CN102811074A - 电力线通信调制解调器、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力线通信调制解调器、系统和方法。提供了一种电力线通信调制解调器，包括：连接元件，其配置为连接所述电力线通信调制解调器到电力线网络的至少三条导线；发射机，其配置为经由所述至少三条导线的至少两条导线的第一组合来发射第一信号和经由所述至少三条导线的至少两条导线的第二组合来发射第二信号；控制器，其适于分别控制第一信号和第二信号的发射功率。还提供了相应的电力线通信系统和电力线通信方法。

Description

电力线通信调制解调器、系统和方法
技术领域
本发明涉及电力线通信调制解调器、电力线通信系统和电力线通信方法。
背景技术
电力线通信(PLC)也被称为干线通信(mains communication)、电力线传输(PLT)、宽带电力线(BPL)、功率带或电力线联网(powerband or power line networking(PLN))，其为描述使用配电线或电力线来同时分配数据的几种不同系统的术语。载波可以通过在标准的50Hz或60Hz交流电(AC)上叠加模拟信号来传递语音和数据。对于室内应用，PLC设备可以使用家用电力线路作为传输介质。
为了增大PLC系统的带宽，提出了使用在无线通信系统中公知的多输入多输出方案(MIMO)。一般来说，家用电力线网络包括被称为“相位线”(phase)、“中性线”(neutral)和“保护接地线”的至少三种不同的导线或线路。在MIMO方案中，通过在中性线中性线不同导线组合上传输差分信号，数据被经由这些导线传输，不同导线组合例如是相位线和中性线之间(PN)、相位线和保护接地线之间(PE)和/或中性线和保护接地线之间(NE)。
由于MIMO PLC可能影响无线电广播或业余无线电广播的接收，因此将来企图限定MIMO馈电的水平。
因此，有必要提供一种允许高吞吐量的数据传输同时为了避免扰动而考虑监管限制(regulatory limit)的电力线通信调制解调器、电力线通信系统和电力线通信方法。
该目的是通过在附带的权利要求书中限定的电力线通信调制解调器、电力线通信系统和电力线通信方法来解决的。进一步的实施例分别在从属权利要求中限定。
根据以下实施例的描述连同附图，本发明的详情将变得更加清晰。
附图说明
图1示出了根据本发明的实施例的电力线调制解调器的示意框图；
图2示出了根据本发明的另一实施例的电力线通信方法的示意流程图；
图3示意性地示出了用来确定馈电向不同导线组合的辐射的测量机构；
图4示出了利用德尔塔型耦合器(delta style coupler)将PLC信号馈送(feed)到不同导线组合而获得的测量结果；
图5示出了图4中所示的测量结果的放大后的详图；
图6示出了根据本发明的另一实施例的电力线通信系统的示意框图；
图7示出了从干线的各条导线接收信号/向总线的各条导线馈送信号的星型耦合器(探针(probe))；
图8示出了以差分方式从干线的一对导线接收信号/向干线的一对导线馈送信号的德尔塔型耦合器(探针)；
图9示出了以差分方式从一对导线接收第一信号/向一对导线馈送第一信号和以差分方式在第三导线和另一对导线之间馈送/接收第二信号的T型耦合器；和
图10示出了利用德尔塔型耦合器和T型耦合器将电力线通信信号馈送到不同导线组合而获得的测量结果。
具体实施方式
在下文中，发明的实施例将被描述。重要的是注意到在下文中所有被描述的实施例可以以任何方式进行组合，即不限制某些描述的实施例不能与其他实施例相组合。
在图1中，示意性地示出根据本发明的实施例的电力线通信调制解调器100。电力线通信调制解调器100包括连接元件110，连接元件110配置为把电力线通信调制解调器100连接到例如在家庭中的电力线网络115的至少三条导线。在许多家庭中，这至少三条导线中的三条被命名为“相位”线(P)、“中性”线(N)和“保护接地”线(PE或E)。
电力线通信调制解调器100还包括发射机120，发射机120被配置为：经由所述至少三条导线中的至少两条导线的第一组合(例如相位线与中性线之间(PN))发射第一信号，并经由所述至少三条导线中的至少两条导线的第二组合(例如保护接地线与相位线之间(EP)或者中性线与保护接地线之间(NE))发射第二信号。然而，在建筑物的电力线网络中可能具有超过三条线路是可用的，例如用于高功率设备。在这些情况下，例如四条或五条线路中的两条线路的组合是可能的。所述至少三条导线中的两条可以被分组或被连接，并且信号在这组导线与第三条导线之间被馈送，这也是可能的。
当经由导线的不同组合发射两个信号时，为了从第一电力线通信调制解调器100向第二电力线通信调制解调器发射有效载荷数据，可以实施多输入多输出(MIMO)编码方案。MIMO编码方案在电力线通信中产生更高的带宽。
对于三条线路(例如，相位线、中性线和保护接地线)，用于两条线路的三种组合是可能的，即相位线-中性线(PN)、保护接地线-相位线(EP)、中性线-保护接地线(NE)。对于MIMO方案，使用所有的三种组合是可能的，即第一信号在第一组合、第二信号在第二组合并且第三信号在第三组合，然而，由于基尔霍夫定律，它们中的仅两种组合可以同时被独立使用。
第一、第二和第三信号通常是以差模(differential mode(DM))形式馈送的。
电力线通信调制解调器100还包括控制器130，控制器130适于单独地控制第一信号和第二信号的发射功率。“发射功率”也可以称作“功率谱密度(power spectral density(PSD))”。
在控制器130的帮助下，使用不同的发射功率来发射第一信号和第二信号是可能的。
相应地，在图2中，示意性地描述了在步骤S200中利用第一发射功率发射第一信号以及在步骤S202中利用第二发射功率发射第二信号。
如果根据第一信号和第二信号对无线电接收机的干扰水平(potentialof interference)来调整第一信号和第二信号的发射功率，那么可以以更高的发射功率发射辐射较小的信号，这引起在自适应OFDM(正交频分复用)方案中使用例如更高星座(constellation)的可能性，或者简单地引起更高的信噪比(SNR)，从而实现比当为所有可能的组合以相同发射功率馈送信号时更高的带宽。如果所有可能的组合被使用相同的发射功率来馈送，那么为了保证监管要求(当今其不在不同的组合之间区分)，这单个信号发射功率将不得不按照辐射最大的组合来调整。对其他无线电服务的干扰水平可以是依赖于位置的，以便所发射的发射功率的差可适用于不同的位置。
采用测量来记录来自MIMO PLC的干扰水平。图3所示的测量机构由网络分析器NWA 302构成，NWA 302使用MIMO PLC探针304经由插座308连接到建筑物306的干线。网络分析器302的电源与建筑物干线输电网隔离。网络分析器302利用MIMO PLC探针304将信号馈送到干线中。所有可能的电位(potential)馈送可能性(PN、NE、EP)都被检查。为了比较，共模(CM)信号也被馈送。
为了接收信号，天线310、312以离插入式插座308的各种距离d安置在建筑物306之内或之外。依赖于所关注的频率，磁环天线312(用于低于30MHz的频率)或双锥天线(biconal antenna)310(在1MHz与100MHz之间的频率)被使用。从天线到网络分析器302的链路(电缆)320被滤除了共模信号。否则，进入电缆320的信号可能影响测量。
在建筑物306中任意选择用于馈送信号的插座308。
图4和图5示出了对于导线的每一个组合的超过100000次测量的由网络分析器302记录的衰减(以dB表示的散射参数S21(正向增益))，而与在几个建筑物306中的频率和馈送插头或插座308无关，其中图5仅示出了图4的一部分。
在图4和图5中，从向插座308的馈送到在天线310、312处的信号接收的衰减被描述。为了比较，EP(保护接地线-相位线)中的差模馈送使用实线来表现，NE(中性线-保护接地线)为虚线，PN(相位线-中性线)为点划线并且共模为点线。X轴从-110dB到-30dB示出S21参数。Y轴示出了衰减的累积概率。例如，对于100％(所有)的值，衰减高于30dB，对于0％的(零个)所有值，衰减高于110dB。S21参数的负号反映了天线310、312处的信号与插座308处的馈送信号相比是衰减的。在这些图中的线越靠左则衰减越高，则辐射或干扰水平越低。可以看出，以共模形式馈送的信号是辐射最大的。
作为图4被放大的一部分的图5有助于识别3种差模馈送之间的差别。
在50％的点处，在EP(保护接地线-相位线)上的馈送引起比在PN(相位线-中性线)上的馈送高1.3dB的辐射，进入NE(中性线-保护接地线)的馈送引起比到PN(相位线-中性线)的馈送低0.8dB的辐射。
从而，当用于所有馈送式样的干扰水平应当被认为是相同时，电力线通信调制解调器可以通过采用它们各自的馈送功率谱密度(PSD)来改善它们的传输特性。
在图6中，示意性地示出电力线通信系统600。电力线通信系统600包括第一电力线通信调制解调器100和第二电力线通信调整解调器610，它们经由在图6中由三条线路相位线(P)、中性线(N)和保护接地线(E)所代表的电力线网络115而连接。
第一电力线通信调制解调器100进一步包括接收机620，接收机620适于接收从第二电力线通信调制解调器610的发射机630发射的信号。第二电力线通信调制解调器的发射机630经由第二电力线通信调制解调器610的连接元件640连接到电力线网络115。
第二电力线通信调制解调器610进一步包括控制器650和接收机660，控制器650适于分别控制发射机610经由导线P、N、PE的不同组合发射的信号的发射功率，接收机660适于接收从第一发射机120发射的信号。
第一电力线通信调制解调器100可以进一步包括存储单元666，存储单元666适于存储功率差值，控制器130进一步适于以由所存储的功率差值进行区分的各个发射功率来馈送第一信号和第二信号。代替功率差值，功率商值也可以存储在存储单元666中，并且控制器130可以适于以由所存储的功率商值进行区分的发射功率来馈送第一信号和第二信号。所存储的功率差值或者所存储的功率商值可能与频率无关，这是因为测量并未示出导线的不同组合的不同辐射性质的任何特定的频率相关性。
所存储的功率差值或者所存储的功率商值可以使用在电力线通信调制解调器的寿命期间不会改变的恒定的预定值，这产生容易的实现方式，因为不需要更新。然而，更复杂的方法可以包括功率差值或功率商值的更新，例如用于电力线网络的某些特定辐射特性或用于考虑修改后的监管限制。
根据本发明的实施例，控制器130可适于以比经由相位线P和中性线N的组合PN的信号少1dB的发射功率来经由保护接地线E和相位线P的组合EP馈送信号，这反映了图5所示的如下测量结果：与经由保护接地线E和相位线P的组合EP发射的信号相比，经由相位线P和中性线N的组合PN发射的信号由于更低的辐射而示出接收信号的大约1dB的更高衰减。
根据本发明的另一实施例，控制器130可适于以比经由相位线P和中性线N的组合PN的信号多1dB的发射功率来经由中性线N和保护接地线E的组合NE馈送信号，这反映了图5所示的如下测量结果：与经由相位线P和中性线N的组合PN发射的信号相比，经由中性线N和保护接地线E的组合NE发射的信号由于更低的辐射而示出接收信号的大约1dB的更高衰减。
为了比较不同的馈送可能性，在下文中，若没有另外声明，那么相位线P和中性线N之间的馈送是要描述根据当前使用的单输入单输出(SISO)方案的馈送，即在没有向保护接地线的端接或者具有向保护接地线保持开路的连接的情况下在相位线P和中性线N之间以差分方式进行的馈送。
各个发射功率之间的1dB的差也可能被认为是可能的功率商值。
根据另一实施例，分别地，第一电力线通信调制解调器100可以包括测量单元680，并且第二电力线通信调制解调器610可以包括测量单元690，这些测量单元适于测量至少三条线路P、N、E之间的电压，并且进一步适于基于对电压的测量来确定相位线和中性线。在电力线网络115中，在不确定哪条导线是相位线P和中性线N的情况下，可以在电力线网络的导线当中确定相位线和中性线，并且通过控制器130相应地对组合的发射功率进行适配。例如，在一些国家(法国、瑞士、美国)，电源插座308和电插头的机械结构强制了相位线、中性线和保护接地线的朝向。在其他国家(德国)，插头可以按两个朝向插入插座308中。这里，电力线通信调制解调器100、610不知道相位线P和中性线N被连接到哪一个传导端子(conductor)。保护接地线E是固定的，其他两个连接器(connector)可能被调换。因为已经知道在相位线P和中性线N之间以及在相位线P和保护接地线E之间存在电源电压AC(230V或110V)，而在中性线N和保护接地线E之间电压为0V，所以能确定哪一条线路或导线为相位线P。
第二电力线通信调制解调器610还可以包括存储单元695，存储单元695适于执行与第一电力线通信调制解调器100的存储单元666相同的功能。
图7示出了星型MIMO PLC探针700。它主要打算仅用来接收。CM扼流圈702阻挡来自星型变压器704的共模电流。扼流器702同时用作允许CM信号接收的变压器。S1、S2或S3上的信号被直接耦合到各条导线P、N、PE上。
图8示出了德尔塔型耦合器800。信号S1、S2或S3产生了差分电压UP-N、UN-PE和UPE-P。
图9示出了T型耦合器900，其中第一信号以差分方式耦合在三条导线中的两条之间，并且第二信号以差分方式在一条导线与另外两条导线之间。
这些耦合器在ETSI TR 101562中公开。
在图10中，同样地，从向插座308的馈送到天线310、312处的信号接收的衰减被描述。为了比较，EP(保护接地线-相位线)中的差模馈送用细实线来表示，NE(中性线-保护接地线)用细虚线表示、PN(相位线-中性线)用细点划线来表示。另外，这里，T型耦合器900上的馈送被表示为：当在T型耦合器900的S1上馈送(即，在具有相位线和中性线之间的中点经由S2向保护接地线的端接的情况下，在相位线与中性线之间以差分方式馈送)时使用粗虚线来表示(T_Style1)，并且当在T型耦合器900的S2上馈送(即，在具有经由S1的端接的情况下，在保护接地线与相位线和中性线的组合之间以差分方式馈送)时使用粗点线(T_Style2)。X轴从-78dB到-75dB示出S21参数。Y轴示出衰减的累积概率。可以看出，在T式样下馈送的信号的辐射小于在德尔塔式样下馈送的信号的辐射。
在50％的点处，T_Style1下的馈送产生的辐射比PN(相位线-中性线)下的馈送产生的辐射少大约，0.5dB，到T_Style2中的馈送产生的辐射比在到PN(相位线-中性线)的馈送产生的辐射少大约1.0dB。
因此，控制器130可以适于当使用T型耦合器和当在具有相位线和中性线之间的中点向保护接地线的端接的情况下在相位线与中性线之间以差分方式耦合信号时以比当在没有端接的情况下在相位线与中性线之间耦合信号时多0.5dB的发射功率来馈送信号，和/或控制器可以适于当使用T型耦合器和当在保护接地线与相位线和中性线的中点之间以差分方式耦合信号时以比当在没有端接的情况下在相位线和中性线之间耦合信号时多1dB的发射功率来馈送信号。
因此，当用于所有馈送式样的干扰水平应当被认为是相同时，电力线通信调制解调器可以通过采用它们各自的馈送功率谱密度(PSD)来改善他们的传输特性。

Claims (17)

1.一种电力线通信调制解调器，包括：
连接元件，其配置为把所述电力线通信调制解调器连接到电力线网络的至少三条导线；
发射机，其配置为经由所述至少三条导线中的至少两条导线的第一组合来发射第一信号和经由所述至少三条导线中的至少两条导线的第二组合来发射第二信号；
控制器，其适于分别控制所述第一信号和所述第二信号的发射功率。
2.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，其中所述电力线网络的所述至少三条导线包括相位线、中性线和保护接地线。
3.如权利要求2所述的电力线通信调制解调器，其中所述控制器进一步适于：以比经由所述相位线和所述中性线的组合馈送信号少1dB的发射功率来经由所述保护接地线和所述相位线的组合馈送信号。
4.如权利要求2所述的电力线通信调制解调器，其中所述控制器进一步适于：以比经由所述相位线和所述中性线的组合馈送信号多1dB的发射功率来经由所述中性线和所述保护接地线的组合馈送信号。
5.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，其中所述控制器进一步适于比较于德尔塔式样耦合器，当使用T式样耦合器时，采用更高的发射功率来馈送信号。
6.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，其中所述控制器进一步适于：当使用T型耦合器和当在具有相位线和中性线之间的中点向保护接地线的端接的情况下在相位线与中性线之间以差分方式耦合信号时，以比当在没有端接的情况下在相位线与中性线之间耦合信号时多0.5dB的发射功率来馈送信号，和/或所述控制器进一步适于：当使用T型耦合器和当在保护接地线与相位线和中性线的中点之间以差分方式耦合信号时，以比当在没有端接的情况下在相位线和中性线之间耦合信号时多1dB的发射功率来馈送信号。
7.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，其中所述发射机进一步配置为经由所述至少三条导线中的至少两条导线的第三组合来发射第三信号，并且所述控制器进一步适于单独控制所述第三信号的发射功率。
8.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，其中所述控制器进一步适于：基于所述第一信号和所述第二信号对无线电接收机的干扰水平，调整所述第一信号和所述第二信号的发射功率。
9.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，进一步包括存储单元，该存储单元配置为存储功率差值，并且所述控制器适于利用各个发射功率来馈送所述第一信号和所述第二信号，其中所存储的功率差值为所述各个发射功率的差。
10.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，进一步包括存储单元，该存储单元配置为存储功率商值，并且所述控制器适于利用各个发射功率来馈送所述第一信号和所述第二信号，其中所存储的功率差值为所述各个发射功率之间的商。
11.如权利要求9所述的电力线通信调制解调器，其中所述功率商值和/或功率差值与所述第一、第二和/或第三信号的频率无关。
12.如权利要求1所述的电力线通信调制解调器，进一步包括：
测量单元，其适于测量所述至少三条导线之间的电压，并且适于基于对电压的测量来确定所述相位线和所述中性线。
13.一种包括至少两个如权利要求1所述的电力线通信调制解调器的电力线通信系统，这至少两个电力线通信调制解调器经由电力线网络的至少三条导线而连接。
14.一种电力线通信方法，包括：
从第一电力线通信调制解调器向第二电力线通信调制解调器经由电力线网络的至少三条导线中的至少两条导线的第一组合以第一发射功率发射第一信号；
从所述第一电力线通信调制解调器向所述第二电力线通信调制解调器经由所述电力线网络的所述至少三条导线中的至少两条导线的第二组合以第二发射功率发射第二信号；
其中所述第一发射功率和所述第二发射功率不同。
15.如权利要求14所述的电力线通信方法，进一步包括：
从所述第一电力线通信调制解调器向所述第二电力线通信调制解调器经由所述电力线网络的所述至少三条导线中的至少两条导线的第三组合以第三发射功率发射第三信号，其中所述第三发射功率与所述第一和第二发射功率不同。
16.如权利要求14所述的电力线通信方法，其中所述三条导线包括相位线、中性线和保护接地线。
17.如权利要求14所述的电力线通信方法，进一步包括：
基于信号对无线电接收机的干扰水平来调整所述信号的发射功率。
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