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電力線(xiàn)載波通信PLCT(Power Line Carrier Transceivers)利用現有電網(wǎng)的電力線(xiàn)作為傳輸信道，以載波方式進(jìn)行數據／語(yǔ)音通信。它利用現有的電力線(xiàn)路，無(wú)需另外架設通信線(xiàn)路，也不占用通訊頻率資源，故成本相對較低。 利用10kV以上高壓電力線(xiàn)載波通信(載波電話(huà))已經(jīng)在電力部門(mén)內部的語(yǔ)音通訊上獲得廣泛應用，對高壓電力線(xiàn)進(jìn)行高頻信號傳輸的研究已經(jīng)非常深入和成熟。但是，在220/380V低壓電力線(xiàn)進(jìn)行信號傳輸，與高壓電力線(xiàn)載波通信有較大區別，突出表現在工作環(huán)境惡劣、線(xiàn)路阻抗和信號衰減時(shí)變性強、干擾大等特點(diǎn)。近幾年來(lái)，由于新型載波通信芯片的推出以及先進(jìn)通信方式的采用，國內外已把低壓電力線(xiàn)載波通信技術(shù)應用于遠程自動(dòng)抄表系統、防火報警系統、智能化家電控制系統等中低速的數據傳輸系統中。但是絕大部分低壓電力線(xiàn)路是作為數字信息的通信媒介。本文介紹利用電力線(xiàn)modem芯片LM1893、采用低壓電力線(xiàn)作為通信媒介的語(yǔ)音、音樂(lè )信號傳輸系統。 1 系統工作原理及電路設計 1.1 工作原理及組成 系統組成及原理框圖如圖1所示。系統由一個(gè)發(fā)送機、220V電力線(xiàn)傳輸通道和若干并接在電力線(xiàn)上的接收機組成。在發(fā)送機端，音頻信號經(jīng)電力線(xiàn)modem調制為100kHz以上的高頻調制信號，通過(guò)電力線(xiàn)接口電路送入220V交流電力線(xiàn)。在接收機端，電力線(xiàn)上各種頻率信號通過(guò)隔離耦合電路進(jìn)入接收機，選頻放大電路僅選出發(fā)送機送來(lái)的高頻信號，濾掉其他頻率的信號。過(guò)濾后的高頻信號再由電力線(xiàn)modem解調出原始的音頻信號，最后由音頻功放對音頻信號進(jìn)行放大并推動(dòng)揚聲器發(fā)出聲音。 載波頻率根據電力線(xiàn)的頻率特性，一般選擇在40kHz~600kHz。本系統中載波頻率為125kHz，采用頻率調制(FSK)。 1.2 音頻信號的調制解調 圖2給出了發(fā)送機和接收機的音頻調制解調原理圖。 本系統電力線(xiàn)modem采用集成電路LM1893。LM1893/2893是美國國家半導體公司出品的電力線(xiàn)載波通信芯片，可用來(lái)實(shí)現數據及語(yǔ)音在電力線(xiàn)上的傳輸。LM1893采用FSK調制方式，內置自動(dòng)電平控制(ALC)電路，內置可選擇的脈沖噪聲濾波器，輸出功率極易提升10倍，載頻范圍50kHz~300kHz可任意選定，接收靈敏度達2mV，可驅動(dòng)任何常規電力線(xiàn)。 如圖2，在LM1893的收發(fā)控制器(5腳)輸入高電平時(shí)，LM1893處于發(fā)送狀態(tài)。音頻信號經(jīng)調制器(MOD)調制后變成受控電流信號，送入電流控制振蕩器(ICO)，形成頻率受電流控制的三角波，再經(jīng)正弦波形成電路(SINE SHAPER)形成正弦波，通過(guò)自動(dòng)電平控制(ALC)電路和輸出功率放大器(OUTPUT AMP)后輸出幅度穩定的頻率受調于輸入信號的正弦波信號，在10腳送入電力線(xiàn)接口。 當LM1893的收發(fā)控制器(5腳)輸入低電平時(shí)，LM1893處于接收狀態(tài)，由電力線(xiàn)接口電路送來(lái)的高頻信號經(jīng)限幅器(LIMITER)限幅后，送入解調電路(鑒頻器[PHASE DET]和鎖相環(huán)[PLL])；解調后經(jīng)阻容低通濾波器進(jìn)行環(huán)路濾波，饋入電平偏移抵消電路(OFFSET CANCEL)濾除直流分量，經(jīng)比較器(COMP)判別后得到數字信號，通過(guò)脈沖噪聲濾波器(IMPULSE NOISE FILTER)濾除脈沖尖峰干擾后輸出。但是在接收通道中，鑒相器以后的電路只能通過(guò)數據信號，而本系統中接收的是音頻信號，因此直接在鑒相器后(3、4腳)取出解調信號。 發(fā)送/接收的載波頻率由外接的振蕩電容C0確定，可變電阻R0對載波頻率F0進(jìn)行微調。增大/減小C0或R0的取值，即可實(shí)現載波頻率的增高或減低。C0的取值由下式確定 C0=70.6×10-6/F0 （１） 1.3 電力線(xiàn)接口 電力線(xiàn)接口(PLI)是電力線(xiàn)載波系統的關(guān)鍵部件之一，也是系統設計的難點(diǎn)。PLI由保護電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，目的是把LM1893同電力線(xiàn)隔離，在電力線(xiàn)上加載或析取信號。發(fā)送機的PLI和接收機的PLI相同，其電路如圖3所示。 保護電路使用電阻和二極管組成的限幅電路，避免系統受瞬時(shí)過(guò)電壓的干擾。這里的瞬時(shí)過(guò)電壓包括電力線(xiàn)上感應的強雷電脈沖、電力線(xiàn)上傳來(lái)的用電器造成的強尖峰干擾以及本設備諧振回路產(chǎn)生的峰值電壓等。增大電阻限幅效果更好，但是信號被衰減更多，一般取4.7Ω。二極管可采用快速大功率齊納管。 選頻耦合電路是一個(gè)很重要的環(huán)節，它直接影響通訊的質(zhì)量。圖3中變壓器T不但實(shí)現了與電力線(xiàn)的隔離，同時(shí)T的初級線(xiàn)圈和電容C0構成一個(gè)諧振回路，諧振頻率為載波頻率。為了最大限度地將信號耦合到電力線(xiàn)上，必須做到阻抗匹配，這就要求變壓器T選擇合適的變比。因此變壓器T的設計是關(guān)鍵。設T的初級自感為L(cháng)0，總損耗電阻為R0，匝數比為N，次級負載(電力線(xiàn))阻抗為Z，反射阻抗為Zr，諧振回路中心頻率為F0，帶寬為BW，回路的品質(zhì)因素為Q，則有：? L0＝R0//Z/2πF0Q=BWR0//(N2Z)/ 2πF0（符號"／／"表示并聯(lián)）（2） C0=1/（2πF0）2L0 （3） 這里，N一般為Z的函數，當阻抗匹配時(shí)，可按下式計算N： Ｎ＝R0/Z （４） 耦合變壓器采用優(yōu)質(zhì)高頻鐵氧體材料為磁心的高頻變壓器。高頻鐵氧體材料為磁心的新一代電源轉換功率器件?具有效率高、體積小、穩壓范圍寬、電隔離性能好等特點(diǎn)。 電容CC實(shí)現耦合變壓器次級至電力線(xiàn)的工頻隔離，它讓高頻載波信號得以通過(guò)，同時(shí)過(guò)濾掉電力線(xiàn)上50/50Hz的工頻信號。 1.4 音頻放大/靜躁 解調時(shí)，音頻信號由LM1893的3腳和4腳輸出的。同時(shí)輸出的還有2F0的頻率成分和噪聲信號，可以通過(guò)一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò )把這些噪聲信號過(guò)濾掉。經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò )出來(lái)的音頻信號十分微弱，音頻放大器LM358對其進(jìn)行前置放大，然后送功率放大器放大驅動(dòng)揚聲器。如圖4所示。 為了使電路在沒(méi)有載波時(shí)實(shí)現靜噪功能，系統利用開(kāi)路電壓比較器LM339來(lái)實(shí)現。當有載波時(shí)，載波輸出檢測電路的輸出端輸出低電平，比較器的兩端為高電平，對音頻信號的衰減很少，能夠通過(guò)放大器。在沒(méi)有載波信號時(shí)，載波檢測電路的輸出端輸出高電平，電平高于比較器正向輸入端的1.6V，比較器輸出低電平，把放大器的正反向輸入端的信號都屏蔽掉，實(shí)現靜噪功能。 為了獲取圖4中的載波檢測信號，需要對信道進(jìn)行載波檢測。鑒音器LM567(鎖相環(huán)電路)具有識別載頻功能，頻帶達0~500kHz，用作載波檢測很合適，只需幾個(gè)阻容元件配合該電路芯片即可決定中心頻率和帶寬。載波檢測電路如圖5，信道無(wú)載波時(shí)輸出端為高電平。 2 主要問(wèn)題及對策 由于低壓電力線(xiàn)上惡劣的通信環(huán)境，且LM1893為非專(zhuān)用為模擬音頻信號的傳輸，因此在本系統的設計中碰到了一些問(wèn)題，下面做簡(jiǎn)單的總結。 (1)音頻輸入信號幅值不可過(guò)高，一定要限制在±1V，否則會(huì )造成載波信號的失真而影響甚至不能通信。 (2)載波信號的傳輸距離。在無(wú)法對通信環(huán)境進(jìn)行改善的情況下，提高載波信號的功率對延長(cháng)傳輸距離具有很好的效果。具體實(shí)現可在LM1893的載波輸出端增加一級放大。 (3)載波頻率的選擇。對于電力線(xiàn)通信，載波頻率越高，衰減越高，載波頻率越低，衰減越小。但是載頻太低，電力線(xiàn)上的干擾噪聲信號更多更強。在實(shí)驗中應當選用不同的載波頻率，在不同的距離上傳輸音頻信號，根據實(shí)驗結果選擇最佳的載頻。 (4)在電力線(xiàn)上存在各種各樣的干擾，主要包括電源線(xiàn)中的高頻干擾、感性負載產(chǎn)生的瞬變噪聲、晶閘管通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾和拉閘過(guò)程形成的高頻干擾。對于以上各種問(wèn)題，解決的方法主要是屏蔽、濾波、接地，在線(xiàn)路板上布線(xiàn)時(shí)應注意減小分布電容和分布電感。 (5)異相傳輸需要在相線(xiàn)間并接耐壓電容以提供信號通路。由于不便跨接相間耦合電容，本實(shí)驗是在同相線(xiàn)路上進(jìn)行的，沒(méi)做跨相實(shí)驗。 利用電力線(xiàn)載波技術(shù)實(shí)現的傳輸系統，能夠避免繁重的布線(xiàn)工作，具有造價(jià)低、線(xiàn)路牢固可靠、安裝方便等特點(diǎn)。本文介紹的音頻傳輸系統，經(jīng)過(guò)改造可以應用于公共廣播和樓宇傳呼等方面。 |
