CN1381098A - 用于电力线通信的传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于通过AC电力线介质传输RF信号的电力线通信系统和方法。此系统包括通过AC电力线介质传输RF信号的发射器和从AC电力线介质接收RF信号的接收器。AC电力线作为传输介质对于发送和接收RF信号的电路是透明的。

Description

用于电力线通信的传输系统和方法

                           技术背景

本发明涉及网络系统，尤其是，本发明涉及用于使用交流(AC)电力线作为传输介质发送射频(RF)信号的系统和方法。

由于在工作单位和家庭中计算机使用的增长，对网络系统的需求也随之增加。而且，在家用设备中计算机、通信及娱乐系统的技术汇合正为连接计算机、计算机外设、电话、调制解调器、有线电视、电视机、计算机控制的电器、家用自动和安全系统的单个网络创造了新的需求。用于联网的替代方法包括无线联网、电话线联网、实体线(hard ware)联网及电力线联网。

实体线联网，诸如用同轴线缆，一般被认为是用于数字通信联网的标准方法。这种方法要求穿过工业场所或家庭安装单独的线路网络，因而，实体线联网要求额外的线缆安装成本，并且在同一个网络线上也不能容纳计算机数据和模拟电视(信号)的同时传输。

RF(射频)无线网络透过大气典型地以900MHz到2.4GHz之间的频率传输，并能传输视频信号、音频信号和包括计算机数字数据的其它数据。虽然如此，射频无线网络受损于带宽限制而产生信号干涉并违反由FCC强制执行的规则。IR(远红外)无线网络要求操作视线，并且不易用于在建筑或家庭的房间中传输。

电话线网络目前被引入以大约10Mbps的速率传输数据。尽管这样的电话线网络不要求新的布线，但该网络受限于可得到的电话线引出线的数量。

电力线通信(PLC)系统使用AC电力线作为传输介质。电力线通信系统超出电话线网络的一个优点是：一般地可得到的比电话线引出线更多的用于联接的电插座。如此，AC电力线可被定型为从架空引入线开始的遍及建筑或家庭的同质线缆。

传统电力线通信系统要求对线路噪声和高频信号恰当地处理。高频信号及噪声在AC电力线环境中经常产生，并被线路拾获，因而是呈现给PLC系统设计者复杂的设计问题。

传统的电力线通信系统通常靠在电力线携载的交流信号上叠加调制过的载波频率来运行。一般地，传统的PLC系统包括能在AC电力线信号上加入通信信号的发送单元，和能从AC功率分量信号上分离通信信号的接收单元。

在理想的PLC系统中，接收器的输出信号是被导入发送器的信号的完全拷贝。也就是说，接收器忽略发送器之外的信号源产生的、可能影响系统的任何信号(如噪声)。此外，这个理想的PLC系统通过直接传输或经由辐射也不会变成噪声源。

传统的PLC系统典型地以160kHz到455kHz的相对低的载波频率使用。一些系统也许会利用高达1.5MHz的频率。

AC电力线能广播通信信号。这可能产生也许会干扰其它通信信号的噪声。假如该通信信号强度太低，线路上的噪声水平将压倒该信号。假如该通信信号很强且频率很高，此电力线开始辐射，并因而违反关于干扰和有害辐射水平的政府规定。

而且，许多RF信号源，如有线电视接收盒，包括在AC电力线上产生不期望噪声的电源。因而，带入到常用PLC系统的噪声多是来自于此PLC系统试图传输的非常多的信号源。

综上所述，所需要的是以如此方式利用建筑物的AC电力线作传输介质的PLC系统，其RF信号通过此介质被传输，并且在此AC电力线上的任何一点被恢复。最好此系统不产生不期望的信号并具有较高的抗噪声性。该系统最好对交流线路透明。另外，系统应能以低成本生产，以便允许家庭和工业用户能经济地购买和使用该系统。

                           发明概述

本发明针对这些需求，提供一种使用AC电力线作为透明传输介质能够发送和接收从1到900MHz的RF信号的系统。此系统包括：发射器电路，用于耦合RF输入信号到三线AC电力线的火线和中性线上；和接收器电路，用于接收电力线上的RF信号并提供此RF信号作为输出。发射器电路包括：用于滤波RF输入信号的滤波单元；用于放大RF信号的放大器级；和用于耦合经滤波和放大的RF信号到AC电力线上的环形变压器。接收器电路包括用于在AC电力线上接收RF信号和输出此RF信号的无源部件。

本发明的优点是，与用于使用电力线连接的各种电子设备的单个网络的概念相兼容。这样的电子设备包括计算机、计算机外设、电话、电视机系统、音频系统、互联网接入设备、用于家用自动系统和电器的控制器。

                           图例简述

本发明，及其进一步的优点，通过参考结合附图的下列描述将会得到更好的理解：

图1A是根据本发明的实施例的PLC系统结构的示意图解；

图1B是根据本发明的实施例的表示PLC系统的示意图；

图1C是根据本发明的实施例的表示三级放大器的方框图；

图2A是根据本发明的另一实施例的发射器电路的示意图解；

图2B是根据本发明的另一实施例的说明发射器的示意图；

图3是根据本发明的另一方面的接收器电路的示意图解；

图4是根据本发明的另一方面的说明平衡到不平衡传输线接口(平衡-不平衡变压器，Balun)接收器电路400的示意图；

图5A是表示同轴线被用作AC电力线的图例；

图5B是表示被有线电视行业使用的，包括接地导管的同轴线的图例；

图6是根据本发明的实施例表示发射器结构的图例；和

图7是根据本发明的实施例表示接收器结构的图例。

                        发明的详细描述

所公开的是一种使用AC电力线作为透明传输介质，用于发送1到900MHz的RF信号的PLC系统。在下列描述中，将陈述许多特例以提供对本发明的全面理解。尽管如此，本领域的一般技术人员应当理解，很清楚，本发明也可以不用部分或全部这些特例而被实现。在其它例子中，众所周知的处理步骤将不被详细描述以免本发明不必要地晦涩难解。

图1A到1C一般地描述了本发明的PLC的概要。图1A是根据本发明的优选实施例表示电力线通信系统(PLC)100的方框图。PLC100包括发送单元102、数个接收单元104、和AC电力线106。在实施中，RF源108，例如VCR，对在AC电力线106上传输RF信号的发送单元102提供RF信号。此RF信号接着被各个接收单元104接收，这些接收单元提供信号给处理此信号的接收设备109，如电视机。

所公开的PLC系统将AC电力线处理为透明传输介质，而不是看作点对点的传输线。RF输入信号不被通过发送单元102调谐到AC电力线上，从而避免伴随AC电力线的驻波问题。事实上，所公开的PLC系统依靠RF信号和电力线信号的反射。只要被反射的RF信号不互相抵消掉，RF信号将一直出现在AC电力线上。而且，由于在AC电力线上通常存在许多信号反射，因而，只有很少的机会信号被抵消掉。

即使RF信号的幅度在AC电力线上显著地衰减，它也几乎总是大于零。由于典型的电视机能操作低至3μV的信号，所以，所公开的系统一般地总是提供足够强度的RF输出信号供典型的电视机使用。因而，对于该公开的系统，驻波一般不成为问题。

图1B是根据本发明的实施例表示PLC系统110的示意图。PLC系统110包括发送单元102、接收单元104、和AC电力线106。在实施中，RF信号进入发送单元并被送至放大器112，此放大器放大和传送信号到AC电力线106。

AC电力线106包括第一火线114、第二火线116、和中性线118。一般地，每个电插座被耦合到中性线118，并耦合到第一火线114或第二火线116上。火线(114，116)从AC电力线架空引入线到建筑物、贯穿房屋从插座到插座连接起来。中性线118一般接地于贯穿房屋的AC电力线106，通常接地于并联插座或关键点上。中性线118可以被接地，但它仍然对通过AC电力线传播RF信号有影响，这取决于PLC电路的插座是怎样连接到AC功率输出的。

本发明提供RF信号到被耦合到PLC当前连接到的功率输出的火线，或者第一火线114或者第二火线116上。另外，本发明利用变压器120在中性线118上导入电流。因而本发明对AC电力线系统提供两个信号。其优点是，提供RF信号到中性线118和火线上减少了驱动系统所需功率的强度，这在后面将详细解释。

图1C是根据本发明的实施例表示用于发送单元中的三级放大器150的方框图。放大器150包括有大约8分贝增益的第一放大器级152、有大约6分贝增益的第二放大器级154、和有大约8分贝增益的第三放大器级156。

在实施中，第一级放大器152作为信号放大器。如以后将详述的，用于第一放大器级152的偏置电路最好与下一放大器级的偏置电路隔离。隔离偏置电压将降低来自下一放大器级反馈回输入电路的任何RF信号的潜在危害，此RF信号导致无效节点或PLC电路的总体性能不稳定，诸如产生不需要的谐振。防范此情出现的方法是简单地在第一级放大器152的输入端铁芯上掺杂一匝铜线。

第二放大器级154被偏置以提供大约6分贝的较低增益，这将对任何RF信号提供一个衰减通路以旁路来自PLC系统的、甚至来自最后输出级任何通路的输出。此增益足以驱动第三放大器级156。本发明的电路的一个忧虑是：在区域中的不期望的RF信号将造成系统整体功能和性能的不稳定或噪声。

第三放大器级156主要用作电流放大器。为提高性能，第三放大器级156的输出可以使用被设计成用于从10MHz到2GHz的任意RF频率的带通滤波器的SAW或陶瓷谐振器来滤波。这种滤波器的输入阻抗是50到75欧姆，输出阻抗是150到200欧姆，输出阻抗最好取中值以调节连接到PLC系统输出的任何新的传感电路。

所有以上各级放大器最好是毫米集成电路(MMIC)。第一级放大器152和第二级放大器154最好是高频、高增益、带宽从50MHz到2GHz的宽带MMIC信号放大器器件。另外，第三放大器级156最好是高频、高增益电流、带宽从50MHz到2GHz的MMIC功率放大器器件。

环形变压器158被耦合到第三放大器级156的输出，提供信号给AC电力线火线160和AC电力线中性线162。环形变压器158在物理AC电力线的火线l60和中性线162上，向混乱状况下的AC电力线环境馈送一个干净的RF电流信号。因此，本发明可以以正常要求的一半功率有效地实施，因为由本发明产生的RF信号沿两条分立线路传送。另外，环形变压器158控制从线路回馈到PLC系统输出的潜在危害VSWR，以后详述。

图2A是根据本发明的实施例表示用于发送单元的发射器电路200的示意图。发射器电路200包括总体表示为220的放大器级，总体表示为240的电源电路和总体表示为260的RF信号耦合电路。发射器电路200由包含火线202和中性线204的三线AC电力线供电。地线(未显示)没有被PLC系统使用，因为通常它在AC电力线中噪声最大。火线202从AC电力线架空引入线到建筑物、贯穿房屋从插座到插座连接起来。中性线204一般接地于贯穿房屋的AC电力线，通常接地于并联插座或关键点上。尽管接地，但当它对RF信号作为电感出现时，中性线204作为RF信号的传输线路仍有影响。

接着参考图2A，输入RF信号在208处通过铁芯电感L6被耦合到发射器电路200。铁芯电感L6从RF输入信号上扼流来自信号源的高频RF噪声。所有DC级信号都被串联耦合在铁芯电感L6上的电容C7阻滞。RF输入信号被放大器级220放大。放大器级220包括电容耦合的多个放大器，包括增益为大约8dB的第一放大器级222、增益为大约6dB的第二放大器级224、和增益为大约8dB的第三放大器级226。第一放大器级222作为信号放大器。如以后将详述的，用于第一放大器级222的偏置电路242最好与后续放大器级224和226的偏置电路244隔离。隔离偏置电压将降低从后续放大器级224和226反馈回第一放大器级222的任何RF信号的潜在危害，此RF信号由此导致无效节点或在发射电路220中的再生谐振。

第二放大器级224被偏置电路244偏置，以提供大约6dB的较低增益，并在第一放大器级222与第三放大器级226之间形成隔离。第三放大器级226是增益为大约8dB的电流放大器。第三放大器级226的输出被耦合到耦合电路260的带通滤波器262中。带通滤波器262最好由具有1到9MHz范围的SAW或陶瓷谐振器来实现。滤波器262的输入阻抗是50到75欧姆，输出阻抗是150到200欧姆。输出阻抗最好取中值，以调节连接到AC电力线的更多接收单元。

所有以上各级放大器222、224和226最好是毫米集成电路(MMIC)。放大器222和224最好也是高频(50MHz到2GHz)、高增益的宽带MMIC信号放大器器件。第三放大器级226最好是高频、高增益电流放大器。

耦合电路260还包括环形变压器264，用于通过放大器级220耦合RF输出信号到AC电力线的火线202和中性线204上。环形变压器264的初级线圈被电容耦合到、并馈送RF信号到火线202上。次级线圈被电容耦合到、并馈送RF信号到中性线204上。这样，火线202和中性线204载有同样的RF信号，两信号之间有很微小的相位差。确保火线202和中性线204提供相等的RF信号可确保来自任何一条线缆的信号能被接收器电路300(图3)接收到。以这种方式，所需要的功率将减少一半，这将减少来自发射器电路220的电路感生噪声。

电源电路240由相同的AC电力线供电。电感246和248扼流AC电力线、特别是环形变压器264的RF信号输出的的任何高频分量。这些高频分量包括引起在电视机屏幕上见到的＂滚动条(rolling bar)＂的那些分量。降压变压器250降低AC电压到大约10伏，接着被桥式电路252整流。电容254和256还将高频分量旁路到地。桥式电路252的输出被耦合到第一偏置电路242和第二偏置电路244上。第一偏置电路242被耦合到第一级放大器222上，第二偏置电路244被耦合到第二级放大器224及第三级放大器226上。第一级放大器222与第二及第三级放大器224和226分别偏置，因此由第二及第三级放大器224和226产生的信号不会反馈到第一级放大器222上。再生的不稳定由此消除。第一偏置电路242和第二偏置电路244留存的无源(passive)分量扼流并旁路不需要的AC分量到地，并提供适当的偏置电压给第一、第二和第三放大器级。

如前所述，到与AC电源和降压变压器连接的AC电力线上的RF扼流圈，抑制RF反馈回AC电力线。正如另一个实施例，这些电感也可被去掉以减少制造成本。尽管如此，如果在到达功率放大器之前，此RF信号没有被显著地降低，此RF信号也可在遍及电路的狭小空间内辐射。

在又一个实施例中，环形变压器也可被去掉。在这个实施例中，两个电容与AC电力线连接在一起。另外，这两个电容也可连接到变压器的中心抽头。中心抽头变压器具有相反的输出信号从中心输出到AC电力线的火线和中性线上。除非次级线圈从中心抽头反绕，此方法只降低了输出信号的强度。

图2B是根据本发明的另一实施例说明发射器270的示意图。为了减少制造成本，发射器270经由电容C9耦合第一放大器级222到第三放大器级226上。

如上所述，图2A中第二放大器级224的省去降低了制造成本。但是，在此实施例中，发射器270放大输入信号的能力被消弱了。因而，对第一放大器级222和第三放大器级226的增益要求增加了。此增益通常必须以某种方式来增加以优化这两个级联放大器。在增益上的增加使发射器270比图2A的发射器产生更多的噪声，因为每一个器件电流的增加也一定成比例地增加整个电路上每个器件的噪声。

不像大多数常用放大电路，图2B中发射器270的输出被反馈给AC电力线，此电力线对供电给放大器的直流(DC)电源提供AC电源。习惯上，放大器被设计成连接到同轴电缆或其它更多的传统传输线缆，电路的低压电源尽可能地与驻留在AC电力线上的RFI/EMI隔离。

参考图3，示出根据本发明的一个实施例的接收器电路300。线缆302和304被可操作地耦合到AC电力线的火线202和中性线204上。电容306和308是调谐电容，用于检测通过发射器电路220馈送到AC线缆上的所需RF频率。被检测的RF信号被耦合到线缆310，用于输入到诸如电视机或计算机处理器等处理RF信号的设备上。应该考虑到接收器的其它形式也可能用于本发明，如下面参考图4所示。

图4是根据本发明的另一个实施例，说明平衡到非平衡传输线接口(Balun)接收器电路400的示意图。接收器电路400包括可操作地被耦合到AC电力线的火线和中性线上的线缆402和404。电容406和408是调谐电容，用于检测通过发射器电路提供到AC线缆上的所需RF频率。接收器电路400还包括电感410、412和414。使用中，被检测的RF信号被耦合到线缆414，用于输入到诸如电视机或计算机处理器等处理RF信号的设备上。有利的是，Balun很容易从连接到电视机或计算机接收器的AC电力线的火线和中性线上旁路RF信号。Balun最好是200欧到75欧，以三股形式绕到22匝32AWG磁导的环形芯上。还有利的是，图3的接收器和图4的接收器都不需要解调电路，因而是无源接收器。

为了说明本发明的一种应用，提供一个例子说明本发明，其中使用在视频磁带录像机(＂VCR＂)中产生的RF信号。此信号的目的地是一台标准电视机，尽管信号源可是50到600MHz的任何RF源，并且目的地可是任何能使用此信号的部件。同样地，此RF信号被假定为3信道信号，3信道信号在北美是VCR的标准输出，尽管先前提到的频率范围内的任何信道都能被利用。

图5A和图5B说明适于本发明使用的同轴电缆。参照图5B，所示同轴电缆500一般包括：位于中心的导体502，它典型地用聚四氟乙烯504绝缘并用编织的可导电接地层506屏蔽，和保护塑料外皮(未显示)。图5A的AC配电线路包括接地导管508，其作用是分别作为AC电力线上是火线和中性线的两个有源导体510、512的屏蔽物。线缆510、512和内侧的导管508之间的绝缘材料是塑料绝缘体(未显示)，而在内侧导体和导管外壳之间的绝缘材料是空气、而不是在同轴电缆或双重屏蔽导线中使用的聚四氟乙烯绝缘体。

图6是根据本发明的实施例表示发射器结构600的图例。发射器结构包括诸如有线接收盒或天线的RF源602、诸如VCR的附属部件604、电视机606、和发射器608。

在实施中，RF源602提供RF信号到发射器608。在到发射器608的路由中，RF信号也可被提供给VCR 604和电视机606。典型地，RF信号通过同轴电缆被传输到附属部件604，在此例中是VCR，并从这里提供到发射器608。发射器608最好能使用同轴RF输出610提供RF信号到诸如电视机606的更多部件上。发射器608接着经由电插座612传输RF信号到AC电力线上。RF信号由此进入建筑物的AC电线系统，以便如以下详述被接收器接收。

图7是根据本发明的实施例表示接收器结构700的图例。接收器结构700包括接收器702和诸如电视机的显示设备606。

当发射器提供RF信号到AC电力线时，接收器702经由电插座704接收RF信号。接收器702接着经由同轴RF输出706提供RF信号到电视机606。

尽管依照上述几个实施例本发明已被描述，但是仍有许多替代、置换、及等效物可能被本发明涵盖。应该注意到有许多实现本发明的配置方法和器件的替代方式。因而要说明的是所附权利要求包括所有满足本发明实质精神和范围的如此替代、置换、及等效物。

Claims (20)

1.一种用于在AC电力线介质上进行RF信号通信的电路，包括：

在AC电力线介质上传输RF信号的发射器，该发射器能以大约1MHz到900MHz的范围在AC电力线上传输RF信号；以及

从AC电力线介质上接收RF信号的接收器。

2.根据权利要求1所述的电路，其中发射器由AC电力线供电。

3.根据权利要求1所述的电路，其中接收器是无源接收器。

4.根据权利要求1所述的电路，其中发射器还包括逐一有效耦合的第一级、第二级和第三级。

5.根据权利要求4所述的电路，其中第一级还包括耦合到电容上的铁芯电感。

6.根据权利要求4所述的电路，其中第二级还包括逐一有效耦合的第一信号放大器、第二信号放大器、和信号电流放大器，其中第二信号放大器和信号电流放大器与第一信号放大器相隔离。

7.根据权利要求6所述的电路，其中第一信号放大器、第二隔离信号放大器和信号电流放大器是MMIC器件。

8.根据权利要求6所述的电路，其中第三级还包括耦合到信号电流放大器输出端的带通滤波器和耦合到带通滤波器输出端的环形变压器。

9.一种用于在AC电力线介质上传输RF信号的方法，包括：

利用发射器在大约1MHz到900MHz的范围内在AC电力线介质上传输RF信号；和

经由接收器从AC电力线介质上接收RF信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中接收器是无源接收器。

11.根据权利要求9所述的方法，其中发射器还包括逐一有效耦合的第一级、第二级和第三级。

12.根据权利要求11所述的方法，其中第一级还包括耦合到电容上的铁芯电感。

13.根据权利要求11所述的方法，其中第二级还包括逐一有效耦合的第一信号放大器、第二信号放大器、和信号电流放大器，其中第二信号放大器和信号电流放大器与第一信号放大器相隔离。

14.根据权利要求13所述的方法，其中第一信号放大器、第二隔离信号放大器和信号电流放大器是MMIC器件。

15.根据权利要求13所述的方法，其中第三级还包括耦合到信号电流放大器输出端的带通滤波器和耦合到带通滤波器输出端的环形变压器。

16.一种不用调谐RF信号到AC电力线、用于在AC电力线上传输RF信号的发射器，该发射器包括：

耦合到第一偏置电路用于放大输入信号的第一信号放大器级；和

耦合到第三偏置电路的第三电流放大器级，第三偏置电路与第一偏置电路隔离；实施第三电流放大器增加提供到AC电力线的电流。

17.根据权利要求16所述的发射器，还包括耦合到第一信号放大器的第二信号放大器级，其中第二信号放大器还耦合到第三偏置电路，实施第二信号放大器级减少输出反射。

18.根据权利要求17所述的发射器，其中将发射器的输出电路失配，以便不利于驻波的产生。

19.根据权利要求17所述的发射器，其中第二放大器级的增益小于第一放大器级和第三放大器级的增益。

20.根据权利要求17所述的发射器，其中发射器利用电力线的火线和中性线在AC电力线上传输RF信号，从而增加有效接收的可能性。

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