CN101414852A - 用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，用以将载波通信系统的功率放大器输出信号耦合至电力配电线路，第一串联谐振回路，连接于一功率放大器，该第一串联谐振回路谐振于载波信号的中心频率；隔离变压器，具有第一绕组、第二绕组及第三绕组，该第一绕组连接于该第一串联谐振电路，该第二绕组连接于电力配电线路；并联谐振回路以及开关器件，该并联谐振回路与该开关器件串联后，并联于该第三绕组的两端，该开关器件受一控制信号控制而闭合或导通，以控制该并联谐振回路与该第三绕组的断开或连接。

Description

用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路

技术领域

本发明涉及电力线载波通信系统中，信号从载波功率放大器到电力配电系统的处理过程，尤其涉及一种用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路。

背景技术

通信信号可以利用电力线调制解调器耦合到电力配电系统，以达到利用广泛存在的电力线传输数据的目的。

然而，和无线通信系统不同的是，由于电力线的主要功能是为各种特性复杂的用电器供电，其对载波信号的负载特性是一个变化非常剧烈的量，会随着信号频率和时间的变化在很大的范围内变化，对于符合欧洲标准EN-50065标准的载波信号，其频率应该在9～145KHz之间，而对于该频率范围的载波信号，电力线的负载通常会在0.5欧姆到50欧姆之间变化。

为了有效地在电力线信道上进行可靠的数据传输，需要载波调制解调器具备高的输入阻抗和低的输出阻抗。这样一方面能够使电力线上得到尽可能高的载波信号，另一方面能够使得每个载波节点从线路上只吸收比较小的信号能量，从而减小信号在线路上传输过程中的衰减。

如图1A及图1B所示，现有技术通常采用模拟方式的线性放大器200做载波信号的功率放大器。其中图1A示出了采用单端功放的实现方式，图1B示出了采用双端功放(也可称为BTL功放或差分功放)的实现方式。

在图1A及图1B中，具有内阻Rs的线性放大器200通过变压器203耦合至电力线。电力线202上具有等效负载Zt，它会在很大的范围内变化。为了有效地将载波信号加载到电力线上，即在各种情况下均能保证在电力线上均可加载上一定信号幅度的载波信号，需要功率放大器200的内阻Rs足够低。

而在电力线调制解调器处于接收态的时候，如图1C所示，电力线上的载波信号等效于一个信号源205及其内阻r的串联电路207，载波调制解调器的功放部分200相当于一个内阻值为Rs的信号源201，该信号源201通过输出耦合电容204连接到信号耦合变压器203上，其交流等效电路即相当于内阻Rs直接并联在信号耦合变压器上。由此可见，输出功放200的低的内阻会对电力线上的载波信号造成非常大的吸收。所以通常的电力线载波调制解调器在处于接收态的时候会通过合适的电路将功率放大器200设置到高阻输出状态，即在接收态的时候将Rs设置到一个非常大的数值以消除对电力线上载波信号的吸收。

R_IN为接收机的输入阻抗。如上所述，为了减小对电力线上载波信号的吸收，接收机的输入阻抗应取较大的数值，即电力线载波调制解调器的接收机部分应该为高阻输入。

为了达到相应的电磁干扰(EMI)标准，往电力线上发送的载波信号应该具有相当高的频谱纯度，即应该对发送信号的带外做严格的控制。在无线以及通常的有线通信系统中，常采用带通滤波器对发送信号进行滤波以达到相应的技术要求。

通常的通信系统为一个恒定负载阻抗系统，如射频系统常采用50欧姆或75欧姆的负载阻抗，采用一个针对特定阻抗的滤波器通常就能起到很好的效果。也正因为如此，在无线通信系统中常常可以采用非线性的功率放大器，如C、D、E、F类放大器进行高效率的功率放大，然后通过良好设计的滤波器从输出信号中过滤出特定频率的信号发送到信道上去。

然而在电力线载波通信系统中，由于载波信道的特殊性，需要电力线载波调制解调器在发送和接收态的时候具备差别非常大的特性阻抗。虽然目前的带高阻输出的功率放大器，在发送态时具备低的输出阻抗，而在接收态时处于高阻状态。但是带通滤波器的加入，会破坏接收态时应该处于的这种高阻状态，因此在电力线载波通信系统中，输出滤波器的设计成为一件极其困难的事情。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其中引入了带通滤波器，且仍然保持该电路在接收态时处于高阻状态。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其包括：第一串联谐振回路，连接于一功率放大器，该第一串联谐振回路谐振于载波信号的中心频率；隔离变压器，具有第一绕组、第二绕组及第三绕组，该第一绕组的连接于该第一串联谐振电路，该第二绕组连接于电力配电线路；并联谐振回路以及开关器件，该并联谐振回路与该开关器件串联后，并联于该第三绕组的两端，该开关器件受一控制信号控制而闭合或导通，以控制该并联谐振回路与该第三绕组的断开或连接。

上述的输出耦合及滤波电路中，该第一串联谐振电路串联于该功率放大器的一端与该第一绕组的一端之间，并具有相互串联的第一电感及第一电容。

上述的输出耦合及滤波电路中，该第一串联谐振电路具有第一电感及第一电容，该第一电感串联于该功率放大器的一端与该第一绕组的一端之间，该第一电容串联于该功率放大器的另一端与该第一绕组的另一端之间。

上述的输出耦合及滤波电路还包括第二串联谐振电路，该第二串联谐振电路串联于该功率放大器的另一端与该第一绕组的另一端之间，并具有第二电感及第二电容，并且该第二电感及第二电容谐振于载波信号的中心频率。

上述的输出耦合及滤波电路中，该并联谐振电路具有相互并联的一电感及一电容。

上述的输出耦合及滤波电路中，该开关器件可以包括拨动开关、按键开关和自锁开关等手动控制的开关，也可以包括电磁式继电器、干簧管继电器和MEMS可控开关等具有电控特性的机械开关，该开关器件还可以包括光电耦合继电器和工作在合适偏压下的CMOS模拟开关。

上述的输出耦合及滤波电路中，该开关器件可包括第一晶体管及第二晶体管，第一晶体管的栅极和该第二晶体管的栅极连接该控制信号，该第一晶体管的源极和该第二晶体管的源极连接至一电位，该第一晶体管的漏极连接该并联谐振回路，该第二晶体管的漏极连接该第三绕组的一端。其中，该第一晶体管及第二晶体管例如为N型场效应管，其中该电位为低电位。或者该第一晶体管及第二晶体管例如为P型场效应管，其中该电位为高电位。

上述的输出耦合及滤波电路中，第一晶体管和第二晶体管可以是分别独立封装，或者是封装在一起的双场效应管，或者是以CMOS、BiCMOS、VDMOS、LDMOS其中一种工艺与功率放大器制作在同一个芯片上。

上述的输出耦合及滤波电路中，该功率放大器是线性功率放大器、非线性功率放大器、开关功率放大器和数字功率放大器的其中之一。

上述的输出耦合及滤波电路中，该第三绕组对载波频率的信号的感抗为100～800欧姆。本发明由于采用以上技术方案，引入了带通滤波器对功率放大器的输出信号进行滤波后输出至电力配电线路，同时，通过开关器件在接收状态和发送状态间的切换，使此滤波电路在接收状态时呈高阻状态，不会影响载波信号的吸收，解决了电力线载波通信系统中滤波器的设计难题。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1A为现有技术中采用单端输出方式的输出耦合电路。

图1B为现有技术中采用双端输出方式的输出耦合电路。

图1C为图1A所示电路处于接收态时的等效电路。

图2为本发明一个实施例采用的4阶带通滤波器的基本等效电路。

图3为消除图2所示的带通滤波器在接收态时吸收载波信号的一个实施例。

图4A为采用双端功率放大器时的一种带通滤波器电路结构。

图4B为采用双端功率放大器时的另一种带通滤波器电路结构。

图5为引入带通滤波器的输出耦合及滤波电路的一个实施例示意图。

图6为引入带通滤波器的输出耦合及滤波电路的另一个实施例示意图。

图7A为采用N型场效应管实现图6所示模拟开关的一个优选实施例。

图7B为采用P型场效应管实现图6所示模拟开关的一个优选实施例。

图8为本发明较佳实施例的输出耦合及滤波电路应用于电力线载波通信系统示意图。

具体实施方式

本发明目的是在电力线载波调制解调器的功率放大器之后加入带通滤波器，以使往电力线上发送的载波信号具有较高的频谱纯度，并且仍然保持该电路在接收态时处于高阻状态。下面首先以一实际的例子描述带通滤波器的结构。

请参阅图2所示，本发明的一个实施例采用4阶带通滤波器，其基本等效电路包含两个电容C1、C2和两个电感L1、L2，其中电容C1与电感L1、电容C2与电感L2分别组成串联谐振回路303和并联谐振回路304，这两个LC回路303、304分别调谐到载波信号的中心频率。此外，功率放大器300可视为一具有输出内阻Rs的信号源301。RL为等效负载。载波功率放大器可以采用线性功率放大器、非线性功率放大器，也可以采用开关功率放大器，还可以采用数字功率放大器。

图2所示带通滤波器的基本等效电路应用到实际系统中时，必须解决好接收态时产生的两个问题：一是功率放大器的高阻输出问题；二是由电容C2与电感L2组成的LC谐振回路对电力线上载波信号的吸收问题。其中因为功率放大器的高阻输出问题是一个电力线载波通信技术领域中广泛存在的问题，也有较多的解决方案，在此不作详述。下面描述对电力线载波信号的吸收问题的解决方法。

如图3所示，对电力线载波信号的吸收问题，可以通过一个和LC并联谐振回路304串联的开关器件305来解决。当系统处于发送状态的时候，该开关器件接收一控制信号而闭合，并联谐振回路304接入滤波回路，成为4阶滤波器的组成部分；而当系统处于接收状态的时候，该开关器件305接收控制信号而断开，LC并联谐振回路304从滤波回路断开，避免了对载波信号的吸收。

该开关器件可以采用人工操作的开关，也可采用电磁继电器、干簧管继电器、光耦合继电器(PhotoMOS)、工作在合适偏置电压的模拟开关等可控开关器件完成接收/发送状态的自动转换，还也可采用后面所描述的背对背模式的场效应晶体管对组成的模拟开关器件。

图4A为采用双端功率放大器时的一种带通滤波器电路结构。如图4A所示，当采用双端输出方式(或称作BTL输出，差分输出)的功率放大器时，也可在功率放大器的两输出端P、N各串接一路LC串联谐振回路303、303a，然后再与LC并联谐振回路304并联。

图4B为采用双端功率放大器时的另一种带通滤波器电路结构。如图4B所示的电路连接方式仍然采用双端输出方式，只是功率放大器的其中一输出端P串联一个电感L3，另一输出端N串联一个电容C3，其中电感L3和电容C3组成串联谐振回路302，谐振于载波信号的中心频率。上述电路再与LC并联谐振回路304并联。

下面描述将上述带通滤波器电路引入本发明的输出耦合及滤波电路的实施例。

图5为引入带通滤波器的输出耦合及滤波电路的一个实施例示意图。在图5所示实施例中，将以图4B所示的带通滤波器为例进行描述。如图5所示，该输出耦合及滤波电路400包括由电感L3和电容C3组成的LC串联谐振回路302、由电感L2、电容C2组成的LC并联谐振回路304、一开关器件305、以及一隔离变压器306。其中，LC串联谐振回路302串联谐振于载波信号的中心频率，LC并联谐振回路304并联谐振于载波信号的中心频率。开关器件305的作用已如前所述，是用于切换此电路的发送/接收状态。隔离变压器306耦合于串联谐振回路302与并联谐振回路304之间，以实现功率放大器300的输出信号Uin和负载R_L之间的隔离。当此隔离变压器306的第一绕组3061与第二绕组3062之间的电压比为1：1时，且变压器306为理想变压器的情况下，图5所示电路等效于图4B所示的电路，但图5的电路已经完成了输出信号和负载之间的隔离。

图6为引入带通滤波器的输出耦合及滤波电路的一个实际应用实施例示意图。如图6所示，更进一步，可以在隔离变压器306a上增加另外一个第三绕组3063，这样，可以并联谐振回路304和开关器件305接到第三绕组3063上。此时功率放大器300的输出电路、并联谐振回路304和负载R_L所在回路之间均取得了电气隔离。

上面的隔离变压器306和306a一般具备封闭磁路，各个绕组对载波信号具有较大的感抗。一般的选取的原则为连结到电力线回路的第二绕组3062对相应载波频率的信号的感抗为100～800欧姆。

输出耦合及滤波电路中使用的滤波电容和滤波电感一般应具备较高的品质因数Q，以提高整个滤波及耦合电路的效率及滤波性能。

上述的开关器件305可以采用人工操作的开关，如拨动开关、按键开关、自锁开关等，但这样将不具备自动控制功能。开关器件305也可采用具有电控特性的机械开关，如电磁式继电器、干簧管继电器等以及采用微电子机械系统(Micro Electromechanical System，MEMS)技术构成的可控开关。再者，也可采用具备控制功能的光电耦合继电器(PhotoMOS)，此外，还可采用工作在合适偏置电压的电子开关，如CMOS模拟开关，还可采用分立的场效应晶体管器件组合而成的电子模拟开关。

以下选取一种廉价、低功耗、可靠的可控开关，作为本发明的优选实施例。

在本发明的代表性实施例中，采用两个相同类型的场效应晶体管反向串联构成的双向模拟开关。两个场效应管的连接方式具备以下特征：两个场效应管的源极连接在一起，两个场效应管的栅极也连接到一起，作为控制端，两个场效应管的漏极则作为模拟开关的两个端子。当这两个场效应晶体管的栅极和源极之间的电压差为零时，两个场效应管均处于关断状态，两个场效应管的漏极之间阻抗为无穷大，等效的电子开关处于关断状态；当两个场效应晶体管的栅极和源极之间的电压差超过其导通电压时，两个场效应管均处于开启状态，两个漏极之间的阻抗为两个场效应管的导通电阻之和，等效的电子开关处于闭合状态。图7A为采用N型场效应管实现图6所示模拟开关的一个优选实施例。其中采用了N型场效应管307、308，两个场效应晶体管307、308反向串联构成一个双向模拟开关，它们的源极相连且连接一低电位，如接地(Gnd)，它们的栅极相连且连接一控制信号RX_TXn，它们的漏极分别作为开关的两个端子。当电路处于发送态时，控制信号RX_TXn为高电平，此双向模拟开关闭合。当电路处于接收态时，功率放大器300的输出端P、N处于高阻状态。

图7B为采用P型场效应管实现图6所示模拟开关的一个优选实施例。它与图7A不同之处在于采用P型场效应管309、310，且两个场效应管的源极接一个较高电平VCC。当RX_TXn也为高电平的时候，场效应管的栅极和源极之间不存在电压差，此双向模拟开关处于高阻状态，电路处于接收状态；当RX_TXn为低电平的时候，场效应管的栅极和源极之间存在电压差，此双向模拟开关闭合，电路进入发送状态。。

其中，两个场效应管可以采用如下方式制作：一是采用独立封装的两个场效应管，二是采用封装在一起的双场效应管，三是采用CMOS、BiCMOS、VDMOS、LDMOS等集成电路工艺和功率放大器300制作在同一个芯片上。

图8为本发明较佳实施例的输出耦合及滤波电路应用于电力线载波通信系统示意图，其中采用了图7A所示输出耦合及滤波电路。在如图8所示较佳实施例中，隔离变压器306包括3个绕组3061～3063，第二绕组3062串联于电力配电线路的线导体，并且以耦合电容C0连接在该配电系统的第一线导体311a和第二线导体311b之间以便电容对电源信号呈现高阻抗而对载波数据信号呈现低阻抗；载波功率放大器300通过一个电感L3和电容C3构成的串联谐振回路302连接到第一绕组3061。此外，电感L2和电容C2组成的并联谐振回路304耦接到第三绕组3063，其中采用了N型场效应管307、308作为模拟开关305，其控制原理已描述如前，在此也不再叙述。

因此，本发明的上述实施例，以一带通滤波器对功率放大器的输出信号进行滤波后输出至电力配电线路，同时，通过开关器件在接收状态和发送状态的切换，使此滤波电路在接收状态时呈高阻状态，不会影响载波信号的吸收，解决了电力线载波通信系统中滤波器的设计难题。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (14)

1、一种用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于包括：

第一串联谐振回路，连接于一功率放大器，该第一串联谐振回路谐振于载波信号的中心频率；

隔离变压器，具有第一绕组、第二绕组及第三绕组，该第一绕组连接于该第一串联谐振电路，该第二绕组连接于电力配电线路；

并联谐振回路以及开关器件，该并联谐振回路与该开关器件串联后，并联于该第三绕组的两端，该开关器件受一控制信号控制而闭合或导通，以控制该并联谐振回路与该第三绕组的断开或连接。

2、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该第一串联谐振电路串联于该功率放大器的一端与该第一绕组的一端之间，并具有相互串联的第一电感及第一电容。

3、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该第一串联谐振电路具有第一电感及第一电容，该第一电感串联于该功率放大器的一端与该第一绕组的一端之间，该第一电容串联于该功率放大器的另一端与该第一绕组的另一端之间。

4、如权利要求2所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，还包括第二串联谐振电路，该第二串联谐振电路串联于该功率放大器的另一端与该第一绕组的另一端之间，并具有第二电感及第二电容，且该第二电感及第二电容谐振于载波信号的中心频率。

5、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该并联谐振电路具有相互并联的一电感及一电容。

6、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该开关器件包括拨动开关、按键开关和自锁开关。

7、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该开关器件包括电磁式继电器、干簧管继电器和MEMS可控开关。

8、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该开关器件包括光电耦合继电器和工作在合适偏压下的CMOS模拟开关。

9、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该开关器件包括第一晶体管及第二晶体管，第一晶体管的栅极和该第二晶体管的栅极连接该控制信号，该第一晶体管的源极和该第二晶体管的源极连接至一电位，该第一晶体管的漏极连接该并联谐振回路，该第二晶体管的漏极连接该第三绕组的一端。

10、如权利要求9所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该第一晶体管及第二晶体管均为N型场效应管，其中该电位为低电位。

11、如权利要求9所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该第一晶体管及第二晶体管均为P型场效应管，其中该电位为高电位。

12、如权利要求9所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，所述的第一晶体管和第二晶体管是分别独立封装，或者是封装在一起的双场效应管，或者是以CMOS、BiCMOS、VDMOS、LDMOS其中一种工艺与所述功率放大器制作在同一个芯片上。

13、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该功率放大器是线性功率放大器、非线性功率放大器、开关功率放大器和数字功率放大器的其中之一。

14、如权利要求1所述的用于电力线载波通信的输出耦合及滤波电路，其特征在于，该第三绕组对载波频率的信号的感抗为100～800欧姆。

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