電力線載波通信的外圍電路設計

鐘穎儀

(福建省電力有限公司信通分公司，福建福州 350003)

電力線載波通信由于其潛在的經濟效益和廣闊的應用前景備受關注，但由于低壓電力線傳輸特性的復雜性和傳輸過程中干擾信號的多變性使其推廣受到限制。低壓電力線載波通信模塊包括發送放大電路、耦合接收和AGC系統、濾波單元、調制解調芯片等［1］，如圖1所示。其中所設計的濾波單元、調制解調單元集成芯片［2］。針對電力線通信中，可供選擇的通信頻率在60～150 kHz，載波頻帶帶寬為4 kHz、傳輸信息量少、時延要求不高，而抗干擾要求較高等特點，依據高低頻電路原理和數字通信原理，設計了電力線載波通信模塊外圍專用電路、發送放大電路、耦合接收和AGC控制電路，較好地解決了載波信號的接收與發送問題。

1 發送放大耦合電路的設計

本部分外圍電路完成調制信號發送前的調整放大和耦合功能。由于FPGA的管腳最高輸出電平為3.3 V，而信號在經過發送和接收的耦合，在電力上傳輸后衰減較大，因此調制后的信號還需進行適當放大，然后才能耦合到電力線上。發送放大及耦合電路如圖2所示。

圖1 電力線載波通信模塊實現圖

測量表明，電力線的阻抗分布在0.5～80 Ω之間，其阻抗主要依賴于用電負荷的大小、線路結構以及配電變壓器阻抗等多種因素。由于配電線路結構和配電變壓器的阻抗特性相對較穩定，因此，用電負荷的大小對電力線阻抗的變化影響較大。

由于用電負荷具有隨機性，其主要表現為在不同的時間，用電負荷發生變化，即阻抗的時變性。研究電力線的輸入阻抗，對于提高信號的發送功率和有用信號的輸入功率，在分析發送電路中，設定電力線的輸入阻抗為5 Ω具有典型意義。

在與電力線的接口電路中，使用大功率穩壓管和電阻組成限幅電路，起保護作用。它能避免系統受到 諸如強雷電脈沖等瞬時過電壓的干擾［3］。

圖2 發送放大及耦合電路圖

發送電路主要由功率放大器組成。功率放大器的作用是將PSK_OUT輸出的方波信號進行功率放大。為提高發送功率，采用輸出級為異型復合管單電源準互補乙類推挽電路。前級放大采用9014和9015對管，D5和D6兩個5.1 V的穩壓管起保護作用，防止三極管反向擊穿。后級由于電流比較大，采用耐電流比較大的2SA1015和2SA1815對管;同樣，來自線路上的載波信號經過線圈耦合到載波接收電路中，D4雙向穩壓二極管起保護作用，防止大電壓損害器件，耦合線圈比較重要，要選擇10∶15的線圈。接插件高壓和低壓分開，高壓部分時220 V的接口，低壓按照管腳順序分別是PSK_OUT、GND、VHH和PSK_IN。

耦合電路的設計目的是為了利用電力線實現可靠的載波通信，其分析與設計是問題的關鍵。其難點在于:(1)要求載波信號的加載效率高。(2)要求電力網50 Hz的工頻信號不能給載波通信系統帶來太大的干擾。設計一個能有效減小低壓電力線的低阻抗影響的功率匹配和增益平衡電路，用于將信號耦合到電力線上，其傳輸頻帶為0.1～30.0 MHz。為實現網絡信號的最大功率傳輸，該電路設計時須考慮220 V線路側的阻抗特性，T100為信號耦合變壓器，220 V線路側阻抗約取30 Ω。然后確定線圈初級的匝數比或阻抗比。最后設計功率放大器的輸出匹配電阻［4］。

為防止低壓電力線上的雷電和開關瞬態作用，對電路元器件造成永久性損壞，需采用特殊的保護措施。如圖2耦合部分所示，變壓器對于100～400 kHz的擴頻載波信號提供了一個線性的傳輸功能，電容的作用是阻止50 Hz的工頻進入變壓器T，限制了變壓器電流，以避免變壓器鐵芯飽和。輸入通道應接一個浪涌保護二極管5KP18C，經電阻隔離后接二極管箝位電路輸出給前級濾波電路。由于電力線上負載發生變化時，電力線會產生較大噪聲甚至幅值很大的尖峰脈沖，該脈沖經耦合后，會給后級電路帶來較大危害。因此加入一個浪涌保護二極管后，可以很好地濾除這種噪聲，保護后級電路。后面接兩個二極管用于過壓保護。

2 AGC電路設計

自動增益控制電路被稱為AGC。對于接收機接收到的外來信號場強并非恒定不變，為保證接收機終端得到相同的電壓，通常采用改變放大器增益來實現。AGC電路就能在信號場強變化情況下，保證接收機的輸出電壓基本不變。

設計為將濾波器輸出的mV級信號放大約40 dB，需要特別注意小信號的不失真放大。AGC主要完成對小信號的放大，需額外注意電路本身的噪聲干擾不宜過大。同時為保證輸入信號幅值過大時，放大器不會飽和失真，此級應具有自動增益控制能力。AGC電路如圖3所示。

圖3 自動增益控制放大電路圖

其中第二級三極管的E級為反饋端。當輸入信號幅值過大時，該線路可以對輸入的信號進行負反饋，起到增益控制的目的。同時為防止輸入信號過大時AGC失控，其信號輸出級(C端)加入了一個電容、兩個二極管可完成對于輸入信號幅值變化來進行輸出信號幅值的控制，并且可用于過壓限制。經實測，該AGC電路對10 mV的信號增益可達40 dB、100 mV信號的增益可達20 dB，而對于幅度達1 V的較強輸入信號，只約有4 dB的增益。完成自動增益控制的作用。

接下來將實測的信號波形及幅值結果通過示波器顯示，并對其數據進行分析。圖4給出的是輸入幅值為10 mV的信號波形(上方通道A所示的波形)，從示波器觀察每一個方格代表10 mV/Div，可以看出輸出信號的幅值約為450 mV(下方通道B所示的波形)示波器每一個方格代表10 mV/Div，并且波形未出現失真，利用增益公式D=20 lgVout/Vin，此時計算得放大增益約為40 dB。

圖4 輸入信號為10 mV時輸出信號波形圖

經實測，AGC電路對100 mV信號的增益可達20 dB，而對于幅度達1 V較強輸入信號只有約4 dB的增益。波形未出現失真，很好地完成了自動增益控制的作用。

3 串口接口和電源電路設計

由于RS－232－C標準所定義的高、低電平信號與一般的LVTTL電路所定義的高、低電平信號完全不同，LVTTL的標準邏輯“1”對應2～3.3 V電平，標準邏輯“0”對應0～0.4 V電平，而RS－232－C標準采用負邏輯方式，標準邏輯“1”對應－5～－15 V電平，標準邏輯“0”對應+5～+15 V電平，兩者間要進行通信必須經過信號電平的轉換。系統使用串口進行調試，串口的信號電平是5 V，而FPGA輸出電平最高是3.3 V，因此，兩者的信號需要電平轉換，可用一塊MAX232來滿足4路的電平轉換。RS232接口電路如圖5所示。

圖5 RS232接口電路

在整個電力載波擴頻通信系統中，放大驅動、耦合電路和AGC使用了12 V電源，AD7822和MAX232的工作電平是5 V，時鐘振蕩器的工作電平是3.3 V，所以需設計一套多電源供電的方案。如圖6所示，12 V電源直接由變壓器產生，5 V電源用LM1117芯片實現，3.3 V電源由LM2576匹配獲得。

圖6 電源電路

4 硬件抗干擾措施

系統的穩定性是實現其功能的前提。在本系統中，因為需要耦合到220 V的電力線上，因此，元件的布局、布線以及電源、地線的處理都將影響電路性能和電磁兼容性能。

結合實際遇到的干擾情況，本系統的硬件抗干擾措施主要集中在如何提高PCB板的抗干擾性能上［5］。主要采取了以下幾種抗干擾手段:

(1)抑制干擾源。1)在布板時讓電容、電感的引線盡量短。2)電路板上各個IC都并接了一個0.01～0.1 μF高頻電容，以減小IC對電源的影響，并且高頻電容的布線、連線靠近電源端并盡量粗短，以免增大電容的等效串聯電阻，影響濾波效果。3)布線時都采用45°折角，盡量減少90°折線，以減少高頻噪聲發射。

(2)切斷干擾傳播路徑。1)充分考慮到電源對系統的影響，采用紋波系數小的電源管理芯片進行設計，并給FPGA芯片電源加了濾波電路以減小電源噪聲。2)布線時使晶振與FPGA芯片引腳盡量靠近，用地線隔離時鐘區，將晶振外殼接地。3)大功率器件都布線于電路板邊緣，盡量減小它對其他電路的影響。4)在PCB板子上下兩面進行大面積鋪銅并接地，以屏蔽電磁干擾。

(3)提高器件抗干擾能力的處理。1)布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。2)加粗電源線和地線的布線以減小壓降、降低耦合噪聲。3)IC和FPGA芯片閑置的I/O口，都予以接地或接電源。4)IC器件多采用貼片，而不是采用分布電容較大的DIP封裝。

此外，在PCB內部處理數模共地的問題時，將板內部數字地和模擬地隔離，只是在PCB與外界連接的接口處，數字地與模擬地使用一個0 Ω電阻短接。

5 整機功能測試結果分析

最后把外圍電路和調制解調芯片組合起來進行整機功能測試:(1)不帶電導線測試。接收端能準確接收到發送信號，并將發送的數據準確顯示出來，接收端和發送端具有基本的通信功能，設計方案在整機實現上可行。(2)雙機低壓變壓器小區內測試。在短距測試時，一開始不能正常接收，于是更改了門限值，反復測試后可達到正確接收。

在雙機小區內測試時。發現當距離較大時，偶爾會有誤碼。這是由于隨著距離的拉長，引入了更多的干擾，必然有多經現象發生，因此信號能量有所損失;同時接入點有較大的阻抗，對信號也會有衰減，同時發現在晚上，因用電設備減少，負載減輕，干擾減小，通信效果會比白天好。當加入CRC糾錯冗余編碼后，可以有效的消除誤碼率，實現正確接收。由于PN碼不長，捕獲時間一般較短，在一個PN碼周期內便可實現［5］。

經過測試，在信噪比為－20 dB時，系統可正常搜索跟蹤，擴頻環節的接收誤碼率約達10－5左右，工作狀態穩定，有效提高了在變參信道上的傳輸可靠性。同時經測試，該外圍電路也適用于窄帶調頻方式和其他寬帶擴頻通信方式。在該領域使用，接收誤碼率均在允許范圍內。

6 結束語

該系統貼近實際電力載波通信特點，力求在滿足要求的基礎上最簡化原理設計，使之實用。每個子系統都參考了相關的方案，精心挑選、可行性論證、改進、設計。其研究成果對于數字信號處理理論及數字通信理論的發展有著一定的意義，同時還可以應用于無線通信、有線通信等領域。

［1］陸春榮.通信原理與技術［M］.上海:上海大學出版社，1989.

［2］鐘穎儀，陳忠輝，陳新.電力線通信中擴頻捕獲跟蹤技術［J］.電子科技，2007(5):45 －48.

［3］曹寧，胡宏莽，胡弘莽.電網通信技術［M］.北京:中國水利水電出版社，2003.

［3］王金保，王治平.電力線載波機及電力線載波通道測試技術［M］.北京:中國電力出版社，1995.

［4］陳維纖.電力線載波通信［M］.北京:水利電力出版社，1989.

［5］謝飛，熊力翔.低壓電力網載波通信［J］.電子技術應用，1998(6):45－96

［6］謝飛，熊立翔，楊士中.低壓電力網載波通信信號衰減特性的研究［J］.電子技術應用，1998(1):36－37.