电力线载波通信的外围电路设计

摘要 低压电力线传输特性的复杂性和传输过程中干扰信号的多变性，使其推广受到限制。文中依据高低频电路原理，结合现代通信与数字信号处理技术，设计了电力线载波通信的外围专用电路，包括发送驱动电路、耦合接收和AGC系统等，较好地解决了载波信号的接收与发送问题。
关键词 电力线载波通信；耦合；AGC系统

    电力线载波通信由于其潜在的经济效益和广阔的应用前景备受关注，但由于低压电力线传输特性的复杂性和传输过程中干扰信号的多变性使其推广受到限制。低压电力线载波通信模块包括发送放大电路、耦合接收和ACE系统、滤波单元、调制解调芯片等，如图1所示。其中所设计的滤波单元、调制解调单元集成芯片。针对电力线通信中，可供选择的通信频率在60～150 kHz，载波频带带宽为4kHz、传输信息量少、时延要求不高，而抗干扰要求较高等特点，依据高低频电路原理和数字通信原理，设计了电力线载波通信模块外围专用电路、发送放大电路、耦合接收和ACE控制电路，较好地解决了载波信号的接收与发送问题。

1 发送放大耦合电路的设计
    本部分外围电路完成调制信号发送前的调整放大和耦合功能。由于FPGA的管脚最高输出电平为3．3 V，而信号在经过发送和接收的耦合，在电力上传输后衰减较大，因此调制后的信号还需进行适当放大，然后才能耦合劐电力线上。发送放大及耦合电路如图2所示。

    测量表明，电力线的阻抗分布在0．5～80 Ω之间，其阻抗主要依赖于用电负荷的大小、线路结构以及配电变压器阻抗等多种因素。由于配电线路结构和配电变压器的阻抗特性相对较稳定，因此，用电负荷的大小对电力线阻抗的变化影响较大。
    由于甩电负荷具有随机性，其主要表现为在不同的时间，用电负荷发生变化，即阻抗的时变性。研究电力线的输入阻抗，对于提高信号的发送功率和有用信号的输入功率，在分析发送电路中，设定电力线的输入阻抗为5 Ω具有典型意义。
    在与电力线的接口电路中，使用大功率稳压管和电阻组成限幅电路，起保护作用。它能避免系统受到 诸如强雷电脉冲等瞬时过电压的干扰。
    发送电路主要由功率放大器组成。功率放大器的作用是将PSK_OUT输出的方波信号进行功率放大。为提高发送功率，采用输出级为异型复合管单电源准互补乙类推挽电路。前级放大采用9014和9015对管，D5和D6两个5．1 V的稳压管起保护作用，防止三极管反向击穿。后级由于电流比较大，采用耐电流比较大的2SA1015和2SA1815对管；同样，来自线路上的载波信号经过线圈耦合到载波接收电路中，D4双向稳压二极管起保护作用，防止大电压损害器件，耦合线圈比较重要，要选择10：15的线圈。接插件高压和低压分开，高压部分时220 V构接口，低压按照管脚顺序分别是PSK_OUT、GND、VHH和PSK_IN。
    耦合电路的设计目的是为了利用电力线实现可靠的载波通信，其分析与设计是问题的关键。其难点在于：(1)要求载波信号的加载效率高。(2)要求电力网50 Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰。设计一个能有效减小低压电力线的低阻抗影响的功率匹配和增益平衡电路，用于将信号耦合到电力线上，其传输频带为0．1～30．0 MHz。为实现网络信号的最大功率传输，该电路设计时须考虑220 V线路侧的阻抗特性，T100为信号耦合变压器，220 V线路侧阻抗约取30 Ω。然后确定线圈初级的匝数比或阻抗比。最后设计功率放大器的输出匹配电阻。
    为防止低压电力线上的雷电和开关瞬态作用，对电路元器件造成永久性损坏，需采用特殊的保护措施。如图2耦合部分所示，变压器对于100～400 kHz的扩频载波信号提供了一个线性的传输功能，电容的作用是阻止50 Hz的工频进入变压器T，限制了变压器电流，以避免变压器铁芯饱和。输入通道应接一个浪涌保护二极管5KP18C，经电阻隔离后接二极管箝位电路输出给前级滤波电路。由于电力线上负载发生变化时，电力线会产生较大噪声甚至幅值很大的尖峰脉冲，该脉冲经耦合后，会给后级电路带来较大危害。因此加入一个浪涌保护二极管后，可以很好地滤除这种噪声，保护后级电路。后面接两个二极管用于过压保护。

2 AGC电路设计
    自动增益控制电路被称为AGC。对于接收机接收到的外来信号场强并非恒定不变，为保证接收机终端得到相同的电压，通常采用改变放大器增益来实现。AGC电路就能在信号场强变化情况下，保证接收机的输出电压基本不变。
    设计为将滤波器输出的mV级信号放大约40 dB，需要特别注意小信号的不失真放大。AGC主要完成对小信号的放大，需额外注意电路本身的噪声干扰不宜过大。同时为保证输入信号幅值过大时，放大器不会饱和失真，此级应具有自动增益控制能力。AGC电路如图3所示。

    其中第二级三极管的E级为反馈端。当输入信号幅值过大时，该线路可以对输入的信号进行负反馈，起到增益控制的目的。同时为防止输入信号过大时AGC失控，其信号输出级(C端)加入了一个电容、两个二极管可完成对于输入信号幅值变化来进行输出信号幅值的控制，并且可用于过压限制。经实测，该AGE电路对10 mV的信号增益可达40 dB、100 mV信号的增益可达20 dB，而对于幅度达1 V的较强输入信号，只约有4 dB的增益。完成自动增益控制的作用。
    接下来将实测的信号波形及幅值结果通过示波器显示，并对其数据进行分析。图4给出的是输入幅值为10 mV的信号波形(上方通道A所示的波形)，从示波器观察每一个方格代表10 mV／Div，可以看出输出信号的幅值约为450 mV(下方通道B所示的波形)示波器每一个方格代表10 mV／Div，并且波形未出现失真，利用增益公式D=20 lgVout／Vin，此时计算得放大增益约为40 dB。

    经实测，AGC电路对100 mV信号的增益可达20 dB，而对于幅度达1 V较强输入信号只有约4 dB的增益。波形未出现失真，很好地完成了自动增益控制的作用。

3 串口接口和电源电路设计
    由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信号与一般的LVTTL电路所定义的高、低电平信号完全不同，LVTTL的标准逻辑“1”对应2～3．3 V电平，标准逻辑“0”对应0～0．4 V电平，而RS-232-C标准采用负逻辑方式，标准逻辑“1”对应-5～-15 V电平，标准逻辑“0”对应+5～+15 V电平，两者间要进行通信必须经过信号电平的转换。系统使用串口进行调试，串口的信号电平是5 V，而FPGA输出电平最高是3．3 V，因此，两者的信号需要电平转换，可用一块MAX232来满足4路的电平转换。RS232接口电路如图5所示。

    在整个电力载波扩频通信系统中，放大驱动、耦合电路和AGC使用了12 V电源，AD7822和MAX232的工作电平是5 V，时钟振荡器的工作电平是3．3 V，所以需设计一套多电源供电的方案。如图6所示，12 V电源直接由变压器产生，5 V电源用LM1117芯片实现，3．3 V电源由LM25 76匹配获得。

4 硬件抗干扰措施
    系统的稳定性是实现其功能的前提。在本系统中，因为需要耦合到220 V的电力线上，因此，元件的布局、布线以及电源、地线的处理都将影响电路性能和电磁兼容性能。
    结合实际遇到的干扰情况，本系统的硬件抗干扰措施主要集中在如何提高PCB板的抗干扰性能上。主要采取了以下几种抗干扰手段：
    (1)抑制干扰源。1)在布板时让电容、电感的引线尽量短。2)电路板上各个IC都并接了一个0．01～0．1μF高频电容，以减小IC对电源的影响，并且高频电容的布线、连线靠近电源端并尽量粗短，以免增大电容的等效串联电阻，影响滤波效果。3)布线时都采用45°折角，尽量减少90°折线，以减少高频噪声发射。
    (2)切断干扰传播路径。1)充分考虑到电源对系统的影响，采用纹波系数小的电源管理芯片进行设计，并给FPGA芯片电源加了滤波电路以减小电源噪声。2)布线时使晶振与FPGA芯片引脚尽量靠近，用地线隔离时钟区，将晶振外壳接地。3)大功率器件都布线于电路板边缘，尽量减小它对其他电路的影响。4)在PCB板子上下两面进行大面积铺铜并接地，以屏蔽电磁干扰。
    (3)提高器件抗干扰能力的处理。1)布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。2)加粗电源线和地线的布线以减小压降、降低耦合噪声。3)IC和FPGA芯片闲置的I／O口，都予以接地或接电源。4)IC器件多采用贴片，而不是采用分布电容较大的DIP封装。
    此外，在PCB内部处理数模共地的问题时，将板内部数字地和模拟地隔离，只是在PCB与外界连接的接口处，数字地与模拟地使用一个0 Ω电阻短接。

5 整机功能测试结果分析
    最后把外围电路和调制解调芯片组合起来进行整机功能测试：(1)不带电导线测试。接收端能准确接收到发送信号，并将发送的数据准确显示出来，接收端和发送端具有基本的通信功能，设计方案在整机实现上可行。(2)双机低压变压器小区内测试。在短距测试时，一开始不能正常接收，于是更改了门限值，反复测试后可达到正确接收。
    在双机小区内测试时。发现当距离较大时，偶尔会有误码。这是由于随着距离的拉长，引入了更多的干扰，必然有多经现象发生，因此信号能量有所损失；同时接入点有较大的阻抗，对信号也会有衰减，同时发现在晚上，因用电设备减少，负载减轻，干扰减小，通信效果会比白天好。当加入CRC纠错冗余编码后，可以有效的消除误码率，实现正确接收。由于PN码不长，捕获时间一般较短，在一个PN码周期内便可实现。
    经过测试，在信噪比为-20 dB时，系统可正常搜索跟踪，扩频环节的接收误码率约达10-5左右，工作状态稳定，有效提高了在变参信道上的传输可靠性。同时经测试，该外围电路也适用于窄带调频方式和其他宽带扩频通信方式。在该领域使用，接收误码率均在允许范围内。

6 结束语
    该系统贴近实际电力载波通信特点，力求在满足要求的基础上最简化原理设计，使之实用。每个子系统都参考了相关的方案，精心挑选、可行性论证、改进、设计。其研究成果对于数字信号处理理论及数字通信理论的发展有着一定的意义，同时还可以应用于无线通信、有线通信等领域。