專利名稱：Prime頻帶上的有效的低電壓到中等電壓發(fā)射的制作方法
技術領域：
實施例大體上是針對電力線通信(PLC)，且更具體來說，涉及低電壓到中等電壓發(fā)射的方法。
背景技術：
電力線通信(PLC)是用于高級計量基礎設施(AMI)的有用媒體。PLC允許通過已經安裝的線路來發(fā)送通信信號，因此無需添加新的通信線路。在歐洲和中國，許多房屋是在一個低電壓(LV)/中等電壓(MV)配電變壓器下連接的。在這些國家中，AMI正通過低電壓線路來實施。這意味著單個基本節(jié)點可駐留在LV側且可服務于許多房屋。在此情況下，來自基本節(jié)點的通信信號無需傳遞通過LV/MV配電變壓器而到達服務節(jié)點。
然而，在美國，僅少數房屋連接于LV/MV配電變壓器的低電壓側上。因此，假如在美國系統中基本節(jié)點將定位于低電壓側上，那么將需要許多基本節(jié)點來覆蓋大的區(qū)域或大量房屋。為了具有成本效益且為了用較少的基本節(jié)點服務盡可能多的房屋，在美國電力網中，基本節(jié)點應駐留于LV/MV配電變壓器的中等電壓側上。這意味著通信信號將必須傳遞通過LV/MV配電變壓器。LV/MV配電變壓器通常充當低通濾波器，因為其經設計以傳遞50/60Hz功率信號。
發(fā)明內容
在一個實施例中，一種用于電力線通信網絡上的通信的調制解調器接口包括單獨的發(fā)射器和接收器變壓器。發(fā)射變壓器適于通過中等電壓耦合器將來自調制解調器的信號耦合到所述電力線通信網絡上的中等電壓線路。所述發(fā)射變壓器具有第一匝數比。接收器變壓器適于通過中等電壓耦合器將從所述中等電壓線路接收的信號耦合到所述調制解調器。所述接收變壓器具有大于所述第一匝數比的第二匝數比。用于所述發(fā)射變壓器的所述第一匝數比經選擇以放大從所述調制解調器發(fā)射的所述信號，且用于所述接收變壓器的所述第二匝數比經選擇以放大從所述電力線通信網絡接收的所述信號。在一個配置中，用于所述發(fā)射變壓器的所述第一匝數比為I : I. 5，且用于所述接收變壓器的所述第二匝數比為 I. 5 : I。在另一實施例中，一種用于電力線通信網絡上的通信的接口包括變壓器電路，其將調制解調器耦合到電力線。第一耦合電容器將所述變壓器電路耦合到所述電力線。第二耦合電容器可經由開關并聯耦合到所述第一耦合電容器。在所述調制解調器的接收期間所述開關置于斷開位置。接著在所述調制解調器的發(fā)射期間所述開關置于閉合位置。所述第二電容器的值經選擇以在所述開關閉合時增加所述接口的無功功率。所述電力線可為低電壓或中等電壓電力線。在又一實施例中，一種用于電力線通信網絡的接口包括線路驅動器電路，其提供數據信號以發(fā)射到所述電力線通信網絡。無源濾波器耦合到所述線路驅動器電路的輸出，且變壓器耦合到所述無源濾波器的輸出。高通濾波器耦合在所述變壓器的輸出與中等電壓電力線之間。所述高通濾波器和無源濾波器使所述中等電壓電力線上的處于功率載波頻率的信號在可到達所述線路驅動器電路之前衰減。所述功率載波頻率可為50赫茲或60赫茲。所述變壓器具有某一匝數比，所述匝數比使從所述線路驅動器電路發(fā)射的數據信號放大，且使處于功率載波頻率的從所述中等電壓電力線接收的信號衰減。
在如此概括地描述本發(fā)明之后，現在將參考附圖，附圖中圖I說明用于LV/MV通信的典型通信系統；圖2說明典型商業(yè)LV/MV配電變壓器的頻率響應；圖3說明典型MV耦合器的從MV線路側看到MV調制解調器的頻率響應； 圖4說明LV/MV配電變壓器和MV耦合器的組合效應；圖5說明商業(yè)LV/MV變壓器的從MV側到LV側的頻率響應；圖6說明MV耦合器的從MV調制解調器側線路看對MV線路側的頻率響應；圖7說明LV/MV配電變壓器與MV耦合器的組合效應；圖8說明其中調制解調器具有不同發(fā)射接口和接收接口的通信電路；圖9說明其中調制解調器耦合到MV發(fā)射線路的耦合電路的另一實施例；以及圖10說明用于LV調制解調器的耦合電路。
具體實施例方式現將在下文中參考附圖更完整地描述本發(fā)明。然而，本發(fā)明可以許多不同形式體現且不應解釋為局限于本文陳述的實施例。而是，提供這些實施例以使得本發(fā)明將為詳盡且完整的，且將把本發(fā)明的范圍完整地傳達給所屬領域的技術人員。所屬領域的技術人員可能夠使用本發(fā)明的各種實施例。以下揭示內容首先描述商業(yè)LV/MV配電變壓器的特性，且接著論述用以改善通信信號如何從LV到MV或從MV到LV傳遞通過LV/MV配電變壓器的方式。LV/MV通信鏈路表征圖I說明用于LV/MV通信的典型通信設置。在LV/MV配電變壓器102的LV側上的LV調制解調器101通過LV/MV變壓器102發(fā)射和接收信號。MV調制解調器103對應地接收來自LV調制解調器101的信號，且將其它信號發(fā)射到LV調制解調器101。LV發(fā)射線路具有線路阻抗Rw，且MV發(fā)射線路具有線路阻抗Rw。在圖I中說明的此實例網絡中，假定Rlv = 2歐姆且Rmv = 600歐姆。圖I還展示MV耦合器104，其將MV調制解調器103連接到MV發(fā)射線路。為了保護MV調制解調器以免受到MV發(fā)射線路上的較高電壓影響，必須阻擋50/60HZ高電壓信號使之避開MV調制解調器103，同時允許通信信號傳遞到MV調制解調器103和從MV調制解調器103傳遞。MV耦合器104充當抑制低頻信號的帶通/高通濾波器。LV 到 MV 表征圖2說明典型的商業(yè)LV/MV配電變壓器的頻率響應，所述配電變壓器例如為可從得克薩斯州格林維爾市的格林維爾變壓器公司(Greenville Transformer Company,Greenville, Texas)購得的LV/MV配電變壓器。曲線說明從LV側傳遞到MV側的信號的頻率響應。在實施例中，LV/MV變壓器具有I : 30的變壓器匝數比。因此，LV側上的240V變?yōu)镸V側上的7200V。圖2中的曲線表示無限(即，開路)(201),50歐姆(202)和600歐姆(203)的MV線路阻抗。如圖2中繪制的曲線中所示，LV/MV配電變壓器充當低通濾波器。對于600歐姆的線路阻抗，PRIME頻帶(40-90kHz)中的頻率具有近似IOdB到15dB的衰減。圖3說明典型MV耦合器的從MV線路側看到MV調制解調器的頻率響應。圖3中的曲線表示耦合器的調制解調器側上的無限(即，斷開)(301)和50歐姆(302)的阻抗。在PRIME頻帶中，衰減近似為IOdB。圖4說明LV/MV配電變壓器和MV耦合器的組合效應(401)。結果是PRME頻帶中的近似25dB衰減。
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MV 到 LV 表征圖5說明商業(yè)LV/MV變壓器的從MV側到LV側的頻率響應。LV/MV變壓器匝數比為I : 30。對于LV側的線路阻抗，曲線說明無限(501)、50歐姆(502)和2歐姆(503)阻抗。LV/MV配電變壓器充當低通濾波器。在2歐姆的典型LV線路阻抗的情況下，在PRME頻帶中存在近似50dB到60dB的衰減。圖6說明MV耦合器的從MV調制解調器側線路看到MV線路側的頻率響應。圖6中的曲線表示MV線路側上的無限(601)和400歐姆(602)的阻抗。在PRME頻帶中，MV耦合器具有近似IOdB的增益。圖7說明LV/MV配電變壓器與MV耦合器的組合效應(701)。結果是PRME頻帶中的近似40dB到50dB的衰減。如上所述，對于在PRME頻帶中操作的典型LV/MV配電變壓器和典型MV耦合器，存在從MV到LV的45dB衰減以及從LV到MV線路的25dB衰減。在此情況下，MV到LV鏈路和LV到MV鏈路不平衡。用以改善LV調制解調器101與MV調制解調器103 (圖I)之間的鏈路質量的一種方式是提升信號電平。以下部分提出針對在兩個方向上的鏈路改善的若干建議。MV到LV鏈路改善在一個實施例中，可在每一調制解調器處在發(fā)射和接收側上使用不同的隔離變壓器。舉例來說，在MV到LV通信路徑上，存在近似45dB衰減。在PRME MV調制解調器的一個實施例中，I. 5 I的隔離變壓器比用于MV調制解調器的發(fā)射側和接收側兩者。如果在調制解調器側上將2Vrms注入到MV耦合器中，那么在LV線路上由MV耦合器和LV/MV變壓器引起的衰減之后電壓電平將為僅5mVrmS。如果改為I : I. 5的隔離變壓器比用于MV調制解調器的發(fā)射側，那么對線路注入的信號在MV耦合器之前將為4. 5Vrms,且在LV調制解調器處接收的信號電壓在45dB衰減之后將為12. 5mVrms。從接收器靈敏度來看，此電壓電平(12. 5mVrms)對調制解調器提供用于解碼的足夠信號強度。應注意，減小MV調制解調器的發(fā)射路徑處的發(fā)射比是通過兩個事實實現的。第一，進行的發(fā)射測試對于通過耦合器注入到MV線路中的信號來說可能不適用或可能較寬松。第二，MV線路的阻抗預期比LV線路的阻抗高，所述LV線路通常比MV線路更多地加載。因此，即使變壓器比減小，MV調制解調器處的線路驅動器所見的阻抗(與變壓器比的平方成正比)也將仍足夠大而不會不利地影響信號質量。以上方法的變型是使用不同的耦合電路用于MV調制解調器的發(fā)射側和接收側。在一個實施例中，發(fā)射器路徑可使用具有比接收器路徑小的匝數比的隔離變壓器。兩個隔離變壓器均連接到MV耦合器。此技術的優(yōu)點是在不減小接收器靈敏度的情況下獲得增加的發(fā)射信號電平。圖8說明其中調制解調器801與調制解調器802通信的通信電路800。調制解調器801、802使用在發(fā)射側和接收側上具有不同耦合比的變壓器。從調制解調器來看，發(fā)射側上的隔離/耦合變壓器803、804具有1.5 I的匝數比，且接收側上的隔離/耦合變壓器805、806具有I : 1.5的匝數比。因此，信號在每一變壓器處接收到升壓以抵消MV耦合器和LV/MV變壓器(未圖示)中的衰減損失。在另一實施例中，可增加供應電壓以產生較高電壓信號。舉例來說，當前調制解調器使用15V信號。假如改為使用24V信號，那么在發(fā)射器處將會提供高4dB的信號電平。在此情況下，I. 5 I變壓器有3. 2Vrms信號(I I. 5變壓器有7. 2Vrms)，且在衰減之后，在發(fā)射器處I. 5 I變壓器有20mV信號(I I. 5變壓器有45mV)。在替代實施例中，可使用在信號頻帶中具有低阻抗的耦合電路。這將會減小由來 自耦合電路的源阻抗引起的損失。圖9說明其中調制解調器901耦合到MV發(fā)射線路902的另一實施例。圖9的耦合電路900經設計以用于MV側上的低于IOkHz的信號。來自調制解調器901的信號被發(fā)射通過線路驅動器903。信號接著傳遞通過無源濾波器904、耦合變壓器905以及高通濾波器(HPF) 906，之后注入到MV線路902上。變壓器905可具有例如I : 2的匝數比。在一個實施例中，HPF 906是在6kHz處具有拐點的雙極濾波器。在另一實施例中，HPF906可為單極濾波器；然而，這可能是困難的，原因在于在線路驅動器側上所看到的大電壓且還因為在所述側上所看到的小線路阻抗。應注意，MV側阻抗可低達10歐姆。耦合電路900允許來自調制解調器901的信號傳遞到MV線路902，同時阻擋MV線路902上的高電壓50/60HZ信號到達調制解調器901。如在圖9中所示的實例中所說明，MV線路上的處于50/60HZ的12kVrms信號由HPF 906衰減到3Vrms。變壓器905進一步將信號衰減到I. 5VrmSo無源濾波器904將信號減小到調制解調器線路驅動器處的O. 5Vrms，這防止了對線路驅動器電路903或對調制解調器901的損壞。LV到MV鏈路改善對于從LV調制解調器(101)發(fā)送到MV調制解調器(103)的信號，可例如通過增加供應電壓以在LV調制解調器101處產生較高信號來改善發(fā)射。舉例來說，如果15V信號與2歐姆的線路阻抗一起使用，那么產生的信號電壓是lVrms，且在20dB衰減之后，電壓將為lOmVrms。如果改為使用24V電源，那么產生的信號電壓將為I. 6Vrms，且在20dB衰減之后，信號電壓將為16mVrms。因為LV側處的線路阻抗較小，所以可能不可在發(fā)射器處使用低匝數比變壓器。舉例來說，如果使用I : I. 5變壓器且線路阻抗為2歐姆，那么源側處的信號電平將為2/(15)2=O. 89歐姆。在此情況下，可能未通過LV線路注入足夠的電壓。然而，針對發(fā)射器使用不同耦合電路具有其它優(yōu)點。在許多情況下，在耦合電路消耗的無功功率與耦合電路中針對小負載阻抗的發(fā)射信號損失量之間存在折中。為了避免高恒定無功功率，可使用用于發(fā)射器的不同耦合，例如以僅在發(fā)射期間的較高無功功率為代價而經調諧以減小信號損失的變壓器。此技術適用于低電壓線路和中等電壓線路兩者上的通信，但預期在低電壓側上更有用，因為LV線路中的無功功率規(guī)范較嚴格。
圖10說明用于LV調制解調器的耦合電路。調制解調器1001經由變壓器1002和耦合電容器CL耦合到LV線路1003。在發(fā)射側上，調制解調器1001包含線路驅動器1004和耦合電路1005，這提供濾波和保護。在接收側上，調制解調器1001包含接收器1006。調制解調器1001還耦合到開關電容器電路1007。當調制解調器1001即將進行發(fā)射時，其命令開關1008閉合，進而將發(fā)射電容器Ctx并聯耦合到LV線路。耦合電容器Q的值與無功功率成正比，但與耦合電路的帶內阻抗成反比，且因此，在發(fā)射期間引起信號損失。通過在發(fā)射期間耦合并聯電容器Ctx，無功功率增加。接收器1006具有大的觀測阻抗，因此即使具有較低無功功率的較小耦合電路Q也不會導致接收器處的顯著信號損失或靈敏度減小。并聯電容器Ctx僅為了發(fā)射而切換到電路中。預期發(fā)射時間將小于接收/收聽時間(即，低工作循環(huán))，且LV線路將偶爾被加載。在其它實施例中，可針對LV調制解調器使用在信號電平下具有低阻抗的不同耦合電路?；蛘?，圖9中的耦合電路可通過將接收器連接到無源濾波器904的輸出而在MV側上使用。得益于在上述描述和相關聯附圖中呈現的教示的本發(fā)明所屬領域的技術人員將想到本發(fā)明的許多修改和其它實施例。因此，應了解，本發(fā)明應不限于所揭示的特定實施 例。雖然本文中使用特定術語，但這些術語僅在一般且描述性意義上使用且不用于限制的目的。
權利要求
1.一種用于電力線通信網絡上的通信的接口，其包括 發(fā)射變壓器(803)，其適于將從調制解調器(801)發(fā)射的信號耦合到所述電力線通信網絡上的中等電壓線路，所述發(fā)射變壓器(803)具有第一匝數比；以及 接收變壓器(805)，其適于將從所述電力線通信網絡上的所述中等電壓線路接收的信號耦合到所述調制解調器(801)，所述接收變壓器(805)具有大于所述第一匝數比的第二匝數比。
2.根據權利要求I所述的接口，其中用于所述發(fā)射變壓器(803)的所述第一匝數比為I I. 5，且其中用于所述接收變壓器(805)的所述第二匝數比為1.5 I。
3.根據權利要求I所述的接口，其中用于所述發(fā)射變壓器(803)的所述第一匝數比經選擇以放大從所述調制解調器(801)發(fā)射的所述信號，且其中用于所述接收變壓器(805)的所述第二匝數比經選擇以放大從所述電力線通信網絡接收的所述信號。
4.一種用于電力線通信網絡(1003)上的通信的接口，其包括 變壓器電路(1002)，其將調制解調器(1001)耦合到電力線(1003)； 第一耦合電容器(CL)，其將所述變壓器電路(1002)耦合到所述電力線(1003)； 第二耦合電容器(Ctx)，其經由開關(1008)并聯耦合到所述第一耦合電容器(CJ，在所述調制解調器(1001)接收期間所述開關(1008)處于斷開位置，在所述調制解調器(1001)發(fā)射期間所述開關(1008)處于閉合位置。
5.根據權利要求4所述的接口，其中所述第二電容器(Ctx)的值經選擇以在所述開關(1008)閉合時增加所述接口的無功功率。
6.根據權利要求4所述的接口，其中所述電力線(1003)是低電壓電力線(1003)。
7.根據權利要求4所述的接口，其中所述電力線(1003)是中等電壓電力線。
8.一種用于電力線通信網絡(902)的接口，其包括 線路驅動器電路(903)，其提供數據信號以發(fā)射到所述電力線通信網絡(902)； 無源濾波器(904)，其耦合到所述線路驅動器電路(903)的輸出； 變壓器(905)，其耦合到所述無源濾波器(904)的輸出；以及 高通濾波器(906)，其耦合在所述變壓器(905)的輸出與中等電壓電力線(902)之間。
9.根據權利要求8所述的接口，其中所述高通濾波器(906)和無源濾波器(904)使所述中等電壓電力線(902)上的處于功率載波頻率的信號在到達所述線路驅動器電路(903)之前衰減。
10.根據權利要求9所述的接口，其中所述功率載波頻率為50赫茲或60赫茲。
11.根據權利要求8所述的接口，其中所述變壓器(905)具有一匝數比，所述匝數比使從所述線路驅動器電路(903)發(fā)射的數據信號放大，且使處于功率載波頻率的從所述中等電壓電力線(902)接收的信號衰減。
全文摘要
本發(fā)明揭示用于電力線調制解調器的耦合和接口電路。電力線調制解調器可使用電路耦合到低電壓LV線路或中等電壓MV線路，所述電路經設計以補償由LV/MV變壓器和/或MV耦合器產生的信號衰減和損失。在一個實施例中，單獨的耦合變壓器(803、805)可由用于接收和發(fā)射的調制解調器使用。在其它實施例中，在所述調制解調器發(fā)射之前在發(fā)射線路上接通電容以降低線路阻抗。
文檔編號H04B3/54GK102870337SQ201180019494
公開日2013年1月9日 申請日期2011年4月29日 優(yōu)先權日2010年4月29日
發(fā)明者日韓·馬蘇德·金, 巴德里·N·瓦拉達拉詹, 阿南德·G·達巴克 申請人:德州儀器公司