面板可以是开关和保险丝盒，以便易于从调制解调器170向各个楼层的通信装置分配数据信号。例如面板605的开关和保险丝板可以馈送给多个楼层，典型地在2至4楼之间。例如电感耦合器或电容耦合器的适当装置连接到调制解调器170和一个或多个从面板605发出的导线610。面板605是在例如面板675的更多的面板之后的中间电源板，转发器625生成新的信号以通过调制解调器650和电感耦合器635将原始数据的适当部分传送到上升部620d。
在另一个实施例中，加入衰减足够低，并且不必通过面板605在楼层上进行数据分配，耦合器165可以直接连接到耦合器635，取消了对转发器625的需要。
上面描述的不同的装置可以应用于任何相电路、中性电路或接地电路，并且不依赖于电流是否流过。当然，用于传输RF信号的并联导线可以根本不是电源线。例如，假如多导线电缆用于其他应用，并且至少一根导线没有使用，该导线可以与已经使用的导线并联连接，形成一个可以感应耦合信号的环。
该系统的另一个实施例包括利用地下电缆进行信号传输的电感耦合器。一根或多根地下线缆周围的中性线可以用于高频传输，同时保留所选择中性线的导电功能。
图7是利用单一中性线进行数据通信的单端传输线的装置。线缆700包括多重中性导线705，例如在高压绝缘体740和中心相线745周围缓和地螺旋缠绕的电线。一股选择的中性线705，即中性线702，被隔离以作为用于数据信号的数据传输导线。
为了在已安装的地下线缆中实现图7的装置，从多根中性线705中选出中性线702，并在线缆700的每一端露出部分710切割。中性线702的导线715保持连接到在线缆700的每一端的环750。中性线702和引线715连接到耦合器720的第一线圈725。因此第一线圈725串联在中性线702和地之间。耦合器720的第二线圈735连接到端口755，通过所述端口进行数据发送和接收。因此，采用线缆700用于高频传输线，所述线缆通过耦合器720连接到通信设备，例如调制解调器(未示出)。
从电子方面来说(electrically speaking)，耦合器720是变压器。通过这个变压器的初级线圈，即第一线圈725的阻抗在传导电力的频率下可以忽略。连接到中心线702和导线715的第一线圈725应该用至少与中性线702一样粗的电线缠绕。在这些因素下，所选择的运送数据的中性线702具有与所有其他中性线基本相同的阻抗。所述中性线702传送与其他中性线的每一根中基本相同的电流，并且中性电路的总安培容量和浪涌电流容量会减少。
在图7中，单一中性线702的中性电流流过耦合器720。对于具有八根中性线的200安培线缆，数据运送线将传送25安培最大稳态电流。通过单根中性线的最大稳态电流小于较小的安培容量线缆的电流以及大量中性线的线缆的电流。为了实现其数据耦合功能，耦合器720必须能够处理由该电流产生的磁通量而不会出现磁芯饱和(magnetic coresaturation)。
中性线702在高频数据信号的第一方向运送电流。另一根中性线705在相反的方向上运送数据信号的返回电流，由于该调制的数据信号将消除并因此极大减小辐射磁场强度。这种装置还提供了静电屏蔽效应以抵消从外部电场耦合的噪声。
应该理解，本领域技术人员可以做出在此所描述的内容的替换、组合和修改。本发明将包括所有落入所附权利要求书范围的这样的替换、修改和变化。

Claims (18)

1.一种数据通信系统，其特征在于，所述系统包括：
第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和建筑物中上升组部的多个电性并联导线的第一子集之间的数据信号；以及
第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述多个电性并联导线的第二子集之间的所述数据信号；
其中，所述第一子集与所述第二子集相同，或者所述第二子集是所述第一子集的补集。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据信号以大于或等于1MHz的频率被传送。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个电性并联导线用于传送电力。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
其中所述上升组部是第一上升组部，以及
其中所述第一电感耦合器的所述端口连接到一个装置，所述装置用于耦合在所述第一电感耦合器的所述端口和所述建筑物中第二上升组部之间的所述数据信号。
5.一种数据通信系统，其特征在于，所述系统包括：
安装在建筑物中上升组部的第一导线上的第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号；以及
安装在所述第一导线上的第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的所述数据信号，
其中所述第一导线与所述上升组部的第二导线电性并联，所述第二导线上既没有安装第一电感耦合器也没有安装第二电感耦合器。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一导线包括多个并联的导体。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述数据信号以大于或等于1MHz的频率被传送。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一和第二导线用于传送电力。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，
其中所述上升组部是第一上升组部，以及
其中所述第一电感耦合器的所述端口连接到一个装置，所述装置用于耦合在所述第一电感耦合器的所述端口和所述建筑物中第二上升组部之间的所述数据信号。
10.一种数据通信方法，其特征在于，所述方法包括：
在建筑物中上升组部的多个电性并联导线的第一子集上安装第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一子集之间的数据信号；以及
在多个电性并联导线的第二子集上安装第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第二子集之间的所述数据信号；
其中，所述第一子集与所述第二子集相同，或者所述第二子集是所述第一子集的补集。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述数据信号以大于或等于1MHz的频率被传送。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述多个电性并联导线用于传送电力。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
其中所述上升组部是第一上升组部，以及
其中所述第一电感耦合器的所述端口连接到一个装置，所述装置用于耦合在所述第一电感耦合器的所述端口和所述建筑物中第二上升组部之间的所述数据信号。
14.一种数据通信方法，其特征在于，所述方法包括：
在建筑物中上升组部的第一导线上安装第一电感耦合器，用于耦合在所述第一电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的数据信号；以及
在所述第一导线上安装第二电感耦合器，用于耦合在所述第二电感耦合器的一个端口和所述第一导线之间的所述数据信号，
其中所述第一导线与所述上升组部的第二导线电性并联，所述第二导线上既没有安装第一电感耦合器也没有安装第二电感耦合器。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一导线包括多个互相并联的导体。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述数据信号以大于或等于1MHz的频率被传送。
17.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述第一和第二导线用于传送电力。
18.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，
其中所述上升组部是第一上升组部，以及
其中所述第一电感耦合器的所述端口连接到一个装置，所述装置用于耦合在所述第一电感耦合器的所述端口和所述建筑物中第二上升组部之间的所述数据信号。
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