電力線通信系統中動態零陷之補償的製作方法
2023-08-06 21:53:01 2
專利名稱：電力線通信系統中動態零陷之補償的製作方法
技術領域：
本公開涉及電力線通信，更具體地說，涉及對於電力線通信系統中頻率零陷的處理方法。
背景技術：
在電力線通信(PLC)系統中，通信信號在電力網上的電線上傳播。一般通過在電力線電壓的上面疊加例如大於20KHz頻率的高頻信號來執行PLC信號傳輸。電力網中的電插座能充當電力源和通信信號埠。因而，插入到電插座的PLC收發信機接收經由電插座的電力和通信信號。但是注意，一些PLC設備不需從電力線接收功率，或者至少不需依賴於來自電力線的電源。因此，在PLC系統中，電力線用於通信目的，因而在一些情況下，當電源是否存在時都能進行通信。
零陷是指在該頻率通信信號衰減到非期望的水平。通信頻率易受由駐波相消幹擾導致的零陷的影響。如果深的零陷在PLC系統載頻發生，則通信可能失敗。
信號零陷發生處的頻率與電力網的復阻抗有密切關係。而復阻抗又受連接到電力網的電設備或電器的存在的影響。它還受大量的分支配線電路的影響，各配線電路會在變化的頻率上引起反射並影響阻抗。
可以在比如居所或商業大樓之類的單一建築物中或在這些建築物的複合體上實現PLC系統。因而，PLC系統原本就不會限於任何特定的地理位置、尺寸或布局，並且它可包括在建築物之間的電路布線。
復阻抗還受連接到電力網的設備或電器的操作的影響。例如，打開電燈會導致復阻抗的改變，並因而改變零陷。結果，零陷的深度和/或頻率會發生改變。
一些PLC設備是非常窄的頻帶設備。美國專利No.6441723描述了一種使用具有非常窄的帶寬的單一頻率的設備。因此，如果零陷發生在上述單一頻率上，則會致使設備不可工作。
採用了幾種技術來嘗試防止由零陷導致的問題。第一種技術是使用較低頻率的PLC信號，因此具有較長的波長，以致上述PLC信號不會受駐波的影響。基於較低頻率的設備會出現若干問題。首先，為了從電力線的一個相位到另一相位有效地進行通信，它們通常需要安裝「相位橋」來連接跨相位的信號。由於房主多半並不安裝相位橋，這顯著地增加了安裝的成本和複雜性。其次，在較低頻率上會有更多的來自電器的噪聲，因而降低信噪比，這會影響信號的質量。第三，比如在電視機中常見的電器中的電容，被用來降低幹擾，但是它也會顯著地衰減期望的通信信號。第二種技術是設有多個可用的頻率供PLC信號使用，因此如果第一頻率上的通信不令人滿意，就可切換到第二頻率。第二種技術需要PLC設備能夠工作在所有的多個頻率上，並且還需要一個控制協議來使設備調整到適當的頻率。因此，與使用單個頻率的系統相比，第二種技術需要額外的硬體和相對複雜的控制協議。第三種技術採用擴頻技術使得窄的零陷僅僅衰減PLC信號的小部分，而PLC信號的其它部分繼續存在，可提供令人滿意的通信。第三種技術需要使用匹配的濾波器或者其它的專門接收硬體以正確接收已由特定頻率零陷改過的擴頻信號。因此，與使用單一頻率的系統相比，第三種技術需要額外的接收機硬體和/或軟體。
最好能維持使用單一頻率的通信系統，因為，與靈活的頻率系統相比，由於其構成部件較少，單一頻率系統一般並不昂貴，其設計簡單並且更可靠。因此，需要一種改良的技術來處理對單一頻率的電力線通信設備的工作造成幹擾的零陷。
發明內容
提供了一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的方法。一方面，上述方法包括修改復阻抗，並且確定修改是否影響通信的質量。另一方面，上述方法包括確定在電力網中的通信的質量，並且如果質量低於可接受的閾值則修改復阻抗。再一方面，上述方法包括經由電力網傳送信息、修改復阻抗以及經由電力網重傳上述信息。
本發明的一個實施例是一種便於在具有復阻抗中的電力網中進行通信的裝置。上述裝置包括用於修改復阻抗的電路以及用於確定修改是否影響通信質量的處理器。
本發明的另一實施例是一種便於在具有復阻抗中的電力網中進行通信的處理器。一方面，上述處理器包括用於確定在電力網中通信質量的模塊，以及用於如果質量低於可接受的閾值則控制電路以修改復阻抗的模塊。另一方面，上述處理器包括用於通知發射機經由電力網傳送信息的模塊，用於控制電路以修改復阻抗的模塊，以及用於通知發射機重傳上述信息的模塊。
本發明的另一實施例是存儲介質，其中含有用以控制便於在具有復阻抗電力網中進行通信的處理器的指令。一方面，上述存儲介質包含用於控制處理器以確定在電力網中通信質量的指令，以及在質量低於可接受的閾值時控制處理器來控制電路以修改復阻抗的指令。另一方面，上述存儲介質包括用於控制處理器來通知發射機經由電力網傳送信息的指令，用於控制處理器來控制電路以修改復阻抗的指令，以及用於控制處理器來通知發射機重傳上述信息的指令。
圖1是在電力網中實現的PLC系統的示意圖；圖2A和2B是零陷移動電路的示範實施例的示意圖；
圖3中的示例曲線示出了一測試例中對於零陷的效果，該例中發射機採用與圖2A的電路相類似的零陷移動電路；圖4中的示例曲線示出了一測試例中對於零陷的效果，該例中接收機採用與圖2A的電路相類似的零陷移動電路。
具體實施例方式
圖1是在電力網105中實現的PLC系統100的示意圖，例如電力網105是60赫茲(Hz)、120伏的交流電(VAC)電力網。電力網105包括電力線115以及多個電插座110、125和130。儘管電力線115圖示為單一直線，但是在實踐中它包括多個導線，例如火線、零線和地線，通常在單一電路上具有大量的配線分支。PLC系統100包括三個收發信機145、120和150，它們分別經由電插座110、125和130連接到電力網105。
各收發信機145、120和150具有集成於其中的發射機和接收機，它們均未在圖1中示明。具有發射機和接收機使得收發信機145、120和150能彼此雙向地通信。收發信機145、120和150可各自配置為遵照通信協議進行通信的主設備或從設備。PLC系統100可以包括任何數量的收發信機，但它也可以包括離散的發射機或離散的接收機。
假定收發信機145想要與收發信機120進行通信。於是，收發信機145經由插座110傳送信號。信號經電力線115傳播，並且收發信機120經由插座125接收上述信號。因而，收發信機145是傳送的起源，而收發信機120是傳送的目標。在許多通信協議中，響應該信號之接收，收發信機120將確認信號經電力線115傳送到收發信機145。當收發信機145收到該確認信號時，收發信機145就斷定與收發信機120的通信是成功的。
通信信號頻率，特別是大於1兆赫茲(MHz)的頻率，容易受到由電力網105的復阻抗導致的不利效應的影響，該不利效應是電阻、電容和電感的集體效應。還有，復阻抗效應在電力網105的不同部分中會不同。
例如，假定收發信機145在頻率13.56MHz處發射信號(即被發射信號)。該被發射信號經電力網105傳播，並且可由收發信機120令人滿意地接收，而它也會在插座130處嚴重地衰減，例如-70分貝(dB)，因而收發信機150接收不到。在插座130處的這種衰減是由於兩個或者多個信號的相消而消除。在這些有消除作用的信號中，有一個是從插座110到插座130的發射信號。其它的幹擾信號是來自電力網105中其它電氣路徑的反射。因為電力網105設計成用於60Hz電流，所以13.56MHz信號將會從配線分支終接或連接到電器的位置反射。信號將受到分布在整個電力網105中的各種電感、電阻和電容值(即復阻抗)的不同數量的相移的影響。當信號的相位和振幅在插座130處按照與將發射的信號抵消的方式合併時，發射的信號被嚴重衰減。
因而，對於特定的相平衡的抵消，衰減是嚴重的。然而，如果電力網105的復阻抗被輕微地修改，則該抵消被擾亂並且插座130處的信號強度充分增加。
電力網105可具有各種與之連接的電電器，例如，冰箱或燈。開關電器、將電器插入到插座或者從插座移除電器，都會改變電力網105的復阻抗。在電力網105中任一點的阻抗的改變會影響整個電力網105。因而，電力網105的復阻抗不是恆定的，而是可變的。因而，在收發信機145、120和150之間的通信的質量會有時令人滿意，有時又令人不滿意。
通信的質量可以用任何合適的方式來度量。一種度量質量的方法基於比特誤碼率(BER)。如果BER小於閾值，則認為質量可接受，否則認為質量不可接受。用於度量質量的另一種方法基於通信是否由連接到電力網的接收機確認。例如，假定收發信機145將消息發送到收發信機150。如果在收發信機150中的接收機確認收到消息，則認為質量可接受，否則認為質量不可接受。
在電力線(例如電力線115)上的通信通常使用1MHz-40MHz的載頻。在該頻率的信道，許多信號衰減是由於駐波抵消。當描繪衰減與頻率之關係的圖形時，這種衰減表現為(在頻率上)窄和(在衰減上)深，參看例如圖3和4。這種深的消除零陷會在任何頻率發生並且發生到任何深度，取決於在電力線的情況，例如電力線的物理布局以及連接到電力線的設備的配置。如上所述，附帶的問題是零陷的頻率和深度可能隨時間改變。
收發信機145包含能使收發信機145處理歸因於頻率零陷的前述問題的部件。更具體地說，收發信機145包含零陷移動電路135和處理器140。
零陷移動電路135是用於修改電力網105中的復阻抗的阻抗開關電路。處理器140控制零陷移動電路135以修改電力網105的復阻抗來便於在電力網105中進行通信。而對復阻抗的修改又會更改電力網105中零陷的特性。該更改會涉及以下兩者或者兩者之一(a)降低在當前頻率上的零陷的深度或(b)導致零陷移動到不同的頻率。當在特定的信號頻帶中進行通信且零陷發生在信號頻帶時，降低或者移除零陷將改善在信號頻帶中的通信的質量。
一方面，處理器140(a)通知收發信機145經由電力網105發送消息；(b)控制零陷移動電路135以修改電力網105的復阻抗；以及(c)通知收發信機145來重傳上述消息。因而，收發信機145多次發送消息，其中上述多次中的每一次電力網105配置不同的復阻抗。可以在任何特定的復阻抗完成數據的重傳，而無需確定通信的質量是否是最好的。將消息重傳多次增加了至少一次傳送成功的機會。然而，重傳也減小了總的通信速率，但在一些應用中，降低的通信速率是可接受的。
另一方面，處理器140監視電力網105中的通信並且確定通信的質量。如果質量低於可接受的閾值，則處理器140控制零陷移動電路135以修改電力網105的復阻抗。然後處理器140確定修改是否影響了通信的質量。例如，假定收發信機145將消息傳送給收發信機150。如果收發信機145沒有接收到來自收發信機150的確認，則處理器140認為在通信頻率有零陷，於是，處理器140控制零陷電路135來修改復阻抗。然後收發信機145重傳上述消息，並且處理器140確定該重傳是否被成功確認。
零陷移動電路135可配置成有選擇地提供用於修改復阻抗的多個值。然後，處理器140用上述多個值控制零陷移動電路來測試電力網中通信的質量，並且確定多個值中哪一個產生最優質量。處理器140然後設定零陷移動電路135以提供產生最優質量的阻抗值。例如，假定零陷移動電路135可設置成提供阻抗Z1或Z2中的任一個。處理器140控制零陷移動電路135以提供阻抗Z1，並且監視通信的質量。假定使用阻抗Z1產生Q1的質量水平。此後，處理器140控制零陷移動電路來提供阻抗Z2，監視通信的質量並且發現使用阻抗Z2產生Q2的質量。於是，處理器140將零陷移動電路135控制成提供產生更好質量Q1或Q2的阻抗Z1或Z2。
此外，處理器140可評估PLC系統100中涉及不同組的設備的通信質量，從而確定第一復阻抗為第一組設備產生最好的結果，以及第二復阻抗為第二組設備產生最好的結果。例如，處理器140會發現當零陷移動電路135提供阻抗Z1時在收發信機145和120之間的通信是最好的，以及當零陷移動電路135提供阻抗Z2時在收發信機145和150之間的通信是最好的。因此，在收發信機145和120之間的通信期間，處理器140控制零陷移動電路135來提供阻抗Z1，並且在收發信機145和150之間通信期間，處理器140控制零陷移動電路135來提供阻抗Z2。
儘管零陷移動電路135和處理器140表示為位於在收發信機145中，但是它們也可以設在所有收發信機145、120和150中的或任何一個中。例如，收發信機120會接收到有誤碼(比特誤碼)的信號，不過能通過執行誤碼校正而成功地接收信號。然而儘管如此，收發信機120可以決定將電力網105的復阻抗改變以降低比特誤碼。
或者，零陷移動電路135和處理器140也可設在接收機(未示出)中，該收發機不主動參與在電力網105中的通信，而是監視在收發信機145、120和150之間通信，並且修改復阻抗以產生最好的通信性能。這樣的接收機會根據其對通信中的退化的檢測來修改復阻抗，或者會周期性地或隨機地修改復阻抗並評估各種阻抗值的性能。
零陷移動電路不必一定設於收發信機145、120或150的任何一個中，也不必一定設在接收機內。它可以是獨立設備，並且可設於離處理器140遠的地方。
處理器140可在專用硬體中實現，即為專用於本文描述的比如監控通信的質量和控制零陷移動電路135而設計的硬體。或者，處理器140也可以在微處理器上的軟體中實現，該微處理器具有含有用於控制處理器140的指令的相關存儲器(未示出)。還有，這樣的指令可以配置在存儲介質155上，以隨後載入到處理器140的存儲器中。存儲介質155可以是任何傳統的存儲介質，比如固態存儲器、磁帶、光存儲介質、CD盤或軟盤。不管指令存儲在何種介質中，當由處理器140執行時，它們均具有便於在電力網105中進行通信的技術效果。無論處理器140是在硬體還是在軟體中實現，它可配置為單個模塊，也可配置成多個子模塊。
圖2A是零陷移動電路135A的示意圖，適合於用作零陷移動電路135。零陷移動電路135A包含開關205和220、電容器210和225以及電感215和230。零陷移動電路135A連接到電力線115，還連接到通信設備201的通信埠，例如收發信機145的發射機或接收機。電容器210具有0.022微法(μF)的值，電容器225具有0.047μF的值，並且電感215和230各具有5微亨(μH)的值。處理器140(見圖1)控制開關205和220，以通過改變跨電力線115的導線的電抗來修改電力網105的復阻抗。
考慮其中開關205和220均斷開的電路0。電容器210和225以及電感215和230從電力網105斷開。因而，可認為零陷移動電路135A為關閉的。電力網105的復阻抗與零陷移動電路135A的外部條件有密切關係。指定該復阻抗配置為Z0。
考慮其中開關205閉合且開關220斷開的電路1。電感215和電容210接入到電力網105，從而影響電力網105的復阻抗。指定該復阻抗配置為Z1。
考慮其中開關205斷開和開關220閉合的電路2。電感230和電容225接入到電力網105，從而影響電力網105的復阻抗。指定該復阻抗配置為Z2。
考慮其中開關205和220均閉合的電路3。所有的電容器210和225以及電感215和230接入到電力網105，從而影響電力網105的復阻抗。指定該復阻抗配置為Z3。
表1概述了開關205和220的四種配置，並且因而產生的四種復阻抗Z0～Z3。復阻抗Z0～Z3彼此不同。通過將電力網105的復阻抗從復阻抗Z0～Z3中的一個改變到復阻抗Z0～Z3中的另一個，處理器140控制零陷移動電路135來修改電力網105的復阻抗。
表1
圖2B是也可用作零陷移動電路135的零陷移動電路135B的示意圖。零陷移動電路135B具有與零陷移動電路135A不同的布局，它不包括電容器225和電感230，但包括其值為0.3μF的電容器235。與零陷移動電路135A類似，能控制零陷移動電路135B將電力網105的復阻抗設成四個值中的一個。
零陷移動電路135A和135B的拓撲、電容器210、225和235以及電感215和230的值僅是示範性的。此外，雖然零陷移動電路135A和135B示出為能用四種復阻抗配置電力網105，但是可以實現零陷移動電路來用任何期望的多個復阻抗來配置電力網105。例如，在一基本實現方案中，可以實現零陷移動電路135以將單個阻抗接入電力網105或者從電力網105切斷，從而提供電力網105的兩種復阻抗配置。一般地，零陷移動電路135可以是能夠修改電力網105的復阻抗的任何電路，並且它可以配置為有源或者無源部件，或為二者的組合。
圖3中的示例曲線示出了一測試例中對於零陷的效果，該例中發射機採用與135A類似的零陷移動電路。圖3的縱軸是衰減，橫軸是頻率。假定電力線通信載頻為14.2MHz。在零陷移動電路關閉時，在14.2MHz處有約-55dB的零陷。當零陷移動電路配置為電路1時，在14.2MHz處的衰減為約-20dB，改善約35dB。當零陷移動電路配置為電路2時，在14.2MHz處的衰減為約-10dB，改善約45dB。實踐中，因為各真實的電力網具有其獨特的阻抗組合，因此實際效果可能與圖3所示的不同。
圖4中的示例曲線示出了一測試例中對於零陷的效果，該例中接收機採用與135A類似的零陷移動電路。圖4的縱軸是衰減，橫軸是頻率。考慮可能的通信頻率12.2MHz和13.2MHz。在零陷移動電路關閉時，在12.2MHz處有約-25dB的零陷，在13.2MHz處有約-40dB的零陷。當零陷移動電路配置為電路1時，在約12.2MHz時發生約-68dB的零陷並且在13.2MHz處的衰減為約-23dB。當零陷移動電路配置為電路2時，在12.2MHz處的衰減為約-37dB且在13.2MHz處的衰減為約-26dB。這樣，對於12.2MHz的通信頻率，最有利的性能發生在零陷移動電路關閉時。然而，對於13.2MHz的通信頻率，最有利的性能發生在電路1時。實踐中，因為各真實的電力網具有其獨特的阻抗組合，因此實際效果可能與圖4所示的不同。
為採用零陷移動電路135和處理器140深入考慮了幾種備選方案。(1)通過修改電力網105的復阻抗，主動地改變PLC抵消零陷深度或零陷頻率，以允許在期望頻率上的信號傳輸；(2)如果沒有接收到來自從屬設備的響應，則用主通信設備來修改電力網105的復阻抗；(3)使用主通信設備來修改電力網105的復阻抗並且監視其性能，然後使用能提供最佳性能的阻抗；(4)使用從屬通信設備來周期性地修改電力網105的復阻抗，然後使用能提供最佳性能的阻抗；(5)周期地、隨機地或間歇地用獨立的通信設備來修改電力網105的復阻抗，以改善在分離的主設備和從屬設備之間的通信。上述的種種方案可供發射機和接收機採用，而不必將它們指定為主設備或從屬設備。
應當理解，本領域技術人員能夠設想出對本文所教授內容的各種替代、組合和修改。本發明當涵蓋所附的權利要求書範圍內的所有這樣的替代、修改和變化。
權利要求
1.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的方法，包括如下步驟修改所述復阻抗；以及確定所述修改是否影響所述通信的質量。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述修改可變更所述電力網中零陷的特性。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述通信在信號頻帶中進行，並且所述修改可改善所述信號頻帶中的所述質量。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述修改響應所述質量低於可接受閾值之確定而執行。
5.如權利要求1所述的方法，其中重複所述修改並對所述復阻抗的多個值重複所述確定，所述方法還包含確定所述多個值中哪一個產生最佳的所述質量的步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述方法由從發射機、接收機和收發信機構成的組中選擇的設備使用。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述方法由未能接收到對收發信機先前在所述電力網上發送的消息之確認的收發信機使用。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述質量由所述通信的比特誤碼率來度量。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述質量根據所述通信是否為連接到所述電力網的接收機所確認來度量。
10.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的方法，包括如下步驟確定在所述電力網中通信的質量；以及在所述質量低於可接受的閾值時修改所述復阻抗。
11.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的方法，包括如下步驟經由所述電力網傳送信息；修改所述復阻抗；以及經由所述電力網重傳所述信息。
12.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的裝置，包括修改所述復阻抗的電路；以及確定所述修改是否影響所述通信的質量的處理器。
13.如權利要求12所述的裝置，其中所述修改可變更所述電力網中零陷的特性。
14.如權利要求12所述的裝置，其中所述通信在信號頻帶中進行，並且所述修改可改善在所述信號頻帶中的所述質量。
15.如權利要求12所述的裝置，其中所述修改響應所述質量低於可接受的閾值之確定而執行。
16.如權利要求12所述的裝置，其中重複所述修改並對所述復阻抗的多個值重複所述確定，所述處理器還包含確定所述多個值中的哪一個產生最佳的所述質量的模塊。
17.如權利要求12所述的裝置，其中所述裝置由從發射機、接收機和收發信機構成的組中選擇的設備使用。
18.如權利要求12所述的裝置，其中所述裝置由未能接收到收發信機先前在所述電力網上發送的消息之確認的所述收發信機使用。
19.如權利要求12所述的裝置，其中所述質量由所述通信的比特誤碼率來度量。
20.如權利要求12所述的裝置，其中所述質量根據所述通信是否為連接到所述電力網的接收機所確認來度量。
21.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的處理器，包括確定在所述電力網中通信的質量的模塊；以及在所述質量低於可接受的閾值時控制電路以修改所述復阻抗的模塊。
22.一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的處理器，包括通知發射機經由所述電力網傳送信息的模塊；控制電路以修改所述復阻抗的模塊；以及通知所述發射機重傳所述信息的模塊。
23.一種含有指令的存儲介質，所述指令控制便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的處理器，其中包括控制所述處理器以確定在所述電力網中通信的質量的指令；以及在所述質量低於可接受的閾值時控制所述處理器以控制電路修改所述復阻抗的指令。
24.一種含有指令的存儲介質，所述指令控制便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的處理器，其中包括控制所述處理器以通知發射機經由所述電力網傳送信息的指令；控制所述處理器以控制電路來修改所述復阻抗的指令；以及控制所述處理器以通知所述發射機來重傳所述信息的指令。
全文摘要
提供了一種便於在具有復阻抗的電力網中進行通信的方法。該方法包括修改復阻抗並確定該修改是否影響通信的質量的步驟。
文檔編號H04B3/54GK1890894SQ200480036595
公開日2007年1月3日 申請日期2004年10月14日 優先權日2003年10月15日
發明者K·B·維勒斯二世, D·H·馬曼 申請人:通用電氣公司