CN102594405B - 一种带自校准功能的电力载波通信电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带自校准功能的电力载波通信电路。通过充分利用标准时钟为基准，使用自校准技术，把系统的前端放大器做成一个带高增益、高带外抑制比的校准滤波器，高效地保证了系统的高选择性，同时系统中的带通滤波器也使用自校准技术，实现系统的高灵敏度和高信噪比。本发明的电路以集成电路形式实现，在节省电路板级空间和器件、降低材料成本、简化生产调试的复杂性、和提高生产效率等方面完成了极大的改善。

Description

一种带自校准功能的电力载波通信电路

技术领域

本发明涉及一种带自校准功能的电力载波通信电路。

背景技术

电力线载波通信作为一种“无新线”技术，利用现有的电力网作为通信媒体，实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景，其主要应用领域包括：智能电网的电能管理、工业控制应用、智能家居、安防监控等。虽然电力线载波技术与通过光纤和明线实现通信的技术相比，具有可靠性和准确性以及抗干扰的能力、接收灵敏度方面较差的缺点，但是电力线载波技术通过发展选频、中继、扩频和自适应调制技术基本上克服了电力线传输中存在的高衰落、高干扰等问题。选频可以尽量避免选择性衰落；中继则解决了电力线传输损耗较大的问题；扩频和自适应调制提高了平均信噪比，减小了信号误码率。加上电力线载波在投资成本和运行费用低；施工周期短；维护工作量小等方面的优点，从国家电网的智能电表招标情况来看，载波表将成为主流，由此也验证了电力线载波技术将是智能电网未来发展的方向。

电力线载波需要强大的载波芯片来克服电力线对数据传输的许多限制，例如电力载波信号智能在一个配电变压器区域范围内传送；智能在单相电力线上传输；不同信号耦合方式使电力线载波信号的损失不同；电力线自身的脉冲干扰，加大了应用难度；电力线对载波信号有高衰减等。

通常的载波集成电路使用外差结构，先放大信号，然后混频，之后通过陶瓷滤波器进行窄带滤波，再进行中频解调，得到传输的信号。这样的方案中陶瓷滤波器起到很好的窄带抑制作用，但是很难集成入芯片，原因有两个，一是窄带滤波器的Q值很高，难以在芯片中实现；二是即使能够集成入芯片，集成电路工艺、温度、电压等无法避免的参数偏差难以保证高Q值滤波器的中心频率及带宽，偏差将使滤波器的选择性大大丧失，直接导致解调灵敏度和性能的大幅降低。另外，电力线中有大量的干扰，前端接收放大电路如果没有高抑制比的放大电路，陶瓷滤波器的带宽再窄也无法提高系统的信噪比。然而高抑制比意味着带宽的设定必然会受到集成电路工艺、温度、电压等影响，需要设定足够多的裕量允许参数的变化，但是如此，系统的选择性难以保证，将直接影响系统灵敏度和信噪比。

发明内容

本发明解决的技术问题是提出一种自校准的概念，充分利用电路中的标准时钟作为基准，把前端的放大电路校准在设定的中心频率，从而保证高选择性，同时把陶瓷滤波器集成入芯片的同时，也使用自校准技术，使中心频率校准在设定值上，完全保证系统灵敏度和信噪比。

本发明采用的技术方案为：

一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于包括：

用于产生谐振频率并且由自校准控制信号控制的谐振模块(1)；

用于在谐振模块(1)的作用下放大输入的载波信号、抑制输入噪声的放大器模块(2)；

用于检测放大器模块(2)的信号能量、把谐振模块(1)的谐振频率信号与参考时钟比较频率、送出自校准控制信号至谐振模块(1)的校准模块(3)；

用于把放大器模块(2)放大的载波信号进行频率改变和谐波抑制的变频模块(4)；

用于把变频之后的载波信号进行滤波筛选的选频模块(5)；

用于检测选频模块(5)的信号能量、与参考时钟比较脉宽、进行自校准的选频校准模块(6)；

用于产生标准参考频率的晶振模块(7)；

用于把晶振模块(7)产生的时钟信号进行三组分频，分别送入校准模块(3)、变频模块(4)、选频校准模块(6)作为参考时钟的分频模块(81)、(82)、(83)；

用于抽取加载在已变换频率的载波信号上的数据信号的解调模块(9)；

用于整形数据信号的滤波器模块(10)；

其中放大器模块(2)、校准模块(3)、变频模块(4)、选频模块(5)、选频校准模块(6)、晶振模块(7)、分频模块(81)、(82)、(83)、解调模块(9)、和滤波器模块(10)是集成在同一片集成电路上的，谐振模块(1)的部分电容器件也集成在集成电路上；

其中谐振模块(1)、放大器模块(2)、校准模块(3)实现了高抑制比的自校准滤波放大功能，校准模块(3)提取谐振模块(1)的频率信号，与参考时钟进行频率比较，把比较结果转换为电压信号，再进行模拟和数字的转换变为控制信号去控制谐振模块(1)中的电容量，调节谐振中心频率，反复多次比较、转换、控制，直至达到谐振中心频率与参考时钟频率完全一致，实现自校准，放大器模块(2)在与谐振模块(1)相同的谐振频率条件下，把信号放大和滤波，同时利用窄带特征保证输入信号的选择性，实现带外杂散信号的高抑制比。

所述谐振模块(1)是由电感、电容组成的并联或串联谐振电路，谐振在接收频率点上。

所述放大器模块(2)为低噪声放大器LNA，用于把输入的信号进行低噪声放大。

所述变频模块(4)为混频器mixer，作用是把输入的载波信号与参考时钟进行乘法运算，转换为中频频率的载波，便于后级的信号处理。

所述选频模块(5)是选取所需频率、抑制其他频率的有源带通滤波器。

所述晶振模块(7)是产生标准频率的晶体振荡电路。

所述分频模块(81)、(82)、(83)是将晶体频率根据各自的设定进行分频的分频器组。

所述解调模块(9)是把已经转换为中频的载波中加载的信号恢复出来的解调电路。

所述滤波器模块(10)为有源低通滤波器。

本发明的有益效果为：

采用本发明的技术方案，谐振频率通过自校准实现了准确度不受工艺、温度、电压的影响，完全保证输入信号的选择性，使干扰信号在电路的最前端就能够达到高抑制比，加上中级带通滤波器的自校准功能，系统实现高灵敏度和高信噪比，是传统方案所无法比拟的。另外，本发明以集成电路形式实现高集成度，节省电路板级空间和器件，材料成本降低，使外形的结构设计具有更大灵活多变的空间。更重要的是，与传统方案相比，性能实现较大改善，生产调试的复杂性大大简化，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明的电路组成示意图；

具体实施方式

电力载波通信电路，是近距离点对点有线传输系统，通常使用外差一次变频方式。

如图1所示，电力线上传输的载波信号首先进入耦合器进行电压变化，把电网电压220V或110V变换为集成电路工作需要的3V或5V电压，随后是电感电容串联的谐振模块，用以滤除工频50Hz的电网信号和其他干扰，然后信号进入并联谐振模块，谐振模块均由片外电感和片上电容组成，电感和电容谐振在载波频率上，是对载波频率的一个选择性滤波，滤波器的带宽由电感的Q值决定，滤除带外干扰。信号滤波后进入LNA进行低噪声放大，输出级还接一个谐振模块，同样是由片外电感和片上电容组成，同样谐振在载波频率上，对放大后的载波信号再次进行选择性滤波，以达到保证后级的信号处理信噪比高的目的。每一个谐振模块可以是一级，也可以是多级，取决于对带外抑制的指标要求和对成本的要求。

在谐振模块之后有一个校准模块，它提取谐振模块输出的频率信号，与分频模块81提供的参考时钟进行频率比较，把比较结果转换为电压信号，再进行模拟和数字的转换，变为控制信号去控制谐振模块中的电容量，调节谐振中心频率。随后，校准模块继续提取频率信号，比较、转换、控制，直至达到谐振中心频率与参考时钟频率完全一致，这样实现自校准谐振模块，参考时钟是由晶体振荡器产生的标准频率分频得到的。无论电感、电容的器件偏差，还是跟集成电路相关的制造工艺、温度、电压的变化，谐振模块都能够始终保证频率准确地谐振在设定的频率点。

LNA是对输入信号的低噪声放大，谐振模块谐振在与输入信号相同的频率上，在LNA的输出级加一个谐振模块，同样谐振在与信号频率相同的频率上，因此LNA就如同一个带了滤波器的放大器，把信号放大再带通滤波，谐振模块能够被校准到精度达到5％以下，带通滤波的中心频率精度也能够达到5％以下，完全保证了信号的选择性，对带外杂散信号进行大幅度的抑制。输出级的谐振模块同样可以由单级或多级实现。传统方案中的LNA由于没有校准模块的调节，通常带宽设定得很宽，才能保证信号频率的选择范围，这样就不能很好地抑制带外杂散，抑制通常指标很差，对后级的混频器的设计要求就要提高，比如镜像干扰、谐波频率的抑制就必须考虑等等。本发明通过使用校准模块，从根本上解决了选择性的问题，LNA可以设置为窄带宽，在系统的最前端就把信号以外的杂散极大程度的抑制，使后级电路的设计简单化，并且保证指标要求。

放大后的信号进入混频器Mixer，与分频模块82提供的参考时钟进行差频，转换为中频。再送入其后的片上中频滤波器，此滤波器是有源带通滤波器，包括切比雪夫、巴特沃斯、贝塞尔等不同结构类型的有源滤波器，根据带宽的要求和带外抑制的要求，通常设计为4-6阶，阶数越多，带外抑制越好，但是片上占用的面积越大，带来成本增加。此带通滤波器同样使用了自校准技术，把中心频率与分频模块83提供的参考时钟进行比较，通过把信号的周期脉宽与参考时钟的脉宽进行比较，输出比较结果，用于调节电阻、电容的值，之后再提取信号脉宽进行比较，直至与参考时钟的脉宽完全一致。用此自校准的方法，中心频率的精度能够达到1％，保证灵敏度和信噪比的指标要求。传统方案之所以使用片外陶瓷滤波器，一是由于陶瓷滤波器的高Q值实现的高选择性，二是由于陶瓷滤波器的精准度，此两个原因使中频滤波器在片上的集成非常困难，本发明中由于前端使用了高选择性的LNA，极大程度地抑制了带外杂散，使中频滤波器的选择性不需要做到如同陶瓷滤波器一样的高Q值就能够达到高选择性，另外使用的自校准技术很好地解决了精确度的问题，因此陶瓷滤波器的两个优势均在片上得到了解决，实现了高精度滤波器的集成。

滤波器输出变换为中频的载波信号，进行限幅放大后，再送入解调器解调出载波携带的通信信息。通过之后的低通滤波器进行整形，输出到片外。

三个参考时钟均由晶体振荡器提供，并且根据各自的频率要求，由各自的分频器分频得到。

Claims (9)

1.一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于包括：

用于产生谐振频率并且由自校准控制信号控制的谐振模块；

用于在谐振模块的作用下放大输入的载波信号、抑制输入噪声的放大器模块；

用于检测放大器模块的信号能量、把谐振模块的谐振频率信号与参考时钟比较频率、送出自校准控制信号至谐振模块的校准模块；

用于把放大器模块放大的载波信号进行频率改变和谐波抑制的变频模块；

用于把变频之后的载波信号进行滤波筛选的选频模块；

用于检测选频模块的信号能量、与参考时钟比较脉宽、进行自校准的选频校准模块；

用于产生标准参考频率的晶振模块；

用于把晶振模块产生的时钟信号进行三组分频，分别送入校准模块、变频模块、选频校准模块作为参考时钟的分频模块；

用于抽取加载在已变换频率的载波信号上的数据信号的解调模块；

用于整形数据信号的滤波器模块；

其中放大器模块、校准模块、变频模块、选频模块、选频校准模块、晶振模块、分频模块、解调模块、和滤波器模块是集成在同一片集成电路上的，谐振模块的部分电容器件也集成在集成电路上；

其中谐振模块、放大器模块、校准模块实现了高抑制比的自校准滤波放大功能，校准模块提取谐振模块的频率信号，与参考时钟进行频率比较，把比较结果转换为电压信号，再进行模拟和数字的转换变为控制信号去控制谐振模块中的电容量，调节谐振中心频率，反复多次比较、转换、控制，直至达到谐振中心频率与参考时钟频率完全一致，实现自校准，放大器模块在与谐振模块相同的谐振频率条件下，把信号放大和滤波，同时利用窄带特征保证输入信号的选择性，实现带外杂散信号的高抑制比。

2.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述谐振模块是由电感、电容组成的并联或串联谐振电路，谐振在接收频率点上。

3.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述放大器模块为低噪声放大器LNA，用于把输入的信号进行低噪声放大。

4.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述变频模块为混频器mixer，作用是把输入的载波信号与参考时钟进行乘法运算，转换为中频频率的载波，便于后级的信号处理。

5.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述选频模块是选取所需频率、抑制其他频率的有源带通滤波器。

6.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述晶振模块是产生标准频率的晶体振荡电路。

7.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述分频模块是将晶体频率根据各自的设定进行分频的分频器组。

8.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述解调模块是把已经转换为中频的载波中加载的信号恢复出来的解调电路。

9.如权利要求1所述的一种带自校准功能的电力载波通信电路，其特征在于所述滤波器模块为有源低通滤波器。