CN102474303B - 电力线通信设备 - Google Patents

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Abstract

用于经由电力线传送数据的设备和系统。设备包括发射机，发射机包括调制器，用于基于输入数据产生第二数字信号；数字缓冲器，用于放大第二数字信号，以产生第三数字信号；滤波器，用于滤波第三数字信号，以产生模拟输出波形；和耦合器，用于将模拟输出波形耦合到电力线。

Description

电力线通信设备
发明背景
本公开的实施方式通常涉及电力线通信，尤其是，涉及用于通过电力线提供通信的设备。
相关技术的说明
电力线通信(PLC)是使用电力线在耦合至电力线的装置之间传送数据的技术，该电力线例如是现有的商业AC电网基础设施。PLC通常以一点对多点的方式进行操作，其中每次一个发射机通过电力线进行发送，同时耦合至电力线的其它装置接收发送的信号。
对于PLC传输，发射机通常通过隔离变压器耦合到电力线上，以及根据PLC的相关标准发出电力线上的电压激励(即基于电压的信号)，例如BS EN 50065-1：2001“Specification for Signaling on Low-Voltage ElectricalInstallations in the Frequency Range 3kHz to 148.5kHz”。这些相关标准阐述了PLC操作的规范，例如最高电压电平。由于电力线在用于PLC的相关频带中具有不确定的和可变的阻抗，因此可能要求发射机模块产生大量的电流，例如数百毫安的数量级，以满足PLC电压的需要。
通常，PLC发射机使用线性放大器，以实现用于PLC传输所需的放大和信号处理。但是，当操作该装置以驱动在电力线上的大电流时，该装置消耗较高的功率等级，因此降低了PLC发射机的效率。此外，PLC发射机通常在功率放大之前进行滤波，以便满足在相关标准中提出的光谱纯度的需要，由此需要大量的昂贵部件。
为了接收通过电力线传送的数据，PLC接收机通常也通过隔离变压器耦合到电力线上。PLC接收机被要求提供大的输入阻抗，以在放大之前限制从电力线进入接收机的噪音，因此需要昂贵数量的部件以实施该功能。
因此，本领域中需要用于高效电力线通信的设备。
发明内容
本发明的实施方式通常涉及经由电力线传送数据的设备和系统。设备包括发射机，发射机包括调制器，用于基于输入数据产生第二数字信号；数字缓冲器，用于放大第二数字信号，以产生第三数字信号；滤波器，用于滤波第三数字信号，以产生模拟输出波形；和耦合器，用于将模拟输出波形耦合到电力线。
附图的简要说明
为了能详细地理解本发明上述特征的方式，上面简单概括的本发明的更具体的内容可以参照实施方式，其中一些在附图中示出。但是，应当注意，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明的限制，因为本发明可以允许其它同样有效的实施方式。
图1是根据本发明的一个或多个实施方式通过AC电力线传送数据的系统的方框图；
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的发射机的方框图；
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的接收机的方框图；
图4是根据本发明的一个或多个实施方式的耦合器的方框图；以及
图5是使用本发明的一个或多个实施方式将太阳能产生的DC功率逆变为AC功率的系统的方框图。
详细说明
图1是根据本发明的一个或多个实施方式通过AC电力线传送数据的系统100的方框图。系统100包括耦合至电力线通信收发机(PLCT)104的装置102，PLCT104进一步经由接线盒114耦合至AC电力线120(“电力线120”)。此外，系统100包括耦合至PLCT104A的装置102A，PLCT104A进一步经由接线盒114A耦合至电力线120。装置102和102A是需要用于传送和/或接收数据的通信带宽的装置，例如家用计算机、外围设备等，并且装置102和102A能够分别经由PLCT104和104A通过电力线120互相通信。在某些实施方式中，PLCT104和/或PLCT104A可以不使用接线盒114/114A而直接耦合到电力线120上。以下参照图5描述使用发明系统的一个具体实施方式。
PLCT104包括发射机106、接收机108和耦合器110，发射机106和接收机108的每个都耦合到装置102和耦合器110上，耦合器110将发射机106和接收机108耦合到接线盒114上。当以“发送模式”操作PLCT104时，发射机106能够经由电力线120将数据发送给装置102A。接收机108能够经由电力线120从装置102A中接收数据。PLCT104能够同时接收和发送数据；但是，当作用时，发射机106通常使接收机108变盲(blind)。在某些实施方式中，控制器116耦合到发射机106上，并且提供启动或禁用发送模式的控制信号。如图1所示，控制器116可以与PLCT104分开，或者可替代地，控制器116可以是PLCT104的部件。
与PLCT104相似，PLCT104A包括发射机106A、接收机108A和耦合器110A。发射机106A和接收机108A耦合到装置102A和耦合器110A上，耦合器110A进一步耦合到接线盒114A上。当以发送模式操作PLCT104A时，发射机106A能够经由电力线120将数据发送给装置102。接收机108A能够经由电力线120从装置102中接收数据。PLCT104A能够同时接收和发送数据；但是，当作用时，发射机106通常使接收机108变盲。在某些实施方式中，控制器116A耦合到发射机106A上，并且提供启动或禁用发送模式的控制信号。如图1所示，控制器116A可以与PLCT104A分开，或者可替代地，控制器116A可以是PLCT104A的部件。
根据本发明的一个或多个实施方式，当以发送模式操作时，发射机106从装置102接收数字输入数据，并且通过电压放大级数字化处理接收的数据，以产生数字化处理数据。在电压放大级后，发射机106产生模拟电压波形，以用于通过电力线120传送数字化处理数据，以使模拟电压波形特性(例如频率、数量、光谱纯度等)满足PLC的相关标准。在某些实施方式中，可以产生模拟电压波形，以具有在50-500KHz频带内的频率(例如在95-148KHz频带中)和数量级为1伏特均方根(RMS)的最高电压，即120分贝/微伏(dBμV)。耦合器110将产生的模拟电压波形耦合到电力线120上。
在发送模式期间，发射机106将最小阻抗(例如在1-5欧姆范围内)提供给电力线120。为了满足考虑到电力线120上的阻抗的变化性而需要的输出电压电平，发射机106能够驱动电力线120上的大电流，例如数百毫安的数量级。为了驱动该大电流，发射机106可以使用大电流等级的互补金属氧化物半导体(CMOS)缓冲器，如下面进一步描述的，以用于在数字域中进行电压放大和驱动必要的电流电平。
当PLCT104正在接收时，耦合器110将来自电力线120的模拟信号耦合到接收机108上。接收机108将接收的模拟电压波形转换成数字输出数据，并将数字输出数据提供给装置102。在某些实施方式中，数字输出数据可以是调制信号的数字表示。例如，数字输出数据可以是FSK信号的数字表示(数字FSK信号)，FSK解调器包含在装置102中或者耦合在接收机108和装置102之间。如下面进一步描述的，接收机108可以包括带通滤波器，以用于滤波接收的波形以消除电力线120固有的噪声。当禁用发送模式时，PLCT104将大输入阻抗提供给电力线120(例如以千欧姆数量级)。当电力线120上存在大量的节点时，该大输入阻抗防止发射机106被“淹没”。
在某些替代实施方式中，PLCT104仅包括发射机106和用于经由电力线120传送信息的耦合器110。另外地或可替代地，PLCT104A可以仅包括发射机106A和用于经由电力线120传送信息的耦合器110A。在这种实施方式中，没有使用接收机108和/或108A。包括接收机的可选性通过接收机108和108A的虚线框来表示。
图2是根据本发明的一个或多个实施方式的发射机106的方框图。发射机106包括耦合到直接数字合成器(DDS)204的频率控制发生器202，DDS204进一步耦合到德耳塔-西格马(Δ∑)调制器206上。Δ∑调制器206耦合到CMOS缓冲器208，CMOS缓冲器208的输出耦合到低通滤波器210。此外，CMOS缓冲器208耦合到控制器116，以用于接收输入以启动/禁用发送模式。当启动发送模式时，CMOS缓冲器208提供低传输阻抗(例如以1-5欧姆的数量级)。当禁用发送模式时，CMOS缓冲器208提供高输入阻抗(例如以千欧姆数量级)。
频率控制发生器202耦合到装置102，以接收用于通过电力线120传输的数字输入数据信号。频率控制发生器202基于接收的数据信号产生数字频率控制信号(例如16至24比特信号)，并将数字频率控制信号耦合到DDS204。DDS204工作在高频下，并根据频率控制信号产生数字移频键控(FSK)信号(即FSK信号的数字表示)。在某些实施方式中，数字FSK信号可以是25MHz频率处的8-10比特宽的数量级。可替代地，数字FSK信号可以包括更少或更多比特，和/或可以在不同频率处。在某些替代实施方式中，可以使用最小FSK调制；在某些其它的替代实施方式中，可以使用除FSK调制之外的调制技术，例如M-ary正交幅度调制(QAM)、正交相移键控(QPSK)、相移键控(PSK)、正交频分复用(OFDM)脉冲幅度调制(PAM)等。
DDS204的输出信号耦合到Δ∑调制器206，Δ∑调制器206可以是单级Δ∑调制器或多级Δ∑调制器。Δ∑调制器206利用脉冲密度调制(PDM)编码接收的数字FSK信号，并提供表示接收的数字FSK信号的数字的1比特输出信号。在某些实施方式中，Δ∑调制器206可以运行在25MHz的频率处，在替代实施方式中，Δ∑调制器206可以运行在不同频率处。
频率控制发生器202、DD2204和Δ∑调制器206构成调制器212，调制器212基于来自装置102的数字输入数据信号产生数字信号。来自调制器212的数字信号(即调制器206的输出)耦合到放大电压的CMOS缓冲器208。CMOS缓冲器208可以是大电流等级的CMOS缓冲器，当电力线阻抗较低时，CMOS缓冲器能够提供充足电流(例如数百毫安)以保持需要的输出电压电平；在某些实施方式中，CMOS缓冲器208可以是0.15至0.25微米数量级的工艺。在某些实施方式中，CMOS缓冲器208可以包括并联耦合的多个缓冲器(例如16个缓冲器)，每个缓冲器能够产生50mA数量级的电流。并联耦合的缓冲器的数量决定了可被驱动的电流的数量，并且被认为是用于系统的设计选择。
在电压放大后，CMOS缓冲器208产生数字输出信号，数字输出信号耦合到低通滤波器210并且被滤波以产生模拟输出。由于Δ∑调制器206运行在高频下，例如25MHz，所以可以在MHz的频带中进行低通滤波，以充分消除由Δ∑调制引起的人为因素。低通滤波器210的输出通过耦合器110耦合到电力线120，如下面参照图4说明的。
图3是根据本发明的一个或多个实施方式的接收机108的方框图。如下面进一步描述的，接收机108通过耦合器110从电力线120接收模拟电压波形，并产生耦合到装置102的数字输出数据信号。
接收机108包括电容302、304、306和314；电感308；电阻312和310；和模数(A/D)转换器316。在某些实施方式中，一个或多个电容/电感/电阻可以是寄生元件。电容302、304和306串联耦合，因此电容302耦合到电容304，电容304接着耦合到电容306，并且从耦合器110接收的模拟波形耦合到电容302、304、和306的串联组合的两端。电感308耦合在电容304和306的串联组合的两端。电容302、304和306以及电感308对接收的模拟电压波形进行带通滤波，以减少固有地存在于电力线120上的噪声(即，以通过具有最小相位/振幅失真的相关信号)。
电阻310耦合在电容306的两端。电阻312耦合在电阻310的第一端和电容314的第一端之间；电阻310的第二端耦合到电容314的第二端。A/D转换器316耦合在电容314的两端，并且A/D转换器316进一步耦合到装置102上。电阻310和312形成高阻抗电阻性负载，A/D转换器316采集此负载两端的电压，以产生用于装置102的FSK调制数字输出信号(即FSK信号的数字表示)。在某些实施方式中，装置102包括用于解调数字输出信号的FSK解调器；可替代地，FSK解调器可以是耦合在接收机108和装置102之间。在某些替代实施方式中，数字输出数据信号可以是最小FSK调制信号、QAM调制信号、QPSK调制信号、PSK调制信号、OFDM调制信号、PAM调制信号等的数字表示。
在某些实施方式中，每个电阻310和312可以是几百欧姆的数量级。每个电容304、306和314可以是几毫微法的数量级；电容302可以是几百微微法的数量级；电感308可以是几百微亨的数量级。
图4是根据本发明的一个或多个实施方式的耦合器110的方框图。耦合器110包括变压器402、电感404、电阻406和电容408、410，电感404表示变压器402的漏电感。在某些实施方式中，可以简化耦合器110。通常，传送信号必须被低通滤波，而不增加输出阻抗并且在接收机不工作时不加载接收机。接收信号必须被带通滤波，以使感兴趣的信号通过并衰减带外噪声，同时保持在感兴趣的频带中的高阻抗。
变压器402是具有高耦合因子的隔离变压器；例如，耦合因子可以是0.95或更大。通常，变压器402具有1∶1匝数比，但是还可以使用其它匝数比。变压器402的初级绕组耦合在每个发射机106和接收机108的两端。变压器402的次级绕组的第一端被描绘成耦合到电感404的第一端。电阻406耦合在电感404的第二端和电容408的第一端之间，提供了用于耦合到电力线120的安全功能。电阻406起作用，以减弱由电阻406、电感404和电容408形成的RLC储能电路(tank)。
电容410耦合在电容408的第二端和变压器402的次级绕组的第二端之间，并且进一步耦合到耦合器110的两个输出端子，以通过接线盒114耦合到电力线120上。电容410提供可选的低通滤波器功能；在某些替代实施方式中，可以将电容410从耦合器110移走。
耦合器110将从发射机106输出的模拟电压波形耦合到电力线120上，和将从电力线120输入的模拟电压波形耦合到接收机108上。
在某些实施方式中，变压器402的初级绕组和次级绕组都具有数量级为几百微亨的电感；电感404(即变压器402的漏电感)是几微亨的数量级；电阻406是几欧姆的数量级；电容408是几百毫微法的数量级；以及电容410是几毫微法的数量级。
图5是使用本发明的一个或多个实施方式将太阳能产生的DC功率逆变为AC功率的系统500的方框图。此示图仅描绘了可以利用本发明的无数种可能的系统配置和装置中的一种变型。可以通过任何用于电力线通信的装置使用本发明，并且本发明可以在需要通过电力线通信的各种分布环境和系统中起作用。
系统500包括共同称为逆变器502的多个逆变器5021、5022...502n、共同称为PV模块504的多个PV模块5041、5042...504n、共同称为PLCT512的多个PLCT5121、5122...512n、512n+1、AC电力线506、逆变器控制器510和负载中心508。
每个逆变器5021、5022...502n分别耦合到PLCT5121、5122...512n；在某些替代实施方式中，每个PLCT5121、5122...512n可以包含在相应的逆变器5021、5022...502n中。此外每个逆变器5021、5022...502n分别耦合到PV模块5041、5042...504n。逆变器控制器510耦合到PLCT 512n+1。
PLCT512耦合到AC电力线506和与如上所述的PLCT104和104A类似地操作。在某些实施方式中，每个PLCT512可以耦合到控制器上(即每一PLCT512对应一个控制器)，例如控制器116，以用于启动/禁用PLCT512的发送模式。AC电力线506进一步耦合到负载中心508上，负载中心508提供在从商业AC电网配电系统进入的商业AC电力线和AC电力线506之间的连接。逆变器502将PV模块504产生的DC功率转换为AC功率，并且调节控制(meter out)与商业AC电网的电压同相的AC电流。系统500将产生的AC功率经由负载中心508耦合到商业AC电网。
逆变器控制器510能够从逆变器502接收数据，并将命令和控制信号发给逆变器502以用于控制逆变器502的功能。根据本发明的一个或多个实施方式，PLCT512通过AC电力线506启动在逆变器502和逆变器控制器510之间的该通信。如前所述，PLCT512通过电压放大级来数字化处理来自逆变器502和/或逆变器控制器510的数字输入数据，并产生耦合到AC电力线的相应模拟电压波形，以用于传送接收的数字输入数据。此外，如前所述，PLCT 512接收来自AC电力线的模拟电压波形，并处理接收的波形以产生耦合到逆变器502和/或逆变器控制器510的数字输出数据，因此使逆变器502和逆变器控制器510通过AC电力线506进行通信。
虽然上文中描述了本发明的实施方式，但是不脱离本发明的基本范围，可以设计本发明的其它和进一步的实施方式，并且本发明的范围通过权利要求进行确定。

Claims (10)

1.一种用于经由电力线进行通信的设备，包括：
发射机，包括：
调制器，用于基于输入数据产生第二数字信号，其中，所述调制器包括直接数字合成器和德耳塔-西格马调制器，所述直接数字合成器基于所述输入数据产生第一数字信号，所述德耳塔-西格马调制器基于所述第一数字信号产生所述第二数字信号；
数字放大装置，用于放大所述第二数字信号，以产生第三数字信号；
滤波装置，用于对所述第三数字信号进行滤波，以产生模拟输出波形；以及
耦合装置，用于将所述模拟输出波形耦合到所述电力线，
其特征在于，所述数字放大装置接收启动发送模式的控制信号。
2.如权利要求1所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中，所述第一数字信号是数字频移键控信号，所述第二数字信号是脉冲密度调制信号。
3.如权利要求1所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中所述数字放大装置在发送模式期间呈现最小阻抗。
4.如权利要求1所述的用于经由电力线进行通信的设备，还包括接收装置，所述接收装置经由所述耦合装置接收来自所述电力线的模拟输入波形并基于所述模拟输入波形产生数字输出信号。
5.如权利要求4所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中，当禁用发送模式时，所述接收装置能够接收所述模拟波形。
6.如权利要求5所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中，与启动所述发送模式时相比，当禁用所述发送模式时，所述数字放大装置呈现更高的阻抗。
7.如权利要求1所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中，所述耦合装置包括变压器、电阻、第一电容和第二电容，其中所述变压器的初级绕组耦合在所述发射机的输出的两端；所述变压器的次级绕组耦合在所述电阻、所述第一电容和所述第二电容的串联组合的两端，所述耦合装置的输出耦合在所述第二电容的两端。
8.如权利要求4所述的用于经由电力线进行通信的设备，其中，所述接收装置包括模数转换器、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻和电感；其中所述模数转换器耦合到所述第一电容的两端；所述第一电阻的第一端耦合到所述第一电容的第一端，所述第一电阻的第二端耦合到所述第二电阻的第一端、所述第二电容的第一端和所述第三电容的第一端；所述第三电容的第二端耦合到所述第四电容的第一端和所述电感的第一端；所述电感的第二端耦合到所述第二电容的第二端、所述第二电阻的第二端和所述第一电容的第二端；所述接收装置的输入耦合到所述第四电容的第二端和所述电感的第二端。
9.如权利要求1-8中任一项所述的用于经由电力线进行通信的设备，进一步包括逆变器，其中所述逆变器提供所述输入数据。
10.一种用于经由电力线进行通信的设备，包括：
逆变器以及
能够耦合至所述电力线的电力线通信收发机，包括：
调制器，用于基于输入数据产生第二数字信号，其中，所述调制器包括直接数字合成器和德耳塔-西格马调制器，所述直接数字合成器基于所述输入数据产生第一数字信号，所述德耳塔-西格马调制器基于所述第一数字信号产生所述第二数字信号；
数字放大装置，用于放大所述第二数字信号，以产生第三数字信号；
滤波装置，用于对所述第三数字信号进行滤波，以产生模拟输出波形；以及
耦合装置，用于将所述模拟输出波形耦合到所述电力线，
其特征在于，所述数字放大装置接收启动发送模式的控制信号。
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