輸電線全雙工數據通信的製作方法

2023-05-03 07:44:16

專利名稱：輸電線全雙工數據通信的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及將通信信號耦合到電力分布系統中，更具體地，涉及在輸電線和其他有較大的驅動點阻抗變化的電線上的全雙工通信。
背景技術：
雖然可以實現通過輸電線連接的數據機之間的數據通信，但是需要考慮到這樣的輸電線中大幅變化的驅動點阻抗。通常，電力線數據機可以包括高頻發射器和高頻接收器，它們需要在不同頻帶上同時工作。在使用擴頻數據機的情況下，發射和接收頻帶相對較寬。不幸的是，高頻功率放大器(如通常在發射器的輸出級使用的)並不是完全線性的。它們的非線性會在傳輸頻帶之外的很寬頻率範圍內產生互調(IM)產物。這些互調產物中的一部分會落在接收器的頻段內，並且對從遠端的另一臺數據機傳來的輸入信號產生幹擾。
理想地，發射器功率應該只到達與數據機的輸出端連接的輸電線上，而發射器的輸出不應該到達接收器的輸入端。然而，對於電力線數據機來說，一對輸電線端子同時用於發射器的輸出和接收器的輸入。在全雙工通信中，當發射器和接收器同時工作時，應用一種叫作「混合耦合器(hybrid coupler)」的三埠網絡將發射器和接收器連接到線路上。理想地，對於輸入信號從輸電線埠到接收器之間應該是無損連接，發射器和輸電線端子之間應該是無損連接，並且發射器和接收器之間應該完全隔離。
這樣的網絡原來是為模擬電話設計的，因為它同樣需要通過一對線來發送和接收。全雙工混合耦合器能夠提供發射器-接收器之間很高的隔離，但是隔離程度取決於數據機阻抗與負載阻抗之間的匹配精確度。對於模擬電話網絡來說，這樣的精確阻抗匹配並不是問題，但是對於輸電線網絡來說，從輸電線端子看來負載阻抗在所關注的頻帶上變化很大，而發射器和接收器之間的混合隔離會受到嚴重的破壞。
當大量的寄生發射器輸出落入接收器的輸入頻帶內時，接收器的信噪比會大幅度降低，而輸電線阻抗失配會導致一些這樣的寄生能量到達接收器的輸入端。這會導致數據錯誤或者為了保持可接受的誤碼率而被迫降低數據傳輸率。
圖1圖示了連接到發射器輸出級100的輸出端103上的普通混合耦合器110，它由數據機的低功率發射器106驅動。混合耦合器110也連接到作為數據機的負載的通信線路上，並具有由總阻抗ZL115表示的阻抗。混合耦合器110還與接收器125的輸入端120連接。對於全雙工數據機來說，發射器輸出級100是典型的推挽式的，以消除其差動輸出端103之間的偶次諧波能量。理想地，當混合耦合器110的標稱設計阻抗值與阻抗ZL115相等時，在發射器輸出端103和接收器輸入端120之間沒有饋通。但是，在實際情況中輸電線的阻抗是一個復變量，當混合耦合器110的標稱設計阻抗值與阻抗ZL115不相等時，輸出端103和輸入端120之間的衰減會降低到非常低的水平，並且大量不希望有的IM產物會到達接收器125。
例如，線路阻抗ZL115為12.5歐姆電阻，那麼漏入接收器125的傳輸信號的電平僅比全發射器輸出弱6dB。在更典型的情況，也就是ZL115是一個複數阻抗而不是單純的電阻時，洩漏會更厲害。

發明內容
本發明的實施例包括用於全雙工數據機的混合耦合電路和相應的方法。第一變壓器具有初級和次級繞組，次級繞組與初級繞組的匝數比為1∶1。第一變壓器的初級繞組連接在數據機的發射器的輸出端上。一對發射器輸出電阻串聯地連接在各個發射器輸出端之間並連接到相應的通信線端子上。第二變壓器具有初級和次級繞組，次級/初級匝數比與負載匹配情況下發射器輸出端之間的電壓和輸出電阻的負載側端子上的電壓的比值相對應。第二變壓器的初級繞組與通信線路並聯。變壓器的次級繞組反相串聯，從而(i)消除發射器傳輸過來的信號，(ii)為從通信線路到接收器的信號提供通路。
在進一步的實施例中，可以在線路阻抗和第二變壓器的初級繞組之間連接衰減器(attenuation pad)，以改善線路阻抗失配條件下的饋通消除性能。


通過以下的詳細說明，結合附圖，可以更清楚地理解本發明。
圖1圖示了根據現有技術的應用於全雙工的普通混合耦合器。
圖2圖示了根據本發明一個實施例的混合耦合器。
圖3圖示了全雙工混合耦合器的另外一個實施例。
具體實施例方式
圖2圖示了根據本發明一個實施例的用於全雙工的混合耦合器270。典型的固態高頻線路驅動器100(例如可以用做數據機發射器輸出級)通常有接近於零的輸出阻抗。通過外部電阻205實現阻抗匹配和限流。為了舉例說明，使用特定的輸電線標稱阻抗值，例如50歐姆。對這裡由ZL115表示的標稱50歐姆的輸電線負載，端子對220之間的發射器電壓是在驅動器端子對103處的一半。
如果端子220兩點間電壓可以翻倍並從端子103兩點間的電壓中減去，則所得到的電壓可以很好地消除發射器電壓。圖2示出了通過增加變壓器250和變壓器255做到這一點，變壓器255的匝數比是變壓器250匝數比的2倍，而變壓器250和變壓器255的次級串聯，以提供差動輸出，這個輸出通過接收器端子120連接到接收器125的輸入端。
與在接收器端子120處消除發射器信號相反，該電路通過變壓器255把接收到的線路信號傳送給接收器125。變壓器250不提供電壓，因為其初級繞組由發射器輸出級(線路驅動器100)的極低輸出阻抗而短接，這個短路狀態反映為變壓器250的次級上的接近於零的阻抗。本領域技術人員可以歸納出變壓器250和變壓器255的變壓比，以補償端子對103和220上的預期電壓比，並可以改變它們的絕對比值以便於實現與接收器125的最佳阻抗匹配。因此，1∶1和2∶1可以是3∶1和6∶1，它們達到同樣的消除效果。在負載匹配的情況下，變壓器255的右側繞組上的電壓是線路驅動器100上電壓的一半。所以，如果變壓器255把這個一半電壓升高到6倍，而變壓器250把這個全電壓升高到3倍，那麼相減後到達接收器235的電壓是零。
在阻抗匹配的條件下，電阻205(其總和選擇為等於標稱數據機阻抗)將載入輸入信號的50％或者6dB。變壓器255的變壓會恢復原始接收信號的幅值，雖然阻抗水平是數據機標稱阻抗的兩倍。不過，變壓器250和255的次級反相串聯，以(i)消除從發射器線路驅動器100傳輸來的信號，(ii)為從通信線路(即端子220)到接收器125的信號提供通路。
圖3圖示了一個電路的原理圖，該電路採用了穩定從數據機電橋270端看去的阻抗ZL Modem365的方法，以改善大幅變化的輸電線阻抗ZL115的影響。圖3的電路利用了阻性衰減器360的阻抗穩定特性，設計為特徵阻抗與數據機標稱阻抗相等的H型網絡衰減器。如果阻性衰減器360安裝在數據機線路端子323和輸電線端子320之間，那麼從電橋270看過去的終端阻抗ZL Modem365的變化大幅度減小，而電橋270減小發射器線路驅動器100和接收器125之間的洩漏的能力大為加強。
例如阻性衰減器360這樣的阻性衰減器有終端阻抗，例如ZL Modem365，其取決於在阻性衰減器360使用的電阻值和負載阻抗ZL115。用極限情況來舉例說明一下，短路負載阻抗ZL115會減小ZL Modem365，但不會減到零，而開路負載阻抗ZL115會增加ZL Modem365，但不會增加到無窮大。同樣地，對於不太劇烈變化的ZL115，ZL Modem365的變化會比ZL115更平緩。這樣就起到了在輸電線負載阻抗ZL115變化時保持從端子323看過去的阻抗ZL Modem365穩定的效果。這個益處是以信號電平為代價獲得的，信號電平的降低就是損失。
緩衝器衰減增加時阻性衰減器360的穩定效果也會增強，但是代價是降低了由ZL115體現的到達輸電線的發射器功率電平以及接收器125的接收信號。可以提高線路驅動器100的輸出級功率以補償衰減器損耗，從而將傳輸到ZL115的數據機輸出功率恢復到初始水平，要小心不要增加IM失真的電平。
對接收器的信號-IM洩漏噪聲比的影響是很複雜的。一方面，信號水平被阻性衰減器360衰減。然而，經常會遇到的情況是線路阻抗與數據機的標稱阻抗差別很大，阻性衰減器360改善從電橋270看到的阻抗匹配的效果可以減小發射器的IM產物饋通，從而實現接收器的信號-互調噪聲比的總體改善。
對圖2和3所示電路進行一系列模擬，結果列在下表1-3中。例如，阻性衰減器360的10dB衰減針對輸電線阻抗相對於標稱值的偏離實現了發射器-接收器信號洩漏的如下改善，如表1-3所示。
表1 發射器-接收器的饋通w/21v發射器輸出

表2接收器性能

表3到達負載的發射輸出功率

例如，在表1的第一行可以看到當輸電線負載電阻為12.5歐姆，或者數據機的標稱阻抗的四分之一時，圖2中的混合電路270僅在接收器輸入端子處將發射器信號衰減5.9dB，而當增加了圖3所示的10dB阻性衰減器360之後，該指標改善到了26dB，有20.1dB的提高。表2示出了平均接收功率改善了-33.1-(-19.1)或者14dB。表2中的接收功率損耗與表1中的發射器-接收器饋通比率從-33.1-(-13.7)＝19.6dB改善到了-19.1-(-31.1)＝12dB，或者說有了19.6-12＝7.6dB的提高。表3示出了平均發送功率降低了5.2-(-4.6)＝9.8dB，但是可以通過把線路驅動器200的輸出提高到1W來進行補償。
典型的高線性度發射器線路驅動器100的IM產物比載波低45dB。另外26dB的隔離使接收器端子處的IM產物比發射器低71dB，這是從線路上的其它數據機接收到的受到強衰減的信號的幅值水平。在IM洩漏衰減僅為標出的5.9dB時(見表1的第1行)，IM產物比接收信號強-5.9-45+71＝20.1dB。
雖然公布了本發明的多種示例性實施例，然而對本領域的技術人員而言，顯而易見，本發明可以有各種修改和變化。因此，本發明涵蓋所有落入所附權利要求及其等同變換範圍內的各種修改和變化。
權利要求
1.一種用於包含發射器和接收器的全雙工數據機的耦合電路，所述電路包括第一變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，其中所述初級繞組與所述發射器相連；第二變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，其中所述第二變壓器的所述初級繞組與通信線路相連；所述第一變壓器的所述初級繞組的端子與所述第二變壓器的所述初級繞組的端子之間的電阻，其特徵在於，所述第一變壓器和所述第二變壓器的所述次級繞組反相串聯，並與所述接收器相連，以將從所述發射器到所述接收器的信號電平降到最低。
2.如權利要求1所述的耦合電路，其特徵在於，所述耦合電路(i)將來自所述發射器的第一信號耦合到所述通信線路中；並且(ii)將來自所述通信線路的第二信號耦合到所述接收器中。
3.如權利要求1所述的耦合電路，其特徵在於，所述第一變壓器的次級/初級匝數比為1∶1，而所述第二變壓器的次級/初級匝數比為2∶1。
4.如權利要求1所述的耦合電路，其特徵在於所述第二變壓器的匝數比是所述第一變壓器的2倍。
5.如權利要求1所述的耦合電路，還包括連接在所述第二變壓器的所述初級繞組與所述通信線路之間的衰減器。
6.如權利要求5所述的耦合電路，其特徵在於，在所述數據機的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
7.一種用於包含發射器和接收器的全雙工數據機的耦合電路，所述電路包括第一變壓器，其具有連接在所述發射器的第一輸出端和第二輸出端上的初級繞組，其中所述第一變壓器具有次級繞組，其次級/初級匝數比為1∶1；一對電阻，所述一對電阻中的第一個電阻與所述第一輸出端和通信線路的第一導體串聯，所述一對電阻中的第二個電阻與所述第二輸出端和所述通信線路的第二導體串聯，其中這些電阻阻值的總和組成了所述數據機的阻抗；以及第二變壓器，其具有並聯地連接在所述通信線路的所述第一導體及第二導體上的初級繞組，其中所述第二變壓器具有次級繞組，次級/初級匝數比對應於負載匹配條件下所述發射器的所述輸出端與所述通信線路的所述導體之間的電壓比，其中，所述第一變壓器和第二變壓器的所述次級繞組反相串聯，以(i)消除從所述發射器傳輸過來的信號，並且(ii)為從所述通信線路到所述接收器的信號提供通路。
8.如權利要求7所述的耦合電路，還包括連接在所述第二變壓器的初級繞組和所述通信線路之間的衰減器。
9.如權利要求8所述的耦合電路，其特徵在於，在所述數據機的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配的條件下，所述衰減器改善所述發射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
10.一種耦合具有發射器和接收器的全雙工數據機的方法，所述方法包括將第一變壓器的初級繞組與發射器相連；將第二變壓器的初級繞組與通信線路相連；將電阻連接到所述第一變壓器的所述初級繞組的端子和所述第二變壓器的所述初級繞組的端子之間；將所述第一變壓器的次級繞組和所述第二變壓器的次級繞組反相串聯；以及將所述第一變壓器和第二變壓器的所述次級繞組耦合到所述接收器上，從而將從所述發射器到達所述接收器的信號電平降到最低。
11.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述耦合電路(i)把來自所述發射器的第一信號耦合到所述通信線路中；(ii)把來自所述通信線路的第二信號耦合到所述接收器中。
12.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述第一變壓器的次級/初級匝數比為1∶1，而所述第二變壓器的次級/初級匝數比為2∶1。
13.如權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述第二變壓器的匝數比是所述第一變壓器的兩倍。
14.如權利要求10所述的方法，還包括在所述第二變壓器的所述初級繞組和所述通信線路之間連接衰減器。
15.如權利要求14所述的方法，其特徵在於，在所述數據機的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
16.一種耦合具有發射器和接收器的全雙工數據機的方法，所述方法包括將第一變壓器的初級繞組跨接在所述發射器的第一輸出端和第二輸出端之間，其中所述第一變壓器的次級/初級匝數比是1∶1；連接一對電阻，其中所述一對電阻中的第一個電阻與所述第一輸出端和通信線路第一導體串聯，所述一對電阻中的第二個電阻與所述第二輸出端和所述通信線路的第二導體串聯；將第二變壓器的初級繞組並聯地連接在所述通信線路的所述第一導體和第二導體上，其中所述第二變壓器具有次級繞組，次級/初級匝數比對應於負載匹配條件下所述發射器的所述輸出端與所述通信線路的所述導體之間的電壓比；以及把所述第一變壓器和第二變壓器的次級繞組反相串聯，從而(i)消除從所述發射器傳輸過來的信號，並且(ii)為從所述通信線路到所述接收器的信號提供通路。
17.如權利要求16所述的方法，還包括在所述第二變壓器的初級繞組和所述通信線路之間連接衰減器。
18.如權利要求17所述的方法，其特徵在於，在所述數據機的阻抗與所述通信線路的阻抗不匹配時，所述衰減器改善所述發射器和所述接收器之間的饋通消除效果。
全文摘要
提出了一種具有發射器和接收器的全雙工數據機的耦合電路。該耦合電路包括(a)第一變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，初級繞組與發射器相連；(b)第二變壓器，其具有初級繞組和次級繞組，第二變壓器的初級繞組與通信線路相連；以及(c)第一變壓器的初級繞組的端子與第二變壓器的初級繞組的端子之間的電阻。第一變壓器和第二變壓器的次級繞組反相串聯，並與接收器相連，以將從發射器到接收器的信號電平減小到最低。
文檔編號H04B1/74GK1650534SQ03809642
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月29日 優先權日2002年4月29日
發明者耶胡達·切恩 申請人:安比恩特公司