低壓電力線載波通信的接口電路設計
一、前言
電力線通信,簡稱PLC(Power Line CommunicatiON),是以電力網作為信道進行載波通信的一種有線通信方式。電力線載波通信與其他通信方式相比,能充分利用現有的電力線資源,即利用電力線進行通信,實現信息的傳輸。因而,電力線通信具有很好的開發前景和應用價值。
最近,英國在電力線媒介開發方面取得了突破性進展,用戶可通過電力線進入Internet網,它從簡單的數據傳輸提高到了網絡聯接。法國已推出了電力線調制解調器集成電路,使住宅智能化產品向市場化方向進一步推進。電力線通信目前在歐洲(德國、英國、瑞典等)發展得較快。德國與英國是目前世界上唯一制定電力線通信規則的國家[2]。中國電力系統已組建國電通信中心,并向信息產業部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015年建成全國統一的聯合電力網通信系統,其前景極其可觀。
但是,低壓電力線是一種通信環境非常惡劣的信道,有許多問題有待進一步研究[3]。低壓電力線傳送著220 V/50 Hz的電能,在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點,給低壓電力線通信帶來了很大的困難[4]。因此,低壓電力線通信必須首先解決以下兩個難題:
(1)電力網50 Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾;同時,考慮到整個通信系統的安全,必須進行強電隔離;
(2)低壓電力線上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高,以確保較高的載波信號加載效率。
上述問題,正是低壓電力線通信的接口技術問題,下面從這兩方面介紹其設計原理和實現方法。
二、接口電路的模型
根據低壓電力線通信接口技術的要求:一方面,必須進行強電隔離;另一方面,要確保較高的載波信號加載效率。為此,必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”,其接口電路模型如圖1所示。
該電路的關鍵物理量是2個回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學模型:
對(1)式,通過不同的處理將得到不同的數學模型。對圖1所示的雙RLC耦合回路進行去耦處理,得到2個獨立的RLC串聯回路。對(1)式求導,則可得到二元二階方程組:
(2)式同時含有2個未知函數i1(t)和i2(t)的二階導數,不便直接求解。
若將RLC串聯回路表示成二元一階方程,則由2個RLC回路便可得到四元一階方程組:
該方程組含有4個未知數:i1(t),i2(t),,
。其定解條件,直接由電路的初始儲能情況給出,當無初始儲能時,為齊次初始條件,即:
設所有電路元件都是非時變性元件,則所對應的常系數線性一階常微分方程組,可轉化成線性代數方程組進行求解。
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