JP4283003B2

JP4283003B2 - 電力線通信用信号送信回路および変調信号出力回路

Info

Publication number: JP4283003B2
Application number: JP2003024089A
Authority: JP
Inventors: 勝広川上; 紀暁木村
Original assignee: Osaka Denki Co Ltd
Current assignee: Osaka Denki Co Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP2004236138A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力線通信を利用した負荷制御システム、監視・計測システム、自動検針システム、データ伝送システム等に利用される電力線通信用信号送信回路および電力線通信用信号送信回路用の変調信号出力回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力線を用いて信号を伝送する電力線搬送方式は、使用する信号（搬送波）周波数が低いほど、伝達率が良く、伝達特性が安定する。
【０００３】
この理由により、情報量が少ない自動検針分野、負荷監視制御分野には、可聴周波数帯（１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）を使用した電力線搬送方式が利用されている。
【０００４】
一方、このような電力線搬送方式においては、使用する信号周波数が低いほど結合カプラの形状が大きくなる傾向に有る。また、電力線のインピーダンスが低くなる特性により、信号増幅器に供給する電源パワーが大きくなる傾向に有る。つまり、可聴周波数帯を使用することは、伝送の信頼性は高いものの、通信機器の形状を大きくし、コストを下げられないという問題を持つ。
【０００５】
図５を用いて、従来の一般的な電力線通信用送信回路の構成を説明する。従来の一般的電力線通信用送信回路は、変調信号出力回路５の変調信号Ｓｍを、線形増幅器７で増幅し、結合カプラ８を介して電力線１に供給するように構成されている。電力線１から増幅器用電源９を取っている。信号入力側へ交流電力波が及ぶことを阻止するとともに交流電力線路への信号結合のための結合カプラ８として、図５（ａ）に示されるようなトランスＴとコンデンサＣとによる結合カプラを使用すること（例えば、特許文献１参照）、または図５（ｂ）に示されるようなトランスＴとリアクトルＬとコンデンサＣの共振回路とによる結合カプラを使用する（例えば、特許文献２参照）のが一般的であった。
【０００６】
図５（ａ）のコンデンサを用いた結合カプラは、使用する周波数帯域を広く取れるが、結合効率が悪く、また図５（ｂ）のリアクトルＬとコンデンサＣの共振回路を用いた結合カプラでは結合効率は比較的良くなるが、共振回路を使用するので使用する周波数帯域が制限されるという問題を有している。
【０００７】
これらの課題を解決するために、図６に示すような、整流回路２、２１と抵抗器３とスイッチング素子４１からなる簡素化した回路構成の電力線通信用送信回路が提案されている（例えば、特許文献３参照）が、交流電力波を図６（ａ）のように全波整流、または図６（ｂ）のように半波整流して得た電圧Ｖｄｃの振幅は一定でなく、この電圧を、抵抗器３を介してスイッチングした信号電流の値も一定値にはならないので、多値振幅変調などには適用できないという問題が有る。
【０００８】
すなわち、従来の図６（ａ）に示される回路の各部の波形を図７に示す。変調信号Ｓｍは、交流電力波Ｖａｃを全波整流した電源電圧Ｖｄｃにより増幅され、出力電流波Ｉｏが電力線１へ重畳されることになる。電源電圧Ｖｄｃは常に変動しているので、この電源電圧を変調信号でスイッチングした出力電流波Ｉｏも電源電圧Ｖｄｃの変動にともなって変動する。
【０００９】
このような変動する出力電流値Ｉｏを生じる回路は、一定の電流値が必要な多値振幅変調などには適用できないという問題が有る。
【００１０】
【特許文献１】
特開昭６１−１９８９２７号公報（第１図）
【特許文献２】
特開昭６３―２４３１号公報（第２図）
【特許文献３】
実公平７―３５４６４号公報（第５図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような点に鑑み、回路構成の少ない、線形な信号増幅および使用周波数の帯域制限のない電力線路への信号結合可能な電力線通信用信号送信回路およびこの電力線通信用信号送信回路に結合される送信データを変調する位相変調回路を実現することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、交流電力線路に対して、整流回路と、整流回路に直列接続した電流増幅回路素子および電流検出抵抗ならびに電流増幅回路素子の動作を制御する演算増幅器を有し、フィードバック回路を有する電圧―電流変換回路を直接接続し、これに通信用変調信号を入力するようにした。
【００１３】
また、本発明は、上記整流回路を全波整流回路とした。さらに、本発明は、演算増幅器の入力側にオフセット回路を挿入した。
【００１４】
さらに、本発明は、電力線通信用信号送信回路に結合される送信データを変調する位相変調回路であって、交流波の極性に応じて変調データを反転させるデータ反転回路を備えた。
【００１５】
さらにまた、本発明は、位相変調回路を、交流波の極性を判定する極性判定回路、交流波の極性に応じて変調データを反転させるデータ反転回路、送信フィルタ、搬送波変調回路から成るようにした。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、実施例にもとづき図面を参照して説明する。図1は交流電力線路へ通信信号を結合する信号増幅・結合回路を備えた電力線通信用信号送信回路を示す。
【００１７】
図1に示すように、本発明にかかる電力線通信用信号送信回路は、電力線１に接続された全波整流回路２と、全波整流回路２の一方の出力端子（例えば＋端子）に接続された保護抵抗３と、保護抵抗３に直列に接続された電圧−電流変換回路４と、電圧−電流変換回路４の一方の入力端子に入力される変調信号出力回路５とから構成される。
【００１８】
電圧−電流変換回路４は、電流増幅回路素子４１と、電流検出抵抗４２と、演算増幅器（ＯＰアンプ）４３と、フィードバック回路４４とから構成される。電流増幅回路素子４１は、全波整流回路２の直流出力端子間に接続された保護抵抗３と電流検出抵抗４２とに直列に接続され、演算増幅器４３の出力によって制御される。電流検出抵抗４２は、電流増幅回路素子４１と全波整流回路２の他方の出力端子（例えば−端子）との間に直列に接続される。演算増幅器４３は、一方の入力端子（例えば＋端子）に変調信号Ｓｍが入力され、他方の入力端子（例えば−端子）に電流増幅回路素子４１と電流検出抵抗４２の接続点の電圧Ｖｆがフィードバック回路４４を介して入力され、出力端子が電流増幅回路素子４１の制御端子に接続される。
【００１９】
変調信号出力回路５は、交流搬送波ｆｃを送信データで変調した変調信号Ｓｍを出力する回路である。この変調信号Ｓｍは、電圧―電流変換回路４、全波整流回路２を経て交流電力線路１の交流電力波Ｖａｃに重畳される。
【００２０】
電圧―電流変換回路４は、信号増幅回路と信号結合回路（カプラ）の機能を合わせ持つ回路を構成しており、交流電力波Ｖａｃを整流した電圧源に直接接続される。
【００２１】
本発明において、電圧―電流変換回路４を使用して電流検出抵抗４２の電圧Ｖｆをフイードバックしているのは、変調信号Ｓｍを重畳する電源が、直流でなく電圧が変動する整流交流波であるので、変調信号Ｓｍを線形増幅するためである。すなわち、電圧−電流変換回路４は、電源電圧Ｖｄｃが低い値のときには電流増幅回路素子４１に大きな制御信号を送出して出力電流波Ｉｏが一定の振幅を維持するように動作し、電源電圧Ｖｄｃが大きな値のときには電流増幅回路素子４１に小さな制御信号を送出して出力電流波Ｉｏが一定の振幅を維持するように動作することによって、一定の振幅の出力電流波Ｉｏを出力するように動作する。
【００２２】
この回路には全体として帯域制限要素がないので、広帯域信号の増幅と電力線路への信号の重畳が可能となる。
【００２３】
また、線形な信号増幅との結合であるので、ＱＡＭ方式等の多値振幅変調にも適用可能であり、低コストで高性能な電力線通信機器を実現することができる。
【００２４】
図２を用いて、変調信号出力回路５の構成例を説明する。変調信号出力回路５は、極性判定回路５１と、データ反転回路５２と、送信フィルタ５３と、変調回路５４と、搬送波発信回路５５と、オフセット成分加算回路５６と、交流電力波入力端子Ｔ１と、送信データ列入力端子Ｔ２と、変調信号出力端子Ｔ３とから構成される。
【００２５】
極性判定回路５１は、交流電力波入力端子Ｔ１から入力される交流電力波Ｖａｃの極性を判定する回路である。データ反転回路５２は、送信データ入力端子Ｔ２から入力される送信データ列Ｄに、交流電力波Ｖａｃの極性が正負いずれか、例えば負の時に反転させる極性反転処理を施す回路である。送信フィルタ５３は、極性反転処理を施した送信データＤｒのノイズ成分を取り除く回路である。変調回路５４は、反転処理後の送信データＤｒにより搬送波ｆｃを変調する回路である。搬送波発信回路５５は、搬送波ｆｃを出力する回路である。
【００２６】
オフセット成分加算回路５６は、変調回路５４からの反転処理送信データＤｒにより変調された搬送波ｆｃにオフセット成分を加算して変調信号Ｓｍとして変調信号出力端子Ｔ３から出力する回路である。すなわち、電圧−電流変換回路４で変調信号Ｓｍを忠実に電流増幅するためには、電流増幅回路素子４１の制御端子へ入力される変調信号出力回路５の変調信号Ｓｍは単一方向の電流でなければならず、変調回路５４の出力信号にオフセット電流成分を付加することが必要となる。また、電流増幅回路素子４１の制御端子に常時オフセット電流が流れることを避けるために、オフセット成分加算回路５６は、変調信号Ｓｍを出力するときのみオフセット電流を加算するように作用する。
【００２７】
本発明の送信回路を用いて変調信号を搬送波に乗せて出力する場合、負のサイクルでは変調信号は位相が反転されて重畳されてしまう。よって、位相情報を含む変調搬送波を電力線に重畳させるには、負のサイクルにおいては予め符号を反転させて出力する必要がある。
【００２８】
すなわち、図３に示すように、送信データ列Ｄは、交流電力波Ｖａｃの極性が正と判定された場合にはそのまま通過し、負と判定された場合にはデータ反転回路５２においてデータ反転処理が施された反転処理送信データＤｒとされて、送信フィルタ５３に送られる。
【００２９】
この変調信号出力回路５は、図１に示されるように整流回路として全波整流回路を使用する場合で、位相情報を含む変調方式（ＰＳＫ方式）や位相情報と振幅情報を含む変調方式（ＱＡＭ方式）で変調する場合に採用され、ＱＡＭ方式等の多値振幅変調波を、図1に示される電力線通信用信号送信回路に重畳することができる。
【００３０】
図１に示した電力線通信用信号送信回路における各部の波形を、図４を用いて説明する。交流電力波Ｖａｃは全波整流回路２で整流され保護抵抗３で分圧されて電流増幅回路素子４１と電流検出抵抗４２とに印加される電源電圧Ｖｄｃとなる。演算増幅器４３に印加された変調信号Ｓｍは、電源電圧Ｖｄｃの変動を打ち消すような制御信号を出力して電流増幅回路素子４１の制御端子に入力され、出力電流波Ｉｏとなる。この場合、出力電流波Ｉｏは、電流検出抵抗４２の端子電圧Ｖｆがフィードバックされるので、線形な信号増幅が可能となり、変調信号Ｓｍは、電源電圧Ｖｄｃの変動の影響を受けずにそのまま増幅されて、電力線１へ重畳される。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、回路構成要素の少ない広帯域信号送信回路を実現できるので、これを適用することにより、電力線通信機器の形状、コスト、性能面での効果が期待できる。
【００３２】
また、本発明の電力線通信用信号送信回路は、線形増幅回路として作用するのでスプリアスの発生もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電力線通信用信号送信回路の概要を説明する図。
【図２】本発明の電力線通信用信号送信回路を構成する変調信号出力回路の概要を説明する図。
【図３】図２に示した変調信号出力回路の動作を説明する図。
【図４】本発明の電力線通信用信号送信回路の各部における信号の波形を説明する図。
【図５】従来の一般的構成の電力線通信用信号送信回路図。
【図６】従来の簡素化した構成の電力線通信用信号送信回路。
【図７】図６（Ａ）に示した電力線通信用信号送信回路の各部における信号の波形を説明する図。
【符号の説明】
１交流電力線
２全波整流回路
３保護抵抗
４電圧―電流変換回路
４１電流増幅回路素子
４２電流検出抵抗
４３演算増幅器（ＯＰアンプ）
４４フィードバック回路
５変調信号出力回路
５１極性判定回路
５２データ反転回路
５３送信フィルタ
５４変調回路
５５搬送波発振回路
５６オフセット成分加算回路
７増幅器
８結合カプラ
９増幅器用電源
Ｓｍ変調信号
Ｖａｃ交流電力波
Ｖｄｃ電源電圧
ｆｃ搬送波

Claims

交流電力線路に接続される整流回路と、整流回路の出力端間に接続された電圧―電流変換回路と、前記交流電力線に出力する送信データを交流電力の周波数よりも高い周波数の搬送周波数で変調して通信用変調信号を出力する変調信号出力回路とを備えた、電力線通信用信号送信回路において、
前記電圧−電流変換回路が、前記整流回路の出力端間に接続される電流増幅回路素子と電流検出抵抗の直列接続体と、前記変調信号出力回路の出力信号が一方の入力端子に接続され出力が前記電流増幅回路素子の制御端子に接続される演算増幅器と、前記電流検出抵抗の端子間電圧を前記演算増幅器の他方の入力端子に接続されるフィードバック回路とを備え、
前記電流増幅回路素子を、前記交流電力線路に前記整流回路を介して直接接続し、前記通信用変調信号によって制御する
ことを特徴とする電力線通信用信号送信回路。
請求項１に記載の電力線通信用信号送信回路において、
前記変調信号出力回路が、交流電力波の極性を判定する極性判定回路と、交流電力波の極性に応じて送信データを反転させるデータ反転回路と、データ反転回路からの送信データで搬送周波を変調する変調回路と、変調回路の出力に電流のオフセット成分を加算するオフセット成分加算回路とを備えた
ことを特徴とする電力線通信用信号送信回路。
請求項１に記載の電力線通信用信号送信回路を構成する送信データを変調する変調信号出力回路であって、
交流電力波の極性を判定する極性判定回路と、交流電力波の極性に応じて送信データを反転させるデータ反転回路と、データ反転回路からの送信データで搬送周波を変調する変調回路と、変調回路の出力に電流のオフセット成分を加算するオフセット成分加算回路を備えた
ことを特徴とする電力線通信用信号送信回路用の変調信号出力回路。
請求項３に記載の電力線通信用信号送信回路用の変調信号出力回路であって、
さらに、データ反転回路の出力に接続され極性反転処理を施した送信データのノイズ成分を取り除く送信フィルタと、変調回路に搬送波を出力する搬送波発振回路を備えた
ことを特徴とする電力線通信用信号送信回路用の変調信号出力回路。