復合耦合技術(shù)在設計中的應用

　　電力線(xiàn)通信( Power Line Communication，PLC)是以電力網(wǎng)作為信道，進(jìn)行載波通信的一種有線(xiàn)通信方式。PLC 在歐洲( 德國、英國、瑞典等)發(fā)展得較快，最近，英國在電力線(xiàn)媒介開(kāi)發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，用戶(hù)可通過(guò)電力線(xiàn)進(jìn)入Internet網(wǎng)，從簡(jiǎn)單的數據傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò )聯(lián)接。

　　中國電力系統也已組建國電通信中心，并向信息產(chǎn)業(yè)部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在2015 年建成全國統一的聯(lián)合電力網(wǎng)通信系統。

　　但是，低壓電力線(xiàn)是一種通信環(huán)境非常惡劣的信道，許多問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。低壓電力線(xiàn)傳送著(zhù)220 V/50 Hz 的電能，在低壓電力線(xiàn)上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線(xiàn)的這一固有特點(diǎn)，給低壓電力線(xiàn)通信帶來(lái)了很大的困難。因此，低壓電力線(xiàn)通信必須首先解決以下2 個(gè)難題:

　　(1) 電力網(wǎng)50 Hz 的工頻信號不能給載波通信系統帶來(lái)太大的干擾，同時(shí)，考慮到整個(gè)通信系統的安全，必須進(jìn)行強電隔離;(2) 低壓電力線(xiàn)上并接的所有用電器的“統計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

　　上述問(wèn)題，正是低壓電力線(xiàn)通信的接口技術(shù)問(wèn)題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實(shí)現方法。

　　1 接口電路的模型

　　根據低壓電力線(xiàn)通信接口技術(shù)的要求:① 必須進(jìn)行強電隔離;② 確保較高的載波信號加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術(shù)”。接口電路模型如圖1所示。
圖1 接口電路模型。

　　該電路的關(guān)鍵物理量是2 個(gè)回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數學(xué)模型:

式中，設i′ 、i″分別為i 的一、二階導數，則：

對于式(1)，通過(guò)不同的處理將得到不同的數學(xué)模型。對圖1 所示的雙RLC 耦合回路進(jìn)行去耦處理，得到2 個(gè)獨立的RLC 串聯(lián)回路。對式(1)求導，則可得到二元二階方程組：

式(2)同時(shí)含有2 個(gè)未知函數i1( t) 和i2( t)的二階導數，不便直接求解。

　　若將RLC 串聯(lián)回路表示成二元一階方程，則由2 個(gè)RLC 回路便可得到四元一階方程組：

該方程組含有4 個(gè)未知數:i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解條件直接由電路的初始儲能情況給出。當無(wú)初始儲能時(shí)，為齊次初始條件，即：

設所有電路元件都是非時(shí)變性元件，則所對應的常系數線(xiàn)性一階常微分方程組可轉化成線(xiàn)性代數方程組進(jìn)行求解。

　　通過(guò)對上述接口電路數學(xué)模型的分析、化簡(jiǎn)可知，基于“復合耦合技術(shù)”的接口電路模型，電路的主要參數是可以通過(guò)線(xiàn)性代數方程組進(jìn)行求解，接口電路的原理清晰，計算復雜度較小，符合低壓電力線(xiàn)載波通信要求，是簡(jiǎn)潔、可行的。

　　2 ST 7538 電力線(xiàn)接口電路的設計

　　2. 1 ST 7538 調制解調芯片

　　ST 7538 載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信而設計的半雙工、同步/異步FSK 調制解調器芯片。ST 7538 內部集成了發(fā)送和接收數據的所有功能，通過(guò)串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過(guò)耦合變壓器等少量外部器件，即可連接到電力網(wǎng)中。ST 7538功能強大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術(shù)，如果能夠很好地利用其多頻段性，就可以克服窄帶通信的缺點(diǎn)。ST7538 作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應用。

　　除此之外，該芯片還有以下主要特點(diǎn):

　　(1) 有8 個(gè)可編程( 載波) 頻率，即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 內部集成電力線(xiàn)驅動(dòng)接口，并且提供可編程電壓控制和電流控制;(3) 可編程通信速率高達4 800 b /s;(4) 極低的功耗，在接收狀態(tài)下功耗只有5 mW;(5) 接收靈敏度很高，接收靈敏度為1 mVRMS。