一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路的製作方法

2023-05-31 01:16:41

專利名稱：一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路的製作方法
技術領域：
本實用新型是關於電力通信技術，特別是關於電力線載波通信技術，具體的講是 關於一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路。
背景技術：
電力線路是電力企業的自有「通信資源」，是自然連接採集設備和計量設備的「通 信線路」，作為採集系統的通信媒介，不需要額外投資和施工建設通信線路，具有不可比擬 的絕對優勢，是實現用戶用電信息採集的最合理選擇。低壓電力線載波通信由於其信道資 源豐富、連接方便等特點，在電能信息採集、智能家居、寬帶互聯等領域具有很好的應用前 景，是智能電網的重要實現手段。由於低壓電力線載波通信技術具有諸多顯著特點，我國早 在90年代初就開始探索低壓電力線載波通信技術在自動抄表中的應用，目前，低壓電力線 窄帶通信已經成為電力用戶用電信息採集系統主要的本地通信手段。隨著技術的進步，低 壓電力線載波通信技術正從窄帶點對點數據傳輸向寬帶組網通信的方向發展。由於電力線路原本是為用電設備傳送電能設計的，而不是為通信設計的，因此其 特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。電力線信道的通信環境惡劣，存在阻抗匹 配性差、噪聲幹擾不可預測、信號衰減強烈、信道特性時變性高等特點，電力線載波通信技 術的研究存在諸多困難。因此需要在深入分析通信環境和信道模型的基礎上，根據電力線 載波通信信道的信號傳輸特性，建立低壓電力線載波通信信道的模擬試驗系統，實現對低 壓電力線載波通信信道的多徑、衰減、相位偏移和頻率變化特性的模擬。目前國內外對於低壓電力線載波通信信道模擬方面的研究基本處於初期階段，沒 有形成統一的信道模擬標準，現有信道模擬方案的設計主要是以無源的阻容元件為主，利 用計算機控制的繼電組，模擬不同的典型現場條件，實現對低壓電力線載波通信信道輸入 阻抗特性、傳輸衰減特性和幹擾噪聲特性的模擬，主要組成設備包括計算機通信系統、程控 衰減器、程控噪聲模擬器、程控阻抗模擬器、頻譜儀、示波器、人工電源網絡、淨化電源、工控 機以及測控軟體。該信道模擬方法利用隔離變壓器和人工電源網絡實現與市電網絡的淨化 隔離，同時利用衰減很小的傳輸導線搭建一條較為乾淨的窄帶載波通信模擬信道，通過在 模擬信道上串聯專用的程控衰減設備來模擬信道衰減特性的變化，通過在模擬信道上串聯 程控濾波器設備來模擬信道頻率響應特性的變化，通過任意波形發生器、功率放大器和噪 聲注入單元來模擬信道上的噪聲影響，通過電力線負載阻抗模擬網絡來模擬信道的阻抗特 性變化。發明人在實現本實用新型的過程中，發現現有技術中至少存在如下不足現有的信道模擬方式存在著儀器設備種類較多，造價高昂，體積龐大，操作複雜的 缺點，同時由於所採用的儀器設備並非專門為低壓電力線載波通信信道特性的模擬而設 計，儀器設備功能指標浪費較為嚴重，在模擬信道上串聯組合以後也只能對部分通信性能 進行簡單的模擬，系統性較差，因此限制了這種信道模擬方式的效果。
實用新型內容本實用新型提供一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路，以實現數字雙向模 擬，並通過噪聲注入實現噪聲信號帶寬的全面覆蓋。為了實現上述目的，在一實施例中，提供一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬 電路，所述的電路包括噪聲注入模塊，向所述電力線載波窄帶通信信道的載波信號中注入 模擬噪聲信號，生成疊加信號；電壓縮小模塊，與所述的噪聲注入模塊耦接，減小所述疊加 信號的電壓；A/D轉換器，與所述的電壓縮小模塊耦接，將電壓縮小模塊輸出的疊加信號轉 換為數位訊號；數位訊號處理晶片，與所述的A/D轉換器耦接，對所述的數位訊號進行信 號衰減、相位偏移及頻率響應特性的信號模擬；D/A轉換器，與所述的數位訊號處理晶片耦 接，將所述數位訊號處理晶片輸出的數位訊號轉換為模擬信號；電壓放大模塊，與所述的 A/D轉換器耦接，對所述的模擬信號進行電壓放大；功率放大模塊，與所述的電壓放大模塊 耦接，將經過電壓放大的模擬信號進行功率放大並輸出。所述的數位訊號處理晶片包括輸入濾波器，對輸入所述數位訊號處理晶片的數 字信號進行頻率響應特性模擬；移相模塊，與所述的輸入濾波器耦接，對頻率響應特性模擬 後的數位訊號進行相位偏移模擬；衰減模塊，與所述的移相模塊耦接，對相位偏移後的數字 信號進行信號衰減模擬。所述的數位訊號處理晶片可以為FPGA晶片。所述的載波信號包括下行載波信號及上行載波信號。所述電路的兩端分別連接集 中器載波通信模塊及採集終端載波通信模塊。所述的集中器載波通信模塊及採集終端載波 通信模塊分別向所述的電路發出下行載波信號及下行載波信號。所述的電路還包括多個 供電模塊及時鐘模塊，為電路供電，所述的多個供電模塊分別為電路中的多個元件供電所 述的時鐘模塊為電路提供時鐘參考信號。本實用新型的有益技術效果採用數字雙向模擬方式實現信號衰減、相位偏移及 頻率響應的模擬，避免了噪聲和誤差引入；通過噪聲注入進行模擬信號的低價可以完全覆 蓋噪聲信號帶寬範圍。

為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例 或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅 是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前 提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中圖1為本實用新型電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路的結構示意圖；圖2為本實用新型實施例下行信道模擬的噪聲注入模塊路、信號電壓縮小模塊、 A/D轉換器的電路管腳連接圖；圖3為本實用新型實施例FPGA晶片管腳連接圖；圖4為本實用新型實施例下行信道模擬的D/A轉換器電路、電壓放大模塊和功率 放大模塊的電路管腳連接圖；圖5為本實用新型實施例上行信道模擬的噪聲注入模塊路、信號電壓縮小模塊、 A/D轉換器的電路管腳連接圖；圖6為本實用新型實施例上行信道模擬的D/A轉換器電路、電壓放大模塊和功率放大模塊的電路管腳連接圖；圖7為本實用新型實施例FPGA晶片內部載波通信信道模擬的結構框圖；圖8為本實用新型實施例多個供電模塊分別為多個元件提供電源的結構示意圖；圖9為本實用新型實施例時鐘模塊部分管腳連接圖；圖10為本實用新型實施例整套低壓電力線窄帶載波通信性能測試系統的結構示 意圖。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，
以下結合附圖對 本實用新型實施例做進一步詳細說明。在此，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解 釋本實用新型，但並不作為對本實用新型的限定。隨著數位訊號處理技術的發展，各類數位訊號處理晶片的處理能力和處理速度都 得到了巨大的提高，數位訊號處理晶片被廣泛應用於各種數位訊號處理領域。由於其具有 信號處理靈活，頻域分析能力強，模型表示準確等模擬信號處理手段無法達到的優點，數字 信號處理技術在無線通信信道的仿真領域具有光明的應用前景。基於這種情況，本實用新型設計了電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路，用以 對信號在低壓電力線載波窄帶通信信道中傳輸的變化情況進行模擬。該電路不但可以有效 地模擬低壓電力線載波窄帶通信信道中的衰減、相位偏移和頻率響應等主要特性，還可以 模擬信號在傳輸過程中的特性時變、都卜勒相移、頻率非線性畸變等變化情況。如圖1所示，本實用新型提供了一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路，該 電路100包括噪聲注入模塊101，電壓縮小模塊102，A/D轉換器103，數位訊號處理晶片 104，D/A轉換器105，電壓放大模塊106及功率放大模塊107。較佳地，所述的數位訊號處 理晶片104可以為FPGA(Field-Programmable Gate Array)晶片，本實用新型以數位訊號 處理晶片為FPGA晶片為例進行說明。所述電路的兩端分別連接集中器載波通信模塊108及採集終端載波通信模塊 109。集中器載波通信模塊108發出的下行信號進入退耦模塊109，經過退耦模塊對工頻電 力信號進行隔離並提取出載波通信信號，然後進入電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路 100的噪聲注入模塊101。進入電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路的載波信號包括下行載波信號及上 行載波信號，下面首先介紹下行載波信號的模擬。噪聲注入模塊101向所述電力線載波窄帶通信信道的載波信號中注入模擬噪聲 信號，生成疊加信號。疊加信號進入與所述的噪聲注入模塊耦接的電壓縮小模塊102，電壓縮小模塊 102用於減小所述疊加信號的電壓。電壓縮小模塊102輸出的疊加信號進入與電壓縮小模塊102相連接的A/D轉換 器103，A/D轉換器103將電壓縮小模塊輸出的疊加信號轉換為數位訊號。圖2為本實用新 型實施例下行信道模擬的噪聲注入模塊路、信號電壓縮小模塊、A/D轉換器的電路管腳連接 圖。數位訊號處理晶片104與所述的A/D轉換器103耦接，對所述A/D轉換器103輸出的數位訊號進行信號衰減、相位偏移及頻率響應特性的信號模擬。圖3為本實用新型實 施例FPGA晶片管腳連接圖。D/A轉換器105與所述的數位訊號處理晶片104耦接，將所述數位訊號處理晶片 104輸出的數位訊號轉換為模擬信號。模擬信號輸出至與D/A轉換器105耦接的電壓放大模塊106，電壓放大模塊106對 所述的模擬信號進行電壓放大，使之恢復到進行電壓縮小之前的電壓水平。經過電壓放大模擬信號輸入與電壓放大模塊106耦接的功率放大模塊107，功率 放大模塊107將經過電壓放大的模擬信號進行功率放大並輸出至耦合模塊110，耦合模塊 110將模擬信號耦合回到電力線網絡，由採集終端載波通信模塊111接收，完成集中器載波 通信模塊108到採集終端載波通信模塊111的下行載波通信信道的模擬。圖4為本實用新 型實施例下行信道模擬的D/A轉換器電路、電壓放大模塊和功率放大模塊的電路管腳連接 圖。由採集終端載波通信模塊111發出的上行信號也會通過退耦模塊109、噪聲注入 模塊101、信號電壓縮小模塊102、A/D轉換器103、數位訊號處理晶片104、D/A轉換器105、 電壓放大模塊106、功率放大模塊107和耦合模塊111，最終由集中器載波通信模塊108接 收，完成採集終端載波通信模塊到集中器載波通信模塊的上行載波通信信道的模擬。其中 上下行信道的模擬公用一個數位訊號處理模塊晶片104。圖5為本實用新型實施例上行信 道模擬的噪聲注入模塊路、信號電壓縮小模塊、A/D轉換器的電路管腳連接圖。圖6為本實 用新型實施例上行信道模擬的D/A轉換器電路、電壓放大模塊和功率放大模塊的電路管腳 連接圖。在電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路100中，所述的數位訊號處理晶片104 包括如圖7所示的輸入濾波器701，移相模塊702及衰減模塊703。輸入濾波器701對輸入所述數位訊號處理晶片的數位訊號進行頻率響應特性模 擬；移相模塊702與所述的輸入濾波器耦接，對頻率響應特性模擬後的數位訊號進行相位 偏移模擬；衰減模塊703與所述的移相模塊耦接，對相位偏移後的數位訊號進行信號衰減 模擬。圖7中，數位訊號處理(FPGA)晶片內有兩路結構完全相同的模擬載波通信信道， 每一路載波通信信道模擬的方式有如下步驟首先將輸入信號通過輸入濾波器701，以模 擬信道的頻率響應特性；經過頻率響應變化後，輸出信號經過移相模塊702進行相位偏移， 以模擬信號在信道上傳輸過程中的相位偏移特性；經過相位偏移後，將輸出結果引入衰減 模塊703，在此處乘以的信道衰減參數值，以模擬信道的衰減特性，最後輸出得到信道模擬 的輸出信號。如圖1所示，所述的電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路還包括多個供電模 塊112，用於為所述的電路供電，所述的多個供電模塊分別為電路中的多個元件供電。圖8 為多個供電模塊分別為多個元件供電的結構示意圖，多個元件為噪聲注入模塊101，電壓縮 小模塊102，A/D轉換器103，數位訊號處理晶片104，D/A轉換器105，電壓放大模塊106及 功率放大模塊107。所述的電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路100還包括時鐘模塊113，為所述 的電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路提供時鐘參考信號。圖9為時鐘模塊部分管腳連接圖。本實用新型提供的電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路100的作用是在低壓 電力線窄帶載波通信性能測試系統中進行低壓電力線載波窄帶通信信道的模擬。整套低壓 電力線窄帶載波通信性能測試系統的結構如圖10所示。如圖10所示，在低壓電力線窄帶載波通信性能測試系統中，隔離變壓器1001和 人工電源網絡1002實現對外界電源噪聲和幹擾的淨化和隔離；頻譜分析儀1003和示波器 1004實現對載波信號的時域信號觀測和頻域發射性能的測試；退耦模塊1005用於將載波 信號從220V電力信號中隔離出來，耦合模塊1006用於將載波信號耦合回220V電力線路； 被測集中器載波模塊1007和被測採集終端載波模塊1008作為載波上下行信號的被測試對 象；通信計算機1009用於控制被測集中器載波模塊和被測採集終端載波模塊進行載波通 信，同時記錄通信的結果；噪聲發生器1010用於噪聲信號的生成，並將生成的噪聲信號注 入到電力線載波窄帶雙向信道數字模擬裝置中，用於信道噪聲的模擬；控制計算機1011用 於噪聲發生器、頻譜分析儀、示波器和信道數字模擬裝置的參數設置、功能控制、採集結果 存儲和數據分析；本實用新型的電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路100用於雙向通信 過程中載波通信信道的模擬。本實用新型中，FPGA晶片(選取XC2V250晶片)內部有兩路結構完全相同的模擬 載波通信信道，分別選取不同的信道參數以完成對上行和下行通信信道的模擬，所依據的 信號傳遞函數如下
權利要求1.一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路，其特徵在於，所述的電路包括噪聲注入模塊，向所述電力線載波窄帶通信信道的載波信號中注入模擬噪聲信號，生 成疊加信號；電壓縮小模塊，與所述的噪聲注入模塊耦接，減小所述疊加信號的電壓；A/D轉換器，與所述的電壓縮小模塊耦接，將電壓縮小模塊輸出的疊加信號轉換為數位訊號；數位訊號處理晶片，與所述的A/D轉換器耦接，對所述的數位訊號進行信號衰減、相位 偏移及頻率響應特性的信號模擬；D/A轉換器，與所述的數位訊號處理晶片耦接，將所述數位訊號處理晶片輸出的數字信 號轉換為模擬信號；電壓放大模塊，與所述的A/D轉換器耦接，對所述的模擬信號進行電壓放大； 功率放大模塊，與所述的電壓放大模塊耦接，將經過電壓放大的模擬信號進行功率放 大並輸出。
2.如權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述的數位訊號處理晶片包括 輸入濾波器，對輸入所述數位訊號處理晶片的數位訊號進行頻率響應特性模擬；移相模塊，與所述的輸入濾波器耦接，對頻率響應特性模擬後的數位訊號進行相位偏 移模擬；衰減模塊，與所述的移相模塊耦接，對相位偏移後的數位訊號進行信號衰減模擬。
3.如權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述的載波信號包括下行載波信號及上行 載波信號。
4.如權利要求1或2所述的電路，其特徵在於，所述的數位訊號處理晶片為FPGA晶片。
5.如權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述的電路還包括多個供電模塊，為所述 的電路供電。
6.如權利要求5所述的電路，其特徵在於，所述的多個供電模塊分別為電路中的多個 元件供電。
7.如權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述的電路還包括時鐘模塊，為所述的電 路提供時鐘參考信號。
8.如權利要求3所述的電路，其特徵在於，所述電路的兩端分別連接集中器載波通信 模塊及採集終端載波通信模塊。
9.如權利要求8所述的電路，其特徵在於，所述的集中器載波通信模塊及採集終端載 波通信模塊分別向所述的電路發出下行載波信號及下行載波信號。
專利摘要一種電力線載波窄帶通信信道特性模擬電路，包括噪聲注入模塊，向電力線載波窄帶通信信道的載波信號中注入模擬噪聲信號，生成疊加信號；電壓縮小模塊，減小疊加信號的電壓；A/D轉換器，將電壓縮小模塊輸出的疊加信號轉換為數位訊號；數位訊號處理晶片，對數位訊號進行信號衰減、相位偏移及頻率響應特性的信號模擬；D/A轉換器，將數位訊號處理晶片輸出的數位訊號轉換為模擬信號；電壓放大模塊，對模擬信號進行電壓放大；功率放大模塊，將經過電壓放大的模擬信號進行功率放大並輸出。採用數字雙向模擬方式實現信號衰減、相位偏移及頻率響應的模擬，避免了噪聲和誤差引入；通過噪聲注入進行模擬信號的低價可以完全覆蓋噪聲信號帶寬範圍。
文檔編號H04B3/54GK201928287SQ201020650158
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者周暉, 宋偉, 宋雨虹, 易忠林, 李順昕, 楊曉波, 王思彤, 田海亭, 袁瑞銘, 鍾侃, 魯觀娜 申請人:華北電力科學研究院有限責任公司