CN101217294B

CN101217294B - 一种电力网桥

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Publication number: CN101217294B
Application number: CN2008100650216A
Authority: CN
Inventors: 王国度; 孟绍良
Original assignee: ZHUHAI SKYRAY ELECTRICAL POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: ZHUHAI SKYRAY ELECTRICAL POWER TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2012-01-04
Anticipated expiration: 2028-01-04
Also published as: CN101217294A

Abstract

本发明涉及一种电力网桥，包括通信单元和耦合单元，所述通信单元一端连接网络，另一端与所述耦合单元连接，所述耦合单元还与电力线连接；所述通信单元用于将信号在所述网络和所述耦合单元接受的形式之间转换，所述耦合单元用于所述通讯单元和所述电力线之间传送信号，其接收通信号通道和发送信号通道相互独立。实施本发明的电力网桥，具有以下有益效果：由于采用0FDM技术，以及在所述耦合单元中的接收和发送通道相互独立，所以其电路调节简单，信号传输效果较好。

Description

一种电力网桥

技术领域

本发明涉及利用电力线路进行网络通信的设备，更具体地说，涉及一种电力网桥。

背景技术

电力线载波通信在目前以有较多的运用，但其使用范围却往往由于电力线自身的特点而受到制约。电力线不同于普通线路，它的信道具有时域上不恒定、不可控的特点。因此，必须采取抗干扰、抗阻抗失配、抗多径衰落的有效技术手段，并需解决好信号冲突问题，才可能用电力线作为传输媒质，从而实现高速数据通信。已经出现了多种电力线载波通信方案，包括模拟调制、数字调制、扩频通信等方案。模拟调制和数字调制方式使用的信号频谱窄，信道利用率高，但是抗干扰能力差，误码率高，传输速度也无法满足高速通信的要求；扩频技术可以在一定程度上解决抗干扰的问题，但其频带利用率差，所能提供的最大传输速率也仅为1Mbps，仍然不适合在电力线上实现高速传输信号的要求。正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是解决这些问题的有效方法。该技术通过在电力线上加载多个相互正交的高频载波对数据进行调制，最终将串行数据流变换为并行处理；其调制和解调过程可利用离散傅立叶变换对DFT/IDFT来实现。市场上已经出现一些采用OFDM技术的电力线载波通信设备，但其发送功率低，长距离通信能力差，接收电路过于简单，极易受到电力线路上的杂波干扰，整体通信效果不好，特别在中小城镇学校使用的电力线，环境更加恶劣，其信号传输效果更差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述在环境恶劣的情况下，信号传输效果差的缺陷，提供一种信号传输效果较好的电力网桥。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电力网桥，包括通信单元和耦合单元，所述通信单元一端连接网络，另一端与所述耦合单元连接，所述耦合单元还与电力线连接；所述通信单元用于将信号在所述网络和所述耦合单元接受的形式之间转换，所述耦合单元用于所述通讯单元和所述电力线之间传送信号，其接收通信号通道和发送信号通道相互独立。

在本发明所述的电力网桥中，所述耦合单元包括发送电路、接收电路以及电力线接口电路，所述电力线接口电路包括一个变压器，其包括一个初级、第一次级和第二次级，所述初级连接在所述电力线上；所述发送电路输入端连接在所述通信单元的发送接口，其输出端连接在所述电力线接口电路的第一次级上；所述接收电路输入端连接在所述电力线接口的第二次级上，其输出端与所述通信单元的接收接口相连。

在本发明所述的电力网桥中，所述电力线接口电路的初级两端并联有一由两个二级管构成的限幅电路，其同名端和与其相连的电力线之间串接有一并联的RC隔离电路，用于隔离电力线路上50Hz电源以及低频杂波。

在本发明所述的电力网桥中，所述发送接口采用差分方式，包括正负两端，所述发送电路包括分别将所述发送接口的正负两端的信号分别放大的放大器，其输出连接在所述电力线接口的第一初级上，放大发送接口负极信号的放大器的输出与所述第一次级的同名端连接；发送电路中放大器的供电电压为+5伏至+12伏，用以提高在电力线路上传输的信号的信噪比。

在本发明所述的电力网桥中，所述接收接口采用差分方式，包括正负两端，所述接收电路包括至少一级带通滤波电路。所述第二次级的同名端通过所述带通滤波电路与所述接收接口的负极信号端相连。

在本发明所述的电力网桥中，所述通信单元包括以太网模块和正交频分复用模块，所述以太网模块用于转换信号形式，所述正交频分复用模块用于调制和解调信号并通过其发送接口和接收接口与所述耦合单元连接；所述以太网模块和所述正交频分复用模块通过MDI(Management Data Interface，管理数据接口)和MII(Media Independent Interface，媒体无关接口)接口相连。

在本发明所述的电力网桥中，所述正交频分复用模块包括OFDM芯片，所述OFDM芯片完成信号的转换，其内部集成有中央控制器，所述中央控制器控制信号在所述正交频分复用模块中转换时的逻辑和时序。

在本发明所述的电力网桥中，所述正交频分复用模块还包括存储器，所述存储器与所述OFDM芯片通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外围设备接口)接口相连。

在本发明所述的电力网桥中，所述正交频分复用模块还包括接收信号的接收部分，所述接收部分具有增益调节功能，根据所接收信号的强弱程度进行自动调整，以保证在不同通信条件下都可靠地接收信号。

在本发明所述的电力网桥中，所述网络包括以太网，所述耦合单元接受的信号包括已调制的载波信号，其载波频率范围为4.3-20.9MHz，并可通过编程进行修改。

实施本发明的电力网桥，具有以下有益效果：由于采用OFDM技术，以及在所述耦合单元中的接收和发送通道相互独立，所以其电路调节简单，信号传输效果较好。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明一种电力网桥实施例的结构示意图；

图2是本发明一种电力网桥实施例通信单元中以太网接口电路和正交频分复用模块的电路图；

图3是本发明一种电力网桥实施例耦合电路电路图；

图4是本发明一种电力网桥实施例载波信号频谱图。

具体实施方式

如图1所示，在本发明一种电力网桥实施例中，该电路力网桥包括通信单元11和耦合单元12，并且，耦合单元12与电力线13相连接，通信单元11一端连接网络，另一端与耦合单元12连接，通信单元11用于将信号在网络和耦合单元12接受的形式之间转换，耦合单元12用于通讯单元11和电力线13之间传送信号；其中，通信单元11包括以太网模块111和正交频分复用模块112，以太网模块111和正交频分复用模块112通过MII接口连接，正交频分复用模块112还包括发送接口和接收接口，上述两个接口分别连接在耦合单元12上；而耦合单元12又包括发送电路121、接收电路122和电力线接口电路123，其中发送电路121的输入端连接在上述正交频分复用模块112的发送接口上，接收电路的输出端连接在上述正交频分复用模块112的接收接口上；而电力线接口电路123包括一个变压器，该变压器有一个初级以及第一次级和第二次级(图中未示出)，其中，上述初级连接在电力线13上，上述第一次级连接在发送电路121的输出端，上述第二次级连接在接收电路的输入端。

进一步地，在本实施例中，上述图1可以细化为图2和图3，其中图2为图1中的通信单元11的一种具体结构，图3为图1中耦合电路12的一种具体结构。

在图2中，通信单元11主要包括OFDM芯片U1，存储器U2，以太网物理层芯片U3，晶体振荡器U4。OFDM芯片U1与存储器U2之间采用SPI接口连接，与以太网物理层芯片U3之间采用MII接口连接，OFDM芯片U1的时钟由晶体振荡器U4提供，并通过其内部的锁相环输出给以太网物理层芯片U3作为时钟。由图2可以得知，以太网模块111包括以太网物理层芯片U3，通过隔离型RJ45接口J101提供一个以太网接口，用来连接用户计算机和网络设备；正交频分复用模块112包括OFDM芯片U1，而连接在U3和U1之间的是MDI和MII接口；MDI接口使OFDM芯片U1可以对以太网物理层芯片U3的进行片选，MII接口用来实现OFDM芯片U1和以太网物理层芯片U3之间的数据交换。

在图3中，耦合电路12包括发送电路121、接收电路122以及电力线接口电路123。在本实施例中，正交频分复用模块112的发送接口121采用差分方式，包括正负两端，上述发送电路121包括分别将所述发送接口122的正负两端的信号分别放大的放大电路，其输出连接在所述电力线接口123的第一次级上，放大发送接口负极信号的放大器的输出与所述第一次级的同名端连接；发送电路121由功率放大芯片U5为核心的电路构成；其中，发送电路121中放大器采用+5伏至+12伏的供电电压，用以提高在电力线路上传输信号的信噪比，保证在较长电力线路上传输的信号具有足够的信噪比。接收电路122由多级滤波电路组成的带通滤波器实现，包括电容C404、C424、C418、C413、C414、C406、C423、C415以及电感L405、L409和L410。接收电路122的输入与电力线接口123的第二次级的两端相连，第二次级的同名端通过带通滤波电路与接收接口的负极信号端相连。电力线接口电路123包括耦合变压器T1，耦合变压器T1有一个初级及第一次级和第二次级，其端子3、4为初级，端子1、6为第一次级，端子2、5为第二次级，上述第一次级连接在发送电路121的输出端，上述第二次级连接在接收电路的输入端，在耦合变压器T1的初级两端，并联有由两二极管D401、D402相向并联而得的限幅电路；在初级端3(初级同名端)与电力线的相线之间串接有由R1和C1并联后组成的RC电路，进一步实现了与50Hz电力线的隔离，并实现载波信号的收发。

电力网桥的通信包括信号发送和信号接收两个过程，分别说明如下。

电力网桥通信的信号发送：信号由计算机或网络设备以以太网络的形式，通过隔离型RJ45接口J101进入以太网模块111；以太网模块111将网络信号转换为数字信号，由MII接口进入正交频分复用模块112；正交频分复用模块112通过运算和数模转换，将网络数据调制为两两正交的多路高频信号；两两正交的多路高频信号由耦合电路12中的发送电路121进行放大，并通过电力线接口电路123加载到电力线13上，使连接在电力线13上的其他电力网桥能够接收到信号。

电力网桥通信的信号接收：当电力线13上已经加载了其他电力网桥发送的高频载波信号，通过电力线接口电路123可以将信号接收到，并由接收电路122进行滤波；经过滤波后的信号进入正交频分复用模块112，正交频分复用模块112通过模数转换和运算，将两两正交的多路高频信号解调为数字信号，通过MII接口送至以太网模块111；以太网模块111将数字信号转换为以太网络信号，通过隔离型RJ45接口J101传送至计算机或网络设备。

如附图4，这是通过电力网桥进行调制和解调的载波信号频谱图，载波信号的频率范围是4.3-20.9MHz。由于电力线环境的影响，以及OFDM技术的自适应算法，载波信号在各频点并不均衡。

当本实施例所描述的电力网桥在电力网中通信时，有如下情况：当电力网桥在电力线上进行一对一通信时，通过各自的耦合电路，将两台电力网桥连接于同一条电力线的两个不同位置，为保证通信质量，两台电力网桥的间隔距离不宜超过100米；将两台电力网桥的以太网端口分别与两台计算机或网络交换机的以太网接口连接；将两台电线网桥的电源接通，连接两台电力网桥的两台计算机或网络交换机之间即可实现以太网端口的数据通信。当电力网桥在电力线上进行多点通信时，通过各自的耦合电路，将多台电力网桥连接于同一条电力线的多个不同位置，为保证通信质量，各台电力网桥的间隔距离不宜超过100米；将各台电力网桥的以太网端口分别与计算机或网络交换机的以太网接口连接；将各台电力网桥的电源接通，连接各台电力网桥的计算机或网络交换机之间即可实现以太网端口的数据通信。在防止电力网桥在电力线上进行多点通信时产生广播风暴和路由错误，当有两台或多台电力网桥通过各自的耦合电路连接于同一条电力线，同时这两台或多台电力网桥的以太网接口同时连接于同一个非管理以太网络(网段)时，由于以太网络与电力线载波网络存在交叉和环回，将导致在网络上产生广播风暴和路由错误，从而使网络通信中断。为避免这种情况出现，一种方法是通过网络规划，保证同时只有一个电力网桥接入同一个非管理以太网络(网段)；另一种方法是使用可管理的以太网络设备，通过划分虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)或端口隔离的管理配置，消除以太网络与电力线载波网络的交叉和环回。

Claims

1.一种电力网桥，其特征在于，包括通信单元和耦合单元，所述通信单元一端连接网络，另一端与所述耦合单元连接，所述耦合单元还与电力线连接；所述通信单元用于将信号在所述网络和所述耦合单元接受的形式之间转换，所述耦合单元用于所述通信单元和所述电力线之间传送信号，其接收信号通道和发送信号通道相互独立；所述耦合单元包括发送电路、接收电路以及电力线接口电路，所述电力线接口电路包括一个变压器，其包括一个初级、第一次级和第二次级，所述初级连接在所述电力线上；所述发送电路输入端连接在所述通信单元的发送接口，其输出端连接在所述电力线接口电路的第一次级上；所述接收电路输入端连接在所述电力线接口的第二次级上，其输出端与所述通信单元的接收接口相连；所述通信单元包括以太网模块和正交频分复用模块，所述以太网模块用于转换信号形式，所述正交频分复用模块用于调制和解调信号并通过其发送接口和接收接口与所述耦合单元连接；所述以太网模块和所述正交频分复用模块通过MDI和MII接口相连；所述正交频分复用模块的发送接口与所述耦合单元的发送电路连接，所述正交频分复用模块的接收接口与所述耦合单元的接收电路连接；所述通信单元的发送接口和所述正交频分复用模块的发送接口为同一接口；所述通信单元的接收接口和所述正交频分复用模块的接收接口为同一接口。

2.根据权利要求1所述的电力网桥，其特征在于，所述电力线接口电路的初级两端并联有一由两个二级管构成的限幅电路，其同名端和与其相连的电力线之间串接有一并联的RC隔离电路，用于隔离电力线路上50Hz电源以及低频杂波。

3.根据权利要求2所述的电力网桥，其特征在于，所述发送接口采用差分方式，包括正负两端，所述发送电路包括分别将所述发送接口的正负两端的信号分别放大的放大器，其输出连接在所述电力线接口的第一次级上，放大发送接口负极信号的放大器的输出与所述第一次级的同名端连接；发送电路中放大器的供电电压为+5伏至+12伏，用以提高在电力线路上传输的信号的信噪比。

4.根据权利要求3所述的电力网桥，其特征在于，所述接收接口采用差分方式，包括正负两端，所述接收电路包括至少一级带通滤波电路;所述第二次级的同名端通过所述带通滤波电路与所述接收接口的负极信号端相连。

5.根据权利要求4所述的电力网桥，其特征在于，所述正交频分复用模块包括OFDM芯片，所述OFDM芯片完成信号的转换，其内部集成有中央控制器，所述中央控制器控制信号在所述正交频分复用模块中转换时的逻辑和时序。

6.根据权利要求5所述的电力网桥，其特征在于，所述正交频分复用模块还包括存储器，所述存储器与所述OFDM芯片通过SPI接口相连。

7.根据权利要求6所述的电力网桥，其特征在于，所述正交频分复用模块还包括接收信号的接收部分，所述接收部分具有增益调节功能，根据所接收信号的强弱程度进行自动调整，以保证在不同通信条件下都可靠地接收信号。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电力网桥，其特征在于，所述耦合单元接受的信号包括已调制的载波信号，其载波频率范围为4.3-20.9MHz，并可通过编程进行修改。