專利名稱：在多種線路上傳輸?shù)母哳l網(wǎng)絡(luò)通信方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及電力系統(tǒng)通信方法，更具體來講，涉及這樣的方法經(jīng)過電力線(交流或直流)和輸電變壓器、同軸電纜以及雙絞線，在很長的距離上同時高速發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)和高速接收數(shù)字數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
在電力系統(tǒng)通信領(lǐng)域中，“電力線載波”是公知的。電力線載波的主要元件是發(fā)送終端和接收終端，它們包括一個或多個線路陷波器、一個或多個耦合電容、以及調(diào)諧和耦合設(shè)備。在1983年出版的由John Wiley和Sons所著的《電氣及計算機基礎(chǔ)工程手冊》第二冊“通信控制裝置和系統(tǒng)”部分的第617到627頁中可找到關(guān)于普通電力線載波技術(shù)原理和典型組成的詳細描述，上述的文獻也結(jié)合到本文中作為參考。與現(xiàn)有電力線載波技術(shù)相關(guān)的一個突出問題是它們需要一個或多個線路陷波器、一個或多個電容、一個或多個耦合變壓器或載波頻率混合電路、以及頻率接線電纜。
所有的傳統(tǒng)型耦合器都包括一個鐵氧體磁芯變壓器或鐵心變壓器，由于發(fā)送耦合器和接收耦合器間傳遞函數(shù)的特性是非線性的，所以該耦合變壓器會造成信號失真。該信號失真是由于具有磁滯現(xiàn)象的磁芯材料造成的。對于配電電力線載波，由于信號的傳播必須要經(jīng)過至少三個這樣的非線性裝置—即配電變壓器和兩個電力線耦合器，所以失真尤為嚴重，其中的電力線耦合器采用了鐵氧體磁芯變壓器。由這些非線性裝置造成的失真會導(dǎo)致包絡(luò)遲延畸變，這將限制通信速度的提高。
現(xiàn)有設(shè)計中這種主要缺陷是由于在信號耦合器中采用了鐵氧體磁芯或鐵心變壓器。由于磁芯是非線性的，原邊繞組的感抗L1會變?yōu)槲粗獢?shù)值。這就會導(dǎo)致對預(yù)期載波頻率的失諧。同時，在預(yù)期載波頻率時，原邊繞組的阻抗也不再能與電力線特征阻抗相匹配?？紤]到這樣的事實，現(xiàn)有其它設(shè)計試圖僅采用大耦合電容(接近于0.5微法)、以低輸入阻抗的收發(fā)器將信號耦合到電力線上。但這會導(dǎo)致在載波頻率時的耦合損耗高達20dB。
本申請人的待結(jié)美國專利申請第09/344,258(下文稱為258號申請)中公開了一種新穎的既用于發(fā)送、也用于接收的相移線性耦合器，其可用在電力線、電話線、雙絞線以及同軸電纜上。該相移線性耦合器首創(chuàng)地采用了空心或介質(zhì)心變壓器，其可用在電話線路通信、同軸電纜通信、局域網(wǎng)通信、以及經(jīng)過輸電變壓器的電力線通信中。該相移線性耦合器還包括一個附聯(lián)的耦合電容網(wǎng)，目的是為實現(xiàn)約為線路特征阻抗已知最低值的阻性匹配，并最大可能地穩(wěn)定在線路上傳輸?shù)男盘枴＿@樣的諧振實際上形成一個在載波頻率上的帶通濾波器。258號申請中所公開的內(nèi)容整體結(jié)合到本文中作為參考。
258號申請中的設(shè)計解決了現(xiàn)有設(shè)計中的許多問題，現(xiàn)有設(shè)計采用的是鐵氧體或鐵磁耦合器，而這樣的耦合器會與電力線特征阻抗發(fā)生諧振，導(dǎo)致電力線等各種線路上所傳輸?shù)耐ㄐ懦霈F(xiàn)頻率階陷、縮洼(suck out)和非線性媒介。但258申請中的相移線性耦合器不會使通信帶寬出現(xiàn)階陷，從而可在很寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)線性通信。
但目前仍存在這樣的需求需要有一種電力線通信系統(tǒng)，其能利用更高的頻率(例如為200兆赫到500吉赫)同時發(fā)送和接收數(shù)字數(shù)據(jù)，由此能以大帶寬通過電力線(交流或直流)和輸電變壓器、同軸電纜或雙絞線在很長的距離上同時高速發(fā)送數(shù)字數(shù)據(jù)和接收數(shù)字數(shù)據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
簡言之，在一個第一實施例中，本發(fā)明體現(xiàn)為一種通信設(shè)備及相應(yīng)的通信方法，通過一條或多條具有特征阻抗的電氣線路傳送電信號。該通信設(shè)備包括
一個調(diào)制器，該調(diào)制器對所述電信號進行調(diào)制，而生成一個調(diào)制后的載波信號，該載波信號的頻率是預(yù)先選定的，其大于或等于200MHz；一個與調(diào)制器電路連接的發(fā)送器，其具有一定的輸出阻抗，該發(fā)送器將已調(diào)制載波信號發(fā)送出去；以及一個連接在電路和發(fā)送器之間的耦合器，該耦合器使發(fā)送裝置的輸出阻抗與線路的特征阻抗相匹配，并將調(diào)制后的載波信號基本沒有相位畸變地傳送到線路上。
在第二實施例中，本發(fā)明體現(xiàn)為一種通信設(shè)備及相應(yīng)的通信方法，用來在一條或多條具有特征阻抗的電氣線路上傳送電信號，該設(shè)備包括；一個調(diào)制器，該調(diào)制器對所述電信號進行調(diào)制，而生成一個調(diào)制后的載波信號，該載波信號的頻率為第一預(yù)選定頻率，該頻率大于或等于200MHz；一個與調(diào)制器電路連接的發(fā)送器，其具有一定的輸出阻抗，該發(fā)送器將調(diào)制載波信號發(fā)送出去；一個接在所述電路和發(fā)送器之間的第一耦合器，該耦合器使發(fā)送裝置的輸出阻抗與線路的特征阻抗相匹配，并將調(diào)制后的載波信號基本沒有相位畸變地傳送到線路上；一個具有一定輸入阻抗的接收器，該接收器接收到調(diào)制載波信號；一個與接收器相連的解調(diào)器，所述解調(diào)器通過對調(diào)制載波信號進行解調(diào)而產(chǎn)生一個解調(diào)后的載波信號，解調(diào)載波信號的頻率為第二預(yù)選定頻率，該頻率大于或等于200兆赫；以及一個第二耦合器，其連接在所述電路和接收器之間，用來使接收器的輸入阻抗與電路的特征阻抗相匹配，并基本上無相位畸變地將調(diào)制載波信號傳送到接收器。
在第三實施例中，本發(fā)明體現(xiàn)為一種通信設(shè)備及相應(yīng)的通信方法，用來經(jīng)一條或多條具有特征阻抗的電氣線路傳送電信號，該設(shè)備包括一個第一調(diào)制解調(diào)器，其產(chǎn)生一個具有第一預(yù)選頻率的第一調(diào)制載波信號，并對具有第二預(yù)選頻率的第二調(diào)制載波信號進行解調(diào)，其中的第一預(yù)選頻率和第二預(yù)選頻率都大于或等于200MHz；
一個具有一定輸出阻抗的第一發(fā)送器，所述發(fā)送器與第一調(diào)制解調(diào)器連接，并發(fā)送第一調(diào)制載波信號；一個具有一定輸入阻抗的第一接收器，所述接收器與第一調(diào)制解調(diào)器連接，用來接收所述的第二調(diào)制載波信號；一個連接在電氣線路與第一發(fā)送器、第一接收器之間的第一耦合器，該第一耦合器使第一發(fā)送器的輸出阻抗、第一接收器的輸入阻抗與電路的特征阻抗相匹配，并基本無相位畸變地傳送第一和第二調(diào)制載波信號；一個第二調(diào)制解調(diào)器，其產(chǎn)生所述的第二調(diào)制載波信號，并對第一調(diào)制載波信號進行解調(diào)；一個具有一定輸出阻抗的第二發(fā)送器，該發(fā)送器與所述的第二調(diào)制解調(diào)器連接，用來發(fā)送第二調(diào)制載波信號；一個具有一定輸入阻抗的第二接收器，該第二接收器與第二調(diào)制解調(diào)器連接，用來接收第一調(diào)制載波信號；以及一個連接在電路和第二發(fā)送器、第二接收器之間的第二耦合器，該第二耦合器使第二發(fā)送器的輸出阻抗、第二接收器的輸入阻抗與電路的特征阻抗相匹配，并基本無相位畸變地傳送第一和第二調(diào)制載波信號。


如結(jié)合附圖進行閱讀，就能更好地理解上文的概述以及下文對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細描述。為了對本發(fā)明進行示例的目的，附圖中表示了幾種目前認為是優(yōu)選的實施方式。但應(yīng)當(dāng)指出的是本發(fā)明并不限于圖中所示的確切的布置和實施措施。在附圖中，相同的數(shù)字標號用來指代所有相同的元件。在附圖中圖1中的圖線表示了本發(fā)明耦合器對電力線的特征阻抗；圖2中示意性的框圖表示了本發(fā)明的電力線通信寬域網(wǎng)；圖3的示意圖表示了本發(fā)明的半雙工電力線調(diào)制解調(diào)器；圖4的示意圖表示了本發(fā)明的全雙工電力線調(diào)制解調(diào)器；圖5的示意框圖表示了本發(fā)明的電力線通信設(shè)備；圖6是用在圖5的電力線通信設(shè)備中的一個第一調(diào)制器的示意框圖，其工作在一個第一頻率上；
圖7是用在圖5的電力線通信設(shè)備中的一個調(diào)制器的示意框圖，其工作在一個第二頻率上；圖8的示意圖表示了用在圖5的電力線通信設(shè)備中的、工作在一個第一頻率上的解調(diào)器；圖9的示意圖表示了用在圖5的電力線通信設(shè)備中的另一個解調(diào)器，其工作在一個第二頻率上；圖10的示意圖表示了一個用在圖5的電力線通信設(shè)備中的一個以太網(wǎng)接口；圖11是一個耦合器的示意圖，該耦合器用在圖5的電力線通信設(shè)備中，以第一組頻率工作；圖12是一個耦合器的示意圖，該耦合器用在圖5的電力線通信設(shè)備中，以第二組頻率工作；以及圖13的示意圖表示了一個電源，該電源用在圖5的電力線通信設(shè)備中。
具體實施例方式
本發(fā)明的技術(shù)方案是對258號申請中的相移線性耦合器所作的改進。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在空心耦合器或介質(zhì)心耦合器條件下用較高的頻率(1G到500GHz)能產(chǎn)生更好的工作效果，這是因為該頻率具有更大的帶寬，并能傳播更遠的距離。頻率較高的信號將環(huán)繞任何類型的導(dǎo)線產(chǎn)生一個磁場，該磁場將像磁波一樣沿電力線的表面?zhèn)鞑?，并跨過變壓器。因而，該高頻信號的傳播可實現(xiàn)長距離、大帶寬。
在類似于同軸電纜的受控環(huán)境中，頻率為1GHz或更高的高頻率信號將只能傳播很短的一段距離就消失了。這是因為同軸電纜具有很大的恒定串聯(lián)電感值L和并聯(lián)電容值C，它們所造成的低通濾波器效果很強，該濾波器在一定的距離內(nèi)會消耗去各個頻段上的信號。同時，由于同軸電纜中的中間導(dǎo)線受到了密閉的屏蔽，所以環(huán)繞該中間導(dǎo)線只能產(chǎn)生很弱的磁場。
電力線是不同的情況，其并不是從一個點簡單地引到另一個點處，而是呈現(xiàn)一種星形布置關(guān)系。電力線不具有恒定的L值和C值，因而相比于同軸電纜，電力線是弱的低通濾波器。同時，電力線也是未受屏蔽的，因而電力線的導(dǎo)線能環(huán)繞其電線產(chǎn)生比同軸電纜更強的磁場。另外，電力線的特征阻抗Z0隨時間、地點、以及相互連接的導(dǎo)線數(shù)而改變，且在該電力配電網(wǎng)中，在各個點處的阻抗數(shù)值也是不同的。相應(yīng)地，由數(shù)字信號產(chǎn)生的電/磁場沿電力線的傳播將不會消散，且這些信號能比在同軸電纜中傳播更長的距離。如果按照本發(fā)明所描述的設(shè)計通過與電力線進行匹配，則還能在不使信號強度出現(xiàn)大損耗的前提下使高頻信號跨過輸電變壓器，其中的變壓器從效果來看更像一個大的并聯(lián)電容。
本發(fā)明耦合器的重要性在于其還是電力線特征阻抗的匹配裝置。如同在258號中申請的情況，本發(fā)明的耦合器包括一個空心變壓器或介電變壓器以及一個耦合電容Ceq。變壓器原邊繞組的任何阻抗變化都不會太多地反應(yīng)到變壓器的副邊繞組上，反之也不會。因而，對電力線有影響的阻抗僅是與電容Ceq發(fā)生諧振的原邊繞組。這樣的串聯(lián)諧振將產(chǎn)生一個低阻抗，其值將接近于1歐姆。隨著頻率的增加，阻抗也將增加到約為100到200歐姆，這取決于哪個阻抗值能最好地與電力線特征阻抗相匹配，以及需要多大的帶寬。
例如，圖1中表示了耦合器對電力線的特征阻抗，如果在F1處電力線的阻抗為100歐姆，則如進行6dB匹配，耦合器阻抗范圍應(yīng)是在50歐姆(F4)到100歐姆(F3)之間，該范圍將覆蓋從F3到F4很寬的帶寬。與此相反，如果電力線的特征阻抗僅為10歐姆，則6dB匹配范圍將是從5到20歐姆，從而導(dǎo)致帶寬很窄。降低耦合器的阻抗能對低特征阻抗(例如為10歐姆)的電力線實現(xiàn)更大的匹配頻寬。
如在258號申請中所討論的那樣，本發(fā)明的耦合器的突出優(yōu)點在于實現(xiàn)了相位線性。在不同的頻率上，電力線的每幾英尺耦合都會有一定的局部阻抗。由于電力線是由多個電感性元件L和電容性元件C組成的，所以通過采用不帶有鐵氧體磁芯或鐵磁芯的電感部件(L)、以及電容部件(C)，可實現(xiàn)與電力線的最佳匹配。另外，在每條無終端接頭線路的端部都發(fā)生了反射。鐵氧體磁芯或鐵磁芯耦合器在所關(guān)心的通信帶寬附近還會產(chǎn)生自諧振。電力線中的自諧振和反射會造成不定的帶寬階陷。與此相反，本發(fā)明的空心耦合器或介質(zhì)心耦合器發(fā)生自諧振的頻率要比所關(guān)心的頻帶要高，且空心耦合器能與電力線的局部特征阻抗相匹配。因而，在所關(guān)心的頻帶上，反射不會造成頻帶階陷。
通過用本發(fā)明的耦合器來與電力線進行匹配，可實現(xiàn)6dB到10dB的帶寬均勻化。當(dāng)電力線特征阻抗在耦合器原邊阻抗一半到耦合器原邊阻抗兩倍之間時，就可以實現(xiàn)這樣的匹配。例如，對于18到30兆赫的頻帶，耦合器的原邊阻抗將在1到100歐姆的范圍中變化。假如電力線的阻抗在22MHz時為50歐姆、在20MHz時為10歐姆，在20MHz附近，我們將用25到100歐姆進行匹配，這將覆蓋約從21MHz到30MHz的頻率范圍。假如耦合器原邊阻抗在20MHz時約為20歐姆，則能實現(xiàn)從18MHz到22MHz的匹配。對于10dB匹配，總的匹配帶寬將是從18MHz到30MHz，且該帶寬中沒有任何階陷。
對于地下線路，電力線的阻抗通常為50到100歐姆，對于架空線則為100到500歐姆。但是，斷路開關(guān)和帶有很多饋電線的地下變電所會在它們所在位置處產(chǎn)生低達1歐姆的電力線特征阻抗。所述耦合器被設(shè)計能適應(yīng)電力線最常見的局部阻抗。例如，如果電力線的特征阻抗為80歐姆，則在任何地點都可以用本發(fā)明40到160歐姆的空心耦合器來實現(xiàn)6dB的匹配。電力線必須要局部分段地進行匹配是因為電力線的局部阻抗每隔幾英尺就會發(fā)生變化。由于120V電力線的特征阻抗是已知的—例如為80歐姆，因而對于任何地點，80歐姆都是一個很好的匹配值。
由于副邊阻抗不會受電力線特征阻抗變化的影響而發(fā)生顯著的改變，所以可在50歐姆左右實現(xiàn)與發(fā)送器和接收器的匹配。從而，變壓器的兩側(cè)都可以不管電力線阻抗如何變化來進行匹配。變壓器副邊與發(fā)送器或接收器進行匹配。變壓器原邊的阻抗變化不會反應(yīng)到副邊上來。因而，不論電力線的阻抗如何變化，在任何時候，都可以用45到50歐姆實現(xiàn)與發(fā)送器和接收器的匹配。
對于較高的頻率(例如在200MHz到500GHz之間)，空心或介質(zhì)心變壓器的結(jié)構(gòu)將與258號申請中的變壓器不同。該耦合器不再是兩個用磁線纏繞成的、具有不同直徑的同軸螺線管或空心線圈，而是一個很小的類似于芯片的元件，其中充滿了任何類型的塑料或非導(dǎo)電材料，例如為樹脂、膠質(zhì)材料、陶瓷或任何其它的硬質(zhì)非導(dǎo)電材料(稱為“芯片材料)。該耦合器最好包括兩片非常薄的導(dǎo)電板，導(dǎo)電板之間用芯片材料隔開。這些導(dǎo)電板最好是由銅材制成的，但也可以用銀、金或其它的導(dǎo)電材料制成，而不論其是活潑材料還是鈍態(tài)材料。這些導(dǎo)電板可以是任何形狀(例如為方形、矩形、圓形等)，但最好為環(huán)形。這種疊層空心變壓器的尺寸取決于工作頻率。例如，一個30GHz耦合器原邊的直徑將小于1毫米，層厚將約小于0.1毫米，其所產(chǎn)生的電感將為0.3納亨。類似地，矩形薄銅片的尺寸將約為兩毫米長、0.1毫米厚，且原邊和副邊電感將相互疊置，間距約為0.5毫米。因而，這樣的裝置看起來象是一個非常小的電容器。但是，本發(fā)明用端對端電感值來對電容器進行調(diào)諧，以實現(xiàn)與電力線特征阻抗的匹配。
作為變化的方案，通過進行金屬層沉積或利用摻雜硅，可直接在芯片中制出導(dǎo)電板。摻雜硅當(dāng)其處于激發(fā)態(tài)時是導(dǎo)電的，例如，一個直流電壓可使一個晶體管變?yōu)閷?dǎo)通的，而使其成為一個有源裝置。因而，當(dāng)用摻雜硅來制造導(dǎo)電板時，可采用某些有源裝置的形式—例如是晶體管或二極管。當(dāng)然，可以理解在不超出本發(fā)明設(shè)計思想或范圍的前提下，也可采用其它設(shè)計形式的空心或介質(zhì)心變壓器。例如，一段同軸電纜就可用作一個空心變壓器。該同軸電纜的屏蔽層作為變壓器的原邊，而內(nèi)部導(dǎo)線為變壓器的副邊。這種空心變壓器可被用在頻率超過500MHz的高頻通信中。類似，可用兩個銅管或鐵管(或者是鋁管或銅箔)相互套置在一起。外管或外箔作為空心變壓器的原邊，內(nèi)管或內(nèi)箔作為副邊，這種設(shè)計也能用在超過100MHz的應(yīng)用中。
此外，近來的開發(fā)工作是要制出固態(tài)變壓器，其采用與進行直流—直流變壓的開關(guān)式穩(wěn)壓器類似的技術(shù)，可將7.6kV的中壓交流電變壓成120V的交流電。這些固態(tài)變壓器中所采用的技術(shù)被稱為晶體管門驅(qū)動電路的門驅(qū)動控制，該技術(shù)是公知的，因而沒有必要在此作詳細敘述。這些變壓器是用所謂的“固態(tài)”技術(shù)設(shè)計的—也就是說它們主要依賴于諸如晶體管和集成電路等半導(dǎo)體器件，而不是像普通的變壓器那樣，是用重的銅線圈和鐵心實現(xiàn)的。這樣的固態(tài)變壓器也可用在本發(fā)明的耦合器中。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解還可以用其它更簡單的基成電路來形成本發(fā)明耦合器中所用的變壓器。目前采用有源晶體管的集成電路能模擬和/或形成一個空心變壓器，其工作狀態(tài)與通常的空心變壓器精確地相同，并具有所需的電感值和電容值。
盡管上述這些耦合器的結(jié)構(gòu)與258號申請中所公開的耦合器不同，但功能是相同的。本發(fā)明耦合器中的導(dǎo)電板(或者是管或箔)電感性或電容性地耦合起來而形成一個空心變壓器或介質(zhì)心變壓器。但變壓器原邊與副邊的耦合情況卻隨頻率而變化。在100MHz頻率以下，原邊和副邊通過磁耦合和電耦合(即電容性耦合和電感性耦合)的程度是相同的，而在高于100MHz的頻率上，則更多地是通過電感耦合(磁耦合)。在高達100GHz的頻率上，變壓器原邊和副邊主要是通過電感效應(yīng)耦合的。
如在258號申請中所詳細描述的那樣，258號申請中的通信設(shè)備具有多種功用。本發(fā)明的高頻耦合器由于能實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸率而延伸了該功能。例如，本發(fā)明可采用200MHz-50GHz級別上、沿電力線傳播的高頻載波。采用本發(fā)明的空心或介質(zhì)心耦合器技術(shù)，可實現(xiàn)沿電力線傳播的、速度至少為1吉比特/秒(Gbps)的通信。
下面參見附圖，其中用相同的數(shù)字標號指代所有附圖中相同或相對應(yīng)的部件，圖2中的框圖表示了根據(jù)本發(fā)明的電力線通信寬域網(wǎng)(WAN)。
一個以太網(wǎng)路由器12通過一個HUB(網(wǎng)絡(luò)集線器)或轉(zhuǎn)接器(圖中未示出)連接到主干網(wǎng)上，其中的主干網(wǎng)例如是因特網(wǎng)或是企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)，而其中的集線器或轉(zhuǎn)接器例如是Network Peripheral’s NuWave的3層線產(chǎn)品。路由器12還連接到一個電力線調(diào)制解調(diào)器14上，而調(diào)制解調(diào)器14再連接到一個中壓電力線耦合器16上，該耦合器將調(diào)制解調(diào)器14輸出的信號在變電站20處耦合到11KV的電力線18上。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解在其它的應(yīng)用中，路由器12也可連接到其它的裝置上，這并不背離本發(fā)明設(shè)計思想和范圍。其它應(yīng)用例如包括(1)具有另外多個服務(wù)器的以太寬域網(wǎng)，主干網(wǎng)通過這些服務(wù)器被接到其它的網(wǎng)絡(luò)上；(2)電話業(yè)務(wù)應(yīng)用，其中的主干網(wǎng)被連接到一個電話交換中心和一個分時多路復(fù)用器上，該多路復(fù)用器可在該電力線上建立多條電話線路；以及(3)電視應(yīng)用，在該應(yīng)用中，主干網(wǎng)被連接到一個TV廣播臺上，在該電力線上數(shù)字傳播幾個電視臺的節(jié)目。
以太網(wǎng)路由器12是一個標準的以太網(wǎng)路由器。電力線調(diào)制解調(diào)器14通過中壓電力線耦合器1 6將以太網(wǎng)信號調(diào)制和解調(diào)到11KV的電力線18上。該電力線調(diào)制解調(diào)器14的設(shè)計將在下文進行討論。中壓電力線耦合器16在尺寸上最好為0.5米高、0.2米粗，并布置在陶瓷絕緣體中，且用樹脂進行填塞。最好是用介質(zhì)心變壓器作為耦合器，其結(jié)構(gòu)如上述那樣可采用兩個小板件的形式，它們電容性地相互疊置起來，以適合于高頻工作。當(dāng)然，在本發(fā)明的設(shè)計思想或范圍內(nèi)，上述討論的其它類型高頻變壓器設(shè)計都可用在該中壓電力線耦合器16上。
所述高頻信號(最好是100Mbps的以太網(wǎng)信號)在電力線18上傳播，并借助磁波而跨過一個或多個配電變壓器22、24，從而傳到110V到220V的低壓電力線26上。信號經(jīng)低壓耦合器28而由一個或多個電力線調(diào)制解調(diào)器14拾波。低壓耦合器28和電力線調(diào)制解調(diào)器14最好是被布置進入住戶30方向上、電度表(圖中未示出)之前的低壓電力線26上。此處的電力線調(diào)制解調(diào)器14與連接到電力線18上的電力線調(diào)制解調(diào)器14是相同的。低壓耦合器28可按照258號申請中所描述的方案進行設(shè)計，且比中壓電力線耦合器16要小。低壓耦合器28采用上述的高頻空心或介質(zhì)心變壓器。
以太網(wǎng)轉(zhuǎn)接器(HUBs)32被連接到電力線調(diào)制解調(diào)器14上。以太網(wǎng)轉(zhuǎn)接器32利用本發(fā)明的電力線通信局域網(wǎng)(LAN)將電力線上載送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)配送到建筑物30中，其中的局域網(wǎng)將在下文進行描述。
電力線調(diào)制解調(diào)器14的發(fā)送和接收最好都是用1.35GHz的高頻。該載波頻率將能跨過配電變壓器22、24，從中壓電力線18(7到35千伏)傳遞到入戶30的低壓電力線26(110到240伏)上。采用該載波頻率，可發(fā)送100Mbps或10Mbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解也可以采用例如為2.7GHz到3.5GHz的載波頻率，且這樣也不超出本發(fā)明的設(shè)計思想或范圍。
在另一種備選實施方式中，可利用30GHz或更高頻率的載波來發(fā)送10Mbps、100Mbps或1Gbps的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。如果采用這一級別的載波頻率，則本發(fā)明的電力線寬域網(wǎng)(WAN)就能從變電站直接接入到住戶30中，而沒有必要在建筑物30之外的電度計處中繼。因而，電力線調(diào)制解調(diào)器14和低壓耦合器28就不需要布置在進入住戶30方向上、電度計(圖中未示出)之前的低壓電力線26上了。而是可將電力線調(diào)制解調(diào)器14和低壓耦合器28布置到住戶30內(nèi)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以理解盡管所描述的實施例是按照以太網(wǎng)協(xié)議來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的，但也可以采用其它的數(shù)據(jù)協(xié)議來實現(xiàn)本發(fā)明的電力線寬域網(wǎng)(WAN)，這也不超越本發(fā)明的設(shè)計思想和范圍。
下面參見圖3，圖中表示了一種目前推薦的電力線調(diào)制解調(diào)器14的構(gòu)造。以太網(wǎng)物理接口38將電力線調(diào)制解調(diào)器14連接到一個以太網(wǎng)卡、HUB或中繼器(圖中未示出)上，并具有任何合適的接線——包括一條雙絞線連接。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)(例如是曼徹斯特編碼的數(shù)據(jù))被從接口38輸送到CPU40，其例如是一個摩托羅拉公司的MPC855T芯片，該芯片將編碼后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送向并行總線接口42、或者是從該總線接口接收數(shù)據(jù)而轉(zhuǎn)換成編碼數(shù)據(jù)。存儲器44用來緩存并行總線接口42上的數(shù)據(jù)。
在并行總線接口42上連接一個現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)46，其最好是由Xilinx Virtex生產(chǎn)的XCV100-FG256型，由它對電力線調(diào)制解調(diào)器14進行控制，同時由它來對所要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)分別執(zhí)行調(diào)制操作和解調(diào)操作?？刹翆懘鎯ζ鱁PROM48中存儲著FPGA46和CPU40的程序指令。FPGA46控制著發(fā)送/接收開關(guān)36，開關(guān)36與耦合器34和電力線48相連，從電力線調(diào)制解調(diào)器14發(fā)出的數(shù)據(jù)在該電力線48上傳送。耦合器34與電力線48接口的結(jié)構(gòu)以及耦合器34的結(jié)構(gòu)在258號申請中都有詳細的描述。但如上文所提請注意的，必須要在耦合器34中采用本發(fā)明的高頻空心或介質(zhì)心變壓器。
設(shè)置了某些電路來將信號傳向FPGA46、或從FPGA46傳入數(shù)據(jù)。對于發(fā)送數(shù)據(jù)的情況，信號從FPGA46輸出，并經(jīng)過數(shù)字—模擬(D/A轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換器50。轉(zhuǎn)換完成后，通過混頻器58和本機振蕩器52形成所述的載波頻率。放大器56和濾波器54被用來將所形成的信號轉(zhuǎn)接到耦合器34。類似地，對于接收數(shù)據(jù)的情況，信號經(jīng)過濾波器54和放大器56，然后由混頻器58和本機振蕩器52進行轉(zhuǎn)換。自動增益控制(AGC)是由AGC電路62進行調(diào)控的，然后，該數(shù)據(jù)被模擬—數(shù)字(A/D轉(zhuǎn)換)轉(zhuǎn)換器60進行數(shù)字化，并將數(shù)字信號傳送向FPGA46。圖3中所示的電力線調(diào)制解調(diào)器是半雙工的，因而，用來進行發(fā)送和接收的載波頻率是相同的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到也可以不用另外的電路，而用FPGA來執(zhí)行由AGC和混頻器完成的上行/下行轉(zhuǎn)換。
FPGA46可被預(yù)編程成以任何所希望的調(diào)制制式工作，盡管最好是用FM(調(diào)頻)調(diào)制模式，但FPGA46也可編程設(shè)計成用FSK、QPSK、16QAM、CDMA、ADSL或其他任何類似的調(diào)制制式，且這些都不背離本發(fā)明的設(shè)計思想或范圍。同樣，可以理解FPGA46和CPU40的具體型號是可以改變的，這也不超出本發(fā)明的范圍。事實上，如258號申請中所討論的那樣，F(xiàn)PGA46可用任何類型的DSP處理器代替。
圖4表示了電力線調(diào)制解調(diào)器14的一種全雙工設(shè)計。除了在調(diào)制解調(diào)器14與電力線48之間的接口處存在差別之外，該調(diào)制解調(diào)器14的結(jié)構(gòu)與圖3中所示的半雙工調(diào)制解調(diào)器14幾乎完全相同。如圖4所示，該結(jié)構(gòu)去掉了發(fā)送/接收開關(guān)36，而是用一個工作在第一頻率F1上的耦合器34來進行發(fā)送，而用一個工作在第二頻率F2的第二耦合器31完成接收。例如，可同時用1.2GHz的頻率和1.6GHz的頻率來向電力線48發(fā)送信號和從電力線48接收信號。調(diào)制解調(diào)器14除了在結(jié)構(gòu)上存在差異之外，存儲在EPROM48中的FPGA46軟件程序也需要作出改動，以體現(xiàn)出在兩個頻段上全雙工工作的特性。
下面轉(zhuǎn)向圖5，圖中表示了根據(jù)本發(fā)明的電力線通信設(shè)備10的框圖，其用在電力線通信的局域網(wǎng)(LAN)中。圖中所示的通信設(shè)備10被連接到一對電力線48上。該通信設(shè)備10主要包括一個調(diào)制器64、一個解調(diào)器66、一個以太網(wǎng)接口68、一個耦合器34以及一個電源70。該通信設(shè)備10連接到一塊以太網(wǎng)卡、HUB或轉(zhuǎn)接器(圖中未示出)上，其能以全雙工模式向電力線48發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。
在工作中，在電力線48上連接一個第一通信設(shè)備10，將其指定為主設(shè)備，其以第一頻率F1發(fā)送信號，以第二頻率F2接收信號。在電力線48上還連接一個第二通信設(shè)備10，將其指定為從設(shè)備，其以第二頻率F2發(fā)送信號，以第一頻率F1接收信號。僅是為了舉例說明下文的裝置采用250MHz作為第一頻率F1，350MHz作為第二頻率F2，由此來實現(xiàn)電力線傳輸?shù)?0Mbps以太網(wǎng)信號。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解采用其它頻率也不背離本發(fā)明設(shè)計思想或范圍。例如，也可采用2.44GHz和5.8GHz的頻帶在電力線上以100Mbps的速率傳送以太網(wǎng)信號，其中的2.44GHz和5.8GHz頻帶被準許為自由通信波段。
在圖6中表示了主設(shè)備中的調(diào)制器64(其例如是用250MHz的頻率發(fā)送信號)的技術(shù)細節(jié)。該調(diào)制器64最好是一個調(diào)頻調(diào)制器，如圖所示，其包括一個振蕩器76、一個調(diào)頻器74以及有關(guān)的電容電感等。如圖中所示，該調(diào)制器64還包括一個射頻(RF)變壓器72以及相關(guān)的電路，用來與以太網(wǎng)接口68的連接單元接口(AUI)的端口進行互接。以太網(wǎng)輸入信號從變壓器輸送來，經(jīng)過振蕩器/調(diào)頻器電路74、76，然后再通過LC濾波電路，從而輸出調(diào)制后的信號。電容和電感的數(shù)值可在載波頻率的基礎(chǔ)上確定出，在當(dāng)前情況下，該主設(shè)備的載波頻率為250MHz。
圖7表示了從設(shè)備(其發(fā)射頻率例如為350MHz)的調(diào)制器64。除了LC濾波電路中的電容和電感的數(shù)值不同之外，該從調(diào)制器64與主調(diào)制器64完全相同。從調(diào)制器64中的電感和電容的數(shù)值是在350MHz載波頻率的基礎(chǔ)上確定的。
圖8中表示出了主設(shè)備(其例如是以350MHz的頻率接收信號)的解調(diào)器66的技術(shù)細節(jié)。如圖所示，F(xiàn)M調(diào)制輸入信號首先被送過兩級RF放大器78、以及兩放大器78之間的相關(guān)電路，這些電路包括Blinch濾波器，用來將噪音信號和其它載波頻率從輸入的已調(diào)制信號中隔離出去。Blinch濾波器中的LC值是在該通信設(shè)備10所用載波頻率的基礎(chǔ)上確定出的。然后，濾波后的調(diào)制信號通過RF變壓器80被耦合到FM檢波回路82中。該FM檢波回路82優(yōu)選為MC12155D芯片。FM檢波回路82的輸出信號然后經(jīng)過寬頻帶放大器84和濾波器86，從而由調(diào)制輸入信號產(chǎn)生了一個輸出信號，該信號即為恢復(fù)后的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。
圖9表示了從設(shè)備(其接收頻率例如為250MHz)的解調(diào)器。除了對調(diào)制輸入信號進行濾波的Blinch濾波器中的電感和電容的數(shù)值不同之外，該從解調(diào)器66與主解調(diào)器66完全相同。從解調(diào)器66中的電感和電容采用其它數(shù)值是因為需要從調(diào)制輸入信號中濾掉的載波的頻率不同。
由于使用了MC1315D型號的FM檢波回路，且載波頻率分別為250MHz和350MHz，所以上述解調(diào)器66的實施例只限于10Mbps速度的以太網(wǎng)。如果采用能在高于200MHz的頻帶上工作的FM檢波電路82，并采用高于1GHz的載波頻率，則能使解調(diào)器66的帶寬增加到100Mbps網(wǎng)速。
轉(zhuǎn)向圖10，圖中表示了主設(shè)備和從設(shè)備通用的以太網(wǎng)接口68。在該以太網(wǎng)接口68中置入了兩套備選接口。首先，通過接插件88設(shè)置了一個針對以太網(wǎng)HUB或轉(zhuǎn)接器的AUI接口。從接插件88引出的兩條線路直接通向調(diào)制器64，且解調(diào)器66的輸出通過RF變壓器92耦接到接插件88上。作為備選接口，通信設(shè)備10還可利用一個以太網(wǎng)雙絞線RJ-45接插件94連接到一個以太網(wǎng)HUB或轉(zhuǎn)接器上。如果使用了RJ-45接插件94，則如圖中所示那樣，通過集成電路96以及相關(guān)電路將RJ-45接插件94與接插件88的AUI端口相接，其中的集成電路96是一個10Base-T收發(fā)器或以太網(wǎng)雙絞線/AUI適配器，優(yōu)選為ML4658CQ型芯片。
參見圖11，圖中表示了用在主通信設(shè)備中的耦合器34。對于向電力線48發(fā)送信號的情形，調(diào)制器64的輸出首先經(jīng)過RF放大器96和低通濾波器98。然后信號被發(fā)送到根據(jù)本發(fā)明的一個高頻空心耦合器或介電耦合器中，其包括一個空心或介質(zhì)心變壓器100和耦合電容(Ceq)102。該變壓器100和耦合電容將信號耦合到電力線48上。低通濾波器98的LC值可在載波頻率的基礎(chǔ)上作出選擇。耦合電容(Ceq)102的電容值應(yīng)被選成可在電力線48和RF放大器96之間產(chǎn)生50歐姆的阻抗匹配。
對于從電力線48接收信號的情況，本發(fā)明中由空心或介質(zhì)心變壓器104以及耦合電容(Ceq)106組成的高頻空心或介質(zhì)心耦合器首先耦合從電力線48上輸送來的輸入信號。然后輸入信號被輸送過RF放大器108和Blinch濾波器110，從而向解調(diào)器66輸出信號。如同在發(fā)射側(cè)的情況，Blinch濾波器110的LC值也是在載波頻率的基礎(chǔ)上確定的。耦合電容(Ceq)106的容值被選擇成可在電力線48和RF放大器之間形成50歐姆的阻抗匹配。
圖12表示了從通信設(shè)備10的耦合器34。除了Blinch濾波器110、低通濾波器98中的電感、電容，以及耦合電容(Ceq)102、106的電容值不同之外，該從耦合器34與主耦合器34完全相同。從耦合器34中各電感和電容數(shù)值的不同是由于它從電力線48接收載波的頻率與向電力線48發(fā)送載波的頻率和主通信設(shè)備10的情況剛好相反。
最后參見圖13，圖中表示了用在通信設(shè)備10中的電源70。交流電從電力線48上引入，并經(jīng)過用來將電源變壓器114的阻抗與電力線48的阻抗隔絕的介電磁珠112。這樣作的目的是為了在電力線上形成一個更穩(wěn)定的帶寬，并產(chǎn)生更高的信號電平。通過電源變壓器114和整流器116產(chǎn)生直流電。利用調(diào)壓器118來輸出通信設(shè)備10所需的各個不同直流電壓。從圖13可看出，是采用兩套獨立的電源變壓器114、整流器116和調(diào)壓器118分別向通信設(shè)備10的發(fā)送側(cè)和接收側(cè)供電的。以此方式，就可以使250MHz和350MHz的載波頻率相互隔絕。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可意識到在不超出本發(fā)明的廣義范圍的前提下，可對上述的實施例進行改動。因而，可以理解本發(fā)明并不僅限于所公開的這種具體實施形式，其應(yīng)涵蓋在本發(fā)明設(shè)計思想和范圍內(nèi)的所有變型。尤其是盡管上文描述了對本發(fā)明新型耦合器應(yīng)用的具體示例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，這些耦合器也可以用在其它任何形式的電力線通信中，這并不背離本發(fā)明的設(shè)計思想和保護范圍。另外，本發(fā)明的耦合器技術(shù)可被用在任何線路的通信中，其中這些通信線路例如為電話線、同軸電纜線、雙絞線、任何銅線、卡車和客車上的電氣線束、以及直流/交流輸電線。類似地，盡管在優(yōu)選實施例中是用以太網(wǎng)協(xié)議作為通信協(xié)議進行討論的，但本發(fā)明的通信設(shè)備也可以用其它任何的通信協(xié)議。
權(quán)利要求
1.一種用于將電信號傳送到具有特征阻抗的一條或多條電氣線路的方法，包括生成一個調(diào)制載波信號，該載波信號的頻率是預(yù)先選定的，該頻率大于或等于200MHz；利用一個具有一定輸出阻抗的發(fā)送器發(fā)送調(diào)制載波信號發(fā)送；以及利用一個使發(fā)送器的輸出阻抗與電氣線路的特征阻抗相匹配的耦合器將調(diào)制載波信號無顯著相位畸變地傳送到電氣線路上；所述耦合器包括一個變壓器和一個耦合電容，變壓器具有無磁芯，所述變壓器將調(diào)制后的載波信號無顯著相位畸變地傳送到電氣線路上，而耦合電容與變壓器在所述預(yù)選頻率上發(fā)生諧振，所述變壓器包括一個第一導(dǎo)電板；一個第二導(dǎo)電板，其通過無磁芯與第一導(dǎo)電板分開布置；以及所述耦合電容連接在第一導(dǎo)電板和電氣線路之間，其中第一導(dǎo)電板和電容被設(shè)計成在一個預(yù)選頻帶上能與電氣線路的特征阻抗相匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述電氣線路是高壓電力線、中壓電力線、低壓電力線、同軸電纜、雙絞線和電話線線路中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述變壓器是一個空心變壓器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述變壓器是一個介質(zhì)心變壓器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的通信方法，其特征在于所述變壓器芯填塞有樹脂材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述變壓器是一個固態(tài)變壓器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述電信號是以太網(wǎng)信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的通信方法，其特征在于所述電信號是從10Mbps以太網(wǎng)信號、100Mbps以太網(wǎng)信號和1Gbps以太網(wǎng)信號中選定的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述的預(yù)選頻率大于或等于1GHz。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的通信方法，其特征在于所述電信號通過一個以太網(wǎng)集線器/轉(zhuǎn)接器連接到一個主干網(wǎng)上。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的通信方法，其特征在于其中的主干網(wǎng)是從因特網(wǎng)、以太寬域網(wǎng)(WAN)、以太網(wǎng)局域網(wǎng)(LAN)、電話或電信中心、以及電視廣播臺中選定的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述導(dǎo)電板為矩形。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于所述導(dǎo)電板為方形。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于第一導(dǎo)電板和第二導(dǎo)電板由芯片材料隔開。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于第一導(dǎo)電板和第二導(dǎo)電板的形狀為環(huán)形。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于第一導(dǎo)電板和第二導(dǎo)電板是通過在一個芯片上沉積金屬層而在芯片中直接制成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通信方法，其特征在于第一導(dǎo)電板和第二導(dǎo)電板是由摻雜硅制成的。
全文摘要
一種用于將電信號傳送到具有特征阻抗的一條或多條電氣線路的方法，包括生成一個調(diào)制載波信號，該載波信號的頻率是預(yù)先選定的，該頻率大于或等于200MHz；利用一個具有一定輸出阻抗的發(fā)送器發(fā)送調(diào)制載波信號發(fā)送；以及利用一個使發(fā)送器的輸出阻抗與電氣線路的特征阻抗相匹配的耦合器將調(diào)制載波信號無顯著相位畸變地傳送到電氣線路上。耦合器(16)具有與一個空心變壓器或介質(zhì)心變壓器串聯(lián)的電容性電路。該電容性電路與變壓器在一個預(yù)選頻率上發(fā)生諧振。在該預(yù)選頻率上，耦合器能消除噪音信號，并與電氣線路的阻抗相匹配。這就可將線路上的通信信息線性化，并能將高速數(shù)據(jù)和語音通信信號傳播很遠的距離。
文檔編號H04B3/54GK1567739SQ20041006922
公開日2005年1月19日 申請日期2001年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月23日
發(fā)明者查爾斯·亞伯拉罕 申請人:二十一電力線公司