|
電力線載波通信PLCT(Power Line Carrier Transceivers)利用現(xiàn)有電網(wǎng)的電力線作為傳輸信道，以載波方式進行數(shù)據(jù)／語音通信。它利用現(xiàn)有的電力線路，無需另外架設通信線路，也不占用通訊頻率資源，故成本相對較低。 利用10kV以上高壓電力線載波通信(載波電話)已經(jīng)在電力部門內(nèi)部的語音通訊上獲得廣泛應用，對高壓電力線進行高頻信號傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)非常深入和成熟。但是，在220/380V低壓電力線進行信號傳輸，與高壓電力線載波通信有較大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗和信號衰減時變性強、干擾大等特點。近幾年來，由于新型載波通信芯片的推出以及先進通信方式的采用，國內(nèi)外已把低壓電力線載波通信技術應用于遠程自動抄表系統(tǒng)、防火報警系統(tǒng)、智能化家電控制系統(tǒng)等中低速的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。但是絕大部分低壓電力線路是作為數(shù)字信息的通信媒介。本文介紹利用電力線modem芯片LM1893、采用低壓電力線作為通信媒介的語音、音樂信號傳輸系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)工作原理及電路設計 1.1 工作原理及組成 系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由一個發(fā)送機、220V電力線傳輸通道和若干并接在電力線上的接收機組成。在發(fā)送機端，音頻信號經(jīng)電力線modem調(diào)制為100kHz以上的高頻調(diào)制信號，通過電力線接口電路送入220V交流電力線。在接收機端，電力線上各種頻率信號通過隔離耦合電路進入接收機，選頻放大電路僅選出發(fā)送機送來的高頻信號，濾掉其他頻率的信號。過濾后的高頻信號再由電力線modem解調(diào)出原始的音頻信號，最后由音頻功放對音頻信號進行放大并推動揚聲器發(fā)出聲音。 載波頻率根據(jù)電力線的頻率特性，一般選擇在40kHz~600kHz。本系統(tǒng)中載波頻率為125kHz，采用頻率調(diào)制(FSK)。 1.2 音頻信號的調(diào)制解調(diào) 圖2給出了發(fā)送機和接收機的音頻調(diào)制解調(diào)原理圖。 本系統(tǒng)電力線modem采用集成電路LM1893。LM1893/2893是美國國家半導體公司出品的電力線載波通信芯片，可用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)及語音在電力線上的傳輸。LM1893采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)置自動電平控制(ALC)電路，內(nèi)置可選擇的脈沖噪聲濾波器，輸出功率極易提升10倍，載頻范圍50kHz~300kHz可任意選定，接收靈敏度達2mV，可驅(qū)動任何常規(guī)電力線。 如圖2，在LM1893的收發(fā)控制器(5腳)輸入高電平時，LM1893處于發(fā)送狀態(tài)。音頻信號經(jīng)調(diào)制器(MOD)調(diào)制后變成受控電流信號，送入電流控制振蕩器(ICO)，形成頻率受電流控制的三角波，再經(jīng)正弦波形成電路(SINE SHAPER)形成正弦波，通過自動電平控制(ALC)電路和輸出功率放大器(OUTPUT AMP)后輸出幅度穩(wěn)定的頻率受調(diào)于輸入信號的正弦波信號，在10腳送入電力線接口。 當LM1893的收發(fā)控制器(5腳)輸入低電平時，LM1893處于接收狀態(tài)，由電力線接口電路送來的高頻信號經(jīng)限幅器(LIMITER)限幅后，送入解調(diào)電路(鑒頻器[PHASE DET]和鎖相環(huán)[PLL])；解調(diào)后經(jīng)阻容低通濾波器進行環(huán)路濾波，饋入電平偏移抵消電路(OFFSET CANCEL)濾除直流分量，經(jīng)比較器(COMP)判別后得到數(shù)字信號，通過脈沖噪聲濾波器(IMPULSE NOISE FILTER)濾除脈沖尖峰干擾后輸出。但是在接收通道中，鑒相器以后的電路只能通過數(shù)據(jù)信號，而本系統(tǒng)中接收的是音頻信號，因此直接在鑒相器后(3、4腳)取出解調(diào)信號。 發(fā)送/接收的載波頻率由外接的振蕩電容C0確定，可變電阻R0對載波頻率F0進行微調(diào)。增大/減小C0或R0的取值，即可實現(xiàn)載波頻率的增高或減低。C0的取值由下式確定 C0=70.6×10-6/F0 （１） 1.3 電力線接口 電力線接口(PLI)是電力線載波系統(tǒng)的關鍵部件之一，也是系統(tǒng)設計的難點。PLI由保護電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，目的是把LM1893同電力線隔離，在電力線上加載或析取信號。發(fā)送機的PLI和接收機的PLI相同，其電路如圖3所示。 保護電路使用電阻和二極管組成的限幅電路，避免系統(tǒng)受瞬時過電壓的干擾。這里的瞬時過電壓包括電力線上感應的強雷電脈沖、電力線上傳來的用電器造成的強尖峰干擾以及本設備諧振回路產(chǎn)生的峰值電壓等。增大電阻限幅效果更好，但是信號被衰減更多，一般取4.7Ω。二極管可采用快速大功率齊納管。 選頻耦合電路是一個很重要的環(huán)節(jié)，它直接影響通訊的質(zhì)量。圖3中變壓器T不但實現(xiàn)了與電力線的隔離，同時T的初級線圈和電容C0構成一個諧振回路，諧振頻率為載波頻率。為了最大限度地將信號耦合到電力線上，必須做到阻抗匹配，這就要求變壓器T選擇合適的變比。因此變壓器T的設計是關鍵。設T的初級自感為L0，總損耗電阻為R0，匝數(shù)比為N，次級負載(電力線)阻抗為Z，反射阻抗為Zr，諧振回路中心頻率為F0，帶寬為BW，回路的品質(zhì)因素為Q，則有：? L0＝R0//Z/2πF0Q=BWR0//(N2Z)/ 2πF0（符號"／／"表示并聯(lián)）（2） C0=1/（2πF0）2L0 （3） 這里，N一般為Z的函數(shù)，當阻抗匹配時，可按下式計算N： Ｎ＝R0/Z （４） 耦合變壓器采用優(yōu)質(zhì)高頻鐵氧體材料為磁心的高頻變壓器。高頻鐵氧體材料為磁心的新一代電源轉換功率器件?具有效率高、體積小、穩(wěn)壓范圍寬、電隔離性能好等特點。 電容CC實現(xiàn)耦合變壓器次級至電力線的工頻隔離，它讓高頻載波信號得以通過，同時過濾掉電力線上50/50Hz的工頻信號。 1.4 音頻放大/靜躁 解調(diào)時，音頻信號由LM1893的3腳和4腳輸出的。同時輸出的還有2F0的頻率成分和噪聲信號，可以通過一個低通濾波網(wǎng)絡把這些噪聲信號過濾掉。經(jīng)過濾波網(wǎng)絡出來的音頻信號十分微弱，音頻放大器LM358對其進行前置放大，然后送功率放大器放大驅(qū)動揚聲器。如圖4所示。 為了使電路在沒有載波時實現(xiàn)靜噪功能，系統(tǒng)利用開路電壓比較器LM339來實現(xiàn)。當有載波時，載波輸出檢測電路的輸出端輸出低電平，比較器的兩端為高電平，對音頻信號的衰減很少，能夠通過放大器。在沒有載波信號時，載波檢測電路的輸出端輸出高電平，電平高于比較器正向輸入端的1.6V，比較器輸出低電平，把放大器的正反向輸入端的信號都屏蔽掉，實現(xiàn)靜噪功能。 為了獲取圖4中的載波檢測信號，需要對信道進行載波檢測。鑒音器LM567(鎖相環(huán)電路)具有識別載頻功能，頻帶達0~500kHz，用作載波檢測很合適，只需幾個阻容元件配合該電路芯片即可決定中心頻率和帶寬。載波檢測電路如圖5，信道無載波時輸出端為高電平。 2 主要問題及對策 由于低壓電力線上惡劣的通信環(huán)境，且LM1893為非專用為模擬音頻信號的傳輸，因此在本系統(tǒng)的設計中碰到了一些問題，下面做簡單的總結。 (1)音頻輸入信號幅值不可過高，一定要限制在±1V，否則會造成載波信號的失真而影響甚至不能通信。 (2)載波信號的傳輸距離。在無法對通信環(huán)境進行改善的情況下，提高載波信號的功率對延長傳輸距離具有很好的效果。具體實現(xiàn)可在LM1893的載波輸出端增加一級放大。 (3)載波頻率的選擇。對于電力線通信，載波頻率越高，衰減越高，載波頻率越低，衰減越小。但是載頻太低，電力線上的干擾噪聲信號更多更強。在實驗中應當選用不同的載波頻率，在不同的距離上傳輸音頻信號，根據(jù)實驗結果選擇最佳的載頻。 (4)在電力線上存在各種各樣的干擾，主要包括電源線中的高頻干擾、感性負載產(chǎn)生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時下降干擾和拉閘過程形成的高頻干擾。對于以上各種問題，解決的方法主要是屏蔽、濾波、接地，在線路板上布線時應注意減小分布電容和分布電感。 (5)異相傳輸需要在相線間并接耐壓電容以提供信號通路。由于不便跨接相間耦合電容，本實驗是在同相線路上進行的，沒做跨相實驗。 利用電力線載波技術實現(xiàn)的傳輸系統(tǒng)，能夠避免繁重的布線工作，具有造價低、線路牢固可靠、安裝方便等特點。本文介紹的音頻傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過改造可以應用于公共廣播和樓宇傳呼等方面。 |
