JP3229253B2 - 信号重畳装置 - Google Patents
信号重畳装置Info
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Description
信号を搬送波として情報信号を伝送する電力線搬送に用
いる信号重畳装置に関し、特に符号分割多元接続(以下
「CDMA」という。)に有効な信号重畳装置に関する
ものである。
交流電力線の正弦波電力信号を搬送波としこれに情報信
号を重畳する方式が知られており、例えばモータ等のオ
ンオフ制御のような比較的単純な制御信号の伝送や音声
等のアナログ信号、或いはPCM方式(Pulse Code Mod
ulation system)によるディジタル信号の伝送に用いら
れている。そして、この方式に用いる信号重畳装置の多
くは、伝送路としての交流電力線との間に結合トランス
を介在させて電力信号に情報信号を重畳する構成を採用
している。そのため、この結合トランスと交流電力線と
により形成されるある種のフィルタによって情報信号の
位相等が変化し、重畳した情報信号に波形歪を与えるこ
とがわかっている。
号に生じても、前述した制御信号やアナログ信号では信
号処理の特質から本質的な支障を与えるには至らず、ま
たPCM方式によるディジタル信号においても受信側の
信号再生処理等により波形歪による符号誤りを修復でき
ないほどの障害には至っていないため、システム上の問
題は生じていなかった。
技術の進歩により、様々な多重化方式が検討されている
なか、周波数分割多重方式や時分割多重方式よりも比較
的に簡素な構成により多重化が可能なスペクトル拡散多
重方式によるCDMAが特に注目されている。ところ
が、このCDMAにより多重化された情報信号を前述し
た電力線搬送方式により伝送しようとすると、情報信号
の波形歪によって受信側の逆拡散が困難になるため、情
報信号を復調することができないという問題を生ずる。
つまり、交流電力線の電力信号を搬送波としこれに情報
信号を重畳する電力線搬送方式では、所望とする波形
(例えば図10に示すような階段波形)の情報信号を波
形歪なく重畳することができないため、CDMAによる
伝送できないという問題を生じている。
なされたものであり、その目的とするところは、交流電
力線の電力信号に所望とする波形の情報信号を重畳し得
る信号重畳装置を提供することにある。
め、請求項1の信号重畳装置では、交流電力線の電力信
号に情報信号を重畳する信号重畳装置であって、前記交
流電力線に接続される変圧トランスの自己インダクタン
スおよび相互インダクタンスを用いて求めた回路要素を
有し、 前記交流電力線に接続される前記変圧トランス
は、L1 :前記変圧トランスの一次側自己インダクタン
ス、L2 :前記変圧トランスの二次側自己インダクタン
ス、M:前記変圧トランスの相互インダクタンス、e0
:前記変圧トランスの一次側電圧、e1 :前記変圧ト
ランスの二次側電圧、i0 :前記変圧トランスの一次側
電流、i1 :前記変圧トランスの二次側電流とすると、
前記変圧トランスの一次側電圧e0 はL1 (di0 /d
t)の項とM(di1 /dt)の項とを含んで表され、
前記変圧トランスの二次側電圧e1 はM(di0 /d
t)の項とL2(di1 /dt)の項とを含んで表さ
れ、 前記回路要素は、前記変圧トランスの二次側に発生
する電力信号電圧ek を分圧するように、前記変圧トラ
ンスの二次側の交流電力線間に接続される第1のコンデ
ンサおよび第2のコンデンサであって、これら第1、第
2のコンデンサは、次の式(1)、式(2)および式
(3)による連立方程式により求められ、 前記情報信号
は、前記第1のコンデンサおよび第2のコンデンサによ
る分圧点と前記交流電力線のいずれか一方との間に接続
される電圧源によって発生する、ことを技術的特徴とす
る。
圧(V) C :前記第1のコンデンサの静電容量(F)および前
記第2のコンデンサの静電容量(F) RL :前記変圧トランスの二次側に並列に接続される抵
抗(Ω) Vc :前記第1のコンデンサの両端子間電圧(V) i0 :前記変圧トランスの一次側電流(A) i1 :前記変圧トランスの二次側電流(A) e(t):前記情報信号を発生する電圧源 r :前記電圧源e(t)の内部抵抗(Ω) L1 :前記変圧トランスの一次側自己インダクタンス
(H) L2 :前記変圧トランスの二次側自己インダクタンス
(H) M :前記変圧トランスの相互インダクタンス(H) R0 :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の内部抵抗(Ω) A :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の出力振幅(Vpp) f :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の出力周波数(Hz)
項1において、前記電圧源は、符号分割多重接続の機能
を備えることを技術的特徴とする。
れる変圧トランスの自己インダクタンスおよび相互イン
ダクタンスを用いて求めた回路要素を有し、交流電力線
に接続される変圧トランスは、L1 :変圧トランスの一
次側自己インダクタンス、L2 :変圧トランスの二次側
自己インダクタンス、M:変圧トランスの相互インダク
タンス、e0 :変圧トランスの一次側電圧、e1 :変圧
トランスの二次側電圧、i0 :変圧トランスの一次側電
流、i1 :変圧トランスの二次側電流とすると、変圧ト
ランスの一次側電圧e0 はL1 (di0 /dt)の項と
M(di1 /dt)の項とを含んで表され、変圧トラン
スの二次側電圧e1 はM(di0 /dt)の項とL2
(di1 /dt)の項とを含んで表され、回路要素は、
変圧トランスの二次側に発生する電力信号電圧ek を分
圧するように、変圧トランスの二次側の交流電力線間に
接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサで
あって、これら第1、第2のコンデンサは、上記の式
(1)、式(2)および式(3)による連立方程式によ
り求められ、情報信号は、第1のコンデンサおよび第2
のコンデンサによる分圧点と交流電力線のいずれか一方
との間に接続される電圧源によって発生する。 即ち、こ
のように、交流電力線に接続される変圧トランスの自己
インダクタンスおよび相互インダクタンスを用いて求め
た回路要素を有することから、交流電力線に接続される
変圧トランスによって生じる情報信号の波形歪を考慮し
得る回路構成になる。また回路要素は、変圧トランスの
二次側に発生する電力信号電圧ek を分圧するように、
変圧トランスの二次側の交流電力線間に接続される第1
のコンデンサおよび第2のコンデンサであることから、
第1のコンデンサおよび第2のコンデンサにより情報信
号を電流信号に変換する。
機能を備えることから、電圧源から発生する情報信号は
CDMAにより多重化される。
施形態について図1〜図10を参照して説明する。ま
ず、電力線搬送方式による通信の特徴を明確にするた
め、図2に示す電力線基本モデルの性質について説明す
る。ここで、図2に示すe1,e2,ek,en-1,en は交流
電力線100aと交流電力線100bとの間に接続され
る端子P1,P2,Pk,Pn-1,Pn 間のそれぞれの電圧を示
し、i1,i2,ik,in-1,in はこの端子P1,P2,Pk,P
n-1,Pn 間のそれぞれの電流を示す。また、e0 は振幅
A、周波数fを有する正弦波理想電圧源であり、e0 =
A sin(2πft)で与えられる。
Pn-1,Pn はそれぞれ並列に接続され、その接続条件は
e0 =e1 =e2 =,・・・, en およびi0 =i1 =
i2=,・・・, in =0である。したがって、任意の理
想電圧源e(t)を端子Pnに与えようとしても、キル
ヒホッフの法則からそのようなことはできないことがわ
かる。つまり、振幅A、周波数fで変化する正弦波理想
電圧源e0 の一瞬をとらえた電位状態を示す図2からわ
かるように、e0 が理想電圧源である限り全ての端子P
n においてその端子間電圧はe0 =e1 =e2 =,・・
・, en になるため、端子Pn に任意の理想電圧源e
(t)を与えることはできないのである。
おける従来の信号重畳装置80についても同様に考える
ことができる。図3に示すように、従来の信号重畳装置
80は、交流電力線100a、100bとの間に結合ト
ランスT90を介在させる構成で、端子Pk には図示しな
い情報信号発生器が接続されている。したがって、前述
したようにe0 が理想電圧源である限り前述したキルヒ
ホッフの法則から、ek =e0 +e(t)(但しk≠
0,1)は成立し得ないため、このような電力線基本モ
デル上の構成では端子Pkから与える情報信号を電力信
号に重畳できないことになる。このことから、従来の信
号重畳装置80による電力線搬送方式の通信は無条件に
成立する通信方式ではないことがわかる。
めには、電力会社等から供給される正弦波電力信号e0
と、供給先の建物等の屋内配線、即ち交流電力線との間
には何らかの要素が存在し単なる並列接続ではないこと
になる。その一方で、電力会社から供給先の建物までの
間には様々な変圧トランスが介在し、例えば単相200
Vから単相100Vに降圧されていることは周知の通り
である。したがって、この変圧トランスを境界にして、
電力会社から変圧トランスの一次側までの交流電力線
と、変圧トランスの二次側から屋内に導入される交流電
力線とが回路的に分離されていることになる。このこと
に着目し、変圧トランスを含む電力線基本モデルを構築
すると、前述した図2に示す電力線基本モデルは図4に
示すような回路図になる。なお、図2に示す端子P1 、
P2 、Pk 、Pn-1 およびPn のうち、図4では端子P
k およびPn を代表して示している。
L1 を変圧トランスTの一次側自己インダクタンス、L
2 を二次側自己インダクタンス、Mを相互インダクタン
ス、e0 を変圧トランスTの一次側電圧、e1 を二次側
電圧、i0 を変圧トランスTの一次側電流、i1 を二次
側電流とすると、一般的に次式の数2で表すことができ
る。
0 /dt)とL2 (di1 /dt)との重ね合わせとし
て与えるられることがわかる。つまり、相互インダクタ
ンスMの項と自己インダクタンスL2 の項とにより二次
側電圧e1 、即ち屋内の電圧が決まるのである。したが
って、二次側電流i1 に情報信号を与えることによっ
て、e1 =[正弦波電力信号]+[情報信号]から、二
次側電圧e1に情報信号が重畳できることになる。そし
て、屋内の配線は並列接続であることから、屋内配線回
路の各端子電圧ek はe1 =e2 =e3,・・・,ek で
与えられるため、交流電力線の電力信号を搬送波としこ
れに情報信号を重畳する電力線搬送方式による通信が成
立することになる。
情報信号を与えるための具体的な構成、即ち本発明の一
実施形態を適用した信号重畳装置20の構成を図1に基
づいて説明する。図1に示すように、信号重畳装置20
はコンデンサC1 、C2 および情報信号発生器30から
構成され、交流電力線100a、b間に並列に接続され
ている。つまり、信号重畳装置20は前述した図4の端
子Pk に接続され、交流電力線100a、b上に接続さ
れる変圧トランスTや他の端子Pn 等と電気的に並列接
続になるように位置している。
交流電力線100a、b間に挿入されている。これによ
り、変圧トランスTの二次側電圧e1 に等しい端子間電
圧ekをコンデンサC1 、C2 によって分圧している。
情報信号発生器30はコンデンサC1 、C2 による分圧
点と交流電力線100aとの間に接続されており、情報
信号電圧e(t)を出力している。この情報信号はスペ
クトル拡散装置40により発生しており、例えば図10
に示すような階段形状のパルス波形がスペクトル拡散装
置40のCDMAの機能によって生成されている。な
お、符号rを付す抵抗は情報信号発生器30の内部抵抗
を表すもので、また符号R0 を付す抵抗は変圧トランス
Tの一次側に接続される電力線のインピーダンス等を表
すものである。さらに、符号RL を付す抵抗は他の端子
間を流れる電流ij を測定するために設けられた測定用
抵抗である。
報信号発生器30を接続することにより、回路構成上、
複雑な電流源を構成することなく、電圧源である情報信
号e(t)を電流として変圧トランスTの二次側電流i
1 に情報信号を注入することができる。これにより、ト
ランジスタ等を用いることなくして情報信号を電流とし
て二次側電流i1 に注入し得る簡素な回路により信号重
畳装置20を構成できる。
、端子間電圧ek および変圧トランスTの二次側電流
i1 の関係は、次式の数3および数4で表される。な
お、C1=C2 =Cとする。
を含む電力線基本モデルから、図1に示す回路のモデル
方程式は、数3、3および次式の数5による連立方程式
で表される。
立方程式を、実際的な工学的、物理的条件の下における
モデル連立方程式として解き、計算機シュミレーション
させると、図6〜図9に示す波形図が得られる。なお、
図6〜図9に示す波形図の横軸は時間軸であり、0.1
μsec.毎に行われる数値積分のステップ数で表され、ま
た縦軸は電圧軸(単位V)である。以下、計算機シュミ
レーションの結果について説明する。
の結果は、e(t)として様々な周波数の方形波を与え
ながら、コンデンサC1 、C2 の回路定数を適宜選択し
て行ったものである。図6〜図9の(A)に示す波形図
は、コンデンサC1 の端子電圧Vc に情報信号が電圧波
形として現れたものであり、また図6〜図9の(B)に
示す波形図は、端子Pk の端子電圧ek のうち、正弦波
電力信号に重畳された電圧波形を取り出して表したもの
である。
ピーダンスを考慮して最適な回路定数(C1 、C2 )を
選択した場合を示す計算機シュミレーションの結果であ
り、それぞれの図の(B)に示す重畳された情報波形は
(A)に示す情報波形とほぼ同じ形状になっていること
がわかる。これは、交流電力線100a、bの正弦波の
電力信号に任意の波形の情報信号を時間軸上に殆ど波形
歪なくして重畳できていることを示している。一方、図
8および図9は、適当な回路定数を選択していない場合
を示す計算機シュミレーションの結果であり、それぞれ
の図の(A)と(B)を比較すると明かであるように、
変圧トランスTのインピーダンスの影響を受け重畳され
た情報信号に波形歪が生じていることがわかる。
デルおよびその周囲の全体系は、図5に示すようなイン
ピーダンスZ1 〜Z3 に置き換えて構成することもでき
る。この場合も、前述と同様、変圧トランスTのインピ
ーダンスを考慮したインピーダンスZ1 〜Z3 の回路定
数を選択することによって、交流電力線100a、bの
電力信号に任意の波形の情報信号を時間軸上に殆ど波形
歪なく重畳することができる。なお、図5に示すインピ
ーダンスZ4 は交流電力線100a、bの全体系のイン
ピーダンスを調整するためのもので、またインピーダン
スZL は重畳された情報信号を受信するためのものであ
る。
a、bに接続される変圧トランスTの相互インダクタン
スMの項と自己インダクタンスL2 の項を考慮した電力
線基本モデルによって、変圧トランスTのインピーダン
スの影響による情報波形の波形歪を最小限に抑制する回
路定数、例えばコンデンサC1 、C2 の定数を適宜選択
し信号重畳装置20を設計すれば、所望とする任意の波
形の歪を最小限に抑えて電力信号に重畳することができ
る。これにより、例えば図10に示すような階段形状の
パルス波形も波形歪を最小限に抑えて電力信号に重畳す
ることができるため、交流電力線の電力信号を搬送波と
して情報信号を伝送する電力線搬送においてCDMAを
可能にする効果がある。即ち、交流電力線の電力信号に
情報信号を重畳する電力線搬送において、従来実現され
ていなかったスペクトル拡散多元接続を可能にする効果
がある。
される変圧トランスの自己インダクタンスおよび相互イ
ンダクタンスを用いて求めた回路要素を有し、交流電力
線に接続される変圧トランスは、L1 :変圧トランスの
一次側自己インダクタンス、L2 :変圧トランスの二次
側自己インダクタンス、M:変圧トランスの相互インダ
クタンス、e0 :変圧トランスの一次側電圧、e1 :変
圧トランスの二次側電圧、i0 :変圧トランスの一次側
電流、i1 :変圧トランスの二次側電流とすると、変圧
トランスの一次側電圧e0 はL1 (di0 /dt)の項
とM(di1 /dt)の項とを含んで表され、変圧トラ
ンスの二次側電圧e1 はM(di0 /dt)の項とL2
(di1 /dt)の項とを含んで表され、回路要素は、
変圧トランスの二次側に発生する電力信号電圧ek を分
圧するように、変圧トランスの二次側の交流電力線間に
接続される第1のコンデンサおよび第2のコンデンサで
あって、これら第1、第2のコンデンサは、上記の式
(1)、式(2)および式(3)による連立方程式によ
り求められ、情報信号は、第1のコンデンサおよび第2
のコンデンサによる分圧点と交流電力線のいずれか一方
との間に接続される電圧源によって発生する。即ち、こ
のように、交流電力線に接続される変圧トランスの自己
インダクタンスおよび相互インダクタンスを用いて求め
た回路要素を有することから、交流電力線に接続される
変圧トランスによって生じる情報信号の波形歪を考慮し
得る回路構成になる。これにより、変圧トランスのイン
ピーダンスを考慮して回路要素(第1、第2のコンデン
サ)を適宜選択することによって重畳された情報信号の
波形歪を最小限に抑制する回路構成にすることができ
る。したがって、重畳された情報信号の波形歪を最小限
に抑えることができるため、交流電力線の電力信号に所
望とする波形の情報信号を重畳できる効果がある。ま
た、回路要素は、変圧トランスの二次側に発生する電力
信号電圧ek を分圧するように、変圧トランスの二次側
の交流電力線間に接続される第1のコンデンサおよび第
2のコンデンサであることから、第1のコンデンサおよ
び第2のコンデンサにより情報信号を電流信号に変換す
る。これにより、電圧源から電圧として情報信号が発生
しても、それを簡易な回路構成で電流に変換することが
できる。したがって、電流信号として電力信号に重畳で
きる効果がある。
機能を備えることから、電圧源から発生する情報信号は
CDMAにより多重化される。これにより、スペクトル
拡散多重方式で多重化された情報信号を、交流電力線の
電力信号を搬送波としこれに情報信号を重畳する電力線
搬送方式により伝送できる効果がある。
その周囲の全体系を示す回路図である。
る。
た場合の基本モデルを示す回路図である。
す回路図である。
その周囲の全体系をインピーダンスモデルにより示す回
路図である。
結果を示す波形図(周期は5μsec.)で、(A)はC1
の端子間電圧VC の電圧波形を示し、(B)は端子Pk
の端子間電圧ek の電圧波形を示す波形図である。
結果を示す波形図(周期は0.15μsec.)で、(A)
はC1 の端子間電圧VC の電圧波形を示し、(B)は端
子Pk の端子間電圧ek の電圧波形を示す波形図であ
る。
結果を示す波形図(周期は500μsec.)で、(A)は
C1 の端子間電圧VC の電圧波形を示し、(B)は端子
Pk の端子間電圧ek の電圧波形を示す波形図である。
結果を示す波形図(周期は50μsec.)で、(A)はC
1 の端子間電圧VC の電圧波形を示し、(B)は端子P
k の端子間電圧ek の電圧波形を示す波形図である。
形の一例を示す波形図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 交流電力線の電力信号に情報信号を重畳
する信号重畳装置であって、前記交流電力線に接続され
る変圧トランスの自己インダクタンスおよび相互インダ
クタンスを用いて求めた回路要素を有し、 前記交流電力線に接続される前記変圧トランスは、L1
:前記変圧トランスの一次側自己インダクタンス、L2
:前記変圧トランスの二次側自己インダクタンス、
M:前記変圧トランスの相互インダクタンス、e0 :前
記変圧トランスの一次側電圧、e1 :前記変圧トランス
の二次側電圧、i0 :前記変圧トランスの一次側電流、
i1 :前記変圧トランスの二次側電流とすると、前記変
圧トランスの一次側電圧e0 はL1 (di0 /dt)の
項とM(di1 /dt)の項とを含んで表され、前記変
圧トランスの二次側電圧e1 はM(di0 /dt)の項
とL2(di1 /dt)の項とを含んで表され、 前記回路要素は、前記変圧トランスの二次側に発生する
電力信号電圧ek を分圧するように、前記変圧トランス
の二次側の交流電力線間に接続される第1のコンデンサ
および第2のコンデンサであって、これら第1、第2の
コンデンサは、次の式(1)、式(2)および式(3)
による連立方程式により求められ、 前記情報信号は、前記第1のコンデンサおよび第2のコ
ンデンサによる分圧点と前記交流電力線のいずれか一方
との間に接続される電圧源によって発生する、 ことを特徴とする信号重畳装置。【数1】 但し、 ek :前記変圧トランスの二次側に発生する電力信号電
圧(V) C :前記第1のコンデンサの静電容量(F)および前
記第2のコンデンサの静電容量(F) RL :前記変圧トランスの二次側に並列に接続される抵
抗(Ω) Vc :前記第1のコンデンサの両端子間電圧(V) i0 :前記変圧トランスの一次側電流(A) i1 :前記変圧トランスの二次側電流(A) e(t):前記情報信号を発生する電圧源 r :前記電圧源e(t)の内部抵抗(Ω) L1 :前記変圧トランスの一次側自己インダクタンス
(H) L2 :前記変圧トランスの二次側自己インダクタンス
(H) M :前記変圧トランスの相互インダクタンス(H) R0 :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の内部抵抗(Ω) A :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の出力振幅(Vpp) f :前記変圧トランスの一次側に並列に接続される正
弦波理想電圧源の出力周波数(Hz) - 【請求項2】 前記電圧源は、符号分割多重接続の機能
を備えることを特徴とする請求項1記載の信号重畳装
置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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US09/088,360 US6194996B1 (en) | 1997-09-13 | 1998-06-02 | Information transfer via power line carrier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26776097A JP3229253B2 (ja) | 1997-09-13 | 1997-09-13 | 信号重畳装置 |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2001227601A Division JP2002111554A (ja) | 2001-07-27 | 2001-07-27 | 信号重畳装置および信号重畳方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP3229253B2 true JP3229253B2 (ja) | 2001-11-19 |
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Family Applications (1)
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