|
電力線載波通信PLCT(Power Line Carrier Transceivers)利用現有電網的電力線作為傳輸信道，以載波方式進行數據／語音通信。它利用現有的電力線路，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)已經在電力部門內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的研究已經非常深入和成熟。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別，突出表現在工作環境惡劣、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、防火報警系統、智能化家電控制系統等中低速的數據傳輸系統中。但是絕大部分低壓電力線路是作為數字信息的通信媒介。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。 1 系統工作原理及電路設計 1.1 工作原理及組成 系統組成及原理框圖如圖1所示。系統由一個發送機、220V電力線傳輸通道和若干并接在電力線上的接收機組成。在發送機端，音頻信號經電力線modem調制為100kHz以上的高頻調制信號，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出聲音。 載波頻率根據電力線的頻率特性，一般選擇在40kHz~600kHz。本系統中載波頻率為125kHz，采用頻率調制(FSK)。 1.2 音頻信號的調制解調 圖2給出了發送機和接收機的音頻調制解調原理圖。 本系統電力線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，可用來實現數據及語音在電力線上的傳輸。LM1893采用FSK調制方式，內置自動電平控制(ALC)電路，內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，可驅動任何常規電力線。 如圖2，在LM1893的收發控制器(5腳)輸入高電平時，LM1893處于發送狀態。音頻信號經調制器(MOD)調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)后輸出幅度穩定的頻率受調于輸入信號的正弦波信號，在10腳送入電力線接口。 當LM1893的收發控制器(5腳)輸入低電平時，LM1893處于接收狀態，由電力線接口電路送來的高頻信號經限幅器(LIMITER)限幅后，送入解調電路(鑒頻器[PHASE DET]和鎖相環[PLL])；解調后經阻容低通濾波器進行環路濾波，饋入電平偏移抵消電路(OFFSET CANCEL)濾除直流分量，經比較器(COMP)判別后得到數字信號，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據信號，而本系統中接收的是音頻信號，因此直接在鑒相器后(3、4腳)取出解調信號。 發送/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。增大/減小C0或R0的取值，即可實現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)是電力線載波系統的關鍵部件之一，也是系統設計的難點。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節，它直接影響通訊的質量。圖3中變壓器T不但實現了與電力線的隔離，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，回路的品質因素為Q，則有：? L0＝R0//Z/2πF0Q=BWR0//(N2Z)/ 2πF0（符號"／／"表示并聯）（2） C0=1/（2πF0）2L0 （3） 這里，N一般為Z的函數，當阻抗匹配時，可按下式計算N： Ｎ＝R0/Z （４） 耦合變壓器采用優質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、穩壓范圍寬、電隔離性能好等特點。 電容CC實現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絡把這些噪聲信號過濾掉。經過濾波網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動揚聲器。如圖4所示。 為了使電路在沒有載波時實現靜噪功能，系統利用開路電壓比較器LM339來實現。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境，且LM1893為非專用為模擬音頻信號的傳輸，因此在本系統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、感性負載產生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時產生的干擾、電網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的傳輸系統，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，經過改造可以應用于公共廣播和樓宇傳呼等方面。 |
