CN102510301A - 低压电力线载波双向信号衰减电路 - Google Patents

Abstract

公开了低压电力线载波双向信号衰减电路包括第一高通滤波电路接收下行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出，或将接收的改变幅值的上行载波信号与220V工频信号耦合后输出；时序和控制模块输出控制信号；阻抗阵列接收高频载波信号及控制信号后输出用以调节差分放大电路信号衰减量的调节信号；差分放大电路接收调节信号，根据调节信号改变上行或下行的高频载波信号的幅值后输出；第二高通滤波电路，将接收的改变幅值的下行载波信号与220V工频信号耦合输出，或接收上行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出给阻抗阵列。通过采用差分放大器及阻抗阵列调节信号衰减实现了对不同档位衰减量的有效模拟。

Description

低压电力线载波双向信号衰减电路

技术领域

 本发明属于低压电力线载波通信领域，特别涉及一种低压电力线载波双向信号衰减电路。

背景技术

低压电力线载波通信是指利用低压配电线380/220V用户线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。

低压电力线载波通信方式具有以下五个显著优点：

(1)、电力线载波通信利用的是现有的电力基础设施，从而无需新布线，节约建设成本。

(2)、安装简单、设置灵活，充分利用室内电线作为信号传输通道，易于能实现智能家庭应用。

(3)、现有技术可以满足对宽带数据传输需求，通信质量较高。

(4)、能够为电力公司电力管理提供传输通道，实现电力、数据、话音和图像综合业务传输的通信技术。

由于低压电力线载波通信技术具有诸多显著特点，我国早在90年代初就开始探索低压电力线载波通信技术在自动抄表中的应用。目前，低压电力线窄带通信已经成为电力用户用电信息采集系统主要的本地通信手段，大约占据了用电信息采集系统本地信道73.7%的份额。

由于电力线原本是设计为用电设备传送电能的，本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。电力线信道的通信环境恶劣，存在阻抗匹配性差、噪声干扰不可预测、信号衰减强烈、信道特性时变性高等特点，因此给电力线载波通信技术的研究带来了诸多困难，也给电力线载波通信产品的性能提出了很高的要求。

高频信号在低压电力线上的衰减就是其中的一个重要影响因素。由于对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开，引起阻抗分布存在很大不确定性，也就造成高频信号在低压电力线上传输时会必然存在衰减。

为了对电力线载波通信信道的衰减特性进行模拟，为低压电力线载波通信产品的信号传输质量和抗衰减能力进行检测，目前人们仍在继续研究相应的低压电力线载波通信信道的衰减模拟装置。

目前国内外对于低压电力线载波通信信道的衰减模拟方面的研究基本处于初期阶段，没有形成统一的信道模拟标准。现有的信道衰减模拟装置基本是基于无源带阻滤波器搭建或者借鉴无线通信中的信道衰减设备搭建。    

现有一种信道衰减模拟方案的设计思路是根据要模拟的载波通信频点，利用无源阻容元件设计带阻滤波器电路，使相应频点的信号出现指定程度的衰弱，以实现对指定载波通信频率的衰减模拟。 

但该信道衰减模拟方案只能针对特定载波频点的特定衰减情况进行模拟，无法调节衰减频点和衰减程度，仅能用于对某一种载波通信产品的单一数值抗衰减能力考核，而不能用于对载波通信产品的通用测量。如果需要调节衰减程度，则需要通过连接很多不同的衰减模块，通过相互之间进行切换来实现，操作复杂。

现有第二种信道衰减模拟方案是借鉴无线通信中的信道衰减设备搭建，通过计算机控制信道衰减模拟装置调节相应的衰减程度。但该模拟方案设备造价高昂，体积庞大，操作复杂。

但更重要的是，现有的无线通信衰减模拟装置并不能完全反映电力线信道的特征，也不能完成对信号双向传输的衰减量控制，实际模拟效果并不理想。

随着电路技术的发展，各类模拟放大器件的信号保真性能和使用带宽都得到了巨大的提高，被广泛应用于各种信号处理领域。由于模拟放大器件具有电路搭建灵活、频域分析能力强、模型表示准确等优点，所以基于模拟放大器专门为低压电力线载波通信信道设计一款衰减模拟电路具有很好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低压电力线载波双向信号衰减电路，旨在解决现有信道衰减模拟方案设备造价高昂，体积庞大，且操作复杂，不能完全反映电力线信道的特征的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种低压电力线载波双向信号衰减电路包括：

第一高通滤波电路、时序和控制模块、差分放大电路及第二高通滤波电路；

第一高通滤波电路，用于接收下行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出，或将接收的改变幅值的上行载波信号与220V工频信号耦合后输出；

时序和控制模块，与所述阻抗阵列连接，用于输出控制信号；

阻抗阵列，用于接收所述高频载波信号及所述控制信号后输出用以调节差分放大电路信号衰减量的调节信号；

差分放大电路，接收所述调节信号，并根据所述调节信号改变上行或下行的所述高频载波信号的幅值后输出；及 

第二高通滤波电路，将接收的所述改变幅值的下行载波信号与220V工频信号耦合输出，或接收上行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出给所述阻抗阵列。

本发明通过采用差分放大器使信号之间的共模干扰影响小及采用电阻阵列调节信号衰减实现了对不同档位衰减量的有效模拟，并采用双向模拟电路布置，有效实现了对上行和下行信道不同衰减量的分别模拟。

附图说明

图1是本发明提供的低压电力线载波双向信号衰减电路的结构图；

图2是本发明实施例提供的低压电力线载波双向信号衰减电路的结构图； 

图3是本发明实施例提供的高通滤波电路的电路图；

图4是本发明实施例提供的阻抗阵列的电路图；

图5是本发明实施例提供的差分放大电路的电路图；

图6是本发明实施例提供的时序和控制模块的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例通过采用差分放大器使载波信号之间的共模干扰影响小，通过采用阻抗阵列调节信号衰减以实现对不同档位衰减量的模拟，采用双向模拟电路布置，有效实现了对上行和下行信道不同衰减量的分别模拟。

本发明实施例提供的低压电力线载波双向信号衰减电路包括：

第一高通滤波电路，用于接收下行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出，或将接收的改变幅值的上行载波信号与220V工频信号耦合后输出；

阻抗阵列，用于接收所述高频载波信号及控制信号后输出用以调节差分放大电路信号衰减量的调节信号；

差分放大电路，接收并根据所述调节信号，改变上行或下行的所述高频载波信号的幅值后输出； 

第二高通滤波电路，将接收的所述改变幅值的下行载波信号与220V工频信号耦合输出，或接收上行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出给所述阻抗阵列；

时序和控制模块，与所述阻抗阵列连接，用于输出控制信号。

以下结合附图及实施例，对低压电力线载波双向信号衰减电路作详细说明如下。

图1示出了本发明的低压电力线载波双向信号衰减电路的结构图。为了便于说明，仅示出了与本发明有关的部分。该电路包括：

第一高通滤波电路10，差分放大电路11，第一高通滤波电路12，阻抗阵列13及时序和控制模块14。

在下行信道中，第一高通滤波电路10接收下行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出；

阻抗阵列11接收第一高通滤波电路10输出的高频载波信号及时序和控制模块14输出的控制信号后输出调节信号，差分放大电路12接收并根据阻抗阵列11输出的调节信号，改变接收的下行的高频载波信号的幅值后输出； 

第二高通滤波电路13将接收的改变幅值的下行载波信号与220V工频信号耦合后输出。

上行信道中，第二高通滤波电路13接收上行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出给阻抗阵列11；

阻抗阵列11接收第二高通滤波电路13输出的高频载波信号及时序和控制模块14输出的控制信号后输出调节信号，差分放大电路12接收并根据阻抗阵列11输出的调节信号，改变接收的上行的高频载波信号的幅值后输出； 

第一高通滤波电路10将接收的改变幅值的上行载波信号与220V工频信号耦合后输出。

时序和控制模块14与阻抗阵列11连接，输出控制信号给阻抗阵列11用于输出调节信号。

图2示出了本发明实施例提供的低压电力线载波双向信号衰减电路的电路图。为了便于说明，仅示出了与本发明有关的部分。该电路包括：

高通滤波电路21、25，阻抗阵列22、26，差分放大电路23、27以及时序和控制模块24。

在下行信道中，与电力线连接的高通滤波电路21接收第一载波模块发出的下行载波通信信号，完成对220V的工频信号的隔离，提取出高频载波信号后经阻抗阵列22输出给差分放大电路23；同时阻抗阵列22还接收时序和控制模块24输出的控制信号并输出给差分放大电路23，差分放大电路23根据接收的控制信号调节信号放大倍数，对高频载波信号进行信号衰减幅度调节；

经差分放大电路23调节后输出的载波信号经高通滤波电路25输出后与220V工频信号重新耦合，高通滤波电路25的输出端连接220V电力线，输出经过衰减的下行载波通信信号发送到第二载波模块。

在上行信道中，与电力线连接的高通滤波电路25接收第二载波模块所发出的上行载波通信信号，完成对220V的工频信号的隔离，提取出高频载波信号后经阻抗阵列26输出给差分放大电路27；同时阻抗阵列26还接收时序和控制模块24输出的控制信号并输出给差分放大电路27，差分放大电路27根据接收的控制信号调节信号放大倍数，对高频载波信号进行信号衰减幅度调节；

经差分放大电路27调节后输出的载波信号经高通滤波电路21输出后与220V工频信号重新耦合，高通滤波电路21的输出端连接220V电力线，输出经过衰减的上行载波通信信号发送到第一载波模块。

另外，时序和控制模块24还为阻抗阵列22、26提供时钟信号。

图3示出了本发明实施例提供的高通滤波电路的电路图，详述如下：

其中，电容C1、C3串联，并与电感L1、电阻R1、电感L2、电阻R2、稳压二极管D2、D1并联。电容C1、C3串联后与串联的电容C9、C11并联。

电容C2、C4串联，并与电感L1、电阻R1、电感L2、电阻R2、稳压二极管D2、D1并联。 

电容C5、C7串联后与串联的电容C1、C3并联，还与电感L3、电阻R3、电感L4、电阻R4、稳压二极管D3、D4并联。

电容C6、C8串联后与串联的电容C10、C12并联，还与电感L3、电阻R3、电感L4、电阻R4、稳压二极管D3、D4并联。

电容C9、C11串联后与串联的C1、C3并联，还与电感L5、电阻R5、电感L6、电阻R6和稳压二极管D5、D6并联。

电容C1、C2、C3、C4，电感L1、L2，电阻R1、R2和稳压二极管D1、D2构成第一滤波通道。电容C1、C2、C3、C4，电感L1、L2，和电阻R1、R2构成二阶高通滤波器，稳压二极管D1、D2用于提供过压保护。

电容C5、C6、C7、C8，电感L3、L4，电阻R3、R4和稳压二极管D3、D4构成第二滤波通道。电容C5、C6、C7、 C8，电感L3、L4和电阻R3、 R4构成二阶高通滤波器，稳压二极管D3、D4用于提供过压保护。

电容C9、C10、C11、C12，电感L5、L6，电阻R5、 R6和稳压二极管D5、D6构成第三滤波通道。电容C9、C10、C11、C12，电感L5、L6，和电阻R5、 R6构成二阶高通滤波器，稳压二极管D5、D6用于提供过压保护。

本发明实施例中，高通滤波电路基于二阶RC无源滤波器电路设计，采用三路不同中心频点的滤波通道相并联的方式来扩大频率通带范围，从而可全面覆盖10kHz-500kHz的窄带载波通信频段。

在本发明实施例中，阻抗阵列用以调节差分放大电路的信号衰减程度。其电路图如图4所示，详述如下：

该电路包括电阻R1-R16，压控开关J1-J16以及串并转换芯片U1。其中，电阻R1、R1、R2、R3、R9、R10、R11、R12串联，压控开关J1、J2、J3、J4、J9、J10、J11、J12分别与对应的电阻并联。

电阻R5、R6 、R7、 R8、R13、 R14、R15、 R16串联后分别与对应的压控开关J5、J6、J7、J8、J13、J14、J15、J16并联。

压控开关J1—J16的输出端均接地，压控开关J5、J6、J7、J8、J13、J14、J15、J16的输入端分别与串并转换芯片U1对应的3、4、5、6、10、11、12、13的输出引脚相连，压控开关J1与J5，J2与J6，J3与J7，J4与J8，J9与J13 ，J10与J14，J11与J15，J12与J16分别共用串并转换芯片U1的一个上述引脚。

串并转换芯片U1的1、2引脚并联后与时序和控制模块连接，接收来自时序和控制模块发送的串行控制信号，串并转换芯片U1的引脚8接收来自时序和控制模块发送的时钟信号，引脚9的电压为﹢5V。

电阻R1-R16与差分放大电路中的反馈电阻R1、R2相匹配，实现对输入信号的放大或缩小；压控开关J1-J16控制电阻R1-R16是否接入，实现对信号衰减量的调节；

串并转换芯片U1接收来自时序和控制模块提供的串行控制信号和时钟信号，为压控开关J1-J16提供控制电压，以控制压控开关J1-J16的开合。串并转换芯片U1采用74HC164芯片。

本发明实施例中，差分放大电路采用差分放大器和运算放大器作为核心器件来进行信号幅值的调整。其电路图如图5所示，详述如下：

其中，差分放大器U1采用反相放大接法，其共模电压输入Vcom管脚2接地，输入管脚1、8与阻抗阵列连接，接收来自阻抗阵列的信号，输出管脚4、5的信号经运算放大器U2放大后输出至高通滤波电路，管脚3、6的宽电源电压范围为±5V。

电阻R1的一端连接差分放大器U1的管脚8，另一端与差分放大器U1的管脚5连接，之后与运算放大器U2的子放大器U2A的脚管3连接；电阻R2的一端连接差分放大器U1的管脚1，另一端与差分放大器U1的管脚4连接，之后与子放大器U2B的脚管5连接；放大器U2A的管脚2与其输出管脚1相连，放大器U2B的管脚6与其输出管脚7相连，放大器U2A、U2B管脚4、8管脚的电源电压范围为±5V。

运算放大器U2Q包括两个子放大器U2A、 U2B，两个子放大器U2A、 U2B分别作为差分放大器U1正相输出端和反相输出端的跟随放大器，用以增大差分放大器U1的输入阻抗，减小输出阻抗，以稳定提高其抗干扰能力。

较优地，为实现与阻抗阵列匹配，反馈电阻R1、R2取值为1kΩ，

较优地，采用ADI公司生产的差分放大器AD8138及运算放大器AD812AN。

采用差分放大器可有效防止因为电源线的火线和零线接反而造成的信号失真，同时可以有效抑制共模干扰。

另外，跟随放大器可以增大差分放大器的输入阻抗，减小输出阻抗，稳定提高了差分放大器的抗干扰能力。

由于该信号衰减电路采用二阶并联式输入滤波电路和差分放大电路，有效滤除了外界干扰，提高了衰减模拟的效果。

本发明中，时序和控制模块负责控制阻抗阵列调节衰减程度量值，并为其提供时钟信号。其结构如图6所示：

时序和控制模块包括RS232通信模块61、通信协议解析模块62、串行信号生成模块63和时钟电路64。

其中，RS232通信模块61通过RS232总线完成与计算机的通信，通信协议解析模块62将RS232通信模块61接收到的计算机控制指令进行解析，得到所需的衰减量，串行信号生成模块63将衰减量数据生成串行控制信号，并将其发送给阻抗阵列的串并转换芯片U1，完成对衰减量的设置，时钟电路64为RS232通信模块61、通信协议解析模块62和串行信号生成模块63提供时钟信号。

本发明实施例通过时序和控制模块实现通过计算机远程控制阻抗阵列从而对信号衰减量进行调节，可以实现对信道衰减的动态模拟。

本发明实施提供的双向信号衰减电路可以有效地模拟低压电力线载波窄带通信信道中的衰减、相位偏移和频率响应等主要特性，还可以通过改变FPGA内的参数设置，对不同信道进行模拟。 

本发明实施提供的信号衰减电路可以集成到一块电路板上，明显降低了系统造价和故障概率，便于批量生产和推广应用。

本发明通过采用差分放大器使信号之间的共模干扰影响小及采用电阻阵列调节信号衰减实现了对不同档位衰减量的有效模拟，并采用双向模拟电路布置，有效实现了对上行和下行信道不同衰减量的分别模拟，且成本低，操作简单。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于，包括：

第一高通滤波电路、时序和控制模块、差分放大电路及第二高通滤波电路；

第一高通滤波电路，用于接收下行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出，或将接收的改变幅值的上行载波信号与220V工频信号耦合后输出；

时序和控制模块，与所述阻抗阵列连接，用于输出控制信号；

阻抗阵列，用于接收所述高频载波信号及所述控制信号后输出用以调节差分放大电路信号衰减量的调节信号；

差分放大电路，接收所述调节信号，并根据所述调节信号改变上行或下行的所述高频载波信号的幅值后输出；及 

第二高通滤波电路，将接收的所述改变幅值的下行载波信号与220V工频信号耦合输出，或接收上行载波信号后隔离220V工频信号，提取高频载波信号输出给所述阻抗阵列。

2.根据权利要求1所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于：

所述第一高通滤波电路及第二高通滤波电路分别包括相互并联的第一滤波通道、第二滤波通道及第三滤波通道，所述第一滤波通道、第二滤波通道及第三滤波通道是采用不同中心频点的滤波通道。

3.根据权利要求2所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于，第一滤波通道包括：

电容C1、 C2、 C3、C4，电感L1、L2，电阻R1、 R2，稳压二极D1、D2；所述电容C1、 C2、 C3、C4，电感L1、L2，电阻R1、 R2构成二阶高通滤波器，所述稳压二极管D1，D2用于提供过压保护。

4.根据权利要求2所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于，第二滤波通道包括：

电容C5、 C6、C7、C8，电感L3、 L4，电阻R3、 R4和稳压二极管D3、D4；所述电容C5、C6、C7、C8，电感L3、L4，电阻R3、R4构成二阶高通滤波器；所述稳压二极管D3，D4用于提供过压保护。

5.根据权利要求2所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于，第三滤波通道包括：

电容C9、 C10、 C11、C12，电感L5、L6，电阻R5、R6和稳压二极管D5，D6构成第三滤波通道；所述电容C9、C10、C11、 C12，电感L5、L6，和电阻R5、R6构成二阶高通滤波器；所述稳压二极管D5，D6用于提供过压保护。

6.根据权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于：

所述差分放大电路采用差分放大器和运算放大器调整载波信号幅值。

7.根据权利要求6所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于：

所述差分放大器采用反相放大接法；所述运算放大器包括两个子放大器，所述两个子放大器分别作为所述差分放大器正相输出端和反相输出端的跟随放大器。

8.根据权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于：

所述阻抗阵列包括其中电阻R1~R16、压控开关J1~J16及串并转换芯片；其中，所述电阻R1~R16用以与所述差分放大电路中的反馈电阻相匹配，实现对输入信号的放大或缩小；所述压控开关J1~J16用以控制电阻R1~R16是否接入，以调节所述差分放大电路的信号衰减量；所述串并转换芯片为所述压控开关J1~J16提供控制电压，以此控制开关J1~J16的开合。

9.根据权利要求1至5任一项所述的低压电力线载波双向信号衰减电路，其特征在于：

所述时序和控制模块通过将计算机指令解析成相应的衰减量并生成串行控制信号以实现对载波信号衰减量的控制。

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