CN114553263B - 电力线载波通讯装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及载波通讯领域，特别是涉及一种电力线载波通讯装置及方法。所述装置包括：通信处理单元，用于将通信信号调制为控制信号，通信信号包括通信数据；开关网络单元，用于根据控制信号输出与通信信号对应的多电平的载波信号，其中，载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；阻抗网络单元，用于将载波信号滤波后耦合至电力线。本发明提升了电力线载波信号发射效率，大幅降低了电力线载波信号的发射功率；实现在载波信号的转换过程中，就对n+1次及以下低次谐波进行了全部或部分消除，降低了输出低通滤波器的要求，大幅减小了滤波器的尺寸及成本。

Description

电力线载波通讯装置及方法

技术领域

本申请涉及载波通讯领域，特别是涉及一种电力线载波通讯装置及方法。

背景技术

电力线载波通信利用已有的电力线作为传输介质，不需要额外的通信线缆，其可实施性及成本都具有优势，因此在电力抄表、分布式光伏系统等应用场景中得到了广泛的应用。

传统电力线载波通讯装置先产生载波通信信号，然后经过滤波器滤除高次谐波分量，再经线性功率放大器放大后由互感器耦合至电力线，缺点是线性功率放大器效率低，损耗大，发热严重，不适合一些需要较低发射机及待机功耗的应用场景。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种新型电力线载波通讯装置及方法。

第一方面，本发明实施例提出一种电力线载波通讯装置，所述装置包括：

通信处理单元，用于将通信信号调制为控制信号，所述通信信号包括通信数据；

开关网络单元，用于根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；

阻抗网络单元，用于将所述载波信号滤波后耦合至电力线及以下各次谐波分量。

在一实施例中，所述开关网络单元包括多个开关元件，所述通信处理单元将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的多个控制信号，并发送至对应的开关元件。

在一实施例中，所述通信处理单元通过调节控制信号的占空比和相位差，使得所述载波信号的傅里叶展开式中n+1次及以下各次谐波分量对应项的系数小于等于第二阈值。

在一实施例中，所述通信处理单元包括：

协议处理器，用于将所述通信数据按照预定的通信协议进行封装，得到通信信号；

调制模块，用于将所述通信信号调制为预设占空比和预设相位差的所述控制信号。

在一实施例中，所述阻抗网络单元包括由串联谐振电路和并联谐振电路组成的滤波电路，所述串联谐振电路和并联谐振电路串联在开关网络单元的输出端，所述滤波电路用于滤除所述载波信号中的直流分量和高次谐波，并将滤波后的载波信号耦合至电力线以实现通信数据的发送。

在一实施例中，所述阻抗网络单元还包括与所述并联谐振电路组成解耦电路的接收阻抗电路，所述接收阻抗电路与所述并联谐振电路并联连接，所述解耦电路用于提取电力线上的载波信号；

所述通信处理单元还包括解调模块，用于对所述电力线上的载波信号进行解调并发送至所述协议处理器，所述协议处理器对解调后的载波信号进行解析得到通信数据包以实现通信数据的接收。

在一实施例中，所述开关网络单元包括构成第一桥臂的第一开关元件、第二开关元件以及构成第二桥臂的第三开关元件、第四开关元件；第一桥臂的中点与所述串联谐振电路连接，第二桥臂中点与所述并联谐振电路连接；

在发送通信数据时，所述第一开关元件和第三开关元件的所对应的控制信号的预设占空比为1/3，所述第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号的预设占空比为2/3，其中，所述第一开关元件和第二开关元件互补导通，所述第三开关元件和第四开关元件互补导通，且第一开关元件和第三开关元件所对应的控制信号之间预设相位差为180°，第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号之间的预设相位差为180°。

在一实施例中，所述开关网络单元包括构成第一桥臂的第一开关元件、第二开关元件以及构成第二桥臂的第三开关元件、第四开关元件，第一桥臂的中点与所述串联谐振电路连接，第二桥臂中点与所述并联谐振电路连接；

在发送通信数据时，所述第一开关元件和第三开关元件的所对应的控制信号的预设占空比为1/2，所述第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号的预设占空比为1/2，其中，所述第一开关元件和第二开关元件互补导通，所述第三开关元件和第四开关元件互补导通，且第一开关元件和第三开关元件之间的预设相位差为120°，第二开关元件和第四开关元件之间的预设相位差为120°。

在一实施例中，所述接收阻抗电路包括串联连接在所述并联谐振电路的两端的第五开关元件、第六开关元件以及第一电阻，所述第五开关元件的漏极连接所述第一电阻的一端，第五开关元件的源极接所述第六开关元件的源极，第五开关元件和第六开关元件的栅极与所述协议处理器耦接；

在接收通信数据时，所述协议处理器提供模式切换信号控制第五开关元件和第六开关元件导通、所述调制模块控制第一至第三开关元件关断、第四开关元件导通。

在一实施例中，所述开关网络单元为二极管钳位式多电平逆变电路或T型多电平逆变电路。

在一实施例中，所述接收阻抗电路包括第一电阻，所述第一电阻并联连接在所述并联谐振电路的两端，在接收通信数据时，所述调制模块控制所述开关网络单元中的开关元件断开。

在一实施例中，所述装置还包括：

带通滤波单元，连接在所述通信处理单元和阻抗网络单元之间，用于将所述接收阻抗电路提取的载波信号滤波后发送到所述通信处理单元。

在一实施例中，所述装置还包括：

驱动单元，用于根据所述控制信号输出所述开关网络单元的驱动信号。

第二方面，本发明实施例提出一种电力线载波通讯方法，所述方法包括：

将通信信号调制为控制信号，所述通信信号包括通信数据；

根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；

将所述载波信号滤波后耦合至电力线。

相比于现有技术，本发明采用开关网络单元代替传统的线性功率放大器，利用电力电子变换技术大幅提升了电力线载波信号发射效率，大幅降低了电力线载波信号的发射功率，同时通过多电平技术和合适的调制策略，在信号调制过程中，通过通信处理单元将通信信号调制为控制信号，再通过开关网络单元根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，全部或部分消除了开关网络单元输出的多电平载波信号的低次谐波分量，降低了输出低通滤波器的要求，大幅减小了滤波器的尺寸及成本。

附图说明

图1为本申请提供的一实施例中电力线载波通讯系统的示意性结构框图；

图2为本申请提供的另一实施例中电力线载波通讯系统的示意性结构框图；

图3为本申请提供的一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图4为本申请提供的一实施例中载波信号和基波信号的波形示意图；

图5为本申请提供的一实施例中通信处理单元的示意性结构框图；

图6为本申请提供的一实施例中阻抗网络单元的示意性结构框图；

图7为本申请提供的另一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图8为本申请提供的另一实施例中通信处理单元的示意性结构框图；

图9为本申请提供的另一实施例中阻抗网络单元的示意性结构框图；

图10为本申请提供的又一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图11为本申请提供的第一示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图12为本申请提供的第一示例实施例中一种调制方式的信号示意图；

图13为本申请提供的第一示例实施例中另一种调制方式的信号示意图；

图14为本申请提供的第一示例实施例中接收阻抗电路的电路原理图；

图15为本申请提供的第二示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图16为本申请提供的第二示例实施例中一种调制方式的信号示意图；

图17为本申请提供的第三示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图18为本申请提供的第四示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图；

图19为本申请提供的第四示例实施例中载波信号示意图；

图20为本申请提供的一实施例中一种电力线载波通讯方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

图1为本申请提供的一实施例中电力线载波通讯系统的示意性结构框图。如图1所示，在该电力线载波通讯系统中，包括电力线载波通讯装置10以及接收装置20。其中，电力线载波通讯装置10用于将通信信号调制为载波信号，并将载波信号耦合至电力线，接收装置20从电力线获取载波信号，并对载波信号解析。

图2为本申请提供的另一实施例中电力线载波通讯系统的示意性结构框图。如图2所示，在该电力线载波通讯系统中，包括至少两个相互通讯的电力线载波通讯装置10。其中，电力线载波通讯装置10可以将通信信号调制为载波信号，并将载波信号耦合至电力线，还可以从电力线获取载波信号，并对载波信号解析。

本实施例提供了一种电力线载波通讯装置，适用于上述任一实施例中的电力线载波通讯系统。图3为本申请提供的一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。如图3所示，电力线载波通讯装置10包括：通信处理单元101，用于将通信信号调制为控制信号，所述通信信号包括通信数据；开关网络单元102，用于根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的载波信号，其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；阻抗网络单元103，用于将所述载波信号滤波后耦合至电力线，实现通信数据的发送。

在本实施例中，采用开关网络单元代替传统的线性功率放大器，利用电力电子变换技术大幅提升了电力线载波信号发射效率，大幅降低了电力线载波信号的发射功率。同时通过多电平技术和合适的调制策略，在信号调制过程中，通过通信处理单元将通信信号调制为控制信号，再通过开关网络单元根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，全部或部分消除了开关网络单元输出的多电平载波信号的低次谐波分量，降低了输出低通滤波器的要求，大幅减小了滤波器的尺寸及成本。

在一实施例中，开关网络单元102包括多个开关元件，通信处理单元101将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的多个控制信号，并发送至对应的开关元件，开关网络单元102输出包括至少三个电平的载波信号。

通信处理单元101通过调节控制信号的占空比和相位差，使得所述载波信号的傅里叶展开式中n+1次及以下各次谐波分量对应项的系数小于等于第二阈值。其中，第二阈值可以根据实际需求进行设置，在第二阈值为0时，可以达到消除各次谐波分量的目的。

以载波信号包括5个电平为例，图4示出了载波信号和基波信号的波形图，其中，VH为载波信号，V_f0为基波信号，所述载波信号VH为阶梯波，其正半周期和负半周期波形对称，对所述载波信号VH进行傅里叶分解可以获得各次谐波的分量，因所述载波信号VH的正半周期和负半周期波形对称，所述载波信号VH的偶次谐波分量系数为0，即不含偶次谐波分量，其各奇次谐波分量的系数为

，其中，l表示奇次谐波次数，Di表示第一电平、第二电平、……第（n+1）/2-i电平所占比例之和，所占比例表示电平宽度和载波信号的周期之比；通过调节Di可以最小化载波信号中各次谐波分量。进一步的，控制各次谐波分量对应项的系数为0，可以达到消除各次谐波分量的目的。

因此，在载波信号每个正半周期，若各非0正电平所占比例满足以下公式：

（1）

则所述载波信号n次以下奇次谐波分量对应项的系数都为0，所述载波信号不含n次以下奇次谐波。

其中，Di表示第一电平、第二电平、……第（n+1）/2-i电平所占比例之和；第一电平>第二电平>……>第（n-1）/2电平>0；所占比例表示电平宽度和载波信号的周期之比。

需要说明的是，控制信号的预设占空比、预设相位差和开关网络单元的结构并不固定，只要能输出上述多电平的载波信号，就能够达到消除n+1次以下各次谐波分量的目的。

图5为本申请提供的一实施例中通信处理单元的示意性结构框图。在一实施例中，如图4所示，通信处理单元101包括协议处理器1011和调制模块1012，协议处理器1011用于将通信数据按照预定的通信协议进行封装，封装为数字形式的通信信号并发送至调制模块1012，调制模块1012将通信信号调制为用于控制开关网络单元102的控制信号。

调制模块1012可采用的成熟调制技术有FSK(Frequency shift keying 频移键控)、PSK（Phase shift keying 相移键控）等等。在本实施例中，所述通信信号为二进制数字通信信号，以调制模块1012采用FSK调制技术为例说明，调制模块1012将二进制数字通信信号调制为对应两个频率的频率信号。

进一步的，根据预设占空比和预设相位差将所述频率信号调制为多个控制信号，通过控制开关网络单元中多个开关元件的导通与关断来产生包括通信数据的多电平的载波信号，达到全部或部分消除n+1次及以下低次谐波分量的目的。

图6为本申请提供的一实施例中阻抗网络单元的示意性结构框图。在一实施例中，如图6所示，阻抗网络单元103包括串联谐振电路1031和并联谐振电路1032。

串联谐振电路1031可以由一个谐振电感和一个谐振电容组成；并联谐振电路1032可以由一个谐振电容和至少一个谐振电感组成，谐振电感可以是互感器的励磁电感，串联谐振电路和并联谐振电路一起构成一个四阶带通滤波器，用于滤除载波信号中的直流分量和高次谐波，并将滤波后的载波信号耦合至电力线。

图7为本申请提供的另一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。在该实施例中，如图7所示，电力线载波通讯装置10还包括用于驱动开关网络单元102的驱动单元104，驱动单元104根据控制信号产生开关元件的驱动信号。

在一实施例中，电力线载波通讯装置10还可实现通信数据接收功能。如图8所示，通信处理单元101还包括解调模块1013，用于对电力线上的载波信号进行解调并提供至协议处理器1011，协议处理器1011对解调后的电力线上的载波信号进行解析得到通信数据，协议处理器1011例如将通信数据提供至外部控制器。阻抗网络单元103还用于提取电力线上的载波信号并将其提供至通信处理单元101。

图9为本申请提供的另一实施例中阻抗网络单元的示意性结构框图。在该实施例中，如图9所示，阻抗网络单元103还包括：接收阻抗电路1033，接收阻抗电路1033与并联谐振电路1032并联，接收阻抗电路1033和并联谐振电路1032组成解耦电路，用于提取电力线上的载波信号。

图10为本申请提供的又一实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。在该实施例中，如图10所示，电力线载波通讯装置10还包括带通滤波单元105，带通滤波单元105与接收阻抗电路1033连接，用于将提取的电力线上的载波信号进行滤波放大后送至通信处理单元101。

解调模块1013接收来自带通滤波单元105的滤波后的电力线上的载波信号并解调为对应的数字信号，协议处理器1011对数字信号进行解析得到通信数据包，实现通信数据的接收。

上述任一实施例的电力线载波通讯模块例如可以应用在光伏组件关断器、光伏组件优化器、逆变器、监控器等电力电子设备。

图11为本申请提供的第一示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性电路框图。在该示例实施例中，如图11所示，电力线载波通讯装置10包括通信处理单元101、开关网络单元102、阻抗网络单元103、驱动单元104、带通滤波单元105。

阻抗网络单元103包括串联谐振电路1031、并联谐振电路1032以及接收阻抗电路1033，其中，串联谐振电路1031包括串联连接的第一电感L1和第一电容C1，并联谐振电路1032包括并联连接的第二电容C2和第一互感器CT1，阻抗网络单元103通过第一互感器CT1将所述载波信号耦合至电力线传输。

开关网络单元102为全桥模块，包括构成第一桥臂的第一开关元件Q1、第二开关元件Q2以及构成第二桥臂的第三开关元件Q3、第四开关元件Q4。串联谐振电路1031和并联谐振电路1032串联连接在两个桥臂的中点之间,第一桥臂的中点和串联谐振电路1031的一端相连，串联谐振电路1031的另一端和并联谐振电路1032的一端连接，第二桥臂的中点和并联谐振电路1032的另一端相连。开关元件可以是N沟道MOS管也可以是P沟道MOS管，这里以第一开关元件Q1和第三开关元件Q3为P沟道MOS管，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4为N沟道MOS管为例。

开关网络单元102还包括与电力线载波通讯装置10的直流输入端耦接的输入电容Cin（图中未示出），输入电容Cin用于稳定电力线载波通讯装置的输入端的直流输入。

在本实施例中，驱动单元104可采用双通道低边驱动，其结构简单，容易实现。

开关网络单元102输出三电平的阶梯波式的载波信号，包括一正电平，一负电平，一零电平，载波信号的负半周期和正半周期波形对称。由公式（1）可知，在正半周期，当第一正电平的电平宽度和载波信号的周期之比D为1/3时，所述三电平的载波信号不含2次、3次及4次等低次谐波分量。

进一步的，在发送通信数据时，可采用多种调制方式获得开关网络单元102的控制信号，使得D为1/3，以下将结合附图表述。

图12为本申请提供的第一示例实施例中一种调制方式的信号波形示意图。如图12所示，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3以及第四开关元件Q4的控制信号分别为PWM1-PWM4，T为控制信号及载波信号的周期，VH1为两个桥臂中点输出的载波信号。第一开关元件Q1和第三开关元件Q3所对应的控制信号的预设占空比为1/3，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4所对应的控制信号的预设占空比为2/3，其中，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2互补导通，第三开关元件Q3和第四开关元件Q4互补导通，且第一开关元件Q1和第三开关元件Q3所对应控制信号PWM1和PWM3之间的预设相位差为180°，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4所对应控制信号PWM2和PWM4之间的预设相位差为180°。开关网络单元102输出的三电平的载波信号VH1的第一正电平的宽度和周期T之比为1/3, 由上文分析可知，该载波信号VH1满足消除2、3及4次等低次谐波的条件。

图13为本申请提供的第一示例实施例中另一种调制方式的信号波形示意图。如图13所示，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4的控制信号分别为PWM1-PWM4，T为控制信号的周期，VH2为两个桥臂中点输出的载波信号。第一开关元件Q1和第三开关元件Q3所对应的控制信号的预设占空比为1/2，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4所对应的控制信号的预设占空比为1/2，其中，第一开关元件Q1和第二开关元件Q2互补导通，第三开关元件Q3和第四开关元件Q4互补导通，且第一开关元件Q1和第三开关元件Q3所对应控制信号PWM1和PWM3之间的预设相位差为120°，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4所对应控制信号PWM2和PWM4之间的预设相位差为120°。开关网络单元102输出的三电平的载波信号VH1的第一正电平宽度和周期T之比为1/3,由上文分析可知，该三电平的载波信号满足消除2、3及4次等低次谐波的条件。

图14为本申请提供的第一示例实施例中接收阻抗电路的电路原理图。如图14所示，接收阻抗电路1033包括第五开关元件Q5、第六开关元件Q6以及第一电阻R1。开关元件可以是N沟道MOS管也可以是P沟道MOS管，这里以两个开关元件全都是N沟道MOS管为例。第五开关元件Q5的漏极接第一电阻R1的一端，第五开关元件Q5的源极接第六开关元件Q6的源极，第六开关元件Q6的漏极和第一电阻R1的另一端分别连接在并联谐振电路1032两端，第五开关元件Q5、第六开关元件Q6的栅极和协议处理器1011耦接，协议处理器1011提供模式切换信号控制第五开关元件Q5和第六开关元件Q6的导通及关断。

在接收通信数据时，调制模块1012控制第一开关元件Q1、第二开关元件Q2以及第三开关元件Q3断开，并控制第四开关元件Q4导通，协议处理器1011控制第五开关元件Q5和第六开关元件Q6导通，第一电阻R1和并联谐振电路1032构成解耦电路，用于提取电力线上的载波信号，在发送通信数据时，接收阻抗电路1033的第五开关元件Q5和第六开关元件Q6处于关断状态，阻抗网络单元103在通信频段处于高阻状态。

当协议处理器1011接收到例如外部控制器提供的通信数据时，协议处理器1011提供模式切换信号将电力线载波通讯装置10的工作状态切换为通信数据发送状态，当通信数据发送完成后，协议处理器1011提供模式切换信号将电力线载波通讯装置10的工作状态切换为通信数据接收状态。

图15为本申请提供的第二示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。在该示例实施例中，如图15所示，电力线载波通讯装置10包括通信处理单元101、开关网络单元102、阻抗网络单元103、驱动单元104以及带通滤波单元105。

阻抗网络单元103包括串联谐振电路1031、并联谐振电路1032以及接收阻抗电路1033，其中，串联谐振电路1031包括串联连接的第一电感L1和第一电容C1，并联谐振电路1032包括并联连接的第二电容C2和第二电感L2，第二电感L2串联在电力线上，阻抗网络单元103通过第二电感L2将所述载波信号耦合至电力线传输。

开关网络单元102包括第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4、第一钳位二极管D1以及第二钳位二极管D2，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4依次串联后与电力线载波通讯装置10的直流输入端连接，输入电容Cin1和输入电容Cin2串联后连接在直流输入端的两端，第一钳位二极管D1、第二钳位二极管D2依次串联后一端连接至第一开关元件Q1和第二开关元件Q2之间的第一节点，另一端连接至第三开关元件Q3和第四开关元件Q4之间的第二节点，第一钳位二极管D1和第二钳位二极管D2之间的第三节点连接至第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2之间的第四节点。串联谐振电路1031和并联谐振电路1032串联连接在第三节点和第二开关元件Q2、第三开关元件Q3之间的第五节点之间。开关元件可以是N沟道MOS管也可以是P沟道MOS管，这里以四个开关元件全都是N沟道MOS管为例。

与第一实施例相同，本实施例中，开关网络单元102也输出三电平的阶梯波式的载波信号，包括一正电平信号，一负电平信号，一零电平信号，载波信号的负半周期和正半周期波形对称。当D为1/3时，所述三电平的载波信号不含2次、3次及4次等低次谐波分量。

图16为本申请提供的第二示例实施例中一种调制方式的信号波形示意图。如图16所示，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4的控制信号分别为PWM1-PWM4，T为控制信号和载波信号的的周期，VH3为两个桥臂中点输出的三电平的载波信号，第一开关元件Q1和第四开关元件Q4所对应的控制信号的预设占空比为1/3，第二开关元件Q2和第三开关元件Q3所对应的控制信号的预设占空比为2/3，第一开关元件Q1和第三开关元件Q3互补导通，第二开关元件Q2和第四开关元件Q4互补导通，控制信号PWM1和控制信号PWM4之间的预设相位差为180°，第二开关元件Q2所对应的控制信号PWM2和第三开关元件Q3所对应的控制信号PWM3之间的预设相位差为180°。开关网络单元102的两个桥臂中点输出的三电平的载波信号VH3与上述示例实施例一样，满足消除2次、3次及4次等低次谐波分量。

在本实施例中，接收阻抗电路1033包括第一电阻R1，第一电阻R1并联连接在并联谐振电路1032的两端，在接收通信数据时，第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4处于关断状态，第一电阻R1、第二电容C2和第二电感L2构成解耦电路，用于提取电力线上的载波信号。与本申请第一示例实施例相比，节省了两个开关元件，降低了成本。

图17为本申请提供的第三示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。在该示例实施例中，如图17所示，电力线载波通讯装置10包括通信处理单元101、开关网络单元102、阻抗网络单元103、驱动单元104以及带通滤波单元105。阻抗网络单元103包括串联谐振电路1031、并联谐振电路1032以及接收阻抗电路1033，其中，串联谐振电路1031包括串联连接的第一电感L1和第一电容C1，并联谐振电路1032包括并联连接的第二电容C2和第一互感器CT1，阻抗网络单元103通过第一互感器CT1将所述载波信号耦合至电力线传输，接收阻抗电路1033包括第一电阻R1，第一电阻R1、第二电容C2和第二电感L2构成解耦电路，用于提取电力线上的载波信号。

其中，开关网络单元102为T型开关网络，包括第一输入电容Cin1、第二输入电容Cin2、第一开关元件Q1、第二开关元件Q2、第三开关元件Q3、第四开关元件Q4。第一开关元件Q1、第四开关元件Q4依次串联后与电力线载波通讯装置10的直流输入端连接，第二开关元件Q2、第三开关元件Q3依次串联后一端连接至第一输入电容Cin1和第二输入电容Cin2之间的第六节点，另一端连接至第一开关元件Q1和第四开关元件Q4之间的第七节点。串联谐振电路1031和并联谐振电路1032串联连接在第六节点和第七节点之间。开关元件可以是N沟道MOS管也可以是P沟道MOS管，这里以四个开关元件全都是N沟道MOS管为例。

本示例实施例中开关网络单元的调制方式可以与第二示例实施例相同，不在赘述。

图18为本申请提供的第四示例实施例中电力线载波通讯装置的示意性结构框图。在该示例实施例中，如图18所示，电力线载波通讯装置10包括通信处理单元（图中未示出）、开关网络单元102、阻抗网络单元103、驱动单元（图中未示出）以及带通滤波单元（图中未示出）。开关网络单元102为五电平开关网络，输出五电平的载波信号。具体的，该开关网络单元102包括4个输入电容、8个开关元件和6个钳位二极管。

在本实施例中，开关网络单元102输出五电平的阶梯波式的载波信号，包括第一正电平、第二正电平、第一负电平、第二负电平、零电平，载波信号的负半周期和正半周期波形对称。由公式（1）可知，在正半周期，当第一正电平和第二正电平的电平宽度之和与周期T之比D1为13/30，第一正电平的电平宽度与周期T之比D2为7/30，或，第一正电平和第二正电平的电平宽度之和与周期T之比D1为11/30，第一电平的电平宽度与周期T之比D2为1/30，所述五电平的载波信号不含2次、3次、4次、5次及6次等低次谐波分量。

图19为本申请提供的第四示例实施例中载波信号的示意图。如图19所示， T为控制信号及载波信号的周期，VH4和VH5为开关网络单元输出的载波信号，D1为第一电平和第二电平的电平宽度之和与周期T之比，D2为第一电平的电平宽度与周期T之比，由以上分析可知，该五电平的载波信号满足消除2次、3次、4次、5次及6次等低次谐波的条件。

本发明不限制载波信号的电平数量，可以是3、5、7等任意个电平。

图20为本申请提供的一实施例中一种电力线载波通讯方法的流程示意图。如图20所示，一种电力线载波通讯方法，包括以下步骤：

S202：将通信信号调制为控制信号；

其中，通信信号包括通信数据。

S204：根据控制信号输出与通信信号对应的多电平的载波信号；

其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数。

S206：将载波信号滤波后耦合至电力线。

在本实施例中，在信号调制过程中，将通信信号调制为控制信号，再根据所述控制信号输出与所述通信数据对应的载波信号，完全或部分消除了开关网络单元输出的多电平载波信号的低次谐波分量，降低了输出低通滤波器的要求，大幅减小了滤波器的尺寸及成本。

其中，开关网络单元包括多个开关元件，所述通信处理单元将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的多个控制信号，并发送至对应的开关元件，所述开关网络单元输出所述载波信号。

通信处理单元通过调节控制信号的占空比和相位差，使得所述载波信号的傅里叶展开式中n+1次及以下各次谐波分量对应项的系数小于等于第二阈值。

关于方法的具体限定可以参见上文中对于装置的限定，在此不再赘述。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (14)

1.一种电力线载波通讯装置，其特征在于，所述装置包括：

通信处理单元，用于将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的控制信号，所述通信信号包括通信数据；

开关网络单元，用于根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；

阻抗网络单元，用于将所述载波信号滤波后耦合至电力线。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述开关网络单元包括多个开关元件，所述通信处理单元将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的多个控制信号，并发送至对应的开关元件。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述通信处理单元将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的多个控制信号，使得所述载波信号的傅里叶展开式中n+1次及以下各次谐波分量对应项的系数小于等于第二阈值。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述通信处理单元包括：

协议处理器，用于将所述通信数据按照预定的通信协议进行封装，得到通信信号；

调制模块，用于将所述通信信号调制为预设占空比和预设相位差的所述控制信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述阻抗网络单元包括由串联谐振电路和并联谐振电路组成的滤波电路，所述串联谐振电路和并联谐振电路串联在开关网络单元的输出端，所述滤波电路用于滤除所述载波信号中的直流分量和高次谐波，并将滤波后的载波信号耦合至电力线以实现通信数据的发送。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述阻抗网络单元还包括与所述并联谐振电路组成解耦电路的接收阻抗电路，所述接收阻抗电路与所述并联谐振电路并联连接，所述解耦电路用于提取电力线上的载波信号；

所述通信处理单元还包括解调模块，用于对所述电力线上的载波信号进行解调并发送至所述协议处理器，所述协议处理器对解调后的载波信号进行解析得到通信数据包以实现通信数据的接收。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述开关网络单元包括构成第一桥臂的第一开关元件、第二开关元件以及构成第二桥臂的第三开关元件、第四开关元件；第一桥臂的中点与所述串联谐振电路连接，第二桥臂中点与所述并联谐振电路连接；

在发送通信数据时，所述第一开关元件和第三开关元件的所对应的控制信号的预设占空比为1/3，所述第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号的预设占空比为2/3，其中，所述第一开关元件和第二开关元件互补导通，所述第三开关元件和第四开关元件互补导通，且第一开关元件和第三开关元件所对应的控制信号之间预设相位差为180°，第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号之间的预设相位差为180°。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述开关网络单元包括构成第一桥臂的第一开关元件、第二开关元件以及构成第二桥臂的第三开关元件、第四开关元件，第一桥臂的中点与所述串联谐振电路连接，第二桥臂中点与所述并联谐振电路连接；

在发送通信数据时，所述第一开关元件和第三开关元件的所对应的控制信号的预设占空比为1/2，所述第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号的预设占空比为1/2，其中，所述第一开关元件和第二开关元件互补导通，所述第三开关元件和第四开关元件互补导通，且第一开关元件和第三开关元件所对应的控制信号之间的预设相位差为120°，第二开关元件和第四开关元件所对应的控制信号之间的预设相位差为120°。

9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述接收阻抗电路包括串联连接在所述并联谐振电路的两端的第五开关元件、第六开关元件以及第一电阻，所述第五开关元件的漏极连接所述第一电阻的一端，第五开关元件的源极接所述第六开关元件的源极，第五开关元件和第六开关元件的栅极与所述协议处理器耦接；

在接收通信数据时，所述协议处理器提供模式切换信号控制第五开关元件和第六开关元件导通、所述调制模块控制第一至第三开关元件关断、第四开关元件导通。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述开关网络单元为二极管钳位式多电平逆变电路或T型多电平逆变电路。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述接收阻抗电路包括第一电阻，所述第一电阻并联连接在所述并联谐振电路的两端，在接收通信数据时，所述调制模块控制所述开关网络单元中的开关元件断开。

12.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

带通滤波单元，连接在所述通信处理单元和阻抗网络单元之间，用于将所述接收阻抗电路提取的载波信号滤波后发送到所述通信处理单元。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

驱动单元，用于根据所述控制信号输出所述开关网络单元的驱动信号。

14.一种电力线载波通讯方法，用于如权利要求1-13任一项所述的电力线载波通讯装置，其特征在于，所述方法包括：

将通信信号调制为预设占空比和预设相位差的控制信号，所述通信信号包括通信数据；

根据所述控制信号输出与所述通信信号对应的多电平的载波信号，其中，所述载波信号所包含的n+1次及以下各次谐波分量分别小于等于第一阈值，n表示所述载波信号所包含的电平数量，且n为大于等于3的奇数；

将所述载波信号滤波后耦合至电力线。

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