CN103516397A

CN103516397A - 一种基于电力线载波的电信号分离方法及系统

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Publication number: CN103516397A
Application number: CN201310424168.0A
Authority: CN
Inventors: 谢卓
Original assignee: Shenzhen Gongjin Electronics Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Gongjin Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-09-17
Filing date: 2013-09-17
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2033-09-17
Also published as: CN103516397B

Abstract

本发明提供了一种基于电力线载波电信号分离方法及系统，该方法通过给PLC调制解调器提供纯净的工频电源，PLC得电工作，产生电力线载波信号，然后再滤除工频信号产生纯净的电力线载波信号。本系统采用低通隔离电路将电网中的纯净的工频电源输入给PLC调制解调器，然后采用一个高通耦合电路将电力线载波信号输出。本方法简单实用，电路体积小。

Description

一种基于电力线载波的电信号分离方法及系统

技术领域

本发明涉及电力线载波通信领域，特别涉及在对电力线载波通信的调制解调器进行EMC检测时，将纯净的电力线载波通信的调制解调器工作过程中产生的信号从电网中分离出来的基于电力线载波讯号分离方法及系统。

背景技术

PLC（Power Line Carrier）电力线载波。电力线载波PLC是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。电力线通信 (PLC) 利用现有电力线基础设施，为在许多工业应用引进智能监控和控制提供了经济高效的方法。它让 PLC 成为用于智能电网应用（如智能抄表、照明控制、太阳能、插入式电动车以及家庭和楼宇中的供暖、空调和安全系统）的首选技术之一。对这些应用实施低频窄带 PLC (LF NB PLC) 技术将提供最适合的带宽、功耗和成本要求。在窄带域（频率高达 500kHz）运行可确保数据完整性，同时可将系统成本降到最低。数据速率从 1.2kbps 到数百 kbps 不等，具体取决于现有标准。电力线本身就具有噪声，因此需要强大架构才能确保数据可靠性。此外，每种应用和工作环境都不同，需要开发人员针对各种因素优化设计。由于协议标准和调制方案多种多样，开发人员需要灵活的开发平台，以简化设计、实现对环境条件的优化、遵守当地法规的同时可轻松调整以满足不断发展的标准。

电力线通信调制解调器系统的调制信号首先进入接收器级或有源带通滤波器，其中为滤波器选择的运算放大器应该提供低噪声、低谐波失真和低输入偏置。检验测试理想环境下，PLC通信中使用的调制解调器是PLC通信中的关键设备。目前生产这种调制解调器需要进行EMC测试，在进行EMC测试过程中，需要对在PLC调制解调器工作过程中所产生的所有电磁波信号进行检测，但又不能混入其它环境噪声，而在PLC调制解调器工作中需要接入市电，因此通过市电电线将会为PLC调制解调器带来噪声，而PLC调制解调器输出/输入都是通过动力电缆的，由于市电动力电缆本身处于一个巨大的电网中，具有非常复杂的电磁波环境，如果在做EMC检测时直接对工作中的PLC调制解调器的输出的信号进行检测将不会获得较好的效果，因此，需要将PLC调制解调器输出的信号从电网中分离，同时还需要将分离后的纯净的PLC调制解调器的输出信号与电网的复杂的电磁环境进行隔离，目前还没有这样的尝试。　

发明内容

本发明的目的是为对PLC调制解调器进行EMC测试提供一种将纯净的电力线载波通信的调制解调器工作过程中产生的信号从电网中分离出来的基于电力线载波讯号分离方法及系统。

本发明的技术方案是：一种基于电力线载波上的电信号分离方法，包括以下步骤：

A、接入市电滤除杂波干扰，提供纯净工频频率的工频电源；

B、将所述的工频电源的火线和零线接入被测设备；被测设备得电进行工作，向工频电源的火线和零线上输出电信号；

C、在工频电源的火线和零线上的信号中，滤除工频信号，将被测设备发出的电信号耦合分离出来。

进一步的，上述的基于电力线载波上的电信号分离方法中：所述的步骤A中采用低通滤波的方法将电网中火线和零线的高于工频频率的信号滤除；包括以下步骤：

A01、采用工频变压器将电网的工频电源的火线和零线接入，对高频信号进行第一次衰减耦合；

A02、采用共模电感隔离火线和零线上的共模高频信号；

A03、采用电感电容组成的多阶低通滤波器,滤除火线和零线的高频信号。

进一步的，上述的基于电力线载波上的电信号分离方法中：所述的多阶低通滤波器为6阶以上。

进一步的，上述的基于电力线载波上的电信号分离方法中：所述的多阶低通滤波器为8阶。

本发明还提供了一种基于电力线载波的电信号分离装置，包括低通隔离电路和高通耦合电路；

所述的低通隔离电路输入端接市电工频电网的火线和零线，输出纯净工频频率的工频电源的火线和零线接被测设备；所述的被测设备得电工作从所述的工频电源的火线和零线上输出电信号；

所述的高通耦合电路的输入端接工频电源在所述的被测设备与低通隔离电路之间的火线和零线，耦合输出纯净的被测设备发出的电信号。

进一步的，上述的基于电力线载波的电信号分离装置中：所述的低通隔离电路包括：工频变压器、共模电感、多阶低通滤波器；所述的工频变压器初级线圈接市电工频电网的火线和零线，1：1耦合工频电源到次级线圈；所述的共模电感两端分别接所述的工频变压器的次级线圈和多阶低通滤波器的输入端，多阶低通滤波器的输出端接输出设备。

进一步的，上述的基于电力线载波的电信号分离装置中：所述的多阶低通滤波器为由电感、电容级连组成的六阶以上的多阶低通滤波器。

进一步的，上述的基于电力线载波的电信号分离装置中：所述的多阶低通滤波器为由电感、电容级连组成的8阶低通滤波器。

进一步的，上述的基于电力线载波的电信号分离装置中：还包括磁珠，所述的磁珠串连在多阶低通滤波器的输出端与被测设备之间。

进一步的，上述的基于电力线载波的电信号分离装置中：所述的高通耦合电路包括耦合电容和高频变压器，所述的耦合电容和高频变压器串联之后并联在被测设备的火线和零线之间，所述的高频变压器的次级线圈输出电力线载波讯号接检测端。

本发明通过给PLC调制解调器提供一个理想环境，测试PLC调制解调器通信的最佳状态，如果两个设备组合连接，可以用于EMC实验室对新产品PLC调制解调器的辐射测量。本发明的装置由于输入电压高，选型的器件耐压高，体积较大，器件分布参数的大小与器件本身的自激频点特性,直接影响低通滤波器衰减值的高低，本发明的装置主要是克服并改善低通滤波电路衰减值，能够达到-70dbm以上，后续还会开发更高衰减的低通滤波器。

下面结合具体实施例对本发明作较为详细的描述。

附图说明

图1是本发明原理图。

图2是本发明实施例1电路原理图。

具体实施方式

对生产的PLC调制解调器需要进行EMC（电磁兼容）测试，在进行EMC 测试时，为了保证测试结果可靠，只需要在PLC调制解调器工作时，对于电路等其它地方所产生的噪声需要滤除。因此，本发明采用三个主要步骤：

首先、给PLC调制解调器提供纯净的工频电源，本实施例采用的工频电源是由电网（市电电网）提供的110V~250VAC 50Hz/60Hz的市电信号，通过低通滤波将电网中的复杂的电磁信号隔离，只为PLC调制解调器提供纯净的110V~250VAC 50Hz/60Hz的工频电源信号。纯净的110V~250VAC 50Hz/60Hz的工频电源信号通过一对导线输入到PLC调制解调器。

该步骤中，让工频市电的火线和零线通过采用本实施例的设备隔离（滤除）除工频市电外的所有信号，给后端设备提供纯净无外来干扰的工频频率的市电电源。

其次，PLC调制解调器在获得纯净的110V~250VAC 50Hz/60Hz的工频电源，开始工作，产生电力线载波讯号从工频电源同一对导线输出。

该步骤中，被测设备（如：PLC调制解调器）接入滤波后的火线和零线上，得电进行工作，被测设备同时向自身输入的电力线上(火线和零线)，输出信号，火线和零线上叠加的电信号可以是通讯信号，也可以是杂波噪声信号。

最后，利用高通耦合电路将电力线载波讯号输出，这里还需要将纯净的工频电源的50Hz信号滤去，最后输出的是理想的PLC调制解调器所产生的全部信号，没有其它信号了，可以进行EMC测试等。

本实施例只是对PLC调制解调器输出的电信号进行分离，在实际应用中其它一切设备所产生的电信号都可以从复杂的电网信号中分离出来。因此，上面说的电信号可以是通讯信号，也可以是杂波噪声信号。电力线载波上的信号是连接在电网中的设备在工作过程中产生的所有的信号。

本实施例的基于电力线载波讯号分离装置如图1和图2所示，包括三个部分：

1、电力载波耦合与信号衰减电路。（又可以称为低通隔离电路）；

2、电力载波衰减与信号耦合电路。（又可以称为高通耦合电路）；

3、接插件。（又可以称为插座和RF信号连接设备）。

电力载波耦合与信号衰减电路。（又可以称为低通隔离电路），由四级组成。

第一级由工频变压器组成，负责1:1的耦合50Hz / 60Hz的市电载波，同时硅钢片属性的变压器，对市电上的有用信号与噪声信号耦合都有衰减作用。目前，工频变压器只限对工频电力载波的耦合达到最佳效果。

第二级是共模电感，共模电感串连在工频变压器的次级线圈两端，过滤共模的电磁干扰信号。共模电感也是起EMI滤波的作用，用于抑制高速信号线产生的电磁波向外辐射发射。

第三级由电感、电容组成的多阶低通滤波器，最好是6阶以上，本实施例用的是8阶低通滤波器。用于衰减1Mhz-100Mhz频段内的信号。两级组合衰减应该大于-70dbm。越大衰减越强，性能越好。

第四级由串连在输入到PLC调制解调器的导线上，两根导线上各串连两个磁珠，磁珠的全称为铁氧体磁珠滤波器(另有一种是非晶合金磁性材料制作的磁珠)，是一种抗干扰元件，滤除高频噪声效果显著。铁氧体材料的特点是高频损耗非常大，具有很高的导磁率。

铁氧体对低频电流几乎没有什么阻抗，而对较高频率的电流会产生较大的衰减。对于抑制电磁干扰用的铁氧体，最重要的性能参数为磁导率μ和饱和磁通密度Bs。它的等效电路为一个电感和一个电阻串联，两个元件的值都与磁珠的长度成比例。当导线穿过这种铁氧体磁芯时，所构成的电感阻抗是随着频率的升高而增加。高频电流在其中以热量形式散发。在低频段，阻抗由电感的感抗构成。低频时电阻R很小，磁芯的磁导率较高，因此电感量较大，L起主要作用，电磁干扰被反射而受到抑制，并且这时磁芯的损耗较小．整个器件是一个低损耗，高Q特性的电感。这种电感容易造成谐振．因此在低频段有时可能出现使用铁氧体磁珠后，干扰增强的现象。在高频段，阻抗由电阻成分构成，随着频率升高，磁芯的磁导率降低，导致电感的电感量减小，感抗成分减小这时磁芯的损耗增加，电阻成分增加，导致总的阻抗增加。当高频信号通过铁氧体时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。

在实际应用过程中，磁珠的多少和大小根据不同需要，可以调整，同时，根据电路衰减值的略微大小调整，也可以是0欧姆电阻或者跳线。

电力载波衰减与信号耦合电路。（又可以称为高通耦合电路）；基本由两级组成。

第一级采用高耐压的安规电容耦合。

第二级采用符合安规要求的信号变压器耦合。采用高频变压器，高频变压器的耦合频率高于工频变压器，在高频变压器磁芯的材质的特性范围内，频率耦合效果极佳，除工频信号外，其余高频率的信号都具有较小的衰减。

接插件，基本由三个组成。

第一个：输入插座。

第二个：输出插座。

第三个：RF射频连接插座。

另外，低通隔离电路到PLC调制解调器之间的导线不能很长，要小于

,

是电力线载波讯号中最高频率的波长，如果大于这个长度，将会有天线效应，此时在这一段导线上将会接收到环境复杂的电波信号，影响最后输出的电力线载波讯号的纯净度。

本实施例的工作原理如下：

通过设备的市电输入插座端口经过电线连接市电的插座，将110V /60Hz 或者 220V/50Hz交流市电提供给本设备。

110V /60Hz 或者220V/50Hz的市电载波将通过低通电路，除了50Hz/60hz的市电载波以外，滤除市电上的所有信号包含：有用的PLC通讯信号与杂波干扰信号。通俗点说：就是提供一个理想状态下非常干净的110V /60Hz 或者220V/50Hz的电力载波。

通过设备的插座端口，插入被测PLC调制解调器。PLC调制解调器供电后开始工作，反过来向插座发射高频通讯信号。

在低通滤波电路的滤波衰减下，插座的电力高频通讯信号，将通过高通滤波电路耦合分离出来。分离信号的强弱取决于高频变压器的工作曲线特性,与线圈匝比。高频变压器的磁芯材料无法耦合50Hz / 60Hz的电力载波信号，只能耦合10Khz以上的高频信号（耦合频率的最小取决于高频变压器磁芯材质）。

本实施例中低通滤波器，器件选型好，自激频点高的元器件可以省略工频变压器，进一步降低设备成本，后续方案会进一步改进。

本实施例产品可以使用在全市电电压范围内：90V-265V。

本实施例主要是给PLC调制解调器提供一个理想环境，测试PLC调制解调器通信的最佳状态。

由于输入电压高，选型的器件耐压高，体积较大，器件分布参数的大小（俗称：寄生电容），与器件本身的自激频点特性,直接影响低通滤波器衰减值的高低，该技术主要是克服并改善低通滤波电路衰减值，能够达到-70dbm以上，后续还会开发更高衰减的低通滤波器。

Claims

1. 一种基于电力线载波上的电信号分离方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、接入市电滤除杂波干扰，提供纯净工频频率的工频电源；

2.根据权利要求1所述的基于电力线载波上的电信号分离方法，其特征在于：所述的步骤A中采用低通滤波的方法将电网中火线和零线的高于工频频率的信号滤除；包括以下步骤：

A02、采用共模电感隔离火线和零线上的共模高频信号；

3. 根据权利要求2所述的基于电力线载波的电信号分离方法，其特征在于：所述的多阶低通滤波器为6阶以上。

4.根据权利要求3所述的基于电力线载波的电信号分离方法，其特征在于：所述的多阶低通滤波器为8阶。

5.一种基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：包括低通隔离电路和高通耦合电路；

6.根据权利要求5所述的基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：所述的低通隔离电路包括：工频变压器、共模电感、多阶低通滤波器；所述的工频变压器初级线圈接市电工频电网的火线和零线，1：1耦合工频电源到次级线圈；所述的共模电感两端分别接所述的工频变压器的次级线圈和多阶低通滤波器的输入端，多阶低通滤波器的输出端接输出设备。

7.根据权利要求6所述的基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：所述的多阶低通滤波器为由电感、电容级连组成的六阶以上的多阶低通滤波器。

8.根据权利要求6所述的基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：所述的多阶低通滤波器为由电感、电容级连组成的8阶低通滤波器。

9.根据权利要求5至8　中任一所述的基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：还包括磁珠，所述的磁珠串连在多阶低通滤波器的输出端与被测设备之间。

10.根据权利要求5至8中任一所述的基于电力线载波的电信号分离系统，其特征在于：所述的高通耦合电路包括耦合电容和高频变压器，所述的耦合电容和高频变压器串联之后并联在被测设备的火线和零线之间，所述的高频变压器的次级线圈输出电力线载波讯号接检测端。