TWI480558B - 通訊電力線狀態偵測方法及其系統 - Google Patents

Description

通訊電力線狀態偵測方法及其系統

本揭露係有關於通訊電力線20的狀態偵測方法，特別是有關於藉由通訊電力線20的通道特性變化判斷線路狀態的通訊電力線20狀態偵測方法。

請參閱圖1繪示先前通訊電力線20的偵測系統的架構示意圖。此系統包括一偵測設備10與一通訊電力線20。偵測設備10包括一訊號產生電路11、一訊號接收電路12、一訊號分析電路13與一示波器14。訊號產生電路11會產生一測試訊號以傳入通訊電力線20。當通訊電力線20有異常時，會產生訊號反射與透射現象。訊號接收電路12一旦接收到反射訊號時，訊號分析電路13會將其轉換為時域，並利用時域反射分析(Time Domain Reflectometry,TDR)技術來分析反射訊號，以分析出通訊電力線20的通道特性，判斷通訊電力線20的劣化、損壞或內部金屬線裸露的位置。

本揭露提供一種通訊電力線狀態偵測方法，其包括由一傳輸設備經由一通訊電力線傳輸一通訊指標訊號；由一接收設備從通訊電力線取得通訊指標訊號；由接收設備將通訊指標訊號轉換為時域；以及，由接收設備利用一時域穿透分析方法分析通訊指標訊號於通訊電力線傳輸時的一訊號反射與透射狀態，產生對應通訊電力線之一線路狀態資訊。

本揭露提供一種通訊電力線狀態偵測系統，其包括一傳輸設備與一接收設備。傳輸設備包括一訊號傳輸模組。接收設備包括一訊號接收模組與一訊號分析模組。

訊號傳輸模組用以傳輸一通訊指標訊號於一通訊電力線。訊號接收模組透過通訊電力線取得上述的通訊指標訊號。訊號分析模組係將通訊指標訊號轉換為時域，以利用一時域穿透分析方法分析通訊指標訊號於通訊電力線傳輸時，產生的訊號反射與透射狀態，藉此產生一線路狀態資訊。

茲配合圖式將本揭露特定實施例詳細說明如下。

首先，請參照圖2繪示本揭露實施例之通訊電力線狀態偵測系統架構示意圖，其包括一傳輸設備30與一接收設備40。傳輸設備30包括一訊號傳輸模組31，接收設備40包括一訊號接收模組41與一訊號分析模組42。傳輸設備30與接收設備40之間由一通訊電力線20進行通訊連接。請同時配合圖3繪示本揭露實施例的通訊電力線20狀態偵測方法的流程圖，以利於了解。此方法流程如下：

由一傳輸設備30經由一通訊電力線20傳輸一通訊指標訊號51(步驟S110)。訊號傳輸模組31用以傳輸一個通訊指標訊號51。然而，傳輸設備30更包括一訊號調變模組32，以將通訊指標訊號51進行調變後，再傳輸至通訊電力線20，即使通訊電力線20的為高衰減及高雜訊材質所製成，也能大幅降低訊號衰減與失真對通訊的影響。其中，訊號調變模組32調變通訊指標訊號51所使用訊號調變技術為正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術，但不以此為限，亦可使用其它訊號調變技術。

由一接收設備40從通訊電力線20取得通訊指標訊號51(步驟S120)。此通訊指標訊號51會由通訊電力線20而被傳輸至接收設備40，並由訊號接收模組41所接收。通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時，訊號會因應通訊電力線20的線路特性與外部雜訊的干擾而產生變化。因此通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時的訊號變化可表示為：

r (t )=s (t )*h (t )+n (t )　式(1)

其中，s (t )為通訊指標訊號51由訊號傳輸模組31傳輸時的訊號形態。h (t )為通訊電力線20的系統脈衝響應。n (t )為通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時所結合的雜訊。r (t )為通訊電力線20由接收設備40接收時的訊號形態。其中，s (t )與r (t )為已知，n (t )可由相關偵測設備10，或是由傳輸設備30或接收設備40配置偵測元件所偵測而得。亦或是需使用人員依據需求而進行假設性的設定。但雜訊的偵測方式但不以此為限，只要是能偵測到通訊之雜訊技術，皆能適用。然而，h (t )即可以經由式(1)而被推算而出。

由接收設備40將通訊指標訊號51轉換為時域(步驟S130)，並利用一時域穿透分析方法分析通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時的一訊號反射與透射狀態，產生對應通訊電力線20之一線路狀態資訊52(步驟S140)。

訊號分析模組42會將通訊指標訊號51轉換為時域，以藉由時域穿透分析方法分析通訊指示訊號於通訊電力線20傳輸時，產生的訊號反射與透射狀態，以產生一線路狀態資訊52。

此外，訊號傳輸模組31所傳輸的訊號形態s (t )包括一步階函數信號u(t) 。訊號分析模組42係利用上述的時域穿透分析方法(Time Domain Transmission)分析通訊接收設備40接收通訊指標訊號51時的訊號形態r (t )，以產生上述的線路狀態資訊52。線路狀態資訊52(TDT )可表示為TDT =u (t )*h (t )。然而，線路狀態資訊52包括通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時，所產生一異常透射訊號或一異常反射訊號的產生時間點。訊號分析模組42係依據此產生時間點，計算出異常透射訊號或異常反射訊號於通訊電力線20的產生位置。

然而，通訊指標訊號51於傳輸設備30輸出的訊號形態s (t )，此資料可被預先儲存於接收設備40中，儲存方式即為現今常見的資料儲存技術，在此不贅述。因此，訊號分析模組42於接收通訊指標訊號51時，即透過此通訊指標訊號51傳輸前與接收後的訊號變化，反映出目前通訊電力線20的匹配程度、通訊電力線20上的阻抗變化、分支以及雜訊的頻率響應等頻域上的狀況。

其中，接收設備40會進行OFDM解調變，通訊指標訊號51中的第n 個OFDM符號(symbol)的第k 個子載波接收訊號R (n ,k )表示如下：

其中H (n ,k ),S (n ,k ),N (n ,k )各為s (t ),h (t ),n (t )的傅立葉轉換，在此說明S (n ,k )為已知的指標訊號，故可將R (n ,k )除以S (n ,k )後即可得到H (n ,k )加一雜訊，而通訊電力線20之有線傳輸，其雜訊遠比訊號本身小很多因此可忽略不計，因此可以將R (n ,k )/S (n ,k )再經由反傅立葉轉換即得到系統脈衝響應h (t )，最後乘上步階(Time Step)函數u (t)，亦即h (t )*u (t )，即可得到線路狀態資訊52。

由接收設備40將線路狀態資訊52與一線路趨勢資訊53相比較，以決定是否發出一警示資訊54(步驟S150)。接收設備40更包括一訊號比對模組43，此訊號比對模組43用以將線路狀態資訊52(TDT )與一線路趨勢資訊53相比對，判斷通訊電力線20的狀態，以決定是否發出上述的警示資訊54。而資料比對方式即是依據設計人員需求而定，只要能分析並判斷電力線上是否劣化即可。

此線路趨勢資訊53的資料類型至少可為兩種：其一為通訊電力線20的一線路安全通訊的標準參數，此線路安全通訊的標準參數，可由使用者透過接收設備40的輸入介面44，如滑鼠、鍵盤、觸控組件…等相關輸入單元，配合接收設備40的顯示器45所呈現的資訊輸入畫面來進行輸入與調整；另一為通訊指標訊號51於先前通訊電力線20傳輸時，由接收設備40所記錄的一前次線路狀態資訊52。

以下，係以實際試驗例進行說明。於此，通訊電力線20規格1.6MMX2C之一般家用電力線為例，其導體間距D為3.2mm，導體半徑r為0.8mm，線長為1公尺，屬於雙端物理傳輸線類型(2-Terminal Physical Transmission Line)。此例中，令通訊電力線20中間位置的絕緣層剝落，形成約0.6公分裸線狀態。

透過圖2的系統架構，其它設備提供予傳輸設備30，或是由訊號傳輸模組31產生的通訊指標訊號51，經由訊號調變模組32調變(如前述的正交分頻多工方式)後，被傳輸至通訊電力線20。其中，傳輸設備30傳輸的通訊指標訊號51之訊號形態假定為前述的s (t )。通訊指標訊號51於通訊電力線20傳輸時，會受系統脈衝響應h (t )與外部雜訊n (t )的影響而變化，於訊號接收模組41接收通訊指標訊號51的訊號形態會變為r (t )=s (t )*h (t )+n (t )。訊號分析模組42再經由預知的通訊指標訊號51之訊號形態s (t )，配合時域穿透分析方法來分析r (t )，r (t )係如下所示：

其中z _o 為系統阻抗，由上式可找出通訊電力線20的匹配程度及通訊電力線20上的阻抗變化，並取得s (t )包括的步階函數信號u(t) ，再配合系統脈衝響應h (t )以得知如圖4繪示的線路狀態資訊52，其即是接收設備40透過顯示器45所呈現的線路狀態資訊52，也就是每一時間步階(Time Step)單位對應的系統脈衝響應h (t )的數值變化。

以此例中，從圖4得知，第31時間步階單位的系統脈衝響應h (t )呈現異常變化，得知通訊指標訊號51於第31時間步階單位時，產生異常透射訊號，得知通訊指標訊號51曾通過通訊電力線20劣化的位置，再將時間步階單位轉換為距離，其轉換如式(4)所示，即可計算出通訊電力線20劣化的位置。

然而，此與習知的時域穿透分析方法相較，也就是將通訊電力線20應用於圖1的系統架構中。我們假定通訊電力線20的主要特性阻抗Z、長度L、介電常數K、導體衰減A及參考頻率F，以及損耗正切(TanD)。其中，特性阻抗Z可表示為：

其次，訊號會因為介質的不同而有不同的傳輸速度，此訊號傳輸速度與傳輸時間的關係表示為：

請同時參閱圖5繪示的電磁波在通訊電力線20中傳播遇到阻抗變化示意圖。根據微波工程學，當電磁波在通訊電力線20中傳播遇到阻抗變化時，訊號將會造成反射及透射，反射波及透射波與入射波之間之比值稱之為反射係數(reflect coefficient)及穿透係數(insertion coefficient)。反射係數及穿透係數分別為：

若通訊電力線20上之阻抗相等沒有變化，反射係數為0，訊號傳遞不會發生反射現象而會持續前進，若阻抗上升，反射係數大於0發生正向反射，反之則為反向反射，並傳回偵測設備10。訊號接收電路12接收的反射訊號的電壓及其相對阻抗可計算如下：

其中Vs 為輸入步階函數信號u(t) 之振福，V _tdr 為反射訊號的電壓對時間響應，Z ₀ 為系統阻抗，假定為50Ω。

由式(5)可知通訊電力線20之特性阻抗與介電常數的開根號成反比，因此介電常數是影響通訊電力線20阻抗的一個重要變因。當通訊電力線20之絕緣層因長時間經過而劣化剝落時，在剝落位置之介質從絕緣層變成空氣，介電常數會下降而造成阻抗上升。

此例中，同樣令通訊電力線20中間位置的絕緣層剝落，形成約0.6公分裸線狀態。經式(5)得知裸線處的介電常數會下降，而通訊電力線20的裸線處的阻抗上升。於此，假定通訊電力線20整體平均阻抗為90Ω。經由式(5)與式(6)得知，當訊號經由裸線處並產生反射訊號時，訊號接收電路12收到反射訊號的量測時間點約為3.8奈秒(ns)，且通訊電力線20的阻抗將會從90Ω上升至158Ω左右。但事實上，經量測結果(應用三用電錶、示波器或其它可計算出裸線處阻抗值的任何方式皆適用)，裸線處阻抗大約為111.1Ω，雖未能達到158Ω，但亦足夠呈現訊號變化的幅度。而訊號接收電路12收到反射訊號的量測時間點亦約在3.8奈秒(ns)，實符合上述的理論。

然而，若是將此量測結果轉換為時域穿透(Time Domain Transmission,TDT)分析結果(即TDT =u (t )*h (t ))，所呈現結果亦如同圖3繪示，會於第31時間步階單位的系統脈衝響應h (t )呈現異常變化。由此得知，圖2的系統架構對通訊電力線20的量測結果，確實相同於習知TDR技術對通訊電力線20的量測結果。

而且，本案所提出系統架構中，傳輸設備30與接收設備40可為如路由器(Router)、集線器(Hub)、存取器設備(Access Point Equipment)、伺服器(Server)、個人電腦(Personal Computer)等多種可以用於進行網路通訊行為，且使用電力線通訊技術(Power Line Communication;PLC)的網路設備。而訊號傳輸模組31、訊號調變模組32、訊號接收模組41與訊號分析模組42的結構可為晶片組(Chip Set)、處理器(Processor,如CPU、MPU)、積體電路(Integrated Circuit,IC)、控制電路(Control Circuit)、其它輔助電路或相關模組、元件之組合。或更進一步結合運算程式(Operation Software)、韌體(Firmware)軟體之組成，但不以此為限。

綜上所述，乃僅記載本揭露為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

10．．．偵測設備

11．．．訊號產生電路

12．．．訊號接收電路

13．．．訊號分析電路

14．．．示波器

20．．．通訊電力線

30．．．傳輸設備

31．．．訊號傳輸模組

32．．．訊號調變模組

40．．．接收設備

41．．．訊號接收模組

42．．．訊號分析模組

43．．．訊號比對模組

44．．．輸入介面

45．．．顯示器

51．．．通訊指標訊號

52．．．線路狀態資訊

53．．．線路趨勢資訊

54．．．警示資訊

圖1繪示先前通訊電力線的偵測系統的架構示意圖；

圖2繪示本揭露實施例之通訊電力線狀態偵測系統架構示意圖；

圖3繪示本揭露實施例的通訊電力線狀態偵測方法的流程圖；

圖4繪示本揭露線路狀態資訊之一實施例的資訊示意圖；以及

圖5繪示的電磁波在通訊電力線中傳播遇到阻抗變化示意圖。

20．．．通訊電力線

30．．．傳輸設備

31．．．訊號傳輸模組

32．．．訊號調變模組

40．．．接收設備

41．．．訊號接收模組

42．．．訊號分析模組

43．．．訊號比對模組

44．．．輸入介面

45．．．顯示器

51．．．通訊指標訊號

52．．．線路狀態資訊

53．．．線路趨勢資訊

54．．．警示資訊

Claims (18)

1. 一種通訊電力線狀態偵測方法，其包括：由一傳輸設備經由一通訊電力線傳輸一通訊指標訊號；由一接收設備從該通訊電力線取得該通訊指標訊號；由該接收設備將該通訊指標訊號轉換為時域；以及由該接收設備利用一時域穿透分析方法分析該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時的一訊號反射與透射狀態，產生對應該通訊電力線之一線路狀態資訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該傳輸設備係將該通訊指標訊號進行調變後，再傳入該通訊電力線。
3. 如申請專利範圍第2項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該傳輸設備係利用一正交分頻多工方式對該通訊指標訊號進行調變。
4. 如申請專利範圍第1項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時的訊號變化表示為r (t )=s (t )*h (t )+n (t )，其中s(t)為該通訊指標訊號由該傳輸設備傳輸的訊號形態，h(t)為該通訊電力線的系統脈衝響應，n(t)為該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時所結合的雜訊，r(t)為該通訊電力線由該接收設備接收時的訊號形態。
5. 如申請專利範圍第4項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中由該傳輸設備傳輸的訊號形態s(t)包括一步階函數信號u(t)，該接收設備係利用該時域穿透分析方法分析由該接收設備接收時的訊號形態，以產生該線路狀態資訊，該線路狀態資訊可表示為TDT =u (t )*h (t )。
6. 如申請專利範圍第5項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該線路狀態資訊包括該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時，所產生一異常透射訊號之產生時間點，該線路狀態資訊產生後更包括：由該接收裝置依據該異常透射訊號之產生時間點，計算出該異常透射訊號於該通訊電力線的產生位置。
7. 如申請專利範圍第1項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該線路狀態資訊產生後更包括：由該接收設備將該線路狀態資訊與一線路趨勢資訊相比較，以決定是否發出一警示資訊。
8. 如申請專利範圍第7項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該線路趨勢資訊為該通訊電力線的一線路安全通訊的標準參數。
9. 如申請專利範圍第7項所述通訊電力線狀態偵測方法，其中該線路趨勢資訊為該通訊指標訊號於先前通訊電力線傳輸時，由該接收設備所記錄的一前次線路狀態資訊。
10. 一種通訊電力線狀態偵測系統，其包含：一傳輸設備，其包括一訊號傳輸模組用以傳輸一通訊指標訊號於一通訊電力線；以及一接收設備，其包括一訊號接收模組與一訊號分析模組，該訊號接收模組透過該通訊電力線取得該通訊指標訊號，該訊號分析模組係將該通訊指標訊號轉換為時域，利用一時域穿透分析方法分析該通訊指標訊號於通訊電力線傳輸時產生的訊號反射與透射狀態，以產生一線路狀態資訊。
11. 如申請專利範圍第10項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該傳輸設備更包括一訊號調變模組，以將該通訊指標訊號進行調變後，再傳入該通訊電力線。
12. 如申請專利範圍第11項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該訊號調變模組係利用一正交分頻多工方式對該通訊指標訊號進行調變。
13. 如申請專利範圍第10項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時的訊號變化表示為r (t )=s (t )*h (t )+n (t )，其中s(t)為該通訊指標訊號由該傳輸設備傳輸的訊號形態，h(t)為該通訊電力線的系統脈衝響應，n(t)為該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時所結合的雜訊，r(t)為該通訊電力線由該接收設備接收時的訊號形態。
14. 如申請專利範圍第13項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該傳輸設備傳輸的訊號形態包括一步階函數信號u(t)，該訊號分析模組利用該時域穿透分析方法分析由該接收設備接收該通訊指標訊號時的訊號形態r(t)，以產生該線路狀態資訊，該線路狀態資訊可表示為TDT =u (t )*h (t )。
15. 如申請專利範圍第14項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該線路狀態資訊包括該通訊指標訊號於該通訊電力線傳輸時，所產生一異常透射訊號之產生時間點，該訊號分析模組係依據該異常透射訊號之產生時間點，計算出該異常透射訊號於該通訊電力線的產生位置。
16. 如申請專利範圍第10項所述之通訊電力線狀態偵測系統，其中該接收設備更包括一訊號比對模組，該訊號比對模組係將該線路狀態資訊與一線路趨勢資訊相比對，以決定是否發出一警示資訊。
17. 如申請專利範圍第16項所述通訊電力線狀態偵測系統，其中該線路趨勢資訊為該通訊電力線的一線路安全通訊的標準參數。
18. 如申請專利範圍第16項所述通訊電力線狀態偵測系統，其中該線路趨勢資訊為該通訊指標訊號於先前通訊電力線傳輸時，由該接收設備所記錄的一前次線路狀態資訊。