低压宽带电力载波通信耦合装置的研究

张 霞， 周 克， 何 威, 张 超

(1. 贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025; 2. 珠海慧信微电子有限公司，广东 珠海 519085)



低压宽带电力载波通信耦合装置的研究

张 霞1， 周 克1， 何 威2, 张 超1

(1. 贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025; 2. 珠海慧信微电子有限公司，广东 珠海 519085)

依据宽带耦合装置的设计要求，采用电容耦合技术设计出满足高速 宽带载波通信要求的耦合电路，并对已有的载波收发电路进行改进。通过计算采用五阶切比雪夫Ⅰ型带通滤波电路对接收端的信号进行滤波，以便更准确地接收有用信号，利用Mutisim12对以上电路的滤波性能和耦合性能进行仿真分析。最后对设计出的耦合装置进行测试。结果表明，该电容耦合装置能满足高速宽带载波通信的要求。

宽带载波； 电容耦合； 滤波电路； 性能测试

0 引 言

宽带耦合装置的作用是让有用载波信号耦合到电力线中，实现电力线通信的器件。文献[2]提出了一种窄带电力线载波通信耦合电路的设计方法，但传统输电线载波通信中成熟的窄带耦合装置已不适用于高速宽带信号的传输；文献[3]提出了一种宽带电力线载波通信耦合技术，仅针对中压线路，而低压网络比中压网络复杂得多；文献[4]提出了低压宽带电力载波通信耦合装置的设计，其滤波特性不平坦，还需改进。因而，很有必要研究高频载波信号的宽带耦合装置。

1 宽带耦合装置的设计要求

低压配电网网络结构复杂，其通信信道具有阻抗特性、时变性、频率选择性、噪声干扰强且信号衰减大等特性，所以设计的宽带耦合装置必须满足信号的最佳传输要求，即满足频带要求、工作衰减、高频阻抗特性和抗噪声干扰特性。

宽带PLC的载波频率范围如下，美国为4～20 MHz，主要用于户内；欧洲为1.6～10 MHz和10～30 MHz，是ETSI标准，CENELEC标准分界点为13 MHz；中国尚无宽带PLC标准[5]，本文在设计宽带电容耦合电路选取的通频带为2～30 MHz，中心频率16 MHz。配电网网络结构和负载的不定性导致不同频率点线路负载阻抗和线路特性阻抗瞬时变化，因而配电网电力线路的特性阻抗与线路的负载阻抗差别较大[6]，基于以上特性，设计要求通带内工作衰减小于2 dB，带外衰减大于40 dB；宽带低压电力线载波通信的调制解调采用性能较好的正交频分复用(OFDM)技术，OFDM技术的抗频率选择性衰落能力强，但在宽频带范围内调制要求频带具有线性等传输特性，为满足高频匹配原则，在通带范围内要求信号工作衰减基本平坦又较低。高频载波信号噪声电平高，传输衰减大，各种干扰多，线路耦合阻抗时变快[7]，要求设计的耦合装置能隔离50 Hz工频信号的各种噪声干扰。

耦合器设计的主要原则是能适应低压配电网的开放式网络结构及其复杂多样的网络特性，满足高频宽带信号传输要求，匹配相位特性及阻抗特性，克服不利的电网网络特性及电力线信道特性，考虑到实际应用的方便性与经济性[8]。

2 宽带电容耦合装置的设计

低压电力线宽带耦合电路常用电容耦合和电感耦合两种方式，因电感耦合的传输性能较电容耦合性能差，衰减大[2-4]，测试发现信号经耦合变压器耦合衰减为12 dB，所以本文仅设计电容耦合电路。电力线通信利用耦合电路将信号注入到电力线上，再通过载波发送电路将信号放大，在电力线另一端利用载波接收电路将有用信号提取出来，所以还需设计改良的载波收发电路。

2.1 电容耦合电路的设计

电容耦合器是以耦合电容为主要元件进行直接耦合的一种耦合装置，它可以将高频信号注入电网，也可以直接从电力线上接收高频信号[9]。电容耦合电路如图1所示，高频X电容C10的一端接低压电力线接入点，另一端与耦合变压器T1相连。C10和电阻R2构成一阶高通滤波器，滤除掺杂在载波信号中的低频噪声信号和伪信号，保证有用高频载波信号通过，提供尽可能小的衰减和线性幅频、相频特性。设R2和C10组成的RC滤波器截止频率为150 kHz，由f0=0.5πR2C10，计算取C10=0.0047 μF，R2=187 Ω。耦合变压器T1隔离强、弱电，同时使信号线平衡。TVS为瞬变抑制二极管，防止电网上的强干扰及电压浪涌，保护电路器件。R1为C10的卸荷电阻，通常取10 MΩ。

骨科临床实习是学生对于理论知识向临床实践转变的重要过程，当前的医疗制度改革与社会医疗需求对临床实习教学提出更高的要求[1]，探索一种新的提高教学质量的骨科临床实习教学模式具有重要意义[2]。PBL是以学生为主体临床教学方法，对提高学生综合素质有积极作用[3-4]。近年来骨科学各种新理论、新技术不断更新，3D打印技术的应用极大地提高了骨科临床与教学的质量[5]。因此，本研究以胫骨平台骨折为教学模型，对传统教学方法与新型教学方法（3D打印技术、PBL教学法）的教学效果差异进行比较评价，现报告如下。

图1 电容耦合电路

2.2 载波信号接收电路的设计

(1)

(2)

将|K(jλ)|2=ε2cos(N·arccosλ)代入δ1，得到通带内波纹参数ε为:

(3)

将|K(jλ)|2=ε2ch2(N·arcchλ)代入δ2，可得:

(4)

(5)

代入指标值解得N≥4.61，取N=5。求归一化传递函数H(p)，p是归一化频率λ的拉氏变换，p=jλ,

(6)

(7)

(8)

由式(8)得到电路设计参数，在Multisim12里绘制载波信号接收端耦合电路，其中包含五阶切比雪夫Ⅰ型带通滤波电路，如图2所示。

图2 载波信号接收电路

图2中电路左侧星型二极管稳压电路的作用是抑制火、零线间的差模尖峰信号和火、零线与地线间的共模尖峰信号。对于差模尖峰信号，D2和D3构成一个双向稳压管；对于共模尖峰信号，该星型结构相当于两个双向稳压管，可有效地保护带通滤波网络免受差模、共模干扰。R4和R7是并联谐振网络的隔离电阻，R5模拟电力线输出阻抗，R7模拟耦合电路输出阻抗。R5、R7均取50 Ω以满足阻抗匹配。在带通滤波网络右侧，稳压二极管D4、D5构成双向限幅电路，防止信号幅度太大损坏后续信号解码电路。

2.3 载波信号发送端电路的设计

载波信号发送端电路见图3，前级输入的高频载波信号经signal输入到三极管Q1及外围元器件组成的单调谐功率放大器进行选频功率放大，通常可将载波信号的输出功率提高几十倍，然后信号经调谐网络耦合到电力线上。在Q1发射极接入电阻R3可有效防止电路自激，调整C3值可微调调谐网络的震荡频率。

图3 载波信号发送电路

制作耦合器时应将初、次级线圈围绕在环形氧铁磁芯上，匝数少，匝间距离大以减少线圈的漏感和分布电容；采用高频铁氧体(如镍锌铁氧体)以减少磁芯功率损耗；采用高导磁率磁芯，加大环形磁芯横截面积。

3 宽带耦合电路的性能测试

3.1 仿真性能测试

按电容耦合装置电路图(见图4)，在Multisim 12中进行实时仿真，不同频点波特测试仪1和波特测试仪2测得的带通滤波频点波形图和高通滤波性能波形图分别如图5和图6所示。

由图5可以看出，图5(a)和图5(d)在截止频率1～30 MHz处，阻带衰减均达到-50 dB以上，比预期效果好。由图5(b)和图5(c)可知，电容耦合装置的带通滤波网络的通频带为2～30 MHz，通带内工作衰减基本平坦，纹波最大为-3 dB，满足设计要求。

图4 电容耦合装置电路图

(a)(b)(c)(d)

图5 带通滤波频点波形图

图6为电容耦合装置进行强弱电分离和分压端的高通滤波性能示意图，能够允许150 kHz以上的高频信号通过，有效隔绝了工频和其他低频噪声的干扰，对2～30 MHz的载波信号的衰减接近0。

图6 高通滤波性能波形图

3.2 实物性能测试

按图7所示框图搭建测试电路。信号发生器的扫描信号设置为1～30 MHz，通过屏蔽电缆连接电容耦合装置，将信号注入到电力线，再同去耦合装置将扫频信号输入到频谱分析仪，调整频谱分析仪的分析带宽为1～30 MHz，以得到电容耦合器的工作衰减特性曲线，如图8所示。测试结果表明，在1～30 MHz范围内工作衰减基本处于-4～-9 dB，即高通电容耦合器的衰减性能为-4～-9 dB，衰减特性较平坦，满足设计需求。

图7 电容耦合装置性能测试框图

图8 电容耦合器的工作衰减特性曲线

4 结 语

由以上的分析可知，一个良好的宽带耦合器对低压宽带载波通信具有重要的意义，本文采用X电容隔离压降，经计算分析后使用切比雪夫带通滤波器二次滤除高频干扰和噪声信号，使得信号在1～30 MHz频带内以较高的信噪比在电力线上传输。仿真与性能测试表明，宽带耦合电路在通带内比已有的宽带耦合电路衰减要小且较为平稳，能有效的隔绝工频和其他噪声的干扰，满足宽带载波通信的需求。

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A Study of the Coupling Device for Low Voltage Power Line Carrier Communication

ZHANGXia1,ZHOUKe1,HEWei2,ZHANGChao1

(1. School of Electrical Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Zhuhai Wellthing Microelectronics Co., LTD, Zhuhai 519085, China)

The coupling device is crucial for high efficient and reliable utilization of broadband power line carrier communication. Based on the design requirements of broadband coupling device, a coupled circuit is designed based on the capacitive coupling technology to satisfy the requirement for high speed broadband carrier communication. Also the existing carrier transceiver circuits are improved, the fifth order Chebyshev type I band-pass filter circuit is used to filter the signal at the receiving end so that desired signals can be received accurately. The filtering and coupling performances of the designed circuit are simulated and analyzed by Mutisim 12. Finally, the physical device of the designed circuit is tested, the result shows that the capacitive coupling device meets the requirements of high-speed broadband carrier communication.

broadband carrier; capacitive coupling; filter circuit; performance test

2015-05-14

贵州省科技厅技术基金项目(20147614);贵州省科学技术基金项目(20132125); 贵州大学研究生创新基金项目(2015007)

张 霞(1991-)，女，贵州毕节人，硕士生，从事电力线载波通信技术研究。Tel.:15285116021;E-mail:1191893483@qq.com

周 克(1977-)，男，博士，副教授，主要从事通信信号处理、智能电网技术等研究。

Tel.:18908511477;E-mail:462665185@qq.com

TN 913.6

A

1006-7167(2016)08-0067-04