复合耦合技术在低压电力线通信设计中的应用

中的发送放大电路电源控制，使系统只有处于发送状态时发送电路中的电压放大和功率放大电路才能得到合适的工作电源而工作;系统处于接收状态时，发送电路中的电压放大和功率放大电路因得不到电源而不工作;而模块中的接收信号通路的电压放大电路是始终工作的。

2. 3 耦合保护窄带滤波接口电路

根据上述接口电路的模型，可设计出低压电力线通信发送端的接口电路，如图3 所示。

图3 载波发送端接口电路。

在发送电路中，三极管和变压器组成调谐功率放大电路。该谐振变压器TRANS4 有着双重作用:

① 耦合载波信号;

② 使通信电路与220 V/50 Hz的强电隔离，C14为耦合电容。

前级功放输出的信号经谐振网络选频，耦合到交流电力线上，其调谐回路的谐振频率应满足：

若将中心频率选在82. 05 kHz，C11 =1 000 pF，经计算可得电感L 的取值在3. 76 mH左右。实用时，一般通过调节变压器一次绕组电感量来调节中心频率。C10 = 0. 56 μF，经计算可得电感L4 = 6. 73 μF( 实用L4 = 6. 8 μF)，变压器设计为部分接入功放，① 考虑阻抗匹配的需要;② 使变压器及电力线侧负载变化对谐振特性的影响最小。选取在电力线上的元件C10、C11、R35、CNR、L4时，既要考虑它们的通载波、隔离220 V/50 Hz 的强电能力，还要考虑器件的耐压和功率、电路使用的安全及有效性。R35、CNR 还兼有展宽通频带的作用，但信号增益有所下降。

变压器TRANS4 将电力线与接口电路的其余部分相隔离，发送信号送至电力线;然后，从电力线上取接收载波信号;最后，滤除来自电力线上的干扰噪声。

信号经变压器二次侧、L4、C11、C10、CNR、R35耦合至电力线上，变压器二次侧、L4、C11、C10、CNR、R35组成了带通滤波器，而低压电力线阻抗R 具有时变特性。由此，可计算出经变压器二次侧、L4、C11、C10、CNR、R35和低压电力线阻抗R 组成的双口网络的电压转移函数:

式中，R、C、L 分别为双口网络的等效电阻、电容、电感。

低压电力线通信接收端的接口电路如图4 所示。电力线侧的接口电路部分接收和发送信号共用，接收信号时，信号从交流220 V 的插座送入电力线，经0. 5 A 熔断器保护电路，由C10、CNR、R35、C11、变压器线圈组成的降压选频电路( 中心频率设计为82. 05 kHz) 及变压器耦合后，经由C12、C13及变压器线圈组成的并联谐振回路选频，再经L3、C9组成的滤波耦合到运放进行电压放大及整形，放大整形后的信号输入到电力线载波芯片。

图4 载波接收端接口电路。

3 接口电路的仿真试验及分析

根据接口电路的电压转移函数，对双口网络进行计算机仿真分析。在此，重点分析在不同低压电力线阻抗条件下带通滤波器的通频带，即该接口电路的频率特性。频率特性是*价该接口电路耦合性能的一项重要指标。仿真显示，当电力线电阻为2、10、20、50、70、100 Ω 时，幅频特性情况如表1 和表2 所示。

对50 Hz /220 V 强电的相对抑制力( dB)=

表1 不同电力线阻抗及不同中心频率下的输出幅度(Uop /V) 输入信号幅度= 1 V。

表2 不同电力线阻抗的上、下限截止频率及通频带。

从表1 和表2 的分析结果可见:电力线阻抗越大，接口电路的通频带就越宽，对信号的耦合性能也就越好，但选择性差;反之，电力线阻抗越小，接口电路的通频带越窄，对信号的耦合性能就越差，但选择性好。经统计分析知，低压电力线的统计阻抗一般在5 ～ 1 5 Ω之间[2]。因此，ST 7538电力线载波芯片所使用的60 ～ 132. 5 kHz 的载波信号均在通频带( 衰减小于3 dB) 范围内。也就是说，以82. 05 kHz 作为低压电力线通信接口电路的中心频率是合理的。用电力线载波芯片ST7538 其他载波频率来收、发信号，也可用此接口电路。此接口电路有如下特性:① 满足载波发射高阻抗的要求，提高了载波的加载效率;② 在满足信号的耦合性能的同时，还兼顾对频率选择性的要求，从而提高了系统的抗干扰能力。

在电路的具体安装和调试过程中，通过调节电感磁来调节电感量，使通频带达到最佳。在基于电力线载波芯片ST 7538 低压电力线载波通信实验中，选用82. 05 kHz 作为低压电力线通信的中心频率，设负载阻抗为5 ～ 15 Ω。试验结果表明，能准确地实现点控、群控灯组( 实现数据通信);能实现语音信号( 信号中心频率1 kHz ，频率范围0. 02 ～ 10 kHz) 的传输( 实现模拟通信);