CN104104411A - 电力线通信装置及其功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力线通信装置及其功率控制方法。该电力线通信装置，耦接于一电力线通信系统中的一电力线，包含：一发射器、一功率耦合器、一信号检测器及一控制器。发射器被设置为产生一传输信号。功率耦合器耦接于该发射器，被设置为耦接该传输信号至该电力线。信号检测器耦接于该发射器及该控制器之间，被设置为检测该传输信号。控制器耦接于该发射器及该信号检测器，被设置为基于该检测的传输信号，调整该发射器的动态范围，而不执行信道探测程序。本发明可防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统。

Description

电力线通信装置及其功率控制方法

【技术领域】

本发明关于电力线通信（power line communication，PLC），尤其关于一种电力线通信装置及其功率控制方法。

【背景技术】

近年来，电力线通信系统的高性能数字数据传输系统已经发展起来。电力线通信开发人员面临的问题之一是时变的电力线通信信道特性，其被隶属于电力线的电器所影响。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供一种电力线通信装置及其功率控制方法。

本发明一实施例提供一种电力线通信装置，耦接于一电力线通信系统中的一电力线，包含一发射器、一功率耦合器、一信号检测器及一控制器。发射器被设置为产生一传输信号。功率耦合器耦接于该发射器，被设置为耦合该传输信号至该电力线。信号检测器耦接于该发射器及该控制器之间，被设置为检测该传输信号。控制器耦接于该发射器及该信号检测器，被设置为基于该检测的传输信号，调整该发射器的动态范围，而不执行信道探测程序。

本发明另一实施例提供一种功率控制方法，由一电力线通信装置执行，该功率控制方法包含：当被耦接至一电力线通信系统中一电力线时，产生一传输信号；检测该传输信号；以及基于该检测的传输信号，调整该发射器的动态范围，而不执行信道探测程序。

上述电力线通信装置及其功率控制方法可防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统。

【附图说明】

图1为依据本发明实施例的能提供动态范围调整（dynamic range adaptation，DRA）的电力线通信装置10的方块图；

图2为依据本发明实施例的能提供动态范围调整的功率控制方法2的流程图；

图3A和3B为依据本发明实施例的由电力线通信装置10采用的阻抗参数；

图4为依据本发明另一实施例的能提供动态范围调整的电力线通信装置40的方块图；

图5为依据本发明再一实施例的能提供动态范围调整的电力线通信装置50的方块图；

图6为依据本发明又一实施例的功率控制方法6的流程图；

图7为由图1中电力线通信装置10采用的电流镜像电路的电路示意图。

【具体实施方式】

在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的元件。本领域中技术人员应可理解，电子装置制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。以外，“耦接”一词在此包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接到第二装置，则代表该第一装置可直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

图1为依据本发明实施例的能提供动态范围调整（dynamic range adaptation，DRA）的电力线通信装置10的方块图。通过利用有线系统的调制载波信号来运行电力线通信系统。不同的电力线通信类型使用不同的频带，取决于所使用的电力布线（power wiring）的信号传输特性。图1举例说明电力线通信系统1中连接于电力线的电力线通信装置10。

电力线通信系统的一个特性就是由电力线通信装置10看入的信道阻抗R_load会随着电力线类型和长度以及连接至电力线的电器类型和数量而变化，也随着传输信号的工作频率（operation frequency）而变化。对于由电压驱动电路实现的电力线通信装置10，当信道阻抗R_load下降到某一级别（level）时，由电力线通信装置10驱动的传输信号的所需电流会剧增得很高，甚至由于所需电流超过了电力线通信装置10能够驱动的最大电流I_max而发生饱和，导致有害的过电流或过热状态。因此，为了容纳（accomodate）信道阻抗R_load的降低或减小，电力线通信装置10可无需执行信道探测（channel sounding）程序便可调整（adapt）传输路径中电路增益的动态范围，其涉及到改变在电力线上传送的传输信号的调制类型、数据速率或编码速率，以将信道阻抗R_load恢复到保持在高于或等于某一级别。具体地说，当连接于电力线时，电力线通信装置10可紧密地监控阻抗参数如传输信号的电流级别、功率级别或能量级别，以判定信道阻抗R_load的下降或减小的发生情况，并相应地基于估算的阻抗参数来调整传输信号Sout±振幅的动态范围。

电力线通信装置10包含发射器100、功率耦合器102、信号检测器104以及控制器106。发射器100通过功率耦合器102耦接于电力线。信号检测器104耦接于发射器100与控制器106之间。

发射器100包含数模转换器（DAC）1000、功率放大器（power amplifier，以下简称PA）前端1002以及线路（line）功率放大器1004，发射器100位于电力线通信装置10的传输路径上，在基带数字电路（未图示）执行数字信号处理，在DAC1000执行转换，在功率放大器前端1002执行滤波，以及在功率放大器1004执行测试信号St的放大，以产生在电力线上传输的传输信号。

功率耦合器102可为耦合于传输信号的电源变压器（power transformer），该传输信号从发射器100传输至电力线。当发射器100驱动传输信号至电力线上时，电力线的负载阻抗R_load会影响发射器100的性能及传输信号的信号品质，该电力线的负载阻抗R_load取决于传输信号的载波频率及其他所连接的电子设备。举例来说，当负载阻抗R_load很低时，要求发射器100通过预定电压来输出增加的电流。此外，功率耦合器102可使用1:N的匝数比（turn ratio）来增加电力线上的传输信号的电压，同时进一步要求由发射器100来驱动N倍电力线上的电流。由于要求发射器驱动多个传输信号同时穿过射频频谱，并且在增加的电流中，由发射器100驱动的总电流会很大，因此在提供所需总电流及散热解决方案来降低或消除由增加的总电流产生的热量的发射器设计上，提出了挑战。举例来说，功率耦合器102的匝数比为1:3，其初级线圈（primary winding）直接连接至PA1004，次级线圈直接连接至电力线。当电力线的负载阻抗R_load很低时，电力线上的峰值电流会超过750mA，致使电流超过PA1004得到的2.25A电流。

信号检测器104可基于传输信号Sout±的复制信号（replica signal）S_repl（检测的传输信号）来估算表示负载阻抗R_load的阻抗参数，依次地，控制器106可基于所估算的阻抗参数来调整传输路径上的电路动态范围，无需执行信道探测程序。复制信号S_repl实质上与传输信号Sout±相同，由如图7所示的电流镜像（current mirror）复制再生。图7为由图1中电力线通信装置10采用的电流镜像电路7的电路示意图。信号检测器104可由电流镜像电路7、电流至电压转换器、电流积分器、功率检测器或能量检测器实现。复制信号S_repl的电流与负载阻抗R_load成反比例。动态范围为电力线通信装置10能够容忍而又没有信号失真的最大信号功率与噪声级的比例，并可通过下列方式来调整：调整发射器100中任意电路元件的电路增益、调整载波信号的功率，该载波信号为所处理的测试信号St的多路复用以产生传输信号Sout±、调整发射器100的静态电流（quiescent current）。也就是说，控制器106可基于阻抗参数产生控制信号Sc来控制数字或模拟电路的增益，或者来控制载波信号的功率，从而改变发射器100的动态范围，其中该数字或模拟电路包含基带电路、DAC1000、PA前端1002或PA1004。举例来说，信号检测器104可判定复制信号S_repl的峰值电流（阻抗参数）超过2.25A，并相应地通过降低发射器100的电路增益或载波功率来调整动态范围，从而保持传输信号Sout±的电流在安全级内，例如2A。相应地，所调整的动态范围伴随着复制信号S_repl的电流增加而减少。

当电力线通信装置10在初始化期间连接于电力线时，由电力线上的电力线通信装置的发射器发送探测序文（sounding preamble）来判定信道特性。作为回应，电力线通信装置的接收器测量在每一频率（tone）上接收到的信号的品质，以建立频率映射并报告该频率映射给发射器。频率映射包含每一子载波的发射器参数，例如调制机制、传输功率及预定义暂时窗口（temporal window）的每一子载波编码率。频率映射被发送至发射器100。建立频率映射的过程被认为是探测程序。如果认为频率映射为无效的，例如，由于高数据误差率，接收器会提供新的频率映射来代替已存在的频率映射或再一次重新执行信道探测程序。

测试信号St可以是电力线通信装置10的外部电路（未图示）产生的单频（single tone）信号并被输入至发射器100。作为回应，发射器100可滤波并处理单频信号St以在第一频率f1产生差动传输信号Sout±。为了估算由电力线通信装置10看入的输出阻抗，信号检测器104可从功率放大器1004的输出获得传输信号Sout±的复制信号S_repl，以判定复制信号S_repl的第一峰值电流。由于负载阻抗R_load的影响，复制信号S_repl的峰值电流可不同于DAC1000输出处处理过的测试信号St的峰值电流。设置控制器106从信号检测器104接收第一峰值电流，并推导阻抗级Z1，该阻抗级Z1对应于第一频率f1处的第一传输信号St。此外，基带信号可产生第二测试信号且设置PA1004在频率f2驱动第二传输信号，依次地，设置信号检测器104基于第二传输信号St的复制信号S_repl来判定第二峰值电流，设置控制器106计算对应于第二传输信号的第二阻抗Z2。在N次重复过程后，控制器106收集并记录了阻抗Z1-ZN。在大部分情况下，由于电力线的性质，不同频率的阻抗的次数N互不相同。

可通过将两个或多个阻抗求平均来获得阻抗参数（如图1中的S_{avg_imp}），如图3A和3B所示，其为依据本发明实施例电力线通信装置10采用的作为阻抗参数的不同组的平均阻抗（averaged impedance）Zeff、Zeff1、Zeff2及Zeff3。平均阻抗Zeff为感兴趣的频谱上所有收集到的阻抗的平均值。平均阻抗Zeff1、Zeff2及Zeff3为每一对相邻频率上阻抗的平均值。图3A和3B表示单频或单频小集合的频率相依电力线阻抗。如果电力线阻抗的变化很小或者该变化在感兴趣的频谱上是平稳的，则单频小集合的单个阻抗或平均阻抗参数代表电力线通信系统且可用来调整发射器100中电路元件的动态范围，如图3A所示情况。否则，当电力线阻抗的变化相当大时，将少量的相邻频率，例如图3B所示的一对相邻频率平均，以调整动态范围。

与信道探测程序对比，电力线通信装置10采用的动态范围调整程序可基于电力线的阻抗参数，由控制信号Sc来调整传输路径上任意电路元件的动态范围。PA1004为电压型闭环放大器，输出电流对应于负载阻抗的倒数。为了保持传输信号Sout±的输出电流在预定限流值之下，可用平均阻抗降低DAC1000的动态范围。通过动态范围调整程序，至功率耦合器102及电力线的输出电流被限制在预定限流值，如此一来，可防止PA1004遭受有害状态，如过电流状态或过热状态。同样，当电力线的负载阻抗R_load很小时，由于过电流状态期间信号失真，对应于输出电流的输出功率级不会降低。此外，当传输信号的信号失真减少时，可防止传输信号Sout±的信道有效信号与噪声比、误比特率及平均吞吐率降低。

电力线通信装置10在电力线通信期间使用单频测试信号估算信道的阻抗，并依据估算的阻抗通过自适应调整发射器的动态范围来小范围地调整模拟装置，而不涉及信道探测程序，防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统，同时无需妥协就能维持电路性能。

在一些实施例中，电力线通信装置10可基于检测过电流状态来执行动态范围调整，且检测的电流可用作阻抗参数。图2为依据本发明实施例包含图1中电力线通信装置10的过电流状态引起的功率控制方法2的流程图。

在启动时，为功率控制方法2初始化电力线通信装置10。通过动态范围调整程序，电力线通信装置10可发送单频传输信号来估算第一频率f1的阻抗参数（例如，第一频率f1的复制信号S_repl的峰值电流I_pk）（S200）。由于负载阻抗R_load影响传输信号Sout±，因此设置信号检测器104来监控并传递传输信号Sout±的复制信号S_repl的电流至控制器106，用来动态范围调整。监控电流可为复制信号S_repl的峰值电流。控制器106被设置为判定复制信号S_repl的电流是否超过电流阈值I_limit(S202)。如果超过了电流阈值I_limit，则过电流状态发生了，控制器106可依据复制信号S_repl的电流来调整发射器100的动态范围，如此一来PA1004取得的电流在电流阈值I_limit之内（S204）。如果复制信号S_repl等于或小于当前电流阈值I_limit，控制器106可继续估算下一频率的阻抗参数（例如，下一频率的复制信号S_repl的峰值电流I_pk），且功率控制方法2回到步骤202为下一频率检测过电流状态（S206）。

虽然使用过电流状态来触发动态范围调整，但本领域技术人员应了解到可使用其他触发机制如过热状态，来代替过电流状态。举例来说，该电力线通信装置还包含一温度传感器，耦接于该控制器，被设置为检测该电力线通信装置的温度；其中，该控制器被设置为当该检测的温度超过温度阈值时，调整该发射器的该动态范围。

功率控制方法2为电力线通信装置提供一种解决方案，当检测到过电流状态时，为发射器实现动态范围调整，防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统，无需妥协而维持电路性能。

图4为依据本发明另一实施例的能提供动态范围调整的电力线通信装置40的方块图，包含发射器100、功率耦合器102、电流至电压转换器400、ADC402、变频器404、计算电路406及控制器408。

电力线通信装置40使用频率选择动态范围调整，不同于电力线通信装置10，而且取代单频测试信号，通过采用具有N条正弦曲线的测试信号St，输入离散多频信号Sout±至传输路径，该测试信号St具有恒定幅值及相位，且在我们想要使用到的频谱，即感兴趣的射频频谱（spectrum of interest）（例如0及30MHz）上均匀分布，被认为是离散单频。测试信号St绘制在感兴趣的频带（band ofinterest）的频率及功率谱密度（frequency and power spectral density，以下简称PSD）平面上。由电流至电压转换器400将复制信号S_repl转换至电压域，并通过ADC402来进行数字转换。变频器404的信号处理在频域中处理（interpret）复制信号S_repl以产生表示感兴趣频谱上PSD的频域信号S_fd。变频器404可以是快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）电路。计算电路406接着被设置为比较频域信号S_fd与输入测试信号St以获得电力线阻抗的映射。电力线通信装置40采用的阻抗参数为感兴趣频谱上的阻抗线Z_line（例如，由每一信号分量看入的对应阻抗）。图4的电力线通信装置40采用的阻抗估算包含整个感兴趣频谱的阻抗线Z_line，且相比图1的电力线通信装置10提供的平均阻抗，具有较少的信息损失。依据阻抗线Z_line，控制器408通过为每一信号分量调整每一频率的每一载波的对应功率级，使用阻抗线Z_line来分别为每一频率调整动态范围，如此一来，传输信号Sout±中的电流分量全都不会超过电流阈值I_limit。

电力线通信装置40在电力线通信期间使用离散多频信号来估算信道的阻抗，并依据估算的阻抗自适应调整发射器的动态范围，防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统，同时无需妥协就能维持电路性能。

图5为依据本发明再一实施例的能提供动态范围调整的电力线通信装置50的方块图。

电力线通信装置50也使用离散多频作为测试信号St。电力线通信装置50不同于电力线通信装置10及40，而且取代判定电力线的阻抗，信号检测器104仅仅为复制信号S_repl中所有载波收集功率（例如，判定每一信号分量的对应功率）并将其平均。依次地，控制器106被设置为依据平均功率Savg_pwr，通过调整电路元件的增益或调整载波信号的功率级，来调整传输路径上的电路元件的动态范围。电力线通信装置50中不需要频率变换如快速傅里叶变换，减少电路复杂性并降低电路成本。

电力线通信装置50通过判断工作射频频谱上的传输信号的平均功率来估算信道的阻抗，并依据平均功率自适应调整发射器的动态范围，防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统，同时无需复杂的傅里叶变换计算就能维持电路性能。

图6为依据本发明又一实施例的功率控制方法6的流程图，包含图1、图4及图5中各自的电力线通信装置10、电力线通信装置40或电力线通信装置50。

在启动时，为功率控制方法6初始化电力线通信装置（S600）。然后电力线通信装置通过探测程序执行信道估算（S602）以建立频率映射（S604）。发射器获得频率映射以相应地产生传输信号用于电力线通信（S606）。频率映射包含调制机制、传输功率及预定暂时窗口的每一子载波编码率的信息。在电力线通信期间，电力线通信装置连续不断地或定期地监控温度或输出电流，以判定是否发生异常情况，如过热状态或过电流状态（S608）。如果没有发生，电力线通信装置可返回步骤S606，在步骤S606中继续电力线通信。当发生了过热状态或过电流状态时，要求电力线通信装置执行如图1,2,4及5所示的动态范围调整，而不调用信道探测程序（S610），并返回至步骤S606继续电力线通信。

功率控制方法6为电力线通信装置提供一种解决方案，当检测到异常情况时，电力线通信装置为发射器执行动态范围调整，防止电力线通信装置驱动过量的电流至电力线通信系统，无需妥协而维持电路性能。

如此处使用的，术语“判定”包含计算、处理、推导、调查、查找（例如，在表中、数据库或其他数据结构中查找）、判断诸如此类。同样地，“判定”可包含分解、选择、决定、建立诸如此类。

本发明揭露的有关各种说明性逻辑块、模块及电路可用通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC）、现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）或其他可编程逻辑器件、离散门或晶体管逻辑、离散硬件组件或所设计的任意组合来实现或执行以完成此处描述的功能。通用处理器可为微处理器，或者，该处理器可为任意市场上可用的处理器、控制器、微控制器或状态机。

本发明揭露的各种逻辑块、模块及电路的操作及功能可用可由处理器存取及执行的电路硬件或嵌入式软件代码来实现。

虽然本发明已以具体实施例揭露如上，然其仅为了易于说明本发明的技术内容，而并非将本发明狭义地限定于该实施例，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视本发明的权利要求所界定者为准。

Claims (20)

1.一种电力线通信装置，耦接于电力线通信系统中的电力线，该电力线通信装置包含：

发射器，被设置为产生传输信号；

功率耦合器，耦接于该发射器，被设置为耦合该传输信号至该电力线；

信号检测器，被设置为检测该传输信号；以及

控制器，耦接于该发射器及该信号检测器，被设置为基于该检测的传输信号，调整该发射器的动态范围，而不执行信道探测程序；

其中，该信号检测器耦接于该发射器及该控制器之间。

2.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该电力线通信装置还包含温度传感器，耦接于该控制器，被设置为检测该电力线通信装置的温度；其中，该控制器被设置为当该检测的温度超过温度阈值时，调整该发射器的该动态范围。

3.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该信号检测器被设置为判定该传输信号的电流；以及该控制器被设置为当判定该电流超过电流阈值时调整该发射器的该动态范围。

4.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该调整的动态范围随着该检测的传输信号的电流的增加而降低。

5.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，

该发射器被设置为在不同的频率连续产生两个传输信号；

该信号检测器被设置为判定两个阻抗参数，该两个阻抗参数分别指示由该两个传输信号看入的阻抗；以及

该控制器被设置为将该两个阻抗参数平均，并基于该平均的阻抗参数来调整该发射器的该动态范围。

6.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该传输信号包含分布在频谱上的多个信号分量。

7.如权利要求6所述的电力线通信装置，其特征在于，该电力线通信装置还包含：

变频器，耦接于该发射器及该控制器之间，被设置为将该传输信号从时域转换至频域；以及

计算电路，耦接于该变频器及该控制器之间，被设置为基于该转换的传输信号获得由每一信号分量看入的对应阻抗；

其中，该控制器被设置为基于该对应阻抗，通过为每一信号分量调整对应载波的对应功率级，来调整该发射器的该动态范围。

8.如权利要求6所述的电力线通信装置，其特征在于，

该信号检测器被设置为判定每一信号分量的对应功率；以及

该控制器被设置为将该多个信号分量的所有对应功率平均，并基于该平均的对应功率来调整该发射器的该动态范围。

9.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该控制器被设置为通过调整该发射器的增益，来调整该发射器的该动态范围。

10.如权利要求1所述的电力线通信装置，其特征在于，该控制器被设置为通过调整该发射器中载波的功率，来调整该发射器的该动态范围。

11.一种功率控制方法，由电力线通信装置执行，其特征在于，该功率控制方法包含：

当被耦接至电力线通信系统中电力线时，该电力线通信装置产生传输信号；

检测该传输信号；以及

基于该检测的传输信号，调整该发射器的动态范围，而不执行信道探测程序。

12.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，该功率控制方法还包含：

检测该电力线通信装置的温度；

其中，该调整步骤包含当该检测的温度超过温度阈值时，调整该发射器的该动态范围。

13.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，

该检测步骤包含判定该传输信号的电流；以及

该调整步骤包含当判定该电流超过电流阈值时，调整该发射器的该动态范围。

14.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，该调整的动态范围随着该检测的传输信号的电流的增加而降低。

15.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，

该产生传输信号的步骤包含在不同的频率连续产生两个传输信号；

该检测步骤包含判定两个阻抗参数，该两个阻抗参数分别指示由该两个传输信号看入的阻抗；以及

该调整步骤包含将该两个阻抗参数平均，并基于该平均的阻抗参数来调整该发射器的该动态范围。

16.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，该传输信号包含分布在频谱上的多个信号分量。

17.如权利要求16所述的功率控制方法，其特征在于，该功率控制方法还包含：

将该传输信号从时域转换至频域；以及

基于该转换的传输信号获得由每一信号分量看入的对应阻抗；

其中，该调整步骤包含基于该对应阻抗，为每一信号分量调整对应载波的对应功率级，来调整该发射器的该动态范围。

18.如权利要求16所述的功率控制方法，其特征在于，

该检测步骤包含判定每一信号分量的对应功率；以及

该调整步骤包含将该多个信号分量的所有对应功率平均，并基于该平均的对应功率来调整该发射器的该动态范围。

19.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，该调整步骤包含调整该发射器的增益。

20.如权利要求11所述的功率控制方法，其特征在于，该调整步骤包含调整该发射器中载波的功率。