具有全双工通信功能的电力线收发器的设计和测试

曹 亮，蒋觐阳

兰州大学信息科学与工程学院，甘肃兰州 730000

1 概述

电力线（PL）可能是一种廉价和良好的网络选项，在这个意义上，他们几乎是一个普遍目前的基础设施。然而，应采取适当的步骤，来克服高衰减，噪声和信号耦合相关的问题。在本文中，我们提出了一个使用窄带传输可在配有RJ-11接口全双工传输能力的系统中使用的计划，它被设计成收发器。该系统使两个背景噪音损坏的一个通道，通过室内电力线路设置使用自己的56Kbps的调制解调器进行个人电脑之间的数据传输。

2 电力线背景噪声的概况

噪声是有色背景噪声，窄带干扰，定期冲动（异步和同步交流电源）和异步脉冲噪声。第一三者共同构成的背景噪声，因为他们仍然在几分钟甚至几个小时内固定。背景噪声和定期冲动与交流电源同步是窄带传输[1]中的主导因素。作为一个初步的要求，选择最适合在室内PL设置传输的频率波段，背景噪声是短暂的时间内取得，并存储在一个使用一个通用接口总线（GPIB）接口数字存储的PC示波器，并进行离线分析。 DSO是通过一个合适的耦合器连接到PL [图1]作为高阻抗提供230V，50Hz PL信号及其谐波的高通滤波器（fc=25 kHz），以及低阻抗通信频率。还包括提供电隔离变压器（TT），其随着电容C1构成一个高通滤波器的要求切断。

图1 耦合器的设计

3 收发器的设计和实现

配备56Kbps的调制解调器的两台电脑被认为是通过PL网络作为测试数据监测设备。基带传输信号从调制解调器（0 kHz～4kHz）的工作在一个非常低的信号功率，即使功率在增加，使两者之间的数据传输的功率发射机是不可能实现的，是因为存在这些频率高噪音。 PL阻抗（20Ω～190Ω）与被设计工作在600Ω的电话线调制解调器的输出阻抗相比也非常低。下面给出了设计收发器的结构部分，如图2所示。

3.1 混合

活跃 的混合电路的第一个收发器（HY1）到（TR1）的转换，是从第一个调制解调器，到一台电脑（MODEM1）四线线路，从而实现接收到传送（T）的分离，然后从第二个调制解调器（MODEM2）作进一步的信号调理（图2）。混合输入是一个1∶1的变压器（T1），在调制解调器的发射频率的阻抗是一条电话线的绕组。 HY1（图3）由一个缓冲A1，一个差分放大器A2和一个电位器P1构成，后来调整，以尽量减少从MODEM2收到的MODEM1传输线反射信号的组件。回波损耗（ERL）在传输路径的混合产生适当的调整后的P1是6 dB，这是从调制解调器发送信号（50%）相均衡。反射回波可以完全无效，只有T1的次级调制解调器的信号频率的阻抗是无限的，然而这是不可能的，因此需要一个额外的回音消除残余回声抵消到最低限度。第二个收发器的混合HY2（TR2）连接到另一台电脑MODEM2也同样调整。

图2 收发器的框图

3.2 振幅调制器和解调器

从混合传输基带信号到振幅调制载波（170千赫TR1和TR2为430千赫）使用全双工连接，并在PL后传给合适的功率放大（PA）（图2）MC1495K（M）IC。双频率被用来防止被放大的信号反映在同一收发器的接收路径。 PL噪声在这些频率比较少，并没有在这个范围内无线信号的干扰。

3.3 线路调谐器和耦合器

一个合适的LC电路耦合器（图2）是用来调整从PL接收到的信号收发器[2]。电路调整TR1和TR2，分别为430kHz和170kHz。调谐器的目的是从其他收发器和高阻抗的所有其他频段提供低阻抗传入的载波频率。它的功能是防止从收发器放大传输信号，反馈到接收在同一侧，也最大限度地减少输入的PL噪声限制带宽到相应的调整频率。

图3 收发器，回声消除

4 电力线网络

该收发器在PL网络测试（图4）总长度100.25m的长度分行各2.55m。配电箱（DB）的形式从配电室（DR）的电源插座。MODEM1是连接插头1和MODEM2通过收发器在网络上各点（通过插头2-8）网络[3]。加热器和白炽灯等不同的家庭负荷连接各点的PL两个调制解调器之间的连接是为每个安装尝试。

图4 分布式网络

5 实验结果

合适的注意事项（AT）命令集[4]，用于建立连接使用的操作系统的超级终端设备之间的两个调制解调器。最初，电话线是用来在两个调制解调器之间的测试整个设置的有效性。对于这一点，一个调制解调器使用“ATDxxx”命令“ATA”应该是接收器的其他调制解调器的命令行为的拨号器。拨号调制解调器配置，无需等待拨号音拨号接通后，调制解调器连接是在全双工模式下的状态表示“连接”在“超级终端”窗格。然后取出电话线和调制解调器插入到PL通过收发器。调制解调器之间的连接尝试不同负载条件下，使用AT命令。调制解调器之间的连接是建立在不同的范围从33.6Kbps～1.2Kbps的数据传输速率。数据传输速率取决于调制解调器的输入和可用带宽上收到的S / N （图5）和（图6）。对于每一个位置的调制解调器和不同的负载，信号发射机功率都进行调整，以尽量减少从调制解调器的音频范围内的信号失真。1.2Kbps的连接时获得的第二个收发器连接到插头8，其中采用了DB的路径。获得最佳的连接（33.6Kbps的）时是没有任何负载直接连接到调制解调器插件1和插件7。

图5 带宽为33.6Kbps的连接

图6 带宽为1.2Kbps的连接

6 窄带传输的电力线收发器的发射频率的通道容量的估算

窄带收发器的使用频带宽度（BW）传输信道容量的估计。对于这一点，从100kHz到530kHz（由FCC允许）的PL噪音模拟使用逆累积分布和离散傅立叶逆变换方法[5]模拟当地的PL噪声。使用产生噪声样本的随机数的方法复制在每一个仿真通道的不可预知的噪声。据估计在170kHz和430kHz带信道容量，带宽为4kHz（由收发器所使用的带宽），使用香农信道容量定理得出传输信号功率1mW。在模拟时，PL假设是有任何损失和缺口的理想特性。

7 结论

在本文中，利用室内的PL已作为网络之间传输使得两个使用其56内部Kbps的调制解调器的电脑，并且是在全双工模式下得到的数据。一个合适的收发器的设计和测试，可以克服噪音，衰减和信号耦合相关的问题。分别获得33.6Kbps和1.2Kbps的之间不同的连接率，前者是最大的调制解调器调制得到的。在不同的负载条件下所获得的利率是高度依赖收到的信号功率和噪声。然而，接收信号功率差别很大，即使是在观察小带宽。这可以归因于两个频率，由于频率依赖通道阻抗不同的发射功率，不同的传递函数的每个设置的通道，并在收发器中使用的各种频率相关参数之间的低效耦合。依据香农定理对PL发射频率使用的通道能力的估计，但远高于在实验中获得更大。虽然在实验中获得的数据传输率是相当低的，在某些情况下，这样一个实验装置，可用于监测数据，如低速率的缓慢变化的物理参数，如湿度，温度等自动抄表和通过PL应用。稍作修改，使廉价的电话听筒般的声音信号，以及温度和湿度信号实现双向转移，还能监测一些模拟信号。

[1]E Biglieri, and P D Torino.Coding and Modulation for a horrible Channel.IEEE Communication Magazine，2003，41(5)：92-8.

[2]M Zimmermann, and K Dostert.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broad-band Powerline Communications. IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility，2002，44(1)：249-58.

[3]M Katayama, T Yamazato, and H Okada.A Mathematical Model of Noise in Narrowband Power Line Communication Systems.Int J Selected Areas in Communication，2006，24(7)：1267-76.

[4]B Tiru, and P K Boruah, Multipath effects and adaptive transmission in presence of indoor power line background noise, Int J Commun Syst，2010，23：63-76.

[5]B Tiru, and P K Boruah.Some Characteristics of Power Line Under Typical Laboratory Condition.Proceedings of the National Symposium on Instrumentation-302005：515-20.