CN105071835B - 一种宽带载波通信衰减电路和耦合电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带载波通信衰减电路和耦合电路，其中，该衰减电路包括：放电电阻、可调电阻、安规电容、第一选频电路、第二选频电路、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；第一输入端通过第一选频电路与第一输出端相连，第二输入端通过第二选频电路与第二输出端相连；放电电阻的一端与第一输入端相连，另一端与第二输入端相连；安规电容的一端与第一输出端相连，另一端通过可调电阻与第二输出端相连；第一选频电路和第二选频电路均包括一路至多路频率支路，每一路频率支路用于选通预设频率范围的信号。该衰减电路可以实现无失真通过工频信号、基本无失真衰减2‑34MHz宽带载波信号，只衰减不影响信号特征。

Description

一种宽带载波通信衰减电路和耦合电路

技术领域

本发明涉及电力通信技术领域，具体地，涉及一种宽带载波通信衰减电路和耦合电路。

背景技术

电力线通信(Power Line Communication)技术简称PLC，是指利用电力线传输数据的一种通信方式。信道是通信设备进行数据传输的载体或物理介质，信道的特性和特征是通信设备设计的重要依据，掌握信道的变化规律和特点非常重要。电力线是一个非线性、时变、非专用通信信道，研究和掌握电力线通信信道的规律和特点对开发载波通信设备具有必要性。

电力线宽带载波基于TCP/IP网络技术，一般采用2-34MHz频段，占用频带宽，数据传输速率高，数据容量大，双向传输，无需另外铺设通信线路，安装方便，可以方便的将电力通信网络延伸到低压用户侧，实现对用户电表的数据采集和控制。要在电力线上实现可靠的通信，必须充分了解电力线信道的特性。衰减和耦合单元是电力线信道研究中重要的工具。衰减单元可以实现对大功率信号进行衰减，一方面可以保护后端测试设备，也可以用来进行衰减特性试验；耦合单元可以实现电力线载波信号的注入。但目前在电力通信领域，衰减器和耦合器的设计尚未形成统一的技术规范，没有直接适用于宽带载波通信的相关方法。

目前电力线信道特性的测试方法主要有两种：第一种方法是使用频谱分析仪，直接获取电力线信号的频谱特性；第二种方法是使用数字存储示波器，先把信号的时域信息存储后，传送到计算机中，再进行频谱估计，获得信号的频谱特性。无论哪种方式，电力线上的信号需要安全地引入到频谱分析仪或数字存储示波器。但是由于电力线环境复杂，信号多种多样，幅值高低不同，如果直接将测试仪器接入电网进行测试，有可能将仪器烧毁，需要专门适用于2-34MHz频段的耦合和衰减单元，能输出适当频率、适合终端设备幅值的电力信号。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中没有直接适用于宽带载波通信的衰减电路，根据本发明的一个方面，提出一种宽带载波通信衰减电路。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信衰减电路，包括：放电电阻、可调电阻、安规电容、第一选频电路、第二选频电路、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

第一输入端通过第一选频电路与第一输出端相连，第二输入端通过第二选频电路与第二输出端相连；

放电电阻的一端与第一输入端相连，另一端与第二输入端相连；安规电容的一端与第一输出端相连，另一端通过可调电阻与第二输出端相连；

第一选频电路和第二选频电路均包括一路至多路频率支路，每一路频率支路用于选通预设频率范围的信号。

在上述技术方案中，第一选频电路和第二选频电路均包括两路频率支路，第一选频电路包括并联的第一电阻和第一电感，第二选频电路包括并联的第二电阻和第二电感；

第一输入端通过并联的第一电阻和第一电感后与第一输出端相连，第二输入端通过并联的第二电阻和第二电感后与第二输出端相连。

在上述技术方案中，第一选频电路和第二选频电路的结构相同。

在上述技术方案中，当第一选频电路和第二选频电路的结构相同时，衰减电路的衰减值为：

其中，A为衰减电路的衰减值，f为信号频率，R₂为可调电阻的阻值，R₃为第一电阻的阻值，L为第一电感的阻值，C为安规电容的阻值。

在上述技术方案中，第一电阻和第二电阻为碳膜电阻。

在上述技术方案中，衰减电路为可串联级联的衰减电路。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信衰减电路，第一选频电路和第二选频电路包括多路频率支路，在选通预设频率范围的信号的同时、还具有衰减信号的作用，在衰减电路具有两路频率支路时可以实现无失真通过工频信号、基本无失真衰减2-34MHz宽带载波信号，只衰减不影响信号特征。

本发明是为了克服现有技术中没有直接适用于宽带载波通信的耦合电路，根据本发明的一个方面，提出一种宽带载波通信耦合电路。

本发明实施例提供的一种耦合电路，包括：放电电阻、可调电阻、第一选频电路、第二选频电路、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

第一输入端通过第一选频电路与第一输出端相连，第二输入端通过第二选频电路与第二输出端相连；

放电电阻的一端与第一输入端相连，另一端与第二输入端相连；可调电阻的一端与第一输出端相连，另一端与第二输出端相连；

第一选频电路和第二选频电路用于隔离工频信号。

在上述技术方案中，第一选频电路包括并联的第一电阻和第一电容，第二选频电路包括并联的第二电阻和第二电容；

第一输入端通过并联的第一电阻和第一电容后与第一输出端相连，第二输入端通过并联的第二电阻和第二电容后与第二输出端相连。

在上述技术方案中，第一电阻和第二电阻为感性电阻。

在上述技术方案中，第一选频电路还包括第一电感，第一电感与第一电阻串联后与第一电容并联；

第二选频电路还包括第二电感，第二电感与第二电阻串联后与第二电容并联。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信耦合电路，第一选频电路和第二选频电路可以隔离工频信号，从而利于耦合宽带载波信号；同时，该耦合电路可以实现隔离工频信号，无失真、无衰减通过2-34MHz宽带载波信号，不影响信号特征。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例中衰减电路的第一电路图；

图2为本发明实施例中衰减电路的第二电路图；

图3为实施例一中衰减电路的电路图；

图4为实施例一中衰减电路220V/50Hz工频信号等效电路图；

图5为实施例一中衰减电路宽带载波信号等效电路图；

图6为实施例一中衰减电路的幅频特性仿真图；

图7为实施例一中衰减电路的群延时仿真图；

图8为实施例一中衰减电路的工频信号仿真图；

图9为实施例一中输入扫频信号的示意图；

图10为实施例一中输出扫频信号的示意图；

图11为本发明实施例中耦合电路的第一电路图；

图12为本发明实施例中耦合电路的第二电路图；

图13为实施例二中耦合电路的电路图；

图14为实施例二中耦合电路的幅频特性仿真图；

图15为实施例二中耦合电路的群延时仿真图；

图16为实施例二中耦合电路的工频信号仿真图；

图17为实施例二中输入扫频信号的示意图；

图18为实施例二中输出扫频信号的示意图；

图19为实施例二中耦合电路实际测试输出波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信衰减电路参见图1所示，该衰减电路包括：放电电阻R1、可调电阻R2、安规电容C1、第一选频电路10、第二选频电路20、第一输入端In_1、第二输入端In_2、第一输出端Out_1和第二输出端Out_2。

如图1所示，第一输入端In_1通过第一选频电路10与第一输出端Out_1相连，第二输入端In_2通过第二选频电路20与第二输出端Out_2相连。放电电阻R1的一端与第一输入端In_1相连，另一端与第二输入端In_2相连；安规电容C1的一端与第一输出端Out_1相连，另一端通过可调电阻R2与第二输出端Out_2相连。

其中，第一选频电路10和第二选频电路20均包括一路至多路频率支路(图1中以两路频率支路为例)，每一路频率支路用于选通预设频率范围的信号。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信衰减电路，第一输入端和第二输入端用于输入初始信号，该初始信号至少包括宽带载波信号，还可以包括工频信号等。第一选频电路和第二选频电路包括多路频率支路，在选通(即选择性通过)预设频率范围的信号的同时、还具有衰减信号的作用，其具体衰减值在下文做详细介绍。初始信号经过第一选频电路10和第二选频电路20后可以在两个输出端处输出衰减后的信号，通过设置第一选频电路10和第二选频电路20即可以得到所需的衰减信号。

放电电阻R1为高阻值的电阻，其主要用于安规电容C1放电，防止断电时安规电容放电对人体造成伤害。同时，由于放电电阻R1为高阻值电阻，其对该电路的衰减特性基本没有影响，在本发明实施例中的后续计算中未考虑该放电电阻R1。

具体的，该衰减电路的输出电阻为：

其中，R_C为安规电容C1的阻值，C为安规电容C1的电容值，R₂为可调电阻的阻值。

设第一选频电路10的等效阻值为Re1，第二选频电路20的等效阻值为Re2，则衰减电路的衰减值为：

其中，A为衰减电路的衰减值，U_o为输出端的输出电压，U_i为输入端你的输入电压。

需要说明的是，本发明实施例中，“可调电阻”意味着电阻R2的阻值不固定，即可调电阻R2可以选用阻值固定的电阻或者直接选用可变电阻，在可调电阻R2选用阻值固定的电阻时，可以根据实际需求更换其他阻值的电阻。故，“可调电阻”所包括的范围大于可变电阻的，同理，在图1中也没有以可变电阻的符号来表示可调电阻R2。

优选的，参见图2所示，第一选频电路10和第二选频电路20均包括两路频率支路，第一选频电路10包括并联的第一电阻R3和第一电感L1，第二选频电路20包括并联的第二电阻R4和第二电感L2。以第一选频电路为例，第一电阻R3为一路频率支路，第一电感L1为另一路频率支路。

第一输入端In_1通过并联的第一电阻R3和第一电感L1后与第一输出端Out_1相连，第二输入端In_2通过并联的第二电阻R4和第二电感L2后与第二输出端Out_2相连。

优选的，第一选频电路10和第二选频电路20的结构相同。通过设置两个结构相同的选频电路，可以平衡信号的传输特性，利于信号平稳传输。

下面通过一个实施例详细介绍该衰减电路的功能。

实施例一

在实施例一中，参见图3所示，该衰减电路的两个选频电路均具有两路频率支路，其与图2所示的衰减电路基本相同；不同之处在于，在实施例一中，第一选频电路10和第二选频电路20的结构相同。衰减电路的输入端输入电力线信号，该电力线信号为220V/50Hz工频和2-34MHz宽带载波叠加的信号。

此时，衰减电路的输出电阻为：

第一选频电路10和第二选频电路20的等效电阻相同，为：

其中，R_e为选频电路的阻值，R₃为第一电阻R3的阻值，R_L为第一电感L1的阻值，L为第一电感L1的电感值，f为信号频率。

此时，该衰减电路的衰减值为：

其中，A为衰减电路的衰减值，R₂为可调电阻R2的阻值，，C为安规电容C1的阻值。

其中，在实施例一中，电力线信号为220V/50Hz工频和宽带载波叠加的信号，图3所示的衰减电路可以等效为图4和图5所示的电路，其中图4为通过220V/50Hz工频信号时的等效电路，图5为通过宽带载波信号时的等效电路。

由于，电感和电容的高频特性相对较好，电阻的频率特性对衰减平坦度有较大影响，金属膜电阻频率特性较差，因此，在实施例一中，第一电阻R3和第二电阻R4(即图3中第二选频电路中的R3)为频率特性相对较好的碳膜电阻。同时，调节可调电阻R2阻值可以改变衰减值，且该衰减电路可以并联，实现多级衰减。该衰减电路可以实现无失真通过工频信号、基本无失真衰减宽带载波信号，下面详细介绍该电路的特性。

首先，对实施例一中的衰减电路进行仿真测试，可调电阻R2的阻值为50Ω，仿真结果参见图6-8所示；其中，图6为该衰减电路的幅频特性仿真图，图7为该衰减电路的群延时仿真图，图8为该衰减电路的工频信号仿真图。由图6可知，该衰减电路对50Hz工频信号无衰减，2～34MHz频带范围衰减约14dB。由图7可知，2～34MHz频带群延时约0s，同时，该衰减电路对于2～34MHz信号具有较理想的衰减平坦度，以及无失真相频特性。由图8所示的电路瞬态仿真测试结果可知，除初始阶段外，该衰减电路对工频信号基本无失真和衰减。

下面详细介绍对该衰减电路的实际测试结果。

在实施例一中，采用信号发生器产生2MHz～34MHz的正弦扫频信号，接入测试的衰减电路输入端，采用频谱分析仪同时采集测试电路输入和输出端扫频信号。

对于宽带载波信号，其输入扫频信号和输出扫频信号分别参见图9和图10所示。由测试结果可知，输出扫频信号相对输入扫频信号有约13dB的衰减，与仿真结果基本一致。

对于工频信号，实际测试时，将该衰减电路输入端接入220VAC，使用万用表测量输出端，其输出与输入工频信号有效值完全相同，与仿真结果一致。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信衰减电路，第一选频电路和第二选频电路包括多路频率支路，在选通预设频率范围的信号的同时、还具有衰减信号的作用，在衰减电路具有两路频率支路时可以实现无失真通过工频信号、基本无失真衰减2-34MHz宽带载波信号，只衰减不影响信号特征。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供一种宽带载波通信耦合电路，下面详细介绍该耦合电路的结构和功能。

参见图11所示，本发明实施例提供的一种宽带载波通信耦合电路，包括：放电电阻R1、可调电阻R2、第一选频电路10、第二选频电路20、第一输入端In_1、第二输入端In_2、第一输出端Out_1和第二输出端Out_2。

其中，第一输入端In_1通过第一选频电路10与第一输出端Out_1相连，第二输入端In_2通过第二选频电路20与第二输出端Out_2相连；放电电阻R1的一端与第一输入端In_1相连，另一端与第二输入端In_2相连；可调电阻R2的一端与第一输出端Out_1相连，另一端与第二输出端Out_2相连；其中，第一选频电路10和第二选频电路20用于隔离工频信号。

优选的，参见图12所示，第一选频电路10包括并联的第一电阻R3和第一电容C1，第二选频电路20包括并联的第二电阻R4和第二电容C2；第一输入端In_1通过并联的第一电阻R3和第一电容C1后与第一输出端Out_1相连，第二输入端In_2通过并联的第二电阻R4和第二电容C2后与第二输出端Out_2相连。其中，第一电阻R3和第二电阻R4为感性电阻。该耦合电路可以实现隔离工频信号，无失真、无衰减通过宽带载波信号。

下面通过一个实施例详细介绍该耦合电路的功能。

实施例二

在实施例二中，参见图13所示，第一选频电路10还包括第一电感L1，第一电感L1与第一电阻R3串联后与第一电容C1并联；第二选频电路20还包括第二电感L2，第二电感L2与第二电阻R4串联后与第二电容C2并联。其中，第一电感L1和第二电感L2为nH级别，增加该两个电感的目的在于增加第一电阻R3和第二电阻R4的感抗(即第一电阻R3和第二电阻R4为感性电阻)，且第一电阻R3和第二电阻R4均为高阻值电阻，在实施例二中，第一电阻R3和第二电阻R4的阻值相同，均为1MΩ。该耦合电路的输入端输入电力线信号，该电力线信号为220V/50Hz工频和2-34MHz宽带载波叠加的信号。

实施例二提供的该耦合电路可以实现隔离工频信号，无失真、无衰减通过宽带载波信号。下面详细介绍该电路的特性。

首先，对实施例二中的耦合电路进行仿真测试，其仿真结果参见图14-16所示；图14为该耦合电路的幅频特性仿真图，图15为该耦合电路的群延时仿真图，图16为该耦合电路的工频信号仿真图(图16中，曲线1为输入的工频信号，曲线2为输出信号)。由图14可知，该耦合电路对50Hz工频信号衰减约-42dB，2～34MHz频带范围基本无衰减。。由图15可知，2～34MHz频带群延时约0s，同时，该耦合电路对于2～34MHz信号具有较理想的通过性及平坦性，以及无失真相频特性。由图16所示的电路瞬态仿真测试结果可知，输出工频信号峰值Vp＝2.5V，可见，该耦合电路对工频信号具有较大衰减。

下面详细介绍对该耦合电路的实际测试结果。

在实施例一中，采用信号发生器产生2MHz～34MHz的正弦扫频信号，接入测试的耦合电路输入端，采用频谱分析仪同时采集测试电路输入和输出端扫频信号。

对于宽带载波信号，其输入扫频信号和输出扫频信号分别参见图17和图18所示。由测试结果可知，输出扫频信号相对输入扫频信号有约0.2dB的衰减，与仿真结果基本一致。

对于工频信号，实际测试时，将该耦合电路输入端接入220VAC，使用示波器测量输出端，其测试结果参见图19所示，其输出工频有效值约为1.8V，与仿真结果一致。

本发明实施例提供的一种宽带载波通信耦合电路，第一选频电路和第二选频电路可以隔离工频信号，从而利于耦合宽带载波信号；同时，该耦合电路可以实现隔离工频信号，无失真、无衰减通过2-34MHz宽带载波信号，不影响信号特征。

本发明能有多种不同形式的具体实施方式，上面以图1-图19为例结合附图对本发明的技术方案作举例说明，这并不意味着本发明所应用的具体实例只能局限在特定的流程或实施例结构中，本领域的普通技术人员应当了解，上文所提供的具体实施方案只是多种优选用法中的一些示例，任何体现本发明权利要求的实施方式均应在本发明技术方案所要求保护的范围之内。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带载波通信衰减电路，其特征在于，包括：放电电阻、可调电阻、安规电容、第一选频电路、第二选频电路、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述第一输入端通过所述第一选频电路与所述第一输出端相连，所述第二输入端通过所述第二选频电路与所述第二输出端相连；

所述放电电阻的一端与所述第一输入端相连，另一端与所述第二输入端相连；所述安规电容的一端与所述第一输出端相连，另一端通过所述可调电阻与所述第二输出端相连；

所述第一选频电路和所述第二选频电路均包括一路至多路频率支路，每一路所述频率支路用于选通预设频率范围的信号；

其中，所述第一选频电路和所述第二选频电路均包括两路频率支路，所述第一选频电路包括并联的第一电阻和第一电感，所述第二选频电路包括并联的第二电阻和第二电感；

所述第一输入端通过并联的第一电阻和第一电感后与所述第一输出端相连，所述第二输入端通过并联的第二电阻和第二电感后与所述第二输出端相连；

所述第一选频电路和所述第二选频电路的结构相同，所述衰减电路的衰减值为：

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其中，A为衰减电路的衰减值，f为信号频率，R₂为可调电阻的阻值，R₃为第一电阻的阻值，L为第一电感的阻值，C为安规电容的阻值。

2.根据权利要求1所述的衰减电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻为碳膜电阻。

3.根据权利要求1所述的衰减电路，其特征在于，所述衰减电路为可串联级联的衰减电路。

4.一种宽带载波通信耦合电路，其特征在于，包括：放电电阻、可调电阻、第一选频电路、第二选频电路、第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端；

所述第一输入端通过所述第一选频电路与所述第一输出端相连，所述第二输入端通过所述第二选频电路与所述第二输出端相连；

所述放电电阻的一端与所述第一输入端相连，另一端与所述第二输入端相连；所述可调电阻的一端与所述第一输出端相连，另一端与所述第二输出端相连；

所述第一选频电路和所述第二选频电路用于隔离工频信号；

其中，所述第一选频电路包括并联的第一电阻和第一电容，所述第二选频电路包括并联的第二电阻和第二电容；

所述第一输入端通过并联的第一电阻和第一电容后与所述第一输出端相连，所述第二输入端通过并联的第二电阻和第二电容后与所述第二输出端相连；

所述第一选频电路还包括第一电感，所述第一电感与所述第一电阻串联后与所述第一电容并联；

所述第二选频电路还包括第二电感，所述第二电感与所述第二电阻串联后与所述第二电容并联。

5.根据权利要求4所述的耦合电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻为感性电阻。