一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路的製作方法
2023-06-09 22:51:11 1
本發明涉及電力線載波信號的自動控制技術領域，尤其涉及一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路。
背景技術：
現有的電力線載波通信系統和裝置中的頻段分為窄帶(30khz-500khz)和寬帶(2mhz-30mhz)通信，電力線載波通信信道受到各種幹擾、衰減、反射等多種影響，使得信道的頻率和相位響應變得十分複雜，導致通信成功率隨時間和線路變化差異性很大。
電力線載波通信信號的動態範圍很大，典型的載波信號在發送端，接收到的信號峰峰值達到20v，而在衰減較大的遠端，接收信號的強度僅為1mv或者更低；因此需要電路的自動增益控制範圍很大；傳統的用於無線通信的自動增益控制電路，接收端信號往往經過自由空間衰減而功率得到衰減，因而要求的動態範圍小；但對於載波信號，當發送端和接收端處在電力線同一位置時，接收端輸入信號最高達到20v，很容易使自動增益控制電路出現飽和，導致接收不成功，甚至電路損壞。
現有技術中的一種做法是在接收端接收電路前加入一個固定的信號衰減器，但這種做法將導致接收端在接收弱信號時靈敏度下降。另一方面，載波通信信號多數為突發信號，需要在很短的時間內將信號捕獲和解調，需要自動增益控制電路調節迅速和穩定，傳統的數字式自動增益電路存在反應慢、調節增益不連續的缺點，不能滿足高速電力線載波通信的要求。
在實現本發明的過程中，發明人發現現有技術存在以下技術問題：在信號電壓控制增益放大器方面，隨著載波通信速率和帶寬的提高和ofdm技術的採用，對載波信號放大的增益帶寬提出了越來越高的要求，採用專用集成晶片的方式存在成本高和功耗大等諸多缺點。
公開於該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明要解決的技術問題是，如何提供一種能夠解決大信號缺乏保護措施、動態範圍小、反應速度低等問題的技術方案。
為解決以上技術問題，本發明提供一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路，其特徵在於，包括：阻抗匹配電路、帶通濾波電路、功率衰減器、過載保護電路、第一檢波器、閾值判斷器、切換開關、電可調衰減器、放大器、第二檢波器、比例積分放大器、增益分配器，所述阻抗匹配電路的輸入端接收電力線載波信號，所述阻抗匹配電路的輸出端與所述帶通濾波電路的輸入端相連；所述帶通濾波電路的輸出端與所述功率衰減器的輸入端、所述過載保護電路的輸入端、所述第一檢波器的輸入端分別相連，所述功率衰減器的輸出端、所述過載保護電路的輸出端分別與所述切換開關的輸入端相連；所述第一檢波器的輸出端與所述閾值判斷器的輸入端相連，所述閾值判斷器的輸出端與所述切換開關的控制端相連；所述切換開關的輸出端與所述電可調衰減器的輸入端相連，所述電可調衰減器的輸出端與所述放大器的輸入端相連，所述放大器的輸出端與所述第二檢波器的輸入端相連；所述第二檢波器的輸出端與所述比例積分放大器的輸入端相連，所述比例積分放大器的輸出端與所述增益分配器的輸入端相連，所述增益分配器的輸出端與所述電可調衰減器的增益控制端相連。
與現有技術相比，本發明的一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路實現的技術效果有：信號輸入端有功率衰減器和過載保護電路兩條針對強信號和弱信號的通路，且通過檢波器、閾值判斷器和切換開關進行通路的自動切換，滿足自適應大動態範圍的信號輸入的要求；閾值判斷器具有根據輸出變換判斷門限的功能，從而避免了出現反覆翻轉切換；電可調衰減器採用pin二極體電路實現電壓控制可調衰減量，電路實現結構簡單；放大器採用三極體和電阻組成的偏置電路，擴展信號放大器的動態範圍，採用共射-共基放大器電路結構，其頻率響應遠優於共射放大器，滿足寬頻帶電力線載波信號放大的要求；採用比例積分放大器對誤差信號進行積分和放大，採用增益分配器對三級衰減器進行增益分配，擴展了增益調節的動態範圍。
根據下面參考附圖對示例性實施例的詳細說明，本發明的其它特徵及方面將變得清楚。
附圖說明
包含在說明書中並且構成說明書的一部分的附圖與說明書一起示出了本發明的示例性實施例、特徵和方面，並且用於解釋本發明的原理。
圖1示出本發明實施例的一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路的電路結構圖；
圖2示出本發明實施例的另一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路的電路結構圖；
圖3示出本發明實施例的阻抗匹配電路和帶通濾波電路的電路結構圖；
圖4示出本發明實施例的功率衰減器、過載保護電路、切換開關、第一檢波器的電路結構圖；
圖5示出本發明實施例的電可調衰減器的電路結構圖；
圖6示出本發明實施例的放大器的電路結構圖；
圖7示出本發明實施例的比例積分放大器、第二檢波器的電路結構圖；
圖8示出本發明實施例的增益分配器的電路結構圖。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護範圍並不受具體實施方式的限制。
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權利要求書中，術語「包括」或其變換如「包含」或「包括有」等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而並未排除其它元件或其它組成部分。
在這裡專用的詞「示例性」意為「用作例子、實施例或說明性」。這裡作為「示例性」所說明的任何實施例不必解釋為優於或好於其它實施例。
另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員應當理解，沒有某些具體細節，本發明同樣可以實施。在一些實例中，對於本領域技術人員熟知的方法、手段、元件未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
為了克服傳統自動增益控制電路的不足，解決現有技術存在的對大信號缺乏保護措施、動態範圍小、反應速度低的問題，同時降低電路成本，本發明提出了一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路，在信號輸入端採用可根據信號強度進行切換的信號衰減保護電路，採用三級可調衰減和放大器電路實現動態範圍擴展，採用三極體組合放大電路實現工作頻帶的擴展，採用模擬電路和增益分配電路實現增益調節的快速響應。因此本發明的方法能夠很好地克服現有自動增益控制電路的不足，解決電力線載波通信工程中的實際問題。以下對本發明提出的自動增益控制電路進行詳細說明。
如圖1所示，本發明實施例的一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路，包括：阻抗匹配電路、帶通濾波電路、功率衰減器、過載保護電路、第一檢波器、閾值判斷器、切換開關、電可調衰減器、放大器、第二檢波器、比例積分放大器、增益分配器，所述阻抗匹配電路的輸入端接收電力線載波信號，所述阻抗匹配電路的輸出端與所述帶通濾波電路的輸入端相連；所述帶通濾波電路的輸出端與所述功率衰減器的輸入端、所述過載保護電路的輸入端、所述第一檢波器的輸入端分別相連，所述功率衰減器的輸出端、所述過載保護電路的輸出端分別與所述切換開關的輸入端相連；所述第一檢波器的輸出端與所述閾值判斷器的輸入端相連，所述閾值判斷器的輸出端與所述切換開關的控制端相連；所述切換開關的輸出端與所述電可調衰減器的輸入端相連，所述電可調衰減器的輸出端與所述放大器的輸入端相連，所述放大器的輸出端與所述第二檢波器的輸入端相連；所述第二檢波器的輸出端與所述比例積分放大器的輸入端相連，所述比例積分放大器的輸出端與所述增益分配器的輸入端相連，所述增益分配器的輸出端與所述電可調衰減器的增益控制端相連。
在上述自動增益控制電路中，所述閾值判斷器的輸出端控制所述切換開關在所述功率衰減器的輸出端和所述過載保護電路的輸出端之間進行選擇。
如圖2所示，在一種可能的實現方式中，所述電可調衰減器包括：第一級電可調衰減器、第二級電可調衰減器、第三級電可調衰減器，所述放大器包括：第一級放大器、第二級放大器、第三級放大器，所述切換開關的輸出端與所述第一級電可調衰減器的輸入端相連，所述第一級電可調衰減器輸出端與所述第一級放大器的輸入端相連，所述第一級放大器的輸出端與所述第二級電可調衰減器的輸入端相連，所述第二級電可調衰減器輸出端與所述第二級放大器的輸入端相連，所述第二級放大器的輸出端與所述第三級電可調衰減器的輸入端相連，所述第三級電可調衰減器輸出端與所述第三級放大器的輸入端相連，所述第三級放大器的輸出端與所述第二檢波器的輸入端相連；所述第二檢波器的輸出端與所述比例積分放大器的輸入端相連，所述比例積分放大器的輸出端與所述增益分配器的輸入端相連，所述增益分配器的三個輸出端與所述第一級電可調衰減器、所述第二級電可調衰減器、所述第三級電可調衰減器的增益控制端分別相連。
如圖3所示，所述阻抗匹配電路包括：隔直電容c1、變壓器t1、電阻r1，所述變壓器t1的初級線圈的第一端通過所述隔直電容c1與所述電力線載波信號的信號源的第一端相連相連，所述變壓器t1的初級線圈的第二端與所述信號源的第二端相連；所述變壓器t1的次級線圈的第一端通過所述電阻r1與所述帶通濾波電路的輸入端相連，所述變壓器t1的次級線圈的第二端接地。
在阻抗匹配電路中，信號源輸入的電力線載波信號由c1進行隔直，由t1進行阻抗變換，通過改變t1的變壓比可以使得輸入的電力線載波信號的阻抗匹配，r1為輸出阻抗匹配電阻。
如圖3所示，所述帶通濾波電路包括：高通濾波器、低通濾波器，所述高通濾波器與所述低通濾波器串聯；其中，所述高通濾波器包括：電容c2、電感l1、電容c3以及電感l2，所述低通濾波器包括電感l3、電容c4、電容c6、電感l4、電容c5以及電容c7；所述電容c2的第一端通過所述電阻r1與所述變壓器t1的次級線圈的第一端相連，所述電容c2的第二端、所述電容c3的第一端、所述電感l1的第一端分別相連；所述電容c3的第二端、所述電感l3的第一端、所述電容c4的第一端、所述電感l2的第一端分別相連，所述電感l3的第二端、所述電感l4的第一端、所述電容c4的第二端、所述電容c5的第一端、所述電容c6的第一端分別相連；所述電容c5的第二端、所述電感l4的第二端、所述電容c7的第一端分別相連；所述電感l1的第二端、所述電感l2的第二端、所述電容c6的第二端、所述電容c7的第二端分別接地。
在本發明中，所述帶通濾波電路由c2、l1、c3、l2組成的高通濾波器和l3、c4、c6、l4、c5、c7組成的低通濾波器串聯組成，調節高通濾波器和低通濾波器的截止頻率可以改變帶通濾波電路的通頻帶，c4、c5用於對頻帶內的高頻段進行增益補償。
如圖4所示，所述功率衰減器包括：電阻r3、電阻r4、電阻r5，所述電阻r3的第一端與所述帶通濾波電路的輸出端相連，所述電阻r3的第二端、所述電阻r4的第一端、所述電阻r5的第一端分別相連；所述電阻r4的第二端接地，所述電阻r5的第二端與所述切換開關的第一輸入端相連。
所述過載保護電路包括：電阻r9、二極體d3、二極體d4，所述電阻r9的第一端與所述帶通濾波電路的輸出端相連，所述電阻r9的第二端、所述二極體d3的負極、所述二極體d4的正極分別與所述切換開關的第二輸入端相連；所述二極體d3的正極、所述二極體d4的負極分別接地。
所述切換開關包括：開關s1、開關s2，所述開關s1與所述電阻r5的第二端相連，所述開關s2與所述電阻r9的第二端、所述二極體d3的負極、所述二極體d4的正極分別相連。
所述第一檢波器包括：電阻r2、電容c8、二極體d1、二極體d2、電阻r10、電容c9，所述電阻r2的第一端與所述帶通濾波電路的輸出端相連，所述電阻r2的第二端與所述電容c8的第一端相連；所述電容c8的第二端、所述二極體d1的正極、所述二極體d2的負極分別相連；所述二極體d1的負極、所述電阻r10的第一端、所述電容c9的第一端與所述閾值判斷器的輸入端分別相連；所述二極體d2的正極、所述電阻r10的第二端、所述電容c9的第二端分別接地。
所述閾值判斷器包括：電阻r6、電阻r7、電阻r8、運算放大器u1，所述電阻r8的第一端連接電源電壓vcc，所述電阻r8的第二端、所述電阻r6的第一端、所述電阻r7的第一端、所述運算放大器u1的同相輸入端分別相連；所述電阻r6的第二端接地；所述運算放大器u1的反相輸入端與所述二極體d1的負極、所述電阻r10的第一端、所述電容c9的第一端分別相連；所述電阻r7的輸出端、所述運算放大器u1的輸出端與所述切換開關的控制端分別相連。
如圖4所述的功率衰減器，由r3、r4、r5組成的分壓電路組成。所述的過載保護電路，由r9進行限流，d3、d4組成鉗位電路。所述第一檢波器，由r2進行限流，c8進行隔直，d1、d2、c9組成檢波和峰值保持電路，r10為洩放電阻。所述閾值判斷器，由r6、r7、r8、u1組成閾值可變的比較判斷電路，其原理為，當第一檢波器輸出的幅值電平較低時，u1輸出高電平，此時u1輸出翻轉的閾值為：
其中，vcc為電源電壓。
當第一檢波器輸出的幅值大於vth1,u1輸出低電平，此時u1輸出翻轉的閾值為：
顯然，vth1>vth2，即當第一檢波器輸出的幅值大於vth1時，u1輸出低電平；當第一檢波器輸出的幅值保持大於vth2，即可以保持u1輸出低電平不變，從而避免了出現反覆翻轉切換。
所述的切換開關，其輸出信號可以根據閾值判斷器輸出的邏輯電平ctl在s1、s2兩個輸入之間進行切換，當ctl為1時，選擇s2輸出；當ctl為0時，選擇s1輸出。
如圖5所示，所述電可調衰減器(第一級電可調衰減器、第二級電可調衰減器、第三級電可調衰減器具有相同的電路結構)包括：三極體q1、電阻r13、電阻r11、電容c10、電阻r12、二極體d5、電容c11、電容c12、二極體d6，所述三極體q1的發射極連接電源電壓vcc，所述三極體q1的基極與所述電阻r13的第一端相連，所述三極體q1的集電極與所述電阻r11的第一端相連；所述電阻r13的第二端為所述電可調衰減器的增益控制端；所述電阻r11的第二端、所述電容c10的第一端、所述電阻r12的第一端、所述二極體d5的正極分別相連；所述電容c10的第二端、所述電阻r12的第二端分別接地；所述二極體d5的負極、所述電容c11的第一端、所述電容c12的第一端、所述二極體d6的正極分別相連；所述電容c11的第二端為所述電可調衰減器的輸入端，所述電容c12的第二端為所述電可調衰減器的輸出端，所述二極體d6的負極接地。
其中，d5、d6為pin二極體(普通的二極體由pn結組成，在p和n半導體材料之間加入一薄層低摻雜的本徵(intrinsic)半導體層，組成的這種p-i-n結構的二極體就是pin二極體)，當d5、d6兩端電壓為正向偏置時，呈低阻抗狀態，正向偏置電流越大，其對地電阻越低；c10、c11、c12為隔直電容，r12為偏置電阻，一般取值較大，q1為控制電流的三極體，r13為限流電阻；當控制端ctl為vcc時，q1關斷時，d5的陽極保持對地電壓為0，d5、d6呈高阻態；當控制端ctl電壓降低時，q1導通，電流通過r11、d5、d6，d5、d6電阻開始降低，控制端ctl電壓越低，q1導通電流越大，d5、d6電阻越低，從而達到調節衰減量的目的。
如圖6所示，所述放大器(所述第一級放大器、第二級放大器、第三級放大器具有相同的電路結構)包括：電阻r19、電阻r14、三極體q2、電阻r15、電阻r16、電感l5、電阻r17、電容c13、三極體q5、三極體q4、三極體q3、電阻r18、電容c14，所述電阻r19的第一端、所述電感l5的第一端與電源電壓vcc分別相連；所述電阻r19的第二端、所述電阻r14的第一端、所述三極體q2的集電極、所述電阻r16的第一端分別相連；所述電阻r14的第二端與所述三極體q2的基極相連；所述三極體q2的發射極與所述電阻r15的第一端相連，所述電阻r15的第二端接地；所述電阻r16的第二端與所述三極體q3的基極相連，且連接端為所述放大器的輸入端；所述電感l5的第二端、所述三極體q5的集電極、所述電阻r17的第一端、所述三極體q4的集電極分別相連，且連接端為所述放大器的輸出端；所述三極體q5的基極、所述電阻r17的第二端、所述電容c13的第一端分別相連；所述三極體q4的基極、所述電阻r18的第一端、所述三極體q5的發射極、所述電容c14的第一端分別相連，所述三極體q4的發射極與所述三極體q3的集電極相連；所述三極體q3的發射極、所述電容c13的第二端、所述電阻r18的第二端、所述電容c14的第二端分別接地。
其中，r19、r14、r15、q2組成q3的偏置電路，r17、r18、c14、q5組成q5的偏置電路，q3、q4組成共射-共基放大器，l5為信號輸出電感，該電路的輸入和輸出之間不存在密勒效應，其頻率響應遠優於共射放大器，滿足寬頻帶電力線載波應用需求，電路實現結構簡單。
如圖7所示，所述第二檢波器包括：電容c15、二極體d8、二極體d7、電阻r22、電容c16，所述電容c15的第一端為所述第二檢波器的輸入端，所述電容c15的第二端、所述二極體d8的負極、所述二極體d7的正極分別相連；所述二極體d7的負極、所述電阻r22的第一端、所述電容c16的第一端分別與所述比例積分放大器的輸入端相連；所述二極體d8的正極、所述電阻r22的第二端、所述電容c16的第二端分別接地。
所述比例積分放大器包括：運算放大器u2、電阻r20、運算放大器u3、電阻r21、電容c17，所述運算放大器u2的同相輸入端與所述二極體d7的負極、所述電阻r22的第一端、所述電容c16的第一端分別相連，所述運算放大器u2的反相輸入端、所述運算放大器u2的輸出端、所述電阻r20的第一端分別相連；所述電阻r20的第二端、所述運算放大器u3的反相輸入端、所述電阻r21的第一端、所述電容c17的第一端分別相連；所述運算放大器u3的同相輸入端連接參考電平vref，所述運算放大器u3的輸出端、所述電阻r21的第二端、所述電容c17的第二端分別相連，且連接端為所述比例積分放大器的輸出端。
所述第二檢波器，由c15進行隔直，d7、d8、c16組成檢波和峰值保持電路，r22為洩放電阻。所述比例積分放大器中，u2組成信號緩衝器，r20、r21、c17、u3組成積分放大器電路，u3的正輸入端接增益控制的參考電平vref；假設u2輸出的信號為vi，則比例積分放大器的輸出vout可以表示為：
j其實就是虛數單位i，但是在電學裡面i指代的是電流，所以就採用j表示虛數√(-1)，ω指的是角頻率。
如圖8所示，所述增益分配器包括：電阻r26、電阻r23、電阻r24、電阻r25、運算放大器u4、運算放大器u5、運算放大器u6，所述電阻r26的第一端連接電源電壓vcc，所述電阻r26的第二端、所述電阻r23的第一端、所述運算放大器u4的同相輸入端分別相連；所述電阻r23的第二端、所述電阻r24的第一端、所述運算放大器u5的同相輸入端分別相連；所述電阻r24的第二端、所述電阻r25的第一端、所述運算放大器u6的同相輸入端分別相連；所述電阻r25的第二端為所述增益分配器的輸入端；所述運算放大器u4的反相輸入端與所述運算放大器u4的輸出端相連，且連接端為所述增益分配器的一個輸出端；所述運算放大器u5的反相輸入端與所述運算放大器u5的輸出端相連，且連接端為所述增益分配器的一個輸出端；所述運算放大器u6的反相輸入端與所述運算放大器u6的輸出端相連，且連接端為所述增益分配器的一個輸出端。
在所述增益分配器中，由r26、r23、r24、r25組成電壓分配電路，u4、u5、u6分別組成緩衝器，增益分配器的輸入端vin連接比例積分放大器的輸出端，增益分配器的三個輸出端vout1、vout2、vout3分別接第一電可調衰減器、第二電可調衰減器、第三級電可調衰減器的增益控制端。增益分配器的具體分配原則為，調整r26、r23、r24、r25的電阻值，滿足vout1>vout2>vout3，且隨vin的降低而成比例降低，隨著vin的降低，第三級電可調衰減器先調節，第二級電可調衰減器後調節，第一級電可調衰減器最後調節，從而實現大動態範圍的增益調節。
與現有技術相比，本發明的一種電力載波通信的寬頻大動態自動增益控制電路實現的技術效果有：信號輸入端有功率衰減器和過載保護電路兩條針對強信號和弱信號的通路，且通過檢波器、閾值判斷器和切換開關進行通路的自動切換，滿足自適應大動態範圍的信號輸入的要求；閾值判斷器具有根據輸出變換判斷門限的功能，從而避免了出現反覆翻轉切換；電可調衰減器採用pin二極體電路實現電壓控制可調衰減量，電路實現結構簡單；放大器採用三極體和電阻組成的偏置電路，擴展信號放大器的動態範圍，採用共射-共基放大器電路結構，其頻率響應遠優於共射放大器，滿足寬頻帶電力線載波信號放大的要求；採用比例積分放大器對誤差信號進行積分和放大，採用增益分配器對三級衰減器進行增益分配，擴展了增益調節的動態範圍。
前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述並非想將本發明限定為所公開的精確形式，並且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在於解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現並利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發明的範圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。
以上所描述的裝置實施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位於一個地方，或者也可以分布到多個網絡單元上。可以根據實際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實現本實施例方案的目的。本領域普通技術人員在不付出創造性的勞動的情況下，即可以理解並實施。