電力線載波通信PLCT（Power Line Carrier Transceivers）利用現(xiàn)有電網(wǎng)的電力線作為傳輸信道，以載波方式進(jìn)行數(shù)據(jù)／語(yǔ)音通信。它利用現(xiàn)有的電力線路，無(wú)需另外架設(shè)通信線路，也不占用通訊頻率資源，故成本相對(duì)較低。

利用10kV以上高壓電力線載波通信（載波電話(huà)）已經(jīng)在電力部門(mén)內(nèi)部的語(yǔ)音通訊上獲得廣泛應(yīng)用，對(duì)高壓電力線進(jìn)行高頻信號(hào)傳輸?shù)难芯恳呀?jīng)非常深入和成熟。但是，在220/380V低壓電力線進(jìn)行信號(hào)傳輸，與高壓電力線載波通信有較大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗和信號(hào)衰減時(shí)變性強(qiáng)、干擾大等特點(diǎn)。近幾年來(lái)，由于新型載波通信芯片的推出以及先進(jìn)通信方式的采用，國(guó)內(nèi)外已把低壓電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表系統(tǒng)、防火報(bào)警系統(tǒng)、智能化家電控制系統(tǒng)等中低速的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。但是絕大部分低壓電力線路是作為數(shù)字信息的通信媒介。本文介紹利用電力線modem芯片LM1893、采用低壓電力線作為通信媒介的語(yǔ)音、音樂(lè)信號(hào)傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)工作原理及電路設(shè)計(jì)

1.1 工作原理及組成

系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由一個(gè)發(fā)送機(jī)、220V電力線傳輸通道和若干并接在電力線上的接收機(jī)組成。在發(fā)送機(jī)端，音頻信號(hào)經(jīng)電力線modem調(diào)制為100kHz以上的高頻調(diào)制信號(hào)，通過(guò)電力線接口電路送入220V交流電力線。在接收機(jī)端，電力線上各種頻率信號(hào)通過(guò)隔離耦合電路進(jìn)入接收機(jī)，選頻放大電路僅選出發(fā)送機(jī)送來(lái)的高頻信號(hào)，濾掉其他頻率的信號(hào)。過(guò)濾后的高頻信號(hào)再由電力線modem解調(diào)出原始的音頻信號(hào)，最后由音頻功放對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大并推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。

載波頻率根據(jù)電力線的頻率特性，一般選擇在40kHz~600kHz。本系統(tǒng)中載波頻率為125kHz，采用頻率調(diào)制（FSK）。

1.2 音頻信號(hào)的調(diào)制解調(diào)

圖2給出了發(fā)送機(jī)和接收機(jī)的音頻調(diào)制解調(diào)原理圖。

本系統(tǒng)電力線modem采用集成電路LM1893。LM1893/2893是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司出品的電力線載波通信芯片，可用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及語(yǔ)音在電力線上的傳輸。LM1893采用FSK調(diào)制方式，內(nèi)置自動(dòng)電平控制（ALC）電路，內(nèi)置可選擇的脈沖噪聲濾波器，輸出功率極易提升10倍，載頻范圍50kHz~300kHz可任意選定，接收靈敏度達(dá)2mV，可驅(qū)動(dòng)任何常規(guī)電力線。

如圖2，在LM1893的收發(fā)控制器（5腳）輸入高電平時(shí)，LM1893處于發(fā)送狀態(tài)。音頻信號(hào)經(jīng)調(diào)制器（MOD）調(diào)制后變成受控電流信號(hào)，送入電流控制振蕩器（ICO），形成頻率受電流控制的三角波，再經(jīng)正弦波形成電路（SINE SHAPER）形成正弦波，通過(guò)自動(dòng)電平控制（ALC）電路和輸出功率放大器（OUTPUT AMP）后輸出幅度穩(wěn)定的頻率受調(diào)于輸入信號(hào)的正弦波信號(hào)，在10腳送入電力線接口。

當(dāng)LM1893的收發(fā)控制器（5腳）輸入低電平時(shí)，LM1893處于接收狀態(tài)，由電力線接口電路送來(lái)的高頻信號(hào)經(jīng)限幅器（LIMITER）限幅后，送入解調(diào)電路（鑒頻器［PHASE DET］和鎖相環(huán)［PLL］）；解調(diào)后經(jīng)阻容低通濾波器進(jìn)行環(huán)路濾波，饋入電平偏移抵消電路（OFFSET CANCEL）濾除直流分量，經(jīng)比較器（COMP）判別后得到數(shù)字信號(hào)，通過(guò)脈沖噪聲濾波器（IMPULSE NOISE FILTER）濾除脈沖尖峰干擾后輸出。但是在接收通道中，鑒相器以后的電路只能通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)，而本系統(tǒng)中接收的是音頻信號(hào)，因此直接在鑒相器后（3、4腳）取出解調(diào)信號(hào)。

發(fā)送/接收的載波頻率由外接的振蕩電容C0確定，可變電阻R0對(duì)載波頻率F0進(jìn)行微調(diào)。增大/減小C0或R0的取值，即可實(shí)現(xiàn)載波頻率的增高或減低。C0的取值由下式確定

C0=70.6×10-6/F0 （１）

1.3 電力線接口

電力線接口（PLI）是電力線載波系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。PLI由保護(hù)電路、選頻耦合電路、隔離變壓器等組成，目的是把LM1893同電力線隔離，在電力線上加載或析取信號(hào)。發(fā)送機(jī)的PLI和接收機(jī)的PLI相同，其電路如圖3所示。

保護(hù)電路使用電阻和二極管組成的限幅電路，避免系統(tǒng)受瞬時(shí)過(guò)電壓的干擾。這里的瞬時(shí)過(guò)電壓包括電力線上感應(yīng)的強(qiáng)雷電脈沖、電力線上傳來(lái)的用電器造成的強(qiáng)尖峰干擾以及本設(shè)備諧振回路產(chǎn)生的峰值電壓等。增大電阻限幅效果更好，但是信號(hào)被衰減更多，一般取4.7Ω。二極管可采用快速大功率齊納管。

選頻耦合電路是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它直接影響通訊的質(zhì)量。圖3中變壓器T不但實(shí)現(xiàn)了與電力線的隔離，同時(shí)T的初級(jí)線圈和電容C0構(gòu)成一個(gè)諧振回路，諧振頻率為載波頻率。為了最大限度地將信號(hào)耦合到電力線上，必須做到阻抗匹配，這就要求變壓器T選擇合適的變比。因此變壓器T的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。設(shè)T的初級(jí)自感為L(zhǎng)0，總損耗電阻為R0，匝數(shù)比為N，次級(jí)負(fù)載（電力線）阻抗為Z，反射阻抗為Zr，諧振回路中心頻率為F0，帶寬為BW，回路的品質(zhì)因素為Q，則有：

L0＝R0//Z/2πF0Q=BWR0//（N2Z）/ 2πF0（符號(hào)“／／”表示并聯(lián)）（2）

C0=1/（2πF0）2L0 （3）

這里，N一般為Z的函數(shù)，當(dāng)阻抗匹配時(shí)，可按下式計(jì)算N：

Ｎ＝R0/Z （４）

耦合變壓器采用優(yōu)質(zhì)高頻鐵氧體材料為磁心的高頻變壓器。高頻鐵氧體材料為磁心的新一代電源轉(zhuǎn)換功率器件具有效率高、體積小、穩(wěn)壓范圍寬、電隔離性能好等特點(diǎn)。 電容CC實(shí)現(xiàn)耦合變壓器次級(jí)至電力線的工頻隔離，它讓高頻載波信號(hào)得以通過(guò)，同時(shí)過(guò)濾掉電力線上50/50Hz的工頻信號(hào)。

1.4 音頻放大/靜躁

解調(diào)時(shí)，音頻信號(hào)由LM1893的3腳和4腳輸出的。同時(shí)輸出的還有2F0的頻率成分和噪聲信號(hào)，可以通過(guò)一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)把這些噪聲信號(hào)過(guò)濾掉。經(jīng)過(guò)濾波網(wǎng)絡(luò)出來(lái)的音頻信號(hào)十分微弱，音頻放大器LM358對(duì)其進(jìn)行前置放大，然后送功率放大器放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。如圖4所示。

為了使電路在沒(méi)有載波時(shí)實(shí)現(xiàn)靜噪功能，系統(tǒng)利用開(kāi)路電壓比較器LM339來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有載波時(shí)，載波輸出檢測(cè)電路的輸出端輸出低電平，比較器的兩端為高電平，對(duì)音頻信號(hào)的衰減很少，能夠通過(guò)放大器。在沒(méi)有載波信號(hào)時(shí)，載波檢測(cè)電路的輸出端輸出高電平，電平高于比較器正向輸入端的1.6V，比較器輸出低電平，把放大器的正反向輸入端的信號(hào)都屏蔽掉，實(shí)現(xiàn)靜噪功能。

為了獲取圖4中的載波檢測(cè)信號(hào)，需要對(duì)信道進(jìn)行載波檢測(cè)。鑒音器LM567（鎖相環(huán)電路）具有識(shí)別載頻功能，頻帶達(dá)0~500kHz，用作載波檢測(cè)很合適，只需幾個(gè)阻容元件配合該電路芯片即可決定中心頻率和帶寬。載波檢測(cè)電路如圖5，信道無(wú)載波時(shí)輸出端為高電平。

2 主要問(wèn)題及對(duì)策

由于低壓電力線上惡劣的通信環(huán)境，且LM1893為非專(zhuān)用為模擬音頻信號(hào)的傳輸，因此在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中碰到了一些問(wèn)題，下面做簡(jiǎn)單的總結(jié)。

（1）音頻輸入信號(hào)幅值不可過(guò)高，一定要限制在±1V，否則會(huì)造成載波信號(hào)的失真而影響甚至不能通信。

（2）載波信號(hào)的傳輸距離。在無(wú)法對(duì)通信環(huán)境進(jìn)行改善的情況下，提高載波信號(hào)的功率對(duì)延長(zhǎng)傳輸距離具有很好的效果。具體實(shí)現(xiàn)可在LM1893的載波輸出端增加一級(jí)放大。

（3）載波頻率的選擇。對(duì)于電力線通信，載波頻率越高，衰減越高，載波頻率越低，衰減越小。但是載頻太低，電力線上的干擾噪聲信號(hào)更多更強(qiáng)。在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)選用不同的載波頻率，在不同的距離上傳輸音頻信號(hào)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇最佳的載頻。

（4）在電力線上存在各種各樣的干擾，主要包括電源線中的高頻干擾、感性負(fù)載產(chǎn)生的瞬變?cè)肼暋?a target="_blank">晶閘管通斷時(shí)產(chǎn)生的干擾、電網(wǎng)電壓的短時(shí)下降干擾和拉閘過(guò)程形成的高頻干擾。對(duì)于以上各種問(wèn)題，解決的方法主要是屏蔽、濾波、接地，在線路板上布線時(shí)應(yīng)注意減小分布電容和分布電感。

（5）異相傳輸需要在相線間并接耐壓電容以提供信號(hào)通路。由于不便跨接相間耦合電容，本實(shí)驗(yàn)是在同相線路上進(jìn)行的，沒(méi)做跨相實(shí)驗(yàn)。

利用電力線載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)的傳輸系統(tǒng)，能夠避免繁重的布線工作，具有造價(jià)低、線路牢固可靠、安裝方便等特點(diǎn)。本文介紹的音頻傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)改造可以應(yīng)用于公共廣播和樓宇傳呼等方面。