具有全雙工通信功能的電力線收發(fā)器的設(shè)計和測試

曹 亮，蔣覲陽

蘭州大學信息科學與工程學院，甘肅蘭州 730000

1 概述

電力線（PL）可能是一種廉價和良好的網(wǎng)絡選項，在這個意義上，他們幾乎是一個普遍目前的基礎(chǔ)設(shè)施。然而，應采取適當?shù)牟襟E，來克服高衰減，噪聲和信號耦合相關(guān)的問題。在本文中，我們提出了一個使用窄帶傳輸可在配有RJ-11接口全雙工傳輸能力的系統(tǒng)中使用的計劃，它被設(shè)計成收發(fā)器。該系統(tǒng)使兩個背景噪音損壞的一個通道，通過室內(nèi)電力線路設(shè)置使用自己的56Kbps的調(diào)制解調(diào)器進行個人電腦之間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 電力線背景噪聲的概況

噪聲是有色背景噪聲，窄帶干擾，定期沖動（異步和同步交流電源）和異步脈沖噪聲。第一三者共同構(gòu)成的背景噪聲，因為他們?nèi)匀辉趲追昼娚踔翈讉€小時內(nèi)固定。背景噪聲和定期沖動與交流電源同步是窄帶傳輸[1]中的主導因素。作為一個初步的要求，選擇最適合在室內(nèi)PL設(shè)置傳輸?shù)念l率波段，背景噪聲是短暫的時間內(nèi)取得，并存儲在一個使用一個通用接口總線（GPIB）接口數(shù)字存儲的PC示波器，并進行離線分析。 DSO是通過一個合適的耦合器連接到PL [圖1]作為高阻抗提供230V，50Hz PL信號及其諧波的高通濾波器（fc=25 kHz），以及低阻抗通信頻率。還包括提供電隔離變壓器（TT），其隨著電容C1構(gòu)成一個高通濾波器的要求切斷。

圖1 耦合器的設(shè)計

3 收發(fā)器的設(shè)計和實現(xiàn)

配備56Kbps的調(diào)制解調(diào)器的兩臺電腦被認為是通過PL網(wǎng)絡作為測試數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備?；鶐鬏斝盘枏恼{(diào)制解調(diào)器（0 kHz～4kHz）的工作在一個非常低的信號功率，即使功率在增加，使兩者之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β拾l(fā)射機是不可能實現(xiàn)的，是因為存在這些頻率高噪音。 PL阻抗（20Ω～190Ω）與被設(shè)計工作在600Ω的電話線調(diào)制解調(diào)器的輸出阻抗相比也非常低。下面給出了設(shè)計收發(fā)器的結(jié)構(gòu)部分，如圖2所示。

3.1 混合

活躍 的混合電路的第一個收發(fā)器（HY1）到（TR1）的轉(zhuǎn)換，是從第一個調(diào)制解調(diào)器，到一臺電腦（MODEM1）四線線路，從而實現(xiàn)接收到傳送（T）的分離，然后從第二個調(diào)制解調(diào)器（MODEM2）作進一步的信號調(diào)理（圖2）?；旌陷斎胧且粋€1∶1的變壓器（T1），在調(diào)制解調(diào)器的發(fā)射頻率的阻抗是一條電話線的繞組。 HY1（圖3）由一個緩沖A1，一個差分放大器A2和一個電位器P1構(gòu)成，后來調(diào)整，以盡量減少從MODEM2收到的MODEM1傳輸線反射信號的組件。回波損耗（ERL）在傳輸路徑的混合產(chǎn)生適當?shù)恼{(diào)整后的P1是6 dB，這是從調(diào)制解調(diào)器發(fā)送信號（50%）相均衡。反射回波可以完全無效，只有T1的次級調(diào)制解調(diào)器的信號頻率的阻抗是無限的，然而這是不可能的，因此需要一個額外的回音消除殘余回聲抵消到最低限度。第二個收發(fā)器的混合HY2（TR2）連接到另一臺電腦MODEM2也同樣調(diào)整。

圖2 收發(fā)器的框圖

3.2 振幅調(diào)制器和解調(diào)器

從混合傳輸基帶信號到振幅調(diào)制載波（170千赫TR1和TR2為430千赫）使用全雙工連接，并在PL后傳給合適的功率放大（PA）（圖2）MC1495K（M）IC。雙頻率被用來防止被放大的信號反映在同一收發(fā)器的接收路徑。 PL噪聲在這些頻率比較少，并沒有在這個范圍內(nèi)無線信號的干擾。

3.3 線路調(diào)諧器和耦合器

一個合適的LC電路耦合器（圖2）是用來調(diào)整從PL接收到的信號收發(fā)器[2]。電路調(diào)整TR1和TR2，分別為430kHz和170kHz。調(diào)諧器的目的是從其他收發(fā)器和高阻抗的所有其他頻段提供低阻抗傳入的載波頻率。它的功能是防止從收發(fā)器放大傳輸信號，反饋到接收在同一側(cè)，也最大限度地減少輸入的PL噪聲限制帶寬到相應的調(diào)整頻率。

圖3 收發(fā)器，回聲消除

4 電力線網(wǎng)絡

該收發(fā)器在PL網(wǎng)絡測試（圖4）總長度100.25m的長度分行各2.55m。配電箱（DB）的形式從配電室（DR）的電源插座。MODEM1是連接插頭1和MODEM2通過收發(fā)器在網(wǎng)絡上各點（通過插頭2-8）網(wǎng)絡[3]。加熱器和白熾燈等不同的家庭負荷連接各點的PL兩個調(diào)制解調(diào)器之間的連接是為每個安裝嘗試。

圖4 分布式網(wǎng)絡

5 實驗結(jié)果

合適的注意事項（AT）命令集[4]，用于建立連接使用的操作系統(tǒng)的超級終端設(shè)備之間的兩個調(diào)制解調(diào)器。最初，電話線是用來在兩個調(diào)制解調(diào)器之間的測試整個設(shè)置的有效性。對于這一點，一個調(diào)制解調(diào)器使用“ATDxxx”命令“ATA”應該是接收器的其他調(diào)制解調(diào)器的命令行為的撥號器。撥號調(diào)制解調(diào)器配置，無需等待撥號音撥號接通后，調(diào)制解調(diào)器連接是在全雙工模式下的狀態(tài)表示“連接”在“超級終端”窗格。然后取出電話線和調(diào)制解調(diào)器插入到PL通過收發(fā)器。調(diào)制解調(diào)器之間的連接嘗試不同負載條件下，使用AT命令。調(diào)制解調(diào)器之間的連接是建立在不同的范圍從33.6Kbps～1.2Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率取決于調(diào)制解調(diào)器的輸入和可用帶寬上收到的S / N （圖5）和（圖6）。對于每一個位置的調(diào)制解調(diào)器和不同的負載，信號發(fā)射機功率都進行調(diào)整，以盡量減少從調(diào)制解調(diào)器的音頻范圍內(nèi)的信號失真。1.2Kbps的連接時獲得的第二個收發(fā)器連接到插頭8，其中采用了DB的路徑。獲得最佳的連接（33.6Kbps的）時是沒有任何負載直接連接到調(diào)制解調(diào)器插件1和插件7。

圖5 帶寬為33.6Kbps的連接

圖6 帶寬為1.2Kbps的連接

6 窄帶傳輸?shù)碾娏€收發(fā)器的發(fā)射頻率的通道容量的估算

窄帶收發(fā)器的使用頻帶寬度（BW）傳輸信道容量的估計。對于這一點，從100kHz到530kHz（由FCC允許）的PL噪音模擬使用逆累積分布和離散傅立葉逆變換方法[5]模擬當?shù)氐腜L噪聲。使用產(chǎn)生噪聲樣本的隨機數(shù)的方法復制在每一個仿真通道的不可預知的噪聲。據(jù)估計在170kHz和430kHz帶信道容量，帶寬為4kHz（由收發(fā)器所使用的帶寬），使用香農(nóng)信道容量定理得出傳輸信號功率1mW。在模擬時，PL假設(shè)是有任何損失和缺口的理想特性。

7 結(jié)論

在本文中，利用室內(nèi)的PL已作為網(wǎng)絡之間傳輸使得兩個使用其56內(nèi)部Kbps的調(diào)制解調(diào)器的電腦，并且是在全雙工模式下得到的數(shù)據(jù)。一個合適的收發(fā)器的設(shè)計和測試，可以克服噪音，衰減和信號耦合相關(guān)的問題。分別獲得33.6Kbps和1.2Kbps的之間不同的連接率，前者是最大的調(diào)制解調(diào)器調(diào)制得到的。在不同的負載條件下所獲得的利率是高度依賴收到的信號功率和噪聲。然而，接收信號功率差別很大，即使是在觀察小帶寬。這可以歸因于兩個頻率，由于頻率依賴通道阻抗不同的發(fā)射功率，不同的傳遞函數(shù)的每個設(shè)置的通道，并在收發(fā)器中使用的各種頻率相關(guān)參數(shù)之間的低效耦合。依據(jù)香農(nóng)定理對PL發(fā)射頻率使用的通道能力的估計，但遠高于在實驗中獲得更大。雖然在實驗中獲得的數(shù)據(jù)傳輸率是相當?shù)偷模谀承┣闆r下，這樣一個實驗裝置，可用于監(jiān)測數(shù)據(jù)，如低速率的緩慢變化的物理參數(shù)，如濕度，溫度等自動抄表和通過PL應用。稍作修改，使廉價的電話聽筒般的聲音信號，以及溫度和濕度信號實現(xiàn)雙向轉(zhuǎn)移，還能監(jiān)測一些模擬信號。

[1]E Biglieri, and P D Torino.Coding and Modulation for a horrible Channel.IEEE Communication Magazine，2003，41(5)：92-8.

[2]M Zimmermann, and K Dostert.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broad-band Powerline Communications. IEEE Trans.on Electromagnetic Compatibility，2002，44(1)：249-58.

[3]M Katayama, T Yamazato, and H Okada.A Mathematical Model of Noise in Narrowband Power Line Communication Systems.Int J Selected Areas in Communication，2006，24(7)：1267-76.

[4]B Tiru, and P K Boruah, Multipath effects and adaptive transmission in presence of indoor power line background noise, Int J Commun Syst，2010，23：63-76.

[5]B Tiru, and P K Boruah.Some Characteristics of Power Line Under Typical Laboratory Condition.Proceedings of the National Symposium on Instrumentation-302005：515-20.