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1、(10)申请公布号 CN 102870337 A(43)申请公布日 2013.01.09CN102870337A*CN102870337A*(21)申请号 201180019494.2(22)申请日 2011.04.2961/329,357 2010.04.29 US13/087,116 2011.04.14 USH04B 3/54(2006.01)H04L 29/10(2006.01)(71)申请人德州仪器公司地址美国得克萨斯州(72)发明人日韩马苏德金巴德里N瓦拉达拉詹阿南德G达巴克(74)专利代理机构北京律盟知识产权代理有限责任公司 11287代理人王璐(54) 发明名称PRIME频带上。
2、的有效的低电压到中等电压发射(57) 摘要本发明揭示用于电力线调制解调器的耦合和接口电路。电力线调制解调器可使用电路耦合到低电压LV线路或中等电压MV线路，所述电路经设计以补偿由LV/MV变压器和/或MV耦合器产生的信号衰减和损失。在一个实施例中，单独的耦合变压器(803、805)可由用于接收和发射的调制解调器使用。在其它实施例中，在所述调制解调器发射之前在发射线路上接通电容以降低线路阻抗。(30)优先权数据(85)PCT申请进入国家阶段日2012.10.17(86)PCT申请的申请数据PCT/US2011/034636 2011.04.29(87)PCT申请的公布数据WO2011/13990。
3、8 EN 2011.11.10(51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图7页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 7 页1/1页21.一种用于电力线通信网络上的通信的接口，其包括：发射变压器(803)，其适于将从调制解调器(801)发射的信号耦合到所述电力线通信网络上的中等电压线路，所述发射变压器(803)具有第一匝数比；以及接收变压器(805)，其适于将从所述电力线通信网络上的所述中等电压线路接收的信号耦合到所述调制解调器(801)，所述接收变压器(805)具有大于所述第一匝数比的第二匝数比。2.根据权利要求1所述的接口。
4、，其中用于所述发射变压器(803)的所述第一匝数比为11.5，且其中用于所述接收变压器(805)的所述第二匝数比为1.51。3.根据权利要求1所述的接口，其中用于所述发射变压器(803)的所述第一匝数比经选择以放大从所述调制解调器(801)发射的所述信号，且其中用于所述接收变压器(805)的所述第二匝数比经选择以放大从所述电力线通信网络接收的所述信号。4.一种用于电力线通信网络(1003)上的通信的接口，其包括：变压器电路(1002)，其将调制解调器(1001)耦合到电力线(1003)；第一耦合电容器(CL)，其将所述变压器电路(1002)耦合到所述电力线(1003)；第二耦合电容器(CTX)。
5、，其经由开关(1008)并联耦合到所述第一耦合电容器(CL)，在所述调制解调器(1001)接收期间所述开关(1008)处于断开位置，在所述调制解调器(1001)发射期间所述开关(1008)处于闭合位置。5.根据权利要求4所述的接口，其中所述第二电容器(CTX)的值经选择以在所述开关(1008)闭合时增加所述接口的无功功率。6.根据权利要求4所述的接口，其中所述电力线(1003)是低电压电力线(1003)。7.根据权利要求4所述的接口，其中所述电力线(1003)是中等电压电力线。8.一种用于电力线通信网络(902)的接口，其包括：线路驱动器电路(903)，其提供数据信号以发射到所述电力线通信网络。
6、(902)；无源滤波器(904)，其耦合到所述线路驱动器电路(903)的输出；变压器(905)，其耦合到所述无源滤波器(904)的输出；以及高通滤波器(906)，其耦合在所述变压器(905)的输出与中等电压电力线(902)之间。9.根据权利要求8所述的接口，其中所述高通滤波器(906)和无源滤波器(904)使所述中等电压电力线(902)上的处于功率载波频率的信号在到达所述线路驱动器电路(903)之前衰减。10.根据权利要求9所述的接口，其中所述功率载波频率为50赫兹或60赫兹。11.根据权利要求8所述的接口，其中所述变压器(905)具有一匝数比，所述匝数比使从所述线路驱动器电路(903)发射的。
7、数据信号放大，且使处于功率载波频率的从所述中等电压电力线(902)接收的信号衰减。权 利 要 求 书CN 102870337 A1/5页3PRIME 频带上的有效的低电压到中等电压发射技术领域0001 实施例大体上是针对电力线通信(PLC)，且更具体来说，涉及低电压到中等电压发射的方法。背景技术0002 电力线通信(PLC)是用于高级计量基础设施(AMI)的有用媒体。PLC允许通过已经安装的线路来发送通信信号，因此无需添加新的通信线路。在欧洲和中国，许多房屋是在一个低电压(LV)/中等电压(MV)配电变压器下连接的。在这些国家中，AMI正通过低电压线路来实施。这意味着单个基本节点可驻留在LV侧。
8、且可服务于许多房屋。在此情况下，来自基本节点的通信信号无需传递通过LV/MV配电变压器而到达服务节点。0003 然而，在美国，仅少数房屋连接于LV/MV配电变压器的低电压侧上。因此，假如在美国系统中基本节点将定位于低电压侧上，那么将需要许多基本节点来覆盖大的区域或大量房屋。为了具有成本效益且为了用较少的基本节点服务尽可能多的房屋，在美国电力网中，基本节点应驻留于LV/MV配电变压器的中等电压侧上。这意味着通信信号将必须传递通过LV/MV配电变压器。LV/MV配电变压器通常充当低通滤波器，因为其经设计以传递50/60Hz功率信号。发明内容0004 在一个实施例中，一种用于电力线通信网络上的通信的。
9、调制解调器接口包括单独的发射器和接收器变压器。发射变压器适于通过中等电压耦合器将来自调制解调器的信号耦合到所述电力线通信网络上的中等电压线路。所述发射变压器具有第一匝数比。接收器变压器适于通过中等电压耦合器将从所述中等电压线路接收的信号耦合到所述调制解调器。所述接收变压器具有大于所述第一匝数比的第二匝数比。用于所述发射变压器的所述第一匝数比经选择以放大从所述调制解调器发射的所述信号，且用于所述接收变压器的所述第二匝数比经选择以放大从所述电力线通信网络接收的所述信号。在一个配置中，用于所述发射变压器的所述第一匝数比为11.5，且用于所述接收变压器的所述第二匝数比为1.51。0005 在另一实施例。
10、中，一种用于电力线通信网络上的通信的接口包括变压器电路，其将调制解调器耦合到电力线。第一耦合电容器将所述变压器电路耦合到所述电力线。第二耦合电容器可经由开关并联耦合到所述第一耦合电容器。在所述调制解调器的接收期间所述开关置于断开位置。接着在所述调制解调器的发射期间所述开关置于闭合位置。所述第二电容器的值经选择以在所述开关闭合时增加所述接口的无功功率。所述电力线可为低电压或中等电压电力线。0006 在又一实施例中，一种用于电力线通信网络的接口包括线路驱动器电路，其提供数据信号以发射到所述电力线通信网络。无源滤波器耦合到所述线路驱动器电路的输出，且变压器耦合到所述无源滤波器的输出。高通滤波器耦合在。
11、所述变压器的输出与中等电压说 明 书CN 102870337 A2/5页4电力线之间。所述高通滤波器和无源滤波器使所述中等电压电力线上的处于功率载波频率的信号在可到达所述线路驱动器电路之前衰减。所述功率载波频率可为50赫兹或60赫兹。所述变压器具有某一匝数比，所述匝数比使从所述线路驱动器电路发射的数据信号放大，且使处于功率载波频率的从所述中等电压电力线接收的信号衰减。附图说明0007 在如此概括地描述本发明之后，现在将参考附图，附图中：0008 图1说明用于LV/MV通信的典型通信系统；0009 图2说明典型商业LV/MV配电变压器的频率响应；0010 图3说明典型MV耦合器的从MV线路侧看到。
12、MV调制解调器的频率响应；0011 图4说明LV/MV配电变压器和MV耦合器的组合效应；0012 图5说明商业LV/MV变压器的从MV侧到LV侧的频率响应；0013 图6说明MV耦合器的从MV调制解调器侧线路看对MV线路侧的频率响应；0014 图7说明LV/MV配电变压器与MV耦合器的组合效应；0015 图8说明其中调制解调器具有不同发射接口和接收接口的通信电路；0016 图9说明其中调制解调器耦合到MV发射线路的耦合电路的另一实施例；以及0017 图10说明用于LV调制解调器的耦合电路。具体实施方式0018 现将在下文中参考附图更完整地描述本发明。然而，本发明可以许多不同形式体现且不应解释为。
13、局限于本文陈述的实施例。而是，提供这些实施例以使得本发明将为详尽且完整的，且将把本发明的范围完整地传达给所属领域的技术人员。所属领域的技术人员可能够使用本发明的各种实施例。0019 以下揭示内容首先描述商业LV/MV配电变压器的特性，且接着论述用以改善通信信号如何从LV到MV或从MV到LV传递通过LV/MV配电变压器的方式。0020 LV/MV通信链路表征0021 图1说明用于LV/MV通信的典型通信设置。在LV/MV配电变压器102的LV侧上的LV调制解调器101通过LV/MV变压器102发射和接收信号。MV调制解调器103对应地接收来自LV调制解调器101的信号，且将其它信号发射到LV调制。
14、解调器101。LV发射线路具有线路阻抗RLV，且MV发射线路具有线路阻抗RMV。在图1中说明的此实例网络中，假定RLV2欧姆且RMV600欧姆。图1还展示MV耦合器104，其将MV调制解调器103连接到MV发射线路。为了保护MV调制解调器以免受到MV发射线路上的较高电压影响，必须阻挡50/60Hz高电压信号使之避开MV调制解调器103，同时允许通信信号传递到MV调制解调器103和从MV调制解调器103传递。MV耦合器104充当抑制低频信号的带通/高通滤波器。0022 LV到MV表征0023 图2说明典型的商业LV/MV配电变压器的频率响应，所述配电变压器例如为可从得克萨斯州格林维尔市的格林维尔。
15、变压器公司(Greenville Transformer Company，Greenville，Texas)购得的LV/MV配电变压器。曲线说明从LV侧传递到MV侧的信号的频率响应。在实施例中，LV/MV变压器具有130的变压器匝数比。因此，LV侧上的240V变说 明 书CN 102870337 A3/5页5为MV侧上的7200V。图2中的曲线表示无限(即，开路)(201)、50欧姆(202)和600欧姆(203)的MV线路阻抗。如图2中绘制的曲线中所示，LV/MV配电变压器充当低通滤波器。对于600欧姆的线路阻抗，PRIME频带(40-90kHz)中的频率具有近似10dB到15dB的衰减。0。
16、024 图3说明典型MV耦合器的从MV线路侧看到MV调制解调器的频率响应。图3中的曲线表示耦合器的调制解调器侧上的无限(即，断开)(301)和50欧姆(302)的阻抗。在PRIME频带中，衰减近似为10dB。0025 图4说明LV/MV配电变压器和MV耦合器的组合效应(401)。结果是PRIME频带中的近似25dB衰减。0026 MV到LV表征0027 图5说明商业LV/MV变压器的从MV侧到LV侧的频率响应。LV/MV变压器匝数比为130。对于LV侧的线路阻抗，曲线说明无限(501)、50欧姆(502)和2欧姆(503)阻抗。LV/MV配电变压器充当低通滤波器。在2欧姆的典型LV线路阻抗的情。
17、况下，在PRIME频带中存在近似50dB到60dB的衰减。0028 图6说明MV耦合器的从MV调制解调器侧线路看到MV线路侧的频率响应。图6中的曲线表示MV线路侧上的无限(601)和400欧姆(602)的阻抗。在PRIME频带中，MV耦合器具有近似10dB的增益。0029 图7说明LV/MV配电变压器与MV耦合器的组合效应(701)。结果是PRIME频带中的近似40dB到50dB的衰减。0030 如上所述，对于在PRIME频带中操作的典型LV/MV配电变压器和典型MV耦合器，存在从MV到LV的45dB衰减以及从LV到MV线路的25dB衰减。在此情况下，MV到LV链路和LV到MV链路不平衡。用以。
18、改善LV调制解调器101与MV调制解调器103(图1)之间的链路质量的一种方式是提升信号电平。以下部分提出针对在两个方向上的链路改善的若干建议。0031 MV到LV链路改善0032 在一个实施例中，可在每一调制解调器处在发射和接收侧上使用不同的隔离变压器。举例来说，在MV到LV通信路径上，存在近似45dB衰减。在PRIME MV调制解调器的一个实施例中，1.51的隔离变压器比用于MV调制解调器的发射侧和接收侧两者。如果在调制解调器侧上将2Vrms注入到MV耦合器中，那么在LV线路上由MV耦合器和LV/MV变压器引起的衰减之后电压电平将为仅5mVrms。如果改为11.5的隔离变压器比用于MV调制。
19、解调器的发射侧，那么对线路注入的信号在MV耦合器之前将为4.5Vrms，且在LV调制解调器处接收的信号电压在45dB衰减之后将为12.5mVrms。0033 从接收器灵敏度来看，此电压电平(12.5mVrms)对调制解调器提供用于解码的足够信号强度。应注意，减小MV调制解调器的发射路径处的发射比是通过两个事实实现的。第一，进行的发射测试对于通过耦合器注入到MV线路中的信号来说可能不适用或可能较宽松。第二，MV线路的阻抗预期比LV线路的阻抗高，所述LV线路通常比MV线路更多地加载。因此，即使变压器比减小，MV调制解调器处的线路驱动器所见的阻抗(与变压器比的平方成正比)也将仍足够大而不会不利地影响。
20、信号质量。0034 以上方法的变型是使用不同的耦合电路用于MV调制解调器的发射侧和接收侧。在一个实施例中，发射器路径可使用具有比接收器路径小的匝数比的隔离变压器。两个隔说 明 书CN 102870337 A4/5页6离变压器均连接到MV耦合器。此技术的优点是在不减小接收器灵敏度的情况下获得增加的发射信号电平。0035 图8说明其中调制解调器801与调制解调器802通信的通信电路800。调制解调器801、802使用在发射侧和接收侧上具有不同耦合比的变压器。从调制解调器来看，发射侧上的隔离/耦合变压器803、804具有1.51的匝数比，且接收侧上的隔离/耦合变压器805、806具有11.5的匝数比。
21、。因此，信号在每一变压器处接收到升压以抵消MV耦合器和LV/MV变压器(未图示)中的衰减损失。0036 在另一实施例中，可增加供应电压以产生较高电压信号。举例来说，当前调制解调器使用15V信号。假如改为使用24V信号，那么在发射器处将会提供高4dB的信号电平。在此情况下，1.51变压器有3.2Vrms信号(11.5变压器有7.2Vrms)，且在衰减之后，在发射器处1.51变压器有20mV信号(11.5变压器有45mV)。0037 在替代实施例中，可使用在信号频带中具有低阻抗的耦合电路。这将会减小由来自耦合电路的源阻抗引起的损失。0038 图9说明其中调制解调器901耦合到MV发射线路902的另。
22、一实施例。图9的耦合电路900经设计以用于MV侧上的低于10kHz的信号。来自调制解调器901的信号被发射通过线路驱动器903。信号接着传递通过无源滤波器904、耦合变压器905以及高通滤波器(HPF)906，之后注入到MV线路902上。变压器905可具有例如12的匝数比。在一个实施例中，HPF 906是在6kHz处具有拐点的双极滤波器。在另一实施例中，HPF906可为单极滤波器；然而，这可能是困难的，原因在于在线路驱动器侧上所看到的大电压且还因为在所述侧上所看到的小线路阻抗。应注意，MV侧阻抗可低达10欧姆。0039 耦合电路900允许来自调制解调器901的信号传递到MV线路902，同时阻挡。
23、MV线路902上的高电压50/60Hz信号到达调制解调器901。如在图9中所示的实例中所说明，MV线路上的处于50/60Hz的12kVrms信号由HPF 906衰减到3Vrms。变压器905进一步将信号衰减到1.5Vrms。无源滤波器904将信号减小到调制解调器线路驱动器处的0.5Vrms，这防止了对线路驱动器电路903或对调制解调器901的损坏。0040 LV到MV链路改善0041 对于从LV调制解调器(101)发送到MV调制解调器(103)的信号，可例如通过增加供应电压以在LV调制解调器101处产生较高信号来改善发射。举例来说，如果15V信号与2欧姆的线路阻抗一起使用，那么产生的信号电压是。
24、1Vrms，且在20dB衰减之后，电压将为10mVrms。如果改为使用24V电源，那么产生的信号电压将为1.6Vrms，且在20dB衰减之后，信号电压将为16mVrms。0042 因为LV侧处的线路阻抗较小，所以可能不可在发射器处使用低匝数比变压器。举例来说，如果使用11.5变压器且线路阻抗为2欧姆，那么源侧处的信号电平将为2/(15)20.89欧姆。在此情况下，可能未通过LV线路注入足够的电压。0043 然而，针对发射器使用不同耦合电路具有其它优点。在许多情况下，在耦合电路消耗的无功功率与耦合电路中针对小负载阻抗的发射信号损失量之间存在折中。为了避免高恒定无功功率，可使用用于发射器的不同耦合。
25、，例如以仅在发射期间的较高无功功率为代价而经调谐以减小信号损失的变压器。此技术适用于低电压线路和中等电压线路两者上的通信，但预期在低电压侧上更有用，因为LV线路中的无功功率规范较严格。说 明 书CN 102870337 A5/5页70044 图10说明用于LV调制解调器的耦合电路。调制解调器1001经由变压器1002和耦合电容器CL耦合到LV线路1003。在发射侧上，调制解调器1001包含线路驱动器1004和耦合电路1005，这提供滤波和保护。在接收侧上，调制解调器1001包含接收器1006。调制解调器1001还耦合到开关电容器电路1007。当调制解调器1001即将进行发射时，其命令开关100。
26、8闭合，进而将发射电容器CTX并联耦合到LV线路。耦合电容器CL的值与无功功率成正比，但与耦合电路的带内阻抗成反比，且因此，在发射期间引起信号损失。通过在发射期间耦合并联电容器CTX，无功功率增加。接收器1006具有大的观测阻抗，因此即使具有较低无功功率的较小耦合电路CL也不会导致接收器处的显著信号损失或灵敏度减小。并联电容器CTX仅为了发射而切换到电路中。预期发射时间将小于接收/收听时间(即，低工作循环)，且LV线路将偶尔被加载。0045 在其它实施例中，可针对LV调制解调器使用在信号电平下具有低阻抗的不同耦合电路。0046 或者，图9中的耦合电路可通过将接收器连接到无源滤波器904的输出而在MV侧上使用。0047 得益于在上述描述和相关联附图中呈现的教示的本发明所属领域的技术人员将想到本发明的许多修改和其它实施例。因此，应了解，本发明应不限于所揭示的特定实施例。虽然本文中使用特定术语，但这些术语仅在一般且描述性意义上使用且不用于限制的目的。说 明 书CN 102870337 A1/7页8图1图2说 明 书 附 图CN 102870337 A2/7页9图3说 明 书 附 图CN 102870337 A3/7页10图4说 明 书 附 图CN 102870337 A10。