CN109495136A - 一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法 - Google Patents

一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法 Download PDF

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杨功海
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Abstract

本发明涉及电力线通信领域和阻抗匹配领域，特别涉及一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，包括：整个系统由测量单元、控制单元和阻抗匹配单元构成；测量单元测量电力线阻抗物理参数，得到通过电力线传播的信号包络、有源功率及作为参考的布尔变量，输出作为控制单元的输入参量；控制单元得到实测阻抗，与匹配目标阻抗相比较，以Smith Chart为工具分析实现自适应阻抗匹配的方法，确定匹配网络的拓扑结构，并得到控制信号传递给阻抗匹配单元；阻抗匹配单元根据控制信号调节集中参数元件的参数值，与目标阻抗实现匹配。本发明针对车载电力线通信阻抗的时变性，引入自适应阻抗匹配的思想，克服了传统固定拓扑匹配网络的缺陷，有利于通信效率及质量的提高。

Description

一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法
技术领域
本发明涉及电力线通信领域及阻抗匹配领域，特别涉及一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法。
背景技术
电力线通信(Power Line Communication,PLC)是一种利用传输电能的电力线作为通信媒介，无需额外铺设通信线路的通信技术，具有成本低、覆盖面广、施工难度低等优点。随着PLC技术不断的发展与改善，PLC已广泛应用于远程抄表系统、路灯远程监控系统、工业智能化等领域，同时，PLC在当前火热发展的智能电网、智能家居、智慧城市领域也扮演着重要角色。车载电力线通信主要利用汽车内直流输电线作为媒介，进行数据传输。高速、远距离、稳定可靠的PLC一直是研究的重点，阻抗匹配作为通信系统中不可或缺的重要部分能够减少电磁信号在媒介中传输的能量损耗，从而能够实现远距离通信的目标。
由于发射机与通信媒介或接收机与通信媒介间存在阻抗失配，电磁信号在传播过程中遇到阻抗失配节点会产生反射，信号能量有损耗，从而造成信噪比(Signal-to-NoiseRatio,SNR)恶化，影响通信的可靠性和通信距离。阻抗匹配是所有通信系统中为克服这一缺点所采取的有效方法。根据实际的应用需求，阻抗匹配主要有源端匹配、终端(负载端)匹配和两端均匹配3种匹配实施方案。匹配网络的拓扑结构可设计为固定网络和可变网络，固定网络拓扑主要针对固定负载阻抗值的匹配，相反，可变网络拓扑主要针对可变的负载阻抗值的匹配，比如时变的负载阻抗值匹配。通信系统中，为了使发射信号以最大功率传输，通常需要将传输媒介(如：光纤、传输线、波导等)的输入阻抗与发射机阻抗进行共轭匹配，同时，为了使接收机接收的信号功率最大化，通常需要将传输媒介的输出阻抗与接收机阻抗进行共轭匹配。Smith Chart(史密斯圆图)是阻抗匹配常用的工具，能够直观地反映测量阻抗和目标阻抗的位置及其两者之间的匹配路径，通过匹配路径能够确定匹配网络的元件类型(阻性、感性、容性)及其之间的连接方式，同时计算出各元件的参数值，确定完整的匹配网络。
车载直流电力线网络拓扑结构极其复杂，接于电力线网络的终端电子设备变化多样，电子设备随机切入切出，因此，电力线网络的阻抗具有很强的时变性和随机性。固定网络拓扑结构的匹配网络不能满足电力线网络阻抗的匹配要求，自适应的匹配网络是电力线网络阻抗匹配的最优解决方案。
发明内容
为了克服电力线网络与PLC发射机和接收机之间的阻抗失配导致的信号能量损耗，为了提高信号在电力线网络中的传输效率，提高PLC系统的SNR保证其通信可靠性及通信距离，针对电力线网络阻抗的时变性和随机性，本发明提出了一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法。该方法采用信源端及终端均匹配的方案，设计了集成有测量单元、控制单元及阻抗匹配单元的阻抗匹配系统，能有效提高阻抗匹配的准确性和自适应性，克服了传统的固定网络拓扑的匹配方案不能满足可变阻抗匹配需求的缺陷。
本发明一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，包括：
本自适应阻抗匹配系统由测量单元、控制单元及阻抗匹配单元三部分构成。测量单元测量电力线网络的物理参数，最终得到通过电力线网络的电压信号包络、电流信号包络、有源功率及符号参量，输出作为控制网络的输入参数；控制单元得到电力线网络的阻抗，以Smith Chart为匹配工具，得到匹配网络的拓扑结构及实现匹配的重要参数，输出作为阻抗匹配单元的控制信号；阻抗匹配单元根据控制信号调节各匹配部件的具体参数，实现自适应阻抗匹配网络的整体设计。
测量单元主要目标在于测量电力线网络的物理参数，其设计由感知单元及处理单元组成，感知单元用于测量通过电力线上的信号电压Vs及电流Is，得到的Vs、Is作为处理单元的输入参数，通过处理单元后输出Venv、Ienv、Pact、Bsign四个信号给控制单元。感知单元由两个运算放大器及精密电阻实现，两个运算放大器分别测量流过精密电阻的电流Is和精密电阻输入节点的参考电压Vs。
具体地，假定频率为fc的单频信号，Vs、Is分别表示为：
其中，Venv、Ienv分别为Vs(t)和Is(t)的包络值，由处理单元中的包络检波电路测得。Vs(t)、Is(t)通过乘法器电路得到瞬时功率：
其中，k为常数表示乘法器电路的增益，Ps(t)经过二阶RC低通滤波器得到有源功率Pact(t):
Pact(t)＝hLP(t)*Ps(t) (4)
其中，“*”表示卷积，hLP(t)为二阶RC低通滤波器冲激响应。Vs和Is经过过零检测电路得到布尔变量Bsign，Bsign取值为0或1，表示负载的抗性，Bsign＝0表示感性负载，Bsign＝1表示容性负载。
控制单元主要目标在于自适应阻抗匹配方法的实现原理。首先，确定测量阻抗值并与目标阻抗值作比较，得到比较结果作为参考；再次，借助于Smith Chart分析完成匹配网络设计的实现方法，确定匹配网络的拓扑结构；最后，根据分析结果输出控制信号给匹配单元，提供匹配部件参数的选取准则。针对不同的测量阻抗值，控制单元输出不同的控制信号给匹配单元，确定不同的匹配网络拓扑结构和部件参数选择，最终实现自适应阻抗匹配。
具体地，以目标阻抗值(发射机或接收机阻抗的共轭值)归一化Smith Chart使其中心表示目标阻抗值，根据布尔变量Bsign的值确定测量阻抗的抗性，以此确定测量阻抗位于Smith Chart的上半周或下半周，Bsign为0测量阻抗落于Smith Chart上半周，Bsign为1测量阻抗落于Smith Chart下半周。一般地，测量阻抗Z＝a+jb，根据Venv和Ienv可计算其模值|Z|＝Venv/Ienv，比较|Z|和发射机或接收机的阻抗模值|Z0|，若|Z|>|Z0|则测量阻抗位于SmithChart的右半周，反之则位于Smith Chart的左半周。根据Venv、Ienv及Pact计算出测量阻抗Z的实部和其导纳实部：
以发射机或接收机的阻抗和导纳作为参考阻抗和参考导纳，分别表示为：Zr,0和Yr,0，Zr的归一化阻抗阻抗表示为：Z′r＝Zr/Zr,0，，Yr的归一化导纳表示为：Y′r＝Yr/Yr,0，Z′r>1则测量阻抗的实部大于发射机或接收机阻抗实部，对应地，测量阻抗落于Smith Chart阻抗圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部，Y′r>1则测量导纳实部大于发射机或接收机导纳实部，对应地，测量导纳落于Smith Chart导纳圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部；从左至右、从上至下沿顺时针方向可将Smith Chart分为8个区域并编号为1-8，根据Bsign、|Z|、|Z0|、Z′r、Y′r可确定测量阻抗所在Smith Chart中的区域。
确定测量阻抗在Smith Chart上的位置，若测量阻抗在Smith Chart上表示为A点，匹配的目标是将A点的阻抗最终匹配到Smith Chart的圆心点(表示目标阻抗)记为C点。匹配路径不唯一，为了简化匹配网络的结构，降低匹配网络的实现难度，选择最优的匹配路径。具体地，若测量阻抗位于Smith Chart右半圆，首先，沿着A点等电导圆旋转至与C点等电阻圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电阻圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；若测量阻抗位于Smith Chart的左半圆，首先，沿着A点等电阻圆旋转至与C点等电导圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电导圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；整个匹配过程记为A→B→C，经过两次旋转实现A点匹配到C点，每次旋转表示串联电感或电容或并联电感或电容，两次旋转分别基于等电阻圆和等电导圆，可推测匹配网络中集总参数元件同时具有串联和并联两种结构，可以确定最终匹配网络拓扑为L型。B点电纳或电抗表示为y，A点归一化电导表示为x＝Y′r或归一化电阻表示为x＝Z′r，y与x之间的关系表示为二阶多项式y＝0.01+2.15x-2.15x2，则从A点到B点的电纳变化表示为Δmov1＝|Y′i-y|，或电抗变换为Δmov1＝|Z′i-y|，从B点到C点电抗变化或电纳变化表示为x的三阶多项式Δmov2＝4.1-13.2x+18.5x2-9.4x3，控制单元得到Δmov1和Δmov2变量后传递给阻抗匹配网络作为控制信号。
匹配单元主要目标在于根据控制单元传递的控制信号调整匹配网络拓扑结构及部件参数，是自适应阻抗匹配网络电路级实现。具体地，匹配网络由集总参数元件电容和电感构成，其参数由控制电压决定，每个电感和电容支路均由开关控制，其各自的工作状态根据测量阻抗所在Smith Chart的分区确定，最终构成L型匹配网络，根据控制单元得到的Δmov1和Δmov2变量调整匹配网络中电容和电感的控制电压，最终根据控制电压确定匹配网络中各元件的具体参数值，从而完成匹配网络的最终设计。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明，其中：
图1为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法系统框图；
图2为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法测量单元示意图；
图3为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法感知单元示意图；
图4为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法包络检波电路示意图；
图5为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法二阶RC低通滤波器电路示意图；
图6为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法过零检测电路示意图；
图7为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法Smith Chart分区示意图；
图8为一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法匹配单元拓扑结构示意图；
具体实施方式
为了克服电力线网络与PLC发射机和接收机之间的阻抗失配导致的信号能量损耗，为了提高信号在电力线网络中的传输效率，提高PLC系统的SNR保证其通信可靠性及通信距离，针对电力线网络阻抗的时变性和随机性，本发明提出了一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法。该方法采用信源端及终端均匹配的方案，能有效提高阻抗匹配的准确性和自适应性，克服了传统的固定网络拓扑的匹配方案不能满足可变阻抗匹配需求的缺陷。
以下结合附图，通过详细说明一个优选的一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，对本发明进行详细地描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不能用于限制本发明的保护范围。
本发明一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，测量单元、控制单元及阻抗匹配单元构成了系统整体架构，如图1所示，测量单元测量得到电力线网络物理参数传递给控制单元，控制单元完成匹配网络结构及部件参数确定的分析并输出控制信号给匹配单元，匹配单元根据控制信号调整拓扑结构及部件参数，完成自适应阻抗匹配。具体地，包括：
S101、测量单元测量电力线阻抗物理参数，同时将测量的参数作为控制单元的输入参数，为控制单元提供测量的参数信息。
测量单元，如图2所示，可分解为感知单元和处理单元。感知单元结构如图3所示，测量得到Vs和Is传递给处理单元。对于频率为fc的单频信号，Vs表示为：Is表示为：Venv、Ienv分别为Vs和Is的包络值，可由包络检波电路得到，如图4所示，参数可取Rf＝1kΩ，Cf＝1.4pF。瞬时功率通过二阶RC低通滤波器，如图5所示，得到有源功率Pact(t)＝hLP(t)*Ps(t)。Vs、Is经过过零检测电路，如图6所示，得到布尔变量Bsign，表示测量阻抗的抗性，Bsign为0表示感性负载，Bsign为1表示容性负载。测量单元最终将Venv、Ienv、Pact(t)和Bsign作为输出变量传递给控制单元。
S102、控制单元对测量单元提供的参数信息进行处理，得到测量的阻抗值，并将该阻抗值与目标阻抗值作比较，根据比较结果进而为阻抗匹配单元提供控制信号。
以目标阻抗归一化Smith Chart，使其中心表示目标阻抗值，根据布尔变量Bsign的值确定测量阻抗的抗性，以此确定测量阻抗位于Smith Chart的上半周或下半周，Bsign为0测量阻抗落于Smith Chart上半周，Bsign为1测量阻抗落于Smith Chart下半周。一般地，测量阻抗Z＝a+jb，根据Venv和Ienv可计算其模值|Z|＝Venv/Ienv，比较|Z|和发射机或接收机的阻抗模值|Z0|，若|Z|>|Z0|则测量阻抗位于Smith Chart的右半周，反之则位于Smith Chart的左半周。根据Venv、Ienv及Pact计算出测量阻抗Z的实部和其导纳实部：Zr＝Pact/V2 env，Yr＝Pact/I2 env。以发射机或接收机的阻抗和导纳作为参考阻抗和参考导纳，分别表示为：Zr,0和Yr,0，Zr的归一化阻抗阻抗表示为：Z′r＝Zr/Zr,0，Yr的归一化导纳表示为：Y′r＝Yr/Yr,0，Z′r>1则测量阻抗的实部大于发射机或接收机阻抗实部，对应地，测量阻抗落于Smith Chart阻抗圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部，Y′r>1则测量导纳实部大于发射机或接收机导纳实部，对应地，测量导纳落于Smith Chart导纳圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部；从左至右、从上至下沿顺时针方向可将Smith Chart分为8个区域并编号为1-8，如图7所示，根据Bsign、|Z|、|Z0|、Z′r、Y′r可确定测量阻抗所在Smith Chart中的区域。具体地，Smith Chart区域划分依据如下表所示：
确定测量阻抗在Smith Chart上的位置，并记为A点，匹配的目标是将A点的阻抗最终匹配到Smith Chart的圆心点(表示目标阻抗)记为C点。优选地，从A点匹配到到C，选择最佳匹配路径。具体地，若测量阻抗位于Smith Chart右半圆，首先，沿着A点等电导圆旋转至与C点等电阻圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电阻圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；若测量阻抗位于Smith Chart的左半圆，首先，沿着A点等电阻圆旋转至与C点等电导圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电导圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；整个匹配过程记为A→B→C，经过两次旋转实现A点匹配到C点，每次旋转表示串联电感或电容或并联电感或电容，两次旋转分别基于等电阻圆和等电导圆，可推测匹配网络中集总参数元件同时具有串联和并联两种结构，可以确定最终匹配网络拓扑为L型。B点电纳或电抗表示为y，A点归一化电导表示为x＝Y′r或归一化电阻表示为x＝Z′r，y与x之间的关系表示为二阶多项式y＝0.01+2.15x-2.15x2，则从A点到B点的电纳变化表示为Δmov1＝|Y′i-y|，或电抗变换为Δmov1＝|Z′i-y|，从B点到C点电抗变化或电纳变化表示为x的三阶多项式Δmov2＝4.1-13.2x+18.5x2-9.4x3，控制单元得到Δmov1和Δmov2变量后传递给阻抗匹配网络作为控制信号。
S103、阻抗匹配单元根据控制单元的控制信号确定各匹配元件的状态，调整元件参数值，与目标阻抗值(发射机或接收机阻抗的共轭值)实现匹配。
阻抗匹配单元，如图8所示，由集总参数元件电容和电感构成，BL、BR和BM为控制电压，每个电容和电感支路均由开关控制，开关状态的确定顺序依照开关的顺序编号，其状态根据测量阻抗在Smith Chart上的位置确定，如下表：
分区编号 发射端开关状态 接收端开关状态
1 1XX01100 00110XX1
2 1XX01010 01010XX1
3 01001XX1 1XX10100
4 00110XX1 1XX01100
5 01001XX1 1XX10010
6 01010XX1 1XX01010
7 1XX10100 00101XX1
8 1XX10010 01001XX1
其中，“0”表示开关断开，“1”表示开关闭合，“X”表示不确定状态。匹配网络最终的拓扑结构为L型，元件参数由控制信号Δmov1和Δmov2确定。具体地，针对不同测量阻抗的匹配网络的不同结构，在此，统一用Δmov代替Δmov1和Δmov2，对于每种情况不再赘述，对应地，串联电感Ls＝Z0Δmov/2πfc，串联电容Cs＝Z0Δmov/2πfc，并联电感Lp＝Z0/2πfcΔmov，并联电容Cp＝Δmov/2πfcZ0。
所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，其特征在于，包括：
自适应阻抗匹配整体系统包括测量单元、控制单元和阻抗匹配单元的设计，测量单元包括感知单元及处理单元的设计，控制单元包括自适应阻抗匹配方法的实现原理，具体涉及匹配单元结构的选取及匹配部件参数计算的原理，匹配单元包括匹配网络结构实现及匹配部件参数调整；
S101、测量单元测量电力线阻抗物理参数，同时将测量的参数作为控制单元的输入参数，为控制单元提供测量的参数信息；
S102、控制单元对测量单元提供的参数信息进行处理，得到测量的阻抗值，并将该阻抗值与目标阻抗值作比较，根据比较结果进而为阻抗匹配单元提供控制信号；
S103、阻抗匹配单元根据控制单元的控制信号确定各匹配元件的状态，调整元件参数值，与目标阻抗值(发射机或接收机阻抗的共轭值)实现匹配。
2.根据权利要求1所述一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，其特征在于，测量单元的设计由感知单元和处理单元组成，输出Venv、Ienv、Pact、Bsign四个控制信号给控制单元；精密电阻作为参数感知元件，两个运算放大器分别测量流过精密电阻的电流Is和精密电阻输入节点的参考电压Vs，给定单频信号的频率fc，Vs表示为Is表示为通过处理单元中的包络检波电路得到Vs及Is的包络值Venv和Ienv，Vs(t)和Is(t)通过乘法器电路得到瞬时功率：
其中，k为常数表示乘法器电路的增益，Ps(t)经过二阶RC低通滤波器得到有源功率Pact(t):
Pact(t)＝hLP(t)*Ps(t) (2)
其中，“*”表示卷积，hLP(t)为二阶RC低通滤波器冲激响应；Vs和Is经过过零检测电路得到布尔变量Bsign表示负载的抗性，Bsign＝0表示感性负载，Bsign＝1表示容性负载。
3.根据权利要求1所述一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，其特征在于，以目标阻抗值归一化Smith Chart使其中心表示目标阻抗值，控制单元根据Bsign的值确定测量阻抗的抗性，以此确定测量阻抗位于Smith Chart的上半周或下半周，Bsign为0测量阻抗落于Smith Chart上半周，Bsign为1测量阻抗落于Smith Chart下半周；一般地，测量阻抗Z＝a+jb，根据Venv和Ienv可计算其模值|Z|＝Venv/Ienv，比较|Z|和发射机或接收机的阻抗模值|Z0|，若|Z|>|Z0|则测量阻抗位于Smith Chart的右半周，反之则位于Smith Chart的左半周；根据Venv、Ienv及Pact可计算出测量阻抗Z的实部和其导纳实部：
以发射机或接收机的阻抗和导纳作为参考阻抗和参考导纳，分别表示为：Zr,0和Yr,0，Zr的归一化阻抗阻抗表示为：Z′r＝Zr/Zr,0，，Yr的归一化导纳表示为：Y′r＝Yr/Yr,0，Z′r>1则测量阻抗的实部大于发射机或接收机阻抗实部，对应地，测量阻抗落于Smith Chart阻抗圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部，Y′r>1则测量导纳实部大于发射机或接收机导纳实部，对应地，测量导纳落于Smith Chart导纳圆最佳匹配圆内部，反之则位于其外部；从左至右、从上至下沿顺时针方向可将Smith Chart分为8个区域并编号为1-8，根据Bsign、|Z|、|Z0|、Z′r、Y′r可确定测量阻抗所在Smith Chart中的区域，具体地，分区如下表所示：
在Smith Chart上，若测量阻抗在Smith Chart上表示为A点，匹配的目标是将A点的阻抗最终匹配到Smith Chart的圆心点(表示目标阻抗)记为C点；匹配路径不唯一，为了简化匹配网络的结构，降低匹配网络的实现难度，选择最优的匹配路径，具体地，若测量阻抗位于Smith Chart右半圆，首先，沿着A点等电导圆旋转至与C点等电阻圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电阻圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；若测量阻抗位于SmithChart的左半圆，首先，沿着A点等电阻圆旋转至与C点等电导圆的交点(设为B点)，其次，从B点出发沿着C点等电导圆旋转至C点完成与目标阻抗的匹配；整个匹配过程记为A→B→C，经过两次旋转实现A点匹配到C点，每次旋转表示串联电感或电容或并联电感或电容，两次旋转分别基于等电阻圆和等电导圆，可推测匹配网络中集总参数元件同时具有串联和并联两种结构，可以确定最终匹配网络拓扑为L型；B点电纳或电抗表示为y，A点归一化电导表示为x＝Y′r或归一化电阻表示为x＝Z′r，y与x之间的关系表示为二阶多项式y＝0.01+2.15x-2.15x2，则从A点到B点的电纳变化表示为Δmov1＝|Y′i-y|，或电抗变换为Δmov1＝|Z′i-y|，从B点到C点电抗变化或电纳变化表示为x的三阶多项式Δmov2＝4.1-13.2x+18.5x2-9.4x3，控制单元得到Δmov1和Δmov2变量后传递给阻抗匹配网络作为控制信号。
4.根据权利要求1所述一种车载电力线通信自适应阻抗匹配方法，其特征在于，匹配网络由集总参数元件电容和电感构成，其参数由控制电压决定，每个电感和电容支路均由开关控制，其各自的工作状态根据测量阻抗所在Smith Chart的分区确定，最终构成L型匹配网络，根据控制单元得到的Δmov1和Δmov2变量调整匹配网络中电容和电感的控制电压，最终根据控制电压确定匹配网络中各元件的具体参数值，从而完成匹配网络的最终设计。
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