CN111294087A - 用于接收plc信号的设备 - Google Patents

Abstract

用于接收PLC信号的设备，包括：‑滤波级(3)，其被链接到接收方设备的输入(E)并且能够被配置处于至少两种模式，这两种模式包括默认模式和第一选择模式，在该默认模式中滤波级(3)至少使第一频带中所包括的第一PLC信号以及第二频带中所包括的第二PLC信号通过，第二频带与第一频带分开，在第一选择模式中该滤波级使第一PLC信号通过并使第二PLC信号停止；‑处理电路(4)，其被链接到滤波级(3)并且被布置成：接收PLC信号的帧并针对每个收到帧分析该帧的前置码以确定该帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧，并在该帧是第一PLC信号的帧的情况下动态地将滤波级(3)配置在第一选择模式中以优化对所述帧的接收和解码。

Description

用于接收PLC信号的设备

本发明涉及用于接收PLC信号的设备的领域。

发明背景

一些现代电表被设计成经由电力线通信(“PLC”)进行通信，并且因此传送和接收PLC信号。最近特别开发了G3-PLC协议以允许对所谓“智能”网格进行优化管理。

根据这一协议的PLC主要使用三个频带：CENELEC(欧洲电工标准化委员会)A频带(35kHz到91kHz之间的频率)、FCC(联邦通信委员会)频带(154kHz到488kHz之间的频率)、以及ARIB(日本电波产业协会)频带(154kHz到484kHz之间的频率)。可以设想其他频带，诸如CENELEC B频带(98kHz到122kHz之间的频率)。中国制造商当前正在研究未来频带G3 M(100kHz到2至3MHz之间的频率)。

这些频带中的每个频带都是由国家或特定大陆的标准机构定义的，并且因此首先旨在该国家或该大陆使用。由此，CENELEC A和CENELEC B频段主要在欧洲使用，FCC频段主要在美国使用，而ARIB频段主要在日本使用。然而，存在由若干个频带共享的电网。

将理解，从经济的观点来看，获得能够在其上使用第一频带(例如，CENELEC A频带)的电网以及在其上使用第二频带(例如，FCC频带)的电网两者中使用的电表将是非常令人感兴趣的。此类电表由此可以在不改变PLC接口的情况下在多个国家销售。

还将理解，在其中若干个频带(例如，CENELEC A频带和FCC频带)共享相同电网的实例中，电表能够通过使用所有这些频带、或者起码至少通过在不受其他频带的存在破坏的情况下使用单个频带进行通信是极其重要的。

然而，使用这种电表不是一件容易的事。值得注意的是，已知在电网中FCC频带中的PLC信号的存在对被提供以用于在CENELEC A频带中进行通信的电表的接收质量有显著的负面影响。

发明目的

本发明的目的在于：在若干个分开的频带能够在电网上使用或者甚至共享电网时改善对电网中的PLC信号的接收。

发明概述

为了达成这一目标，提出了一种用于接收PLC信号的设备，其包括：

滤波级(3)，其被链接到接收方设备的输入并且能够被配置处于至少两种模式，这两种模式包括默认模式和第一选择模式，在该默认模式中该滤波级至少使第一频带中所包括的第一PLC信号以及第二频带中所包括的第二PLC信号通过，第二频带与第一频带分开，在第一选择模式中该滤波级使第一PLC信号通过并使第二PLC信号停止；

处理电路，其被链接到该滤波级并且被布置成：接收PLC信号的帧并针对每个收到帧分析该帧的前置码以确定该帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧，并在该帧是第一PLC信号的帧的情况下动态地将该滤波级配置在第一选择模式中以优化对所述帧的接收和解码。

对于每个收到帧，根据本发明的接收方设备分析该帧的前置码，确定它是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧，并且动态地适配滤波。由此，对于在特定频带中接收到的每个帧，接收方设备优化对帧的接收以及对其他频带的摒弃。该接收方设备因此使以极佳的信噪比均等地接收第一PLC信号和第二PLC信号的帧是可能的，即使在这些帧共享相同的电网时。

此外，提出了包括已经在上文描述的接收方设备的电气装备。

此外，提出了一种用于接收PLC信号的方法，该方法使用已经在上文描述的接收方设备，包括以下步骤，针对每个收到的帧：

在接收到该帧之前，将滤波级配置在默认模式中；

捕获并分析该帧的前置码，以确定该帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧；

在该帧是第一PLC信号的帧的情况下动态地将该滤波级配置在第一选择模式中。

此外，提出了一种包括指令的计算机程序，这些指令用于经由调制解调器的处理组件来实现已经在上文中描述的接收方法。

此外，提出了存储装置，其特征在于，这些存储装置存储计算机程序，该计算机程序包括用于经由调制解调器的处理组件来实现已经在上文中描述的接收方法的指令。

通过阅读本发明的特定非限定性实施例的以下描述，将更好地理解本发明。

附图简述

将参照以下附图，其中：

[图1]图1表示了根据本发明的接收方设备的示图；

[图2a]图2a表示了在其上表示基滤波器的增益曲线的图；

[图2b]图2b表示了在其上表示第一附加滤波电路的增益曲线的图；

[图2c]图2c表示了在其上表示第二附加滤波电路的增益曲线的图；

[图3]图3表示了PLC信号的帧的前置码的码元；

[图4]图4表示了与图3的SYNCP码元相对应的第一PLC信号(CENELEC A频带)的帧的电信号；

[图5]图5表示了与图3的SYNCP码元相对应的第二PLC信号(FCC频带)的帧的电信号。

发明详细描述

参照图1，在这一情形中，根据本发明的接收方设备1被用在电表2中。电表2被用来测量链接到电网的装备的电力消耗。

接收方设备1允许电表2接收在电网上循环的PLC信号。两个分开的频带共享电网：第一频带(在这一情形中为CENELEC A频带)以及第二频带(在这一情形中为FCC频带)。这两个频带也是“不相交的”，即，它们不交叠，并且因此不具有任何共同的频率。

接收方设备1包括链接到电网的输入E、滤波级3和处理电路4。

滤波级3被链接到接收方设备1的输入E，以使得由接收方设备1接收的PLC信号直接传入滤波级3。

滤波级3包括基滤波器6和附加滤波电路7，在这一情形中，附加滤波电路7被置于基滤波器6的输出处。

可在图2a中看到基滤波器6的增益G1。可以看到，基滤波器6使第一频带(CENELECA)8中所包括的第一PLC信号以及第二频带(FCC)9中所包括的第二PLC信号两者通过。基滤波器6用作第一频带8的高通滤波器，即，它消除了低于第一频带8的频率并使大于第一频带8的频率通过，并且用作第二频带9的低通滤波器，即，它消除大于第二频带9的频率并使低于第二频带9的频率通过。

附加滤波电路7包括电阻器R、电容器C、切换组件10和运算放大器11。

在这一情形中，电阻器R具有1.3kΩ的电阻值(准确到1％)。电容器C具有1nf的电容值(准确到5％)。电阻器R的第一端子被链接到基滤波器6的输出、而电阻器R的第二端子被链接到电容器C的第一端子。电容器C的第二端子被链接到地GND。电阻器R和电容器C形成截止频率为fc的低通RC滤波器，使得：

fc＝1/2πRC＝122.43kHz。

在这一情形中，切换组件10是安装在电阻器R的各端子之间的N型MOSFET晶体管。晶体管10的漏极被连接到电阻器R的第一端子，而晶体管10的源极被连接到电阻器R的第二端子。

电阻器R的第二端子和电容器C的第一端子被链接到运算放大器11的非反相输入端。运算放大器11的反相输入端被链接到运算放大器11的输出。运算放大器11由此作为跟随器连接。

在这一情形中，处理电路4是G3-PLC调制解调器。处理电路4包括处理组件(未表示)。在这一情形中，处理组件是微控制器，但可以是不同的组件，例如，处理器、FPGA、ASIC等。处理组件适用于执行程序指令，以实现对PLC信号的接收。

处理电路4包括链接到运算放大器11的输出的模数转换器12。模数转换器12由此将通过滤波级3路由的PLC信号数字化。

处理电路4被链接到晶体管10的栅极。处理电路4因此能够驱动晶体管10，以使得晶体管10选择性地处于断开状态或闭合状态。

现在将更详细地描述根据本发明的接收方设备1的操作。

由于晶体管10，滤波级3可以被配置处于至少两种模式：默认模式和第一选择模式。

默认模式是晶体管10处于第一状态(其是闭合状态)的模式。在这一情形中，电阻器R被旁路，并且附加滤波电路7仅在基滤波器6的输出处履行跟随器功能。附加滤波电路7不修改由基滤波器6执行的滤波。

处理电路4在接收到每个新帧之前将滤波级3配置在默认模式中，即，它命令晶体管10以使得晶体管10处于闭合状态。

当接收到PLC信号的帧时，PLC信号通过滤波级3(经由基滤波器6和跟随器形成的附加滤波电路7)，并由处理电路4的模数转换器12进行捕获和数字化。

处理电路4分析该帧的前置码以确定该帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧。

参照图3，在G3-PLC协议中PLC信号的帧的前置码包括重复八次的SYNCP(Sp)码元，随后是相对于SYNCP码元反相的SYNCM(Sm；重复1.5次)。这适用于第一PLC信号(CENELEC A)和第二PLC信号(FCC)两者。

参照图4，在第一PLC信号的情形中，每个码元都是经由范围从35kHz到91kHz的36个连贯载波P0-P35来发送的。参照图5，在第二PLC信号的情形中，每个码元都是经由范围从154kHz到488kHz的72个连贯载波P0-P71来发送的。

处理电路4因此分析收到帧的前置码，或者更准确地说，分析该帧的前置码的样本，所述样本由模数转换器12产生。

这种分析可包括向帧的前置码的样本应用傅立叶逆变换的步骤。傅立叶逆变换使得确定哪些频率构成了这些码元并因此确定该帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧是可能的。

这种分析可以替代地包括计算前置码的样本与参考信号之间的互相关的步骤。

参考信号例如是参考CENELEC A帧的前置码。

这种分析是对收到帧的前置码的预定数目的码元(例如，对五个码元)执行的。

预定数目可以是除五之外的数目。不对过多的码元执行分析以使得这种分析确实在前置码的结束之前完成是优选的。等于五的预定数目对应于使分析足够地准确而又不会太长的良好折衷。

对应于参考信号的N个样本被表示为X1_m，而收到帧的前置码的N个样本被表示为X2_n。随后计算和S，使得：

当前置码和参考信号具有相同的性质(即，在这一情形中，均为CENELEC A PLC信号)时，噪声被平均并将自己消去。和S的值因此指示收到帧的前置码与参考信号之间存在的相关性。和S到达峰值。

由此，当和S严格为正并大于预定义阈值Scor时，考虑前置码和参考信号具有相同的性质。

相反，当和S几乎为零并且严格小于预定义阈值Scor时，从中推导出收到帧的前置码和参考信号具有相同的性质。

当然，还将参考FCC帧的前置码用作参考信号，或者甚至计算每个收到帧的前置码与两个参考信号(CENELEC A和FCC)的和S也是可能的。

如果处理电路4检测到收到帧的前置码对应于第一PLC信号的前置码，则处理电路4将滤波级3配置在第一选择模式中。处理电路4命令晶体管10，以使得晶体管10进入第二状态，第二状态是断开状态。

当晶体管10处于断开状态时，附加滤波电路7履行滤波器功能，其被添加到基滤波器6。电阻器R不再被旁路，并且低通RC滤波器是有源的并且作用于基滤波器6。滤波级3的增益随后在图2a中由虚线L限定在较高频率中，并且变为可在图2b中看到的增益G2。滤波级3使略在第一PLC信号的第一频带8(CENELEC A)之上和之下的频率截止，并由此摒弃第二PLC信号(FCC)。

因此，电网上的可能存在的第二PLC信号不会破坏对收到帧的其余部分的接收。使用对所述帧的前置码的分析来在接收该帧期间动态地优化对所述帧的接收和解码。在接收第一PLC信号时，信噪比被降低。

相反，如果处理电路4检测到收到帧的前置码不对应于第一PLC信号的前置码，而是对应于第二PLC信号的前置码，则处理电路4允许滤波级3进入默认模式。滤波级3的增益因此对应于增益G1。滤波级3使第一PLC信号和第二PLC信号两者通过。然而，对帧的其余部分的接收和解码不会被破坏。事实上，已经注意到，第一PLC信号(CENELEC A)的帧的存在不会破坏对属于第二PLC信号(FCC)的帧的接收。

最后，在完全接收到帧之后，无论刚刚接收到的帧的性质如何(CENELEC A或FCC)，处理电路4都通过命令晶体管10成闭合状态来将滤波级3配置在默认模式中。

在接收到每个帧之后，该帧随后由电表2进行处理，即，在电表2是该帧的预期接收方的情况下进行捕获和分析，或者在电表2不是该帧的接收方的情况下摒弃或在电网上重新发送。

注意到，在这一情形中，处理电路4对滤波级3的重新配置仅使用一个切换组件(MOSFET晶体管10)。这一特征是特别有利的。事实上，在使用两个MOSFET晶体管的情况下，切换操作将不会完全同时发生，由于MOSFET的切换时间不是精确地控制的。使用两个MOSFET晶体管将产生干扰瞬态信号，这将破坏对帧的接收。在根据本发明的接收方设备1中，使用单个MOSFET晶体管10，这防止了这些干扰瞬态信号的存在。

有利地，设想将滤波级3配置在第二选择模式中的可能性将是可能的，其中滤波级3使第二PLC信号通过并阻止第一PLC信号通过。

出于这一目的，添加了第二附加滤波电路，其例如包括MOSFET晶体管、具有接近但小于150kHz的截止频率的高通RC滤波器、以及作为追随器连接的放大器。MOSFET晶体管例如被安装在电容器的各端子之间。

由此，在对每个收到帧的前置码的分析中，如果处理电路4确定接收到的帧是第二PLC信号的帧，则处理电路4将滤波级3配置在第二选择模式中。滤波级3的增益变为增益G3，这可在图2c中看到。滤波级3使略在第二PLC信号的第二频带9(FCC)之上和之下的频率截止。

观察到，在这一情形中，即使滤波级3包括两个MOSFET晶体管(一个MOSFET晶体管用于旨在优化对第一PLC信号的接收的第一附加滤波电路，而一个用于旨在优化对第二PLC信号的接收的第二附加滤波电路)，然而这也不会生成已经在上文提及的干扰瞬态信号。事实上，处理电路4在接收到每个新帧之前将滤波级3重新配置在默认模式中，这相当于使两个MOSFET晶体管处于闭合状态。如果处理电路4确定该帧是第一PLC信号的帧，则仅第一附加滤波电路的MOSFET晶体管被激活以改变成断开状态。同样地，如果处理电路4确定该帧是第二PLC信号的帧，则仅第二附加滤波电路的MOSFET晶体管被激活以改变成断开状态。

当然，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖在由权利要求所定义的本发明范围内的任何替代方案。

显然，第一PLC信号可以是除CENELEC A信号之外的其他信号，而第二PLC信号可以是除FCC信号之外的信号。例如，以ARIB频带的信号来取代FCC频带的信号将是可能的。

有两个以上的不同频带(例如，CENELEC A频带、CENELEC B频带和FCC频带)共享电网也将是可能的。在这一情形中，滤波级被配置成尽可能最好地优化对这三个频带的接收。

已经在本文中给出了关于使用与单个附加滤波电路(低通RC滤波器)、或者与第一附加滤波电路(低通RC滤波器)并且与第二附加滤波电路(高通RC滤波器)相关联的基滤波器的描述。

当然可以设想使用以不同方式配置的不同滤波器。例如，使单个低通滤波器具有两个截止频率将是可能的，每个截止频率由于两个不同的电阻器R和R’而获得。随后可以设想使用各自安装在电阻器R、R’之一的各端子上的两个晶体管。第一选择模式中的配置将主要在于将电阻器R的各端子处的晶体管改变成断开状态，而第二选择模式中的配置将主要在于将电阻器R’的各端子处的晶体管改变成断开状态。默认模式中的配置将主要在于将处于断开状态的晶体管改变回到闭合状态。

切换组件不通过被安装在该组件的各端子处来被使用，而是被用来执行该组件至滤波级的其余部分的选择性连接/该组件从滤波级的其余部分的断开也将是可能的。

接收方设备的布线图由此当然不同于图1中所示的布线图。

例如，以减少电路板上的安装表面积以及组件的数目和成本为目的，将附加滤波电路和基滤波器进行合并将是可能的：附加滤波电路的组件随后将被集成到基滤波器中。

将低通RC滤波器置于运算放大器之后(即，运算放大器与处理电路之间)，以使得附加滤波电路和基滤波器彼此完全独立也将是可能的。

尽管已经在本文中描述了接收方设备被集成到电表中，但是接收方设备也可被集成到能够接收PLC信号的任何电气装备中。

Claims (15)

1.用于接收PLC信号的设备，包括：

-滤波级(3)，其被链接到接收方设备的输入(E)并且能够被配置处于至少两种模式，所述两种模式包括默认模式和第一选择模式，在所述默认模式中所述滤波级(3)至少使第一频带中所包括的第一PLC信号以及第二频带中所包括的第二PLC信号通过，所述第二频带与所述第一频带分开，在所述第一选择模式中所述滤波级使所述第一PLC信号通过并使所述第二PLC信号停止；

-处理电路(4)，其被链接到所述滤波级(3)并且被布置成：接收PLC信号的帧并针对每个收到帧分析所述帧的前置码以确定所述帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧，并在所述帧是第一PLC信号的帧的情况下动态地将所述滤波级(3)配置在所述第一选择模式中以优化对所述帧的接收和解码。

2.如权利要求1所述的接收方设备，其特征在于，所述处理电路(4)被布置成在接收每个新帧之前将所述滤波级(3)配置在所述默认模式中。

3.如前述权利要求中的一项所述的接收方设备，其特征在于，所述滤波级(3)包括切换组件(10)，所述切换组件(10)被用来配置所述滤波级并被布置成：在所述切换组件处于第一状态时，使得所述滤波级在所述默认模式中，而在所述切换组件处于第二状态时，使得所述滤波级在所述第一选择模式中。

4.如权利要求3所述的接收方设备，其特征在于，所述滤波级包括基滤波器(6)和附加滤波电路(7)，并且其中所述切换组件是安装在所述附加滤波电路的组件(R)的各端子之间的晶体管。

5.如权利要求4所述的接收方设备，其特征在于，所述附加滤波电路进一步包括作为跟随器连接的运算放大器(11)，所述附加滤波电路(7)被布置成：在所述晶体管处于断开状态时，使得所述附加滤波电路履行滤波器功能，而在所述晶体管处于闭合状态时，使得所述附加滤波电路仅履行跟随器功能。

6.如权利要求5所述的接收方设备，其特征在于，所述附加滤波电路(7)包括低通RC滤波器或高通RC滤波器，所述低通RC滤波器包括安装所述晶体管(10)的各端子之间的电阻器(R)，所述高通RC滤波器包括安装所述晶体管的各端子之间的电容器。

7.如权利要求4所述的接收方设备，其特征在于，所述附加滤波电路(7)被安装在所述基滤波器(6)的输出处。

8.如权利要求4所述的接收方设备，其特征在于，所述附加滤波电路(7)的组件被集成到所述基滤波器(6)中。

9.如前述权利要求中的一项所述的接收方设备，其特征在于，所述滤波级进一步能够被配置处于第二选择模式，其中所述滤波级使所述第二PLC信号通过并使所述第一PLC信号停止。

10.如权利要求1所述的接收方设备，其特征在于，为了分析所述帧的所述前置码，所述处理电路(4)被布置成对所述前置码的样本应用傅立叶逆变换或计算所述样本与参考信号之间的互相关。

11.一种电气装备，包括如前述权利要求中的一项所述的接收方设备。

12.如权利要求11所述的电气装备，所述电气装备是电表。

13.一种用于接收PLC信号的方法，该方法使用如权利要求1和10中的一项所述的接收方设备，包括以下步骤，针对每个收到的帧：

-在接收到所述帧之前，将滤波级(3)配置在默认模式中；

-捕获并分析所述帧的前置码，以确定所述帧是第一PLC信号还是第二PLC信号的帧；

-在所述帧是第一PLC信号的帧的情况下动态地将所述滤波级(3)配置在所述第一选择模式中。

14.一种包括程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令用于在计算机上执行所述程序时执行如权利要求13所述的接收方法的步骤。

15.存储装置，其特征在于，所述存储装置存储计算机程序，所述计算机程序包括用于经由调制解调器的处理组件来实现如权利要求13所述的接收方法的指令。

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