JPH1188239A - 信号重畳装置および信号重畳方法 - Google Patents

信号重畳装置および信号重畳方法

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JPH1188239A
JPH1188239A JP26776097A JP26776097A JPH1188239A JP H1188239 A JPH1188239 A JP H1188239A JP 26776097 A JP26776097 A JP 26776097A JP 26776097 A JP26776097 A JP 26776097A JP H1188239 A JPH1188239 A JP H1188239A
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秀晃 岡崎
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    • H04B2203/5483Systems for power line communications using coupling circuits

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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および信号重畳方法を
提供する。 【解決手段】 交流電力線10a、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。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、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用
いる信号重畳装置および信号重畳方法に関し、特に符号
分割多元接続(以下「CDMA」という。)に有効な信
号重畳装置および信号重畳方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より電力線搬送方式の一つとして、
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。
【0003】しかしながら、このような波形歪が情報信
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。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の多元接続
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。
【0005】本発明は、上述した課題を解決するために
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
る信号重畳装置および信号重畳方法を提供することにあ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
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
有することを技術的特徴とする。
【0007】また、請求項2の信号重畳装置では、請求
項1において、前記回路要素は、電力信号電圧を分圧す
るように前記交流電力線間に接続されるインピーダンス
Z1およびインピーダンスZ2と、前記インピーダンス
Z1、Z2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、前記情報信号を発生させる電圧源
と、であることを技術的特徴とする。
【0008】さらに、請求項3の信号重畳装置では、請
求項2において、前記インピーダンスZ1およびインピ
ーダンスZ2は、それぞれコンデンサからなることを技
術的特徴とする。
【0009】さらにまた、請求項4の信号重畳装置で
は、請求項2または3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。
【0010】また、上記目的を達成するため、請求項5
の信号重畳方法では、交流電力線の電力信号に情報信号
を重畳する信号重畳方法であって、L1 :前記交流電力
線に接続される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
るとき、前記情報信号を前記変圧トランスの二次側電流
i1 に与えることを技術的特徴とする。
【0011】請求項1の発明では、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。即ち、こ
の変圧トランスのインピーダンスを考慮し得る回路構成
になる。
【0012】請求項2の発明では、回路要素は、電力信
号電圧を分圧するように交流電線間に接続されるインピ
ーダンスZ1およびインピーダンスZ2と、このインピ
ーダンスZ1、Z2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である。即ち、回路要
素は、電力信号電圧を分圧するインピーダンスZ1およ
びZ2と、この分圧点に接続される電圧源である。
【0013】請求項3の発明では、インピーダンスZ1
およびインピーダンスZ2は、それぞれコンデンサから
なることから、情報信号を電圧として供給してもこれら
のコンデンサによって情報信号を電流信号に変換する。
【0014】請求項4の発明では、電圧源はCDMAの
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。
【0015】請求項5の発明では、変圧トランスの二次
側電圧e1 がM(di0 /dt)の項とL2 (di1 /
dt)の項とを含んで表されるときに、情報信号を変圧
トランスの二次側電流i1 に与える。即ち、変圧トラン
スの二次側自己インダクタンスL2 および相互インダク
タンスMを考慮して情報信号を変圧トランスの二次側電
流i1 に与える。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の信号重畳装置およ
び信号重畳方法の実施形態について図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,e
n-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,Pn-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。
【0017】図2に示すように、e0,P1,P2,・・・,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Pn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。
【0018】この性質は、図3に示す電力線搬送方式に
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。前述したようにe
0 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 (但しk≠0)はe0 とe(t)を加算した
ものとは成りえないため、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。
【0019】つまり、この従来の通信方式が成立するた
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。
【0020】ここで、変圧トランスTの電気的特性は、
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1で表すことができ
る。
【0021】
【数1】
【0022】この数1より、二次側電圧e1 はM(di
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。
【0023】次に、変圧トランスTの二次側電流i1 に
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。
【0024】コンデンサC1 、C2 は直列に接続され、
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。
【0025】このようにコンデンサC1 、C2 および情
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。
【0026】ここで、コンデンサC1 の端子間電圧Vc
、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2および数3で表される。な
お、C1=C2 =Cとする。
【0027】
【数2】
【0028】
【数3】
【0029】また、前述した図4に示す変圧トランスT
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2、3および次式の数4による連立方程式
で表される。
【0030】
【数4】
【0031】したがって、この数2、3、4からなる連
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。
【0032】図6〜図9に示す計算機シュミレーション
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。
【0033】図6および図7は、変圧トランスTのイン
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。
【0034】なお、上述した信号重畳装置20の基本モ
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Z0は変圧トランスの一次側に接続されるいく
つかのトランスを含むインピーダンスを表す。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。
【0035】以上説明したように、交流電力線100
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。
【0036】
【発明の効果】請求項1の発明では、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。
【0037】請求項2の発明では、回路要素は、電力信
号電圧を分圧するインピーダンスZ1およびZ2と、こ
の分圧点に接続される電圧源である。これにより、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
スを用いて求めたインピーダンスZ1、Z2により分圧
される電力信号電圧の分圧に情報信号が注入される。し
たがって、変圧トランスのインピーダンスを考慮してイ
ンピーダンスZ1、Z2を適宜選択することにより情報
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、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。
【0038】請求項3の発明では、インピーダンスZ1
およびインピーダンスZ2は、それぞれコンデンサから
なることから、情報信号を電圧として供給してもこれら
のコンデンサにより情報信号を電流信号に変換できる。
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、しかも電流信号として電力信号に重畳できる効果が
ある。
【0039】請求項4の発明では、電圧源はCDMAの
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
拡散通信方式の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。
【0040】請求項5の発明では、変圧トランスの二次
側電圧e1 がM(di0 /dt)の項とL2 (di1 /
dt)の項とを含んで表されるときに、情報信号を変圧
トランスの二次側電流i1 に与える。即ち、変圧トラン
スの二次側自己インダクタンスL2 および相互インダク
タンスMを考慮して情報信号を変圧トランスの二次側電
流i1 に与えるから、変圧トランスのインピーダンスに
より位相等が変化しないような回路定数を適宜選択して
情報信号を注入することにより、情報信号の波形歪を最
小限に抑えることができる。したがって、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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る信号重畳装置および
その周囲の全体系を示す回路図である。
【図2】理想的な電力線基本モデルを示す回路図であ
る。
【図3】結合トランスを介在させて交流電力線に接続し
た場合の基本モデルを示す回路図である。
【図4】変圧トランスを考慮した電力線基本モデルを示
す回路図である。
【図5】本発明の一実施形態に係る信号重畳装置および
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。
【図6】図1に示す回路を計算機シュミレーションした
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。
【図7】図1に示す回路を計算機シュミレーションした
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。
【図8】図1に示す回路を計算機シュミレーションした
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。
【図9】図1に示す回路を計算機シュミレーションした
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。
【図10】スペクトル拡散装置により生成される階段波
形の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
20 信号重畳装置 30 情報信号発生器(電圧源) 40 スペクトル拡散装置 100a、b 交流電力線 T 変圧トランス 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 C1 、C2 コンデンサ(回路要素) r 内部抵抗(回路要素) e0 電力信号、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 e(t) 情報信号 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 Z0 トランスTの一次側に接続される電力線系のイン
ピーダンス Z1、2 インピーダンス(回路要素) Z3 内部インピーダンス Z4 調整用インピーダンス

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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することを特徴と
    する信号重畳装置。
  2. 【請求項2】 前記回路要素は、 電力信号電圧を分圧するように前記交流電力線間に接続
    されるインピーダンスZ1およびインピーダンスZ2
    と、 前記インピーダンスZ1、Z2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、前記情報信号
    を発生させる電圧源と、 であることを特徴とする請求項1記載の信号重畳装置。
  3. 【請求項3】 前記インピーダンスZ1およびインピー
    ダンスZ2は、それぞれコンデンサからなることを特徴
    とする請求項2記載の信号重畳装置。
  4. 【請求項4】 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2または3記載の信号
    重畳装置。
  5. 【請求項5】 交流電力線の電力信号に情報信号を重畳
    する信号重畳方法であって、L1 :前記交流電力線に接
    続される変圧トランスの一次側自己インダクタンス、L
    2 :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
    るとき、 前記情報信号を前記変圧トランスの二次側電流i1 に与
    えることを特徴とする信号重畳方法。
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