CN105389968A - 用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，利用OFDM技术，通信模块的结构包括调制解调单元、PHY单元、发送单元、接收单元、滤波耦合单元，优点：将基于OFDM的技术应用于低压电力线载波抄表终端，能够有效的抵抗多路径干扰，使得干扰的信号能够可靠的接收，即使在电网受到严重干扰的情况下，也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，从而使得数据的高速可靠通信；载波通信速率高，可以在极短的时间内完成数据的传输，可以大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可以迅速进行重发，确保数据可靠。

Description

用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块

技术领域

本发明涉及的是一种基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，属于用电信息采集领域。

背景技术

电力线载波通信技术是指利用电力线传输数据的一种通信方式。电力线是一种极其不稳定的高噪声、强衰减的传输通道，要实现可靠的电力线高速数据通信，必须解决低压配电网上的噪声、阻抗波动、配电网结构、电磁兼容性以及线路阻抗和容性负载引起的信号衰减等主要因素对数据传输的影响。宽带载波使用数字化多载波频分复用技术，将较宽的载波频带划分为多个子载波，分别加载相互正交的高频载波对数据进行调制，实现多载波并行通信。电力线载波市场上已经出现一些采用数字化多载波频分复用技术的电力线载波通信设备，但是通信速率比较低，现场抄表成功率也不高，并不适合载波抄表的现场实践应用。

发明内容

本发明提出的是一种基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其目的是将基于OFDM的技术应用于低压电力线载波抄表终端，使得载波通信数据高速可靠，并且具有多种数据通信接口的电力线宽带载波模块。

本发明的技术解决方案：基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信通信模块，利用OFDM技术，模块结构包括调制解调单元、PHY单元、发送单元、接收单元、滤波耦合单元，其中调制解调单元的第一信号输入/输出端与PHY单元的第一信号输出/输入端对应相连，调制解调单元的信号输出端与发送单元的信号输入端相连，调制解调单元的信号输入端与接收单元的信号输出端相连，发送单元的的信号输出端与滤波耦合单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出端与接收单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出/输入端与低压集中抄表终端强电接口的信号输入/输出端对应相连。

发送信号时，调制解调单元将通信数据调制为多路高频信号后利用发送单元进行放大，并通过耦合滤波单元加载到电力线；

接收信号时，将已加载在电力线上的其他电力线宽带载波模块发送的高频载波信号，通过耦合滤波单元输入到接收单元，再进入调制解调单元，将多路高频信号解调为通信数据。

本发明的优点：

1）将基于OFDM的技术应用于低压电力线载波抄表终端，能够有效的抵抗多路径干扰，使得干扰的信号能够可靠的接收，即使在电网受到严重干扰的情况下，也可提供高带宽并且保证带宽传输效率，从而使得数据的高速可靠通信；

2）电力线宽带载波模块通信速率高，可以在极短的时间内完成数据的传输，可以大大降低遭受突发干扰的影响，即使一次通信失败，也可以迅速进行重发，确保数据可靠；

3）通过以太网单元扩展了以太网通讯方式，使得宽带载波模块串口通讯与以太网通讯自适应。

附图说明

附图1是基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块

的结构示意图。

附图2是OFDM收发信机的结构框图。

附图3是发送单元电路图。

附图4是接收单元电路图。

附图5是滤波耦合单元系统图。

具体实施方式

如图1所示，基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，利用OFDM技术，其结构包括调制解调单元、PHY单元、发送单元、接收单元、滤波耦合单元，其中调制解调单元的第一信号输入/输出端与PHY单元的第一信号输出/输入端对应相连，调制解调单元的信号输出端与发送单元的信号输入端相连，调制解调单元的信号输入端与接收单元的信号输出端相连，发送单元的的信号输出端与滤波耦合单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出端与接收单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出/输入端与低压集中抄表终端强电接口的信号输入/输出端对应相连。

发送信号时，调制解调单元将通信数据调制为多路高频信号后利用发送单元进行放大，并通过耦合滤波单元加载到电力线；

接收信号时，将已加载在电力线上的其他电力线宽带载波模块发送的高频载波信号，通过耦合滤波单元输入到接收单元，再进入调制解调单元，将多路高频信号解调为通信数据。

OFDM技术指的是将所给信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，各个子载波并形传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，但每个子信道是相对平坦的，并且每个子信道上是窄带传输，信号带宽小于信道的相应带宽，可以大消除信号波形间的干扰。又由于各子信道的载波间相互正交，于是它们的频谱是相互重叠，这样既减小了子载波间干扰同时又提高了频谱利用率。OFDM技术具有较强的抗信道频率选择性衰落的性能，是抗信道多径的有效方法。如图2所示，输入的串行数据先经过串／并信号转换，实现数据流的多路分离，然后再通过IFFT完成相应的调制，经过并／串信号转换后，加入保护时间间隔也就是整个系统信号循环前缀，然后通过数模转换，上变频至高频区将信号发射出去。接收端进行相反的过程，信道出来的信号先经过下变频，模数转换，然后去除整个系统信号的循环前缀，再通过串／并信号转换、FFT解调、并／串信号转换，还原得到信宿序列。

所述的调制解调单元的串口输入输出与低压集中抄表终端的串口输入输出相连，调制解调单元的RMII接口与以太网单元相连。调制解调单元频率带宽为2M-12MHZ，采用基于OFDM的DMT调制方式，不同于传统的OFDM调制方式，使用自适应载波算法瞬时计算所有子通道的信噪比，根据其结果动态的为各信道添加负载，同时预测下一瞬间的信噪分布并且自行学习电网干扰概算，有效规避干扰，优化载波质量，并从根本上降低了宽带载波芯片的功耗。

所述的以太网单元使用KSZ8041以太网收发芯片，物理层与低压集中抄表终端的弱电接口相连，网络层RMII接口与调制解调单元相连。通过调制解调单元和以太网单元实现串行通信接口、以太网RMII接口与发送单元、接收单元之间的信号转换。由于调制解调单元具有串行通信接口和以太网RMII接口，可以实现外部数字通信连接，两者在接口和功能上相互独立，可根据需要单独或同时使用，实现了低压集中抄表终端与电力线宽带载波模块之间的通讯的自适应，低压集中抄表终端既可以与电力线宽带载波模块之间通过串口进行通讯，也可以通过以太网进行通讯。

所述的发送单元电路图如图3所示，发送单元主要性能指标包括电力传输线特性线性阻抗，输出功率，信号峰平比为5.33。发送单元主要包括线路驱动放大电路及其外围电路组成，使用TI公司的THS6214线路驱动放大器，最大功率电平为+14.5dBm。差分信号从两个运放的同相端输入，环路增益由电阻R2、R3和R8的比值确定。由于THS6214使用电流反馈工作方式，电路的实际增益与计算所得有一定误差，而且反馈电阻的选择也对电路性能有很大的影响。需要使用一个变压器减小等效负载阻抗来降低对线驱动器输出电压的要求。这里变压器的初级与次级的匝数比为１:２，因此反映到初级一边的等效负载阻抗为。串联于放大器输出端的两个电阻R5、R9提供与初级的等效负载阻抗的匹配：。

所述的接收单元电路图如图4所示，主要包括带通滤波器和限幅电路。带通滤波器仅允许有用的宽带载波信号通过，限幅电路过滤外部过压信号，防止外部干扰对调制解调单元造成损坏。

接收单元仅允许有用的信号通过，带通滤波器由五阶滤波器组成，截止频率为12MHZ，通频带为10MHZ，阻抗为，纹波为0.2dB。根据查表计算的L1=1065.9nH，C1=165.0pF，L2=413.3nH，C2=425.6pF，L3=1723.7nH，C3=102.1pF，L4=413.3nH，C4=425.6pF，L5=1065.9nH，C5=165.0pF。

所述的滤波耦合单元如图5所示，主要包括滤波电路和耦合电路，滤波耦合单元用于低压电力线与发送单元和接收单元之间的信号传输。滤波耦合单元包括信号变压器、高通滤波器、保护电路和电力线接口。电力线接口接收到信号后依次通过保护电路、高通滤波器、信号变压器，保护电路过滤外部过压信号，高通滤波器对电力线50Hz信号的阻隔并使宽带载波信号可以双向通过，发送单元接口与接收单元接口与信号变压器相连进行信号的收发。

用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波模块通过调制解调单元进行宽带数字化调制解调技术，可以在电力线上高速传输数字信号，便于采集信号数据和处理信号数据；通过电力线耦合单元实现保护和滤波的功能，其电力线接口可以支持直插，采用电容耦合方式；通过串行通信接口和以太网RMII接口，可以支持多种数字信号连接。

Claims (7)

1.基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是结构包括调制解调单元、PHY单元、发送单元、接收单元、滤波耦合单元，其中调制解调单元的第一信号输入/输出端与PHY单元的第一信号输出/输入端对应相连，调制解调单元的信号输出端与发送单元的信号输入端相连，调制解调单元的信号输入端与接收单元的信号输出端相连，发送单元的的信号输出端与滤波耦合单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出端与接收单元的信号输入端相连，滤波耦合单元的信号输出/输入端与低压集中抄表终端强电接口的信号输入/输出端对应相连。

2.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是所述的与调制解调单元相连的网络层RMII接口与以太网单元相连，调制解调单元频率带宽为2M-12MHZ。

3.根据权利要求2所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是所述的调制解调单元和以太网单元实现串行通信接口、以太网RMII接口与发送单元、接收单元之间的信号转换，由于调制解调单元具有串行通信接口和以太网RMII接口，实现外部数字通信连接，两者在接口和功能上相互独立，可根据需要单独或同时使用，实现了低压集中抄表终端与电力线宽带载波模块之间的通讯的自适应，低压集中抄表终端既可以与电力线宽带载波模块之间通过串口进行通讯，也可以通过以太网进行通讯。

4.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是所述的发送单元中的线路驱动放大器，最大功率电平为+14.5dBm，差分信号从两个运放的同相端输入，环路增益由第二电阻（R2）、第三电阻（R3）和第八电阻（R8）的比值确定。

5.根据权利要求4所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是发送单元中的变压器的初级与次级的匝数比为１:２，反映到初级一边的等效负载阻抗为；串联于放大器输出端的第五电阻（R5）、第九电阻（R9）提供与初级的等效负载阻抗匹配均为12.5欧姆；发送单元的电力传输线特性线性阻抗，输出功率，信号峰平比为5.33。

6.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是所述的接收单元中的带通滤波器由三阶低通滤波器组成，截止频率为12MHZ，通频带为10MHZ，阻抗为，插入损耗为。

7.根据权利要求1所述的基于OFDM技术的用于低压集中抄表终端的电力线宽带载波通信模块，其特征是所述的滤波耦合单元包括信号变压器、高通滤波器、保护电路和电力线接口，其中电力线接口接收到信号后依次通过保护电路、高通滤波器、信号变压器，保护电路过滤外部过压信号，高通滤波器对电力线50Hz信号的阻隔并使宽带载波信号可以双向通过，发送单元接口与接收单元接口与信号变压器相连进行信号的收发。