复合耦合技术在低压电力线通信设计中的应用

中国电力系统也已组建国电通信中心，并向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015 年建成全国统一的联合电力网通信系统。

但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，许多问题有待进一步研究。低压电力线传送着220 V/50 Hz 的电能，在低压电力线上并接了许多不同阻抗的用电器。低压电力线的这一固有特点，给低压电力线通信带来了很大的困难。因此，低压电力线通信必须首先解决以下2 个难题:

(1) 电力网50 Hz 的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰，同时，考虑到整个通信系统的安全，必须进行强电隔离;(2) 低压电力线上并接的所有用电器的“统计载波阻抗”要高，以确保较高的载波信号加载效率。

上述问题，正是低压电力线通信的接口技术问题，以下从这两方面介绍其设计原理和实现方法。

1 接口电路的模型

根据低压电力线通信接口技术的要求:① 必须进行强电隔离;② 确保较高的载波信号加载效率。为此，就必须采用“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”。接口电路模型如图1所示。

图1 接口电路模型。

该电路的关键物理量是2 个回路中的电流i1(t)和i2(t)。由基尔霍夫第二定律可得出该电路的数学模型:

式中，设i′ 、i″分别为i 的一、二阶导数，则：

对于式(1)，通过不同的处理将得到不同的数学模型。对图1 所示的双RLC 耦合回路进行去耦处理，得到2 个独立的RLC 串联回路。对式(1)求导，则可得到二元二阶方程组：

式(2)同时含有2 个未知函数i1( t) 和i2( t)的二阶导数，不便直接求解。

若将RLC 串联回路表示成二元一阶方程，则由2 个RLC 回路便可得到四元一阶方程组：

该方程组含有4 个未知数:i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解条件直接由电路的初始储能情况给出。当无初始储能时，为齐次初始条件，即：

设所有电路元件都是非时变性元件，则所对应的常系数线性一阶常微分方程组可转化成线性代数方程组进行求解。

通过对上述接口电路数学模型的分析、化简可知，基于“复合耦合技术”的接口电路模型，电路的主要参数是可以通过线性代数方程组进行求解，接口电路的原理清晰，计算复杂度较小，符合低压电力线载波通信要求，是简洁、可行的。

2 ST 7538 电力线接口电路的设计

2. 1 ST 7538 调制解调芯片

ST 7538 载波芯片是一款为家庭和工业领域电力线网络通信而设计的半双工、同步/异步FSK 调制解调器芯片。ST 7538 内部集成了发送和接收数据的所有功能，通过串行通信，可以方便地与微处理器相连接，且只要通过耦合变压器等少量外部器件，即可连接到电力网中。ST 7538功能强大、集成度很高，采取了多种抗干扰技术，如果能够很好地利用其多频段性，就可以克服窄带通信的缺点。ST7538 作为很有代表性的窄带通信芯片，在远程抄表、灯光控制、智能家电等领域已经有了广泛的应用。

除此之外，该芯片还有以下主要特点:

(1) 有8 个可编程( 载波) 频率，即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 内部集成电力线驱动接口，并且提供可编程电压控制和电流控制;(3) 可编程通信速率高达4 800 b /s;(4) 极低的功耗，在接收状态下功耗只有5 mW;(5) 接收灵敏度很高，接收灵敏度为1 mVRMS。

2. 2 接口电路框图

ST 7538 电力线收发信号通道框图设计如图2 所示。接收信号通道由耦合电路、滤波电路、保护电路、电压放大电路组成。发送信号通道由电压放大电路、功率放大电路、滤波电路、保护电路、耦合电路组成。

电力线接口首先是一个耦合电路，用于FSK信号的传输与接收，同时也是一个滤波系统，能可靠地过滤掉220 V/50 Hz 的电力信号、噪声信号和浪涌信号。

图2 ST 7538 的电力线收发信号通道框图。

由于希望系统使用时有较远的通信距离，就必须要求模块发送端有足够大的功率输出，而大输出功率的放大电路不宜长时间连续工作，否则容易过热损坏;若设计高要求的大输出功放电路，会增加系统成本。为此，系统采用如图2 框图