CN109120307A - 一种电力线载波通信系统及其带通匹配耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电力线载波通信系统及其带通匹配耦合器,所述系统包括发送端、接收端和电力线端;所述发送端和或接收端与电力线端之间连接有带通匹配耦合器;所述带通匹配耦合器包括:耦合电路:用于耦合和带通滤波;阻抗匹配电路:用于实现发送端和或接收端与电力线端之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。耦合电路是一个带通滤波器,当与阻抗匹配电路结合使用时,它被升级为一个经济紧凑的耦合器。本发明提供的带通匹配耦合器可用于取代直流电力线通信中的耦合变压器,以确保在直流电力线通信过程中具有更加精确的阻抗匹配。本发明的带通匹配耦合器尺寸小,造价低,适合大面积推广使用,为直流电力线通信中阻抗匹配的设计提供了重要思路。
Description
技术领域
本发明涉及电力通信技术领域,尤其涉及一种电力线载波通信系统及其带通匹配耦合器。
背景技术
电力线载波通信(PLC)以现有的电力线作为通信媒介,是数据传输最经济的解决方案之一。过去几十年,在交流电力线载波通信(AC-PLC)领域已经取得了显着的成就,如智能抄表、智能电网以及智能家居等。近年来,由于直流应用(如光伏检测、可穿戴设备、车载电力线载波通信)需求的显著增加,直流电力线载波通信(DC-PLC)技术的研究引起了世界范围内的广泛关注。
DC-PLC与AC-PLC一样,通常需要PLC耦合器将通信信号耦合到电力线信道或从电力线信道中解耦出通信信号。一方面,该PLC耦合器应尽可能地允许通信信号通过,同时防止主电压损坏通信设备或调制解调器。另一方面,该PLC耦合器应确保调制解调器与电力线信道之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。
尽管DC-PLC面临着电力线信道阻抗随频率和长度发生变化以及发送器/接收器(调制解调器)侧与电力线信道之间的阻抗不匹配等问题,但迄今为止,在DC-PLC研究领域,具有阻抗匹配功能的耦合器研究较少。
在AC-PLC研究领域中,通常需要耦合变压器进行耦合、带通滤波和阻抗匹配。然而,耦合变压器设计涉及参数的太多,且耦合变压器的匝数比有限,因此耦合变压器并不能实现准确的阻抗匹配功能。另外,耦合变压器的成本和尺寸也使其不能成为最经济和紧凑的PLC耦合器的理想解决方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供一种电力线载波通信系统及其带通匹配耦合器,解决现有技术中电力线载波通信存在阻抗匹配不准确、耦合设备成本高的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种直流电力线载波通信系统,包括发送端、接收端和电力线端;
所述发送端和或接收端与电力线端之间连接有带通匹配耦合器;
所述带通匹配耦合器包括:
耦合电路:用于耦合和带通滤波;
阻抗匹配电路:用于实现发送端和或接收端与电力线端之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。
进一步的,所述阻抗匹配电路包括:第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3;
当带通匹配耦合器设置于发送端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输入侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间;
当带通匹配耦合器设置于接收端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输出侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间。
进一步的,所述耦合电路包括:第四电容器C4、第四电感器L4、第五电容器C5、第五电感器L5、第六电容器C6和第六电感器L6;
所述第四电容器C4分别与第三电容器C3和第四电感器L4并联;所述第四电感器L4的一端串联第五电容器C5、第五电感器L5后与所述第六电容器C6的一端连接,第四电感器L4的另一端与所述第六电容器C6的另一端连接;所述第六电感器L6并联于第六电容器C6两端。
进一步的,所述第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3存在如下关系:
式中:C为耦合电容器;|ZP|为电力线端阻抗。
本发明还提供一种带通匹配耦合器,包括:
耦合电路:用于耦合和带通滤波;
阻抗匹配电路:用于实现发送端和或接收端与电力线端之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。
进一步的,所述阻抗匹配电路包括:第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3;
当带通匹配耦合器设置于发送端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输入侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间;
当带通匹配耦合器设置于接收端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输出侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间。
进一步的,所述耦合电路包括:第四电容器C4、第四电感器L4、第五电容器C5、第五电感器L5、第六电容器C6和第六电感器L6;
所述第四电容器C4分别与第三电容器C3和第四电感器L4并联;所述第四电感器L4的一端串联第五电容器C5、第五电感器L5后与所述第六电容器C6的一端连接,第四电感器L4的另一端与所述第六电容器C6的另一端连接;所述第六电感器L6并联于第六电容器C6两端。
进一步的,所述第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3存在如下关系:
式中:C为耦合电容器;|ZP|为电力线端阻抗。
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
本发明提供的带通匹配耦合器尺寸较小,便于集成,用于取代直流电力线通信中的耦合变压器,能够确保在直流电力线通信过程中具有更加精确的阻抗匹配;
且本发明提供的带通匹配耦合器造价较低,适合大面积推广使用,为DC-PLC阻抗匹配的设计提供了重要思路。
附图说明
图1为采用本发明提供的带通匹配耦合器的直流电力线载波通信系统的电路原理框图;
图2为将本发明提供的带通匹配耦合器应用于电力线载波通信系统接收端的电路图;
图3为诺顿变换前后阻抗匹配电路的电路图;
图4为电力线载波通信系统接收端连接带通匹配耦合器的简化电路图;
图5为电力线载波通信系统发送端连接带通匹配耦合器的简化电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,是采用本发明提供的带通匹配耦合器的直流电力线载波通信系统的电路原理框图,包括发送端、接收端和电力线端,其中发送端和接收端分别部署一个带通匹配耦合器,用作发送器-接收器耦合器对。
在发送端,Vsystem和Zsystem分别是信号发生器的电压源和输出阻抗;在接收端,Zterminal表示接收器(调制解调器)的输入阻抗。发送端和接收端的标准输入和输出阻抗均为50Ω,而电力线信道阻抗随着频率和长度变化,它可以根据每单位长度的电力线特性参数来计算,应该注意的是:直流电力线载波通信系统的电力线侧的负载条件是已知的并且是可控的。
如图2所示,带通匹配耦合器包括:耦合电路和阻抗匹配电路。耦合电路通常是BPF(band-pass filter,带通滤波器),用于耦合和带通滤波,以便允许尽可能多的通信信号通过,同时滤除可能损坏通信设备或调制解调器的主电压。阻抗匹配电路实现发送器/接收器侧与电力线信道之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。具体的:
所述阻抗匹配电路包括:第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3;
当带通匹配耦合器设置于发送端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输入侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间;
当带通匹配耦合器设置于接收端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输出侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间。
所述耦合电路包括:第四电容器C4、第四电感器L4、第五电容器C5、第五电感器L5、第六电容器C6和第六电感器L6;
所述第四电容器C4分别与第三电容器C3和第四电感器L4并联;所述第四电感器L4的一端串联第五电容器C5、第五电感器L5后与所述第六电容器C6的一端连接,第四电感器L4的另一端与所述第六电容器C6的另一端连接;所述第六电感器L6并联于第六电容器C6两端。
通过电路理论的推导计算,得出每单位长度的电力线阻抗为:
Zunit=|Zunit|∠θ≈jωL0=ωL0∠90° (1)
式中:L0为每单位长度电力线的电感(可由精密阻抗分析仪测出);|Zunit|和θ是单位长度电力线的阻抗大小和相位角;ω为载波频率,ω=2πf。
根据公式(1)中,每单位长度电力线的阻抗大小为
|Zunit|=ωL0 (2)
每单位长度的电力线阻抗|Zunit|与载波频率(ω=2πf)和电力线长度成正比。因此,长度为l的电力线阻抗可表示为
|ZP|=ωL0·l=|Zunit|·l (3)
本发明提供的带通匹配耦合器的耦合电路是一个特征阻抗为50Ω的π型BPF,当与阻抗匹配电路结合使用时,BPF被升级为经济紧凑的耦合器。所述的π型BPF作用于CENELECB频段(95-125kHz),其设计从标准化的巴特沃斯低通滤波器开始,转换为所需的带通滤波器,从而达到信号耦合和带通滤波的作用。
除此以外,这种新型耦合器的另一个重要任务是阻抗匹配。阻抗是一个取决于许多参数的复杂量,这导致电路设计期间很难实现阻抗匹配。在本发明中,我们简化了电源线阻抗模型,以便在仅使用阻抗大小(即不使用相位角)的情况下进行阻抗匹配电路设计。如图1所示,电力线信道阻抗|ZP|=|Zunit|·lΩ,而终端阻抗Zsystem=Zterminal=50Ω,意味着发送端/接收端与电力线信道之间存在阻抗不匹配。
如图3所示,在所述的π型BPF的输入侧添加耦合电容器C,以阻断来自终端电力线的直流分量,同时BPF具有相同的输出特性。除了耦合电容器C之外,阻抗匹配电路包括变压器,其绕组比N为由于阻抗与成正比,50ΩBPF特性阻抗在电力线侧表现为而|ZP|Ω电力线阻抗在BPF的输入侧显示为通过诺顿变换可以使阻抗匹配电路(变压器与耦合电容的组合)等效为三个电容器。电容C1、C2、C3的值分别为:
为了减少开销并简化耦合器电路,可以找到合适的C值来使其中两个电容器(C3和C4)可以相互抵消。图4为电力线载波通信系统接收端连接带通匹配耦合器的简化电路图;图5为电力线载波通信系统发送端连接带通匹配耦合器的简化电路图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种电力线载波通信系统,其特征在于,包括发送端、接收端和电力线端;
所述发送端和或接收端与电力线端之间连接有带通匹配耦合器;
所述带通匹配耦合器包括:
耦合电路:用于耦合和带通滤波;
阻抗匹配电路:用于实现发送端和或接收端与电力线端之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。
2.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统,其特征在于,所述阻抗匹配电路包括:第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3;
当带通匹配耦合器设置于发送端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输入侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间;
当带通匹配耦合器设置于接收端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输出侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间。
3.根据权利要求1所述的电力线载波通信系统,其特征在于,所述耦合电路包括:第四电容器C4、第四电感器L4、第五电容器C5、第五电感器L5、第六电容器C6和第六电感器L6;
所述第四电容器C4分别与第三电容器C3和第四电感器L4并联;所述第四电感器L4的一端串联第五电容器C5、第五电感器L5后与所述第六电容器C6的一端连接,第四电感器L4的另一端与所述第六电容器C6的另一端连接;所述第六电感器L6并联于第六电容器C6两端。
4.根据权利要求2所述的电力线载波通信系统,其特征在于,所述第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3存在如下关系:
式中:C为耦合电容器;|ZP|为电力线端阻抗。
5.一种带通匹配耦合器,其特征在于,包括:
耦合电路:用于耦合和带通滤波;
阻抗匹配电路:用于实现发送端和或接收端与电力线端之间的阻抗匹配,以实现最大信号功率传输。
6.根据权利要求5所述的带通匹配耦合器,其特征在于,所述阻抗匹配电路包括:第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3;
当带通匹配耦合器设置于发送端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输入侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间;
当带通匹配耦合器设置于接收端时,所述第一电容器C1并联于电力线端输出侧的两端,所述第三电容器C3并联于所述耦合电路输入侧的两端,所述第二电容器C2串联于第一电容器C1和第三电容器C3之间。
7.根据权利要求5所述的带通匹配耦合器,其特征在于,所述耦合电路包括:第四电容器C4、第四电感器L4、第五电容器C5、第五电感器L5、第六电容器C6和第六电感器L6;
所述第四电容器C4分别与第三电容器C3和第四电感器L4并联;所述第四电感器L4的一端串联第五电容器C5、第五电感器L5后与所述第六电容器C6的一端连接,第四电感器L4的另一端与所述第六电容器C6的另一端连接;所述第六电感器L6并联于第六电容器C6两端。
8.根据权利要求6所述的带通匹配耦合器,其特征在于,所述第一电容器C1、第二电容器C2和第三电容器C3存在如下关系:
式中:C为耦合电容器;|ZP|为电力线端阻抗。
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