JP3557383B2

JP3557383B2 - 信号伝送回路

Info

Publication number: JP3557383B2
Application number: JP2000132589A
Authority: JP
Inventors: ダリハウハラルト
Original assignee: ポリトラックスインフォーメイションテクノロジーアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 2000-05-01
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2020-05-01
Also published as: IL135766A0; EP1049267A1; US6671501B1; JP2000353991A; DE19919901A1; DE19919901C2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強いインピーダンス変動と干渉を受ける一般の電力供給本線のような伝送媒体を介して電気信号を伝送するための伝送回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気および電子装置および機器の監視と制御における電子信号の伝送のため、電話、電子メールおよびインターネットの接続を提供するため、そして他のデータネットワークのために、通常それぞれ専用の回線が設けられる。対応する費用のため、種々の機会に一般の電力供給本線の既設線をデータ伝送に使用することが試みられてきた。電力供給本線の低電圧部（中部ヨーロッパでは、２３０Ｖ、５０Ｈｚ）に対して、ヨーロッパ規格ＣＥＮＥＬＥＣＥＮ５００６５は、情報伝送に対して９ｋＨｚから９５ｋＨｚの周波数帯域Ａ、９５ｋＨｚから１２５ｋＨｚの周波数帯域Ｂ、１２５ｋＨｚから１４０ｋＨｚの周波数帯域Ｃ、１４０ｋＨｚから１４８．５ｋＨｚの周波数帯域Ｄを規定している。米国または日本では、５００ｋＨｚまでの周波数範囲が利用できる。将来は、３０ＭＨｚまでの周波数の利用可能性が予想されている。
【０００３】
電力供給本線を介したデータ伝送のための従来のシステムは、ＳＧＳトムソン（ＳＧＳ−Ｔｈｏｍｓｏｎ）社、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｔ．ｃｏｍ．のアプリケーションノートＡＮ６５５に開示されている。このシステムは、約１３１ｋＨｚおよび１３３ｋＨｚの周波数での周波数変調により送信される信号を発生し、受信するためのモデムを有する。モデムの本線との結合は、伝送回路によって行われる。この伝送回路では、変成器が本線からの流電気分離を行う。
【０００４】
このようなシステムの変成器は、通常、使用周波数に対する帯域幅の小さなフィルタを形成するようにコンデンサに接続される。したがって、一方では、モデムが発生する信号の高調波、他方では５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの本線周波数と本線の種々の干渉がフィルタで除去される。
【０００５】
電力供給本線を介したデータ伝送のためのもう１つの伝送回路がＷＯ９８／４０９８０に開示されている。この伝送回路は、空気変成器を含み、この空気変成器は、特定の本線インピーダンスとできる限り良好な整合が得られるように接続される。
【０００６】
電力供給本線を介した通信のための基本的な回路図は、ＤＥ−Ｃ−４００３６５３にも示されている。
【０００７】
しかし、公知のシステムでは、限定された伝送レートしか達成できない。その原因は、電力供給本線のかなりの干渉電圧と相互減衰である。したがって、ＳＧＳトムソンのシステムでは、１２００ビット／秒の伝送レートしか得られない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、電力供給本線を介した高伝送速度の信号伝送を可能とし、干渉を受けにくい回路を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項１に開示された伝送回路によって満たされる。従属請求項は、本発明の好適実施例に関連している。
【００１０】
電力供給本線は、通常、国によるが、１５０から５００ｋＨｚ、将来は３０ＭＨｚまでの関心のある周波数範囲で１Ωから１００Ωのオームインピーダンスを備えている。誘導インピーダンスは、非常に高くなることがあり、電流と電圧との間の位相角が４５度、場合によっては、ほぼ９０度になる。本発明は、電力供給本線に接続された伝送回路により、信号レベルが本線インピーダンスの通常の変動にあまり影響されない高速度データ伝送を達成する。
【００１１】
使用周波数範囲の各周波数範囲で実際に予想される本線インピーダンスの範囲内の本線インピーダンスの変化で伝達される信号のレベル変化は、３ｄＢ以下、より好ましくは２ｄＢまたは１．５ｄＢ以下であることが好ましい。
【００１２】
請求項２によれば、電力供給本線から流電気的分離を行う伝送回路は、広帯域伝送回路として設計される。ここで、広帯域伝送回路とは、３ｄＢ帯域幅が好ましくは、１０％以上であることを意味する。広帯域特性であれば、信号周波数が変化したときに伝達される信号のレベルが平らとなるので、信号レベルが信号周波数によってあまり変わらない。これにより、より広い周波数範囲の中で、たとえばＣＥＮＥＬＥＣ規格の周波数帯域ＡからＤの１つまたは数個の中で多数の周波数を同時に使用することができる。そうすることにより、１つまたは数個の搬送波周波数で両側帯波変調により信号を伝送することができる。したがって、帯域幅の小さい伝送回路の場合に比べて、ずっと多くの情報を同時により伝送することができる。このようにして、ＩＳＤＮと同等のデータ伝送を達成することができる。
【００１３】
帯域幅が大きいためにより多くの干渉信号を受信し、その結果、伝送エラーを生じる危険性は、微微たるものであることがわかっている。電力供給本線上の多数の干渉信号は、非常に短いものしかなく、狭い周波数範囲に限定されるからである。したがって、それらの干渉信号は、受信器で容易に訂正することができる。そのとき、本発明により可能となる高伝送レートは、必要な場合、エラー訂正コードの伝達にも使用される。
【００１４】
伝送回路６の広帯域の特徴により、生産時に所望の周波数範囲とのマッチングを不要にすることもできる。
広帯域の特徴は、実際に生じるどの本線インピーダンスでも維持されるべきである。個々の本線インピーダンスに対して、それぞれの伝達関数の減少は、使用周波数範囲にわたって３ｄＢ以下、好ましくは２ｄＢまたは１．５ｄＢ以下であるべきである。
【００１５】
本発明の実施例は、電力供給本線からの流電気的（ｇａｌｖａｎｉｃ）分離のために特に有用である。誘導性のトランスジューサ（変成器）の代わりとして、ほとんど容量性の結合の本線接続回路も考えられる。
【００１６】
第１の巻線と第２の巻線との間が疎結合された請求項３の実施例には、巻数が２、３の巻線、したがって、オーム抵抗が小さい巻線でも、ある浮遊インダクタンスが生じるという利点がある。浮遊インダクタンスは、第２の巻線の短絡があるときに生じる、第１の巻線で測定されるトランスジューサのインダクタンスにほぼ等しい。後で更に詳しく説明するように、浮遊インダクタンスは、周波数応答に好ましい影響を及ぼす。本接続では、結合レートが０．９８以下の疎結合がある。しかし、結合レートが０．８より小さくなると、伝送される信号の強い結合が生じ得る。したがって、好ましい結合レートは、０．８と０．９８との間、より好ましくは０．８８と０．９６との間である。上記領域の疎結合は、請求項４に開示されたようなギャップ付きコアをそなえたトランスジューサによって簡単に達成することができる。ギャップは、コアの磁気特性が温度変動、サンプル変動にあまり左右されないようにもする。巻線の側の所望の浮遊インダクタンスは、より強い結合で、それぞれの巻線に直列の対応して定数決定された付加的なインダクタンスによって達成することもできる。
【００１７】
請求項５の第１のキャパシタンスは、第１の巻線のインダクタンスとともに、受信信号の周波数から５０Ｈｚまたは６０Ｈｚという、より低い本線周波数を分離するための高域フィルタを形成する。
【００１８】
請求項５から７の特徴は、更に、非常に低い本線インピーダンスで送信される信号の強い減衰を避けることにも寄与する。これは、請求項５のキャパシタンスは、約１Ωの低い本線インピーダンスで浮遊インダクタンスと共振回路を形成し、この共振回路は、本線で充分な信号レベルを与えるが、充分に広帯域であるので、周波数応答を劣化させないという事実による。受動部品のコストは、体積にほぼ比例するので、トランスジューサとキャパシタンスが請求項６に開示されたのとほぼ同じ構造的体積をそなえるときに最も安価な実施例が得られる。請求項７の特徴によれば、トランスジューサの第１の巻線は、より低い内部オーム抵抗をそなえ、その結果、低い本線インピーダンスで信号レベルも高くなる。
【００１９】
請求項８の実施例では、結果として受信信号の信号レベルが増幅される。請求項９は、デジタルデータの伝送のためのシステムでの伝送回路の使用に関するものである。
【００２０】
図面を参照して比較例とともに、本発明の好適実施例を説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１に示されたシステムは、一般の電力供給本線を介したデジタルデータの送信と受信を行うことができる。電力供給本線１は、２３０Ｖで５０Ｈｚの低電圧本線である。本線１の中性線２と相線３に、伝送回路６の本線側端子４、５がそれぞれ接続される。伝送回路６は、流電気的にシステムの他の部分を本線１から分離する。また一方で伝送回路６は、デジタルデータで変調された信号を本線１から第１のアプリケーション側端子７に伝達し、また逆方向に第２のアプリケーション側端子８から本線１に伝達する。第１のアプリケーション側端子７は、受信増幅器をそなえる受信回路９によりモデム１０に接続される。モデム１０は、送信増幅器１１を介して伝送回路６の第２のアプリケーション側端子８とも結合される。デジタルデータの入力と出力とに対して、モデム１０は、データ線１２をそなえる。
【００２２】
伝送回路６、受信回路９、送信増幅器１１およびモデム１０は、図示されない基準電位（アース）に結合される。
【００２３】
モデム１０は、送信すべきデータをデータ線１２から受信し、ＣＥＮＥＬＥＣ規格の周波数範囲、たとえば、１１０ｋＨｚ±１５ｋＨｚまたは１２２ｋＨｚ±２８ｋＨｚの周波数範囲の対応して変調された信号を発生する。変調された信号は、送信増幅器１１を介して伝送回路６に与えられる。伝送回路６は、変調された信号を本線１の電圧に重畳する。モデム１０は、１つまたは数個の搬送波周波数の両側帯波変調を適用する。モデム１０は、データの伝送のためにできる限り完全に表示された周波数範囲を使用する。
【００２４】
同等のシステムにより、やはり本線１を介して伝送される表示された周波数範囲の信号は、伝送回路６で５０Ｈｚの本線周波数から分離され、受信回路９を介してモデム１０に伝達される。モデム１０は、復調により、その信号の中に含まれているデータを取得し、データ線１２に出力する。
【００２５】
図２は、伝送回路６の回路図を示す。伝送回路６は、一方の側の本線側端子４、５を他方の側のアプリケーション側端子７、８から流電気的に分離するための誘導トランスジューサ１３（変成器）を含む。トランスジューサ１３は、本線に送る信号を送信増幅器から受け、本線から受けた信号を受信回路に送る役目も果たす。
【００２６】
トランスジューサ１３は、本線側端子４、５の間に第１のコンデンサＣ１と直列に配置された第１の巻線Ｌ１をそなえている。トランスジューサ１３は、グラウンド端子１４と受信回路９に接続された第１のアプリケーション側端子７との間にあって、第１の巻線Ｌ１から流電気的に分離された、第２の巻線Ｌ２と第３の巻線Ｌ３との直列回路をもそなえている。第２の巻線と第３の巻線との間の接続点は第２のアプリケーション側端子８に接続され、第２のアプリケーション側端子８は、送信増幅器１１に至る。第２のコンデンサＣ２が第２の巻線Ｌ２と第３の巻線Ｌ３との直列回路に並列に配置されている。
【００２７】
第１のコンデンサＣ１と第１の巻線Ｌ１は、５０Ｈｚの本線周波数から１１０ｋＨｚ±１５ｋＨｚまたは１２２ｋＨｚ±２８ｋＨｚの信号周波数を分離するための高域フィルタを形成する。第２のコンデンサＣ２は、第２の巻線Ｌ２と第３の巻線Ｌ３との直列回路と一緒に信号周波数に対する広帯域共振回路を形成する。
【００２８】
図２の回路の定数決定は、信号を本線１に送信するために、以下の側面のもとで行われる。
【００２９】
従来の送信増幅器は、出力インピーダンスが数オームであるのに対して、本線インピーダンスは、しばしば、より低くなり、１以下に下がることもあり得る。本線１と送信増幅器１１との間のインピーダンス整合のため、第１の巻線Ｌ１は、第２の巻線Ｌ２より巻数を少なくして、ｎ１＜ｎ２とすべきである。本実施例では、約１：６のインピーダンス変換が達成される。
【００３０】
ＣＥＮＥＬＥＣ規格のような規格は、本線１上の信号伝送に対する最大電力と最大電圧を規定する。低い本線インピーダンスでも伝送される信号の最大許容電圧を得るために、トランスジューサ１３の巻線の内部抵抗、特に第１の巻線Ｌ１の内部抵抗は、１Ωよりずっと小さくすべきであり、より好ましくは０．１Ωより小さくすべきである。したがって、第１の巻線Ｌ１については、オーム抵抗が約０．０３Ωの銅線のわずかｎ１＝５の巻線が選択される。
【００３１】
更に、巻線Ｌ１とＬ２は、０．９８より小さい結合率で比較的疎結合されるだけである。これにより、トランスジューサ１３は、巻線Ｌ１で測定できる、ある漂遊インダクタンスを取得する。この漂遊インダクタンスは、コンデンサＣ１とともに、平衡周波数応答を与えることができる。すなわち、信号減衰が信号周波数と本線インピーダンスにあまり依存しないようにすることができる。
【００３２】
漂遊インダクタンスＬ_ｓｔｒとコンデンサＣ１の値は、本線のインピーダンスとともに信号伝送に使用される周波数帯域の中で、本線インピーダンスに対する伝達関数の依存ができる限り小さくなるように選択される。本線インピーダンスが高い（約１００Ω）場合には、Ｃ１とＬ_ｓｔｒの直列共振回路は、強く減衰され、共振は、伝送特性にほとんど影響しない。しかし、本線インピーダンスが低い（約１Ω）場合には、共振は、本線１に伝送される信号の電圧の減衰を防止する。オーム抵抗がまだ残っているため、共振回路の共振特性は、常に広帯域のままになる。
【００３３】
Ｃ１とＬ１の値の選択のもう１つの基準は、これらの部品のコストは、それらの体積にほぼ比例し、本線電圧に対する絶縁能力に対する要求のもとで、体積は、キャパシタンスＣ１とトランスジューサ１３のインダクタンスに比例するという事実から生じる。Ｃ１とＬ_ｓｔｒとの積によって決まる共振周波数を固定すると、コンデンサＣ１とトランスジューサ１３との全体のコストは、両者がほぼ同じ構造体積となるときに最小にすることができる。
【００３４】
商用部品では、これらの必要条件は、図２に示されるインダクタンスと巻数、第１の巻線Ｌ１と第２の巻線Ｌ２との間の結合度ｋ＝０．９３５、結果として得られる漂遊インダクタンス１．６μＨおよびコンデンサＣ１のキャパシタンス２μＦで満たされる。
【００３５】
図３は、図２の伝送回路の送信動作の際の周波数応答を示す。横軸は、アプリケーション側端子８で非常に低抵抗の送信増幅器に接続される６５ｋＨｚから１５５ｋＨｚの信号の周波数を目盛り当たり１５ｋＨｚでプロットされる。縦軸は、トランスジューサ１３から伝達され、本線側端子４、５で測定される信号のレベル（振幅）を任意の基準電圧に対してｄＢでプロットされる。曲線群は、異なる本線インピーダンスに対する周波数応答を表す。本線インピーダンスは、指数１から８で示される。すなわち、純粋にオーム性の１Ωのインピーダンスと、純粋にオーム性の１００Ωのインピーダンスと、１Ωのオーム抵抗および１μＨから８μＨのインダクタンスとが示されている。
【００３６】
この場合には、１１０ｋＨｚである平均信号周波数に対して約±１４％である±１５ｋＨｚの範囲内の各周波数で、実際に予想される本線インピーダンスの範囲内の本線インピーダンスの変化による伝送される信号のレベル変化は、１．５ｄＢであることが好ましい。個々の本線インピーダンスに対して、使用周波数（これは全体で３０ｋＨｚ、すなわち平均周波数の２８％を超える）にわたって、それぞれの伝達関数の減少は、わずか１．５ｄＢ以下であるべきである。伝送回路の３ｄＢ帯域幅は、最小減衰の中心周波数の±１０％以上であるべきである。この中心周波数は、送出される信号のレベルの本線側インピーダンスに対する依存をできる限り小さくするために使用される周波数の範囲の外側にある。
【００３７】
図３は、これらの値が本実施例によって非常に良好に満たされていることを示している。本線インダクタンスが８μＨより更に高くなっても、周波数応答の劣化は、予想されない。本線インダクタンスが大きくなっても曲線群が広がらないということを曲線が示しており、エンベロープは、むしろ純粋にオーム性の本線インピーダンス（曲線１と８）および３μＨまでの本線インダクタンス（曲線２から４）によって決まるからである。
【００３８】
図４は、伝送回路を変形してコンデンサＣ１の値を２μＦから１μＦに減らしたときの伝達関数を図３に対応して示す。ここで、本線インピーダンスの変化による信号レベルの変化は、約７．５ｄＢ以下であり、伝達関数の最大減少は、既に示した周波数範囲で約４ｄＢである。
【００３９】
図５は、もう１つの変形の周波数応答を示す。この変形では、コンデンサＣ１の値は、２μＦに保持されるのに対して、第１の巻線Ｌ１と第２の巻線Ｌ２との間の結合度ｋを０．９９に大きくする。その結果、関心のある周波数範囲で最大レベル変化は、５．５ｄＢとなり、伝達関数の最大減少が約２．４ｄＢとなる。図４および５の値は、ある用途には、なお許容できる。使用される両側帯波変調は、一定の本線インピーダンスで周波数帯域の両側の減衰の差に対する感度よりも、本線のインピーダンス変動によって生じ、周波数帯域全体に均等に影響する減衰の変化に対する感度の方が低いからである。
【００４０】
図６は、コンデンサＣ１が１μＦで結合度ｋが０．９９である変形の周波数応答を示す。関心のある周波数範囲で示された本線インピーダンスの可能な変化で伝送される信号の最大レベル変化は、ほとんど１２ｄＢであり、伝達関数の最大減少は、ほとんど４ｄＢである。したがって、このように変形された回路は、関心のある周波数範囲において高伝送速度と低エラーレートで信号を送出するのには、ほとんど適していない。
【００４１】
図２の伝送回路の定数決定については、本線１からの信号の受信の感度をできる限り高くする点について、以下の事項が成り立つ。
【００４２】
第３の巻線Ｌ３の巻数ｎ３が比較的多いので、第１の巻線Ｌ１は、第２の巻線Ｌ２と第３の巻線Ｌ３の直列回路に電圧変換され、したがって、アプリケーション側端子７への信号電圧が高くなる。
【００４３】
コンデンサＣ２の値（ここでは３．３ｎＦ）は、トランスジューサ１３の並列接続されたインダクタンスとともに、信号周波数範囲内の共振周波数での共振回路が得られる。したがって、伝送回路は、受信動作の際、本線側端子４および５で比較的高インピーダンスとなる。送信増幅器は、受信動作でも高抵抗に接続されることが好ましい。
【００４４】
受信回路が端子７で非常に抵抗性が高ければ、コンデンサＣ２とトランスジューサ１３とで構成される共振を広帯域にするためにコンデンサＣ２と並列に、もう１つの抵抗を接続することができる。１ｄＢの帯域幅は、信号伝送に使用される周波数帯域以上にすることが好ましい。
【００４５】
トランスジューサ１３は、継鉄とエアギャップをそなえたＥ字形のコアをそなえることが都合がよい。エアギャップは、トランスジューサ１３の特性がサンプルの変動と、コア材料（たとえば、フェライト）の透磁率の温度変動によってあまり影響されないようにする。更に、所望の結合度が得られる。
【００４６】
しかし、ギャップは、漂遊磁界が放出されたり、干渉磁界が受信されたり、結合度が約０．８８または更に０．８より小さくなったりするほど大きくすべきではない。このような疎結合では、トランスジューサは、信号を過剰に減衰するからである。
【００４７】
更に、本伝送回路６の定数決定は、本伝送回路が本線１で送信時に低インピーダンス、受信時に高インピーダンスとなるように、本伝送回路がアプリケーション側端子７に高レベルの受信信号を与えるように、そして本伝送回路が広い周波数範囲内で本線インピーダンスの変動にあまり影響されない広帯域の周波数応答をそなえるように、行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による伝送回路を使用して一般の電力供給本線を介したデジタルデータの伝送を行うためのシステムのブロック回路図である。
【図２】伝送回路の回路図である。
【図３】本発明による伝送回路の周波数応答を示す。
【図４】比較例による伝送回路の周波数応答を示す。
【図５】比較例による伝送回路の周波数応答を示す。
【図６】比較例による伝送回路の周波数応答を示す。
【符号の説明】
１電力供給本線
４本線側端子
５本線側端子
６伝送回路
７アプリケーション側端子
８アプリケーション側端子
９受信回路
１０モデム
１１送信増幅器
１３トランスジューサ
Ｃ１第１のコンデンサ
Ｃ２第２のコンデンサ
Ｌ１第１の巻線
Ｌ２第２の巻線
Ｌ３第３の巻線
Ｌ_ｓｔｒ漂遊インダクタンス

Claims

電力供給本線を介して所定の周波数範囲内のアプリケーション回路の信号を伝送する伝送回路であって、
アプリケーション回路に接続されるアプリケーション側端子と、
電力供給本線に接続される本線側端子と、
本線側端子とアプリケーション側端子が流電気的に分離され、本線側端子とアプリケーション側端子との間で前記信号を伝送する誘導性トランスジューサと、
を含み、誘導性トランスジューサは、本線側端子に接続された第１の巻線およびアプリケーション側端子に接続された第２の巻線を有し、第１の巻線および第２の巻線は、０．８と０．９８の間の結合度で疎結合され、本線側端子に接続された電力供給本線の側に浮遊インダクタンスを有し、前記周波数範囲内の電力供給本線への信号出力レベルは、１から１００Ωおよび０から１０μＨの範囲内の本線インピーダンスの変動と実質的に独立となることを特徴とする伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記周波数範囲内で前記トランスジューサにより伝達される信号に対して平衡した周波数応答が得られるように広帯域に設計される伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記結合度は、０．８８と０．９６との間である伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記トランスジューサは、ギャップ付きコアを含む伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記トランスジューサと前記本線側端子との間に前記第１の巻線と直列に第１のキャパシタンスが接続され、関連のあるすべての本線インピーダンスに対して事実上、一定の伝達特性が得られるように、前記第１の巻線で測定された前記浮遊インダクタンスと前記第１のキャパシタンスの定数決定が行われる伝送回路。
請求項５記載の伝送回路であって、前記第１のキャパシタンスの構造体積は、前記トランスジューサの構造体積にほぼ等しい伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記第１の巻線の内部抵抗は、１Ωより小さく、好ましくは０．１Ωより小さい伝送回路。
請求項１記載の伝送回路であって、前記第２の巻線は、前記アプリケーション回路の送信増幅器のための第１のアプリケーション側端子に接続され、第３の巻線は、前記第２の巻線と直列に接続され、前記第３の巻線は、前記アプリケーション回路の受信回路のための第２のアプリケーション側端子に接続され、前記第２の巻線と前記第３の巻線の直列回路は、この直列回路と並列に接続された第２のキャパシタンスとともに共振回路を形成し、前記共振回路は、共振特性が広帯域となるように減衰される伝送回路。
請求項１記載の伝送回路と、送信／受信増幅器と、モデムで電力供給本線を介したデジタルデータの伝送を行うシステム。