復(fù)合耦合技術(shù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

　　電力線通信( 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，英國在電力線媒介開發(fā)方面取得了突破性進(jìn)展，用戶可通過電力線進(jìn)入Internet網(wǎng)，從簡單的數(shù)據(jù)傳輸提高到了網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。

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

　　但是，低壓電力線是一種通信環(huán)境非常惡劣的信道，許多問題有待進(jìn)一步研究。低壓電力線傳送著220 V/50 Hz 的電能，在低壓電力線上并接了許多不同阻抗的用電器。低壓電力線的這一固有特點(diǎn)，給低壓電力線通信帶來了很大的困難。因此，低壓電力線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(hào)不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾，同時(shí)，考慮到整個(gè)通信系統(tǒng)的安全，必須進(jìn)行強(qiáng)電隔離;(2) 低壓電力線上并接的所有用電器的“統(tǒng)計(jì)載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號(hào)加載效率。

　　上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術(shù)問題，以下從這兩方面介紹其設(shè)計(jì)原理和實(shí)現(xiàn)方法。

　　1 接口電路的模型

　　根據(jù)低壓電力線通信接口技術(shù)的要求:① 必須進(jìn)行強(qiáng)電隔離;② 確保較高的載波信號(hào)加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)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(shù)學(xué)模型:

式中，設(shè)i′ 、i″分別為i 的一、二階導(dǎo)數(shù)，則：

對(duì)于式(1)，通過不同的處理將得到不同的數(shù)學(xué)模型。對(duì)圖1 所示的雙RLC 耦合回路進(jìn)行去耦處理，得到2 個(gè)獨(dú)立的RLC 串聯(lián)回路。對(duì)式(1)求導(dǎo)，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(shù)i1( t) 和i2( t)的二階導(dǎo)數(shù)，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(shù):i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解條件直接由電路的初始儲(chǔ)能情況給出。當(dāng)無初始儲(chǔ)能時(shí)，為齊次初始條件，即：

設(shè)所有電路元件都是非時(shí)變性元件，則所對(duì)應(yīng)的常系數(shù)線性一階常微分方程組可轉(zhuǎn)化成線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解。

　　通過對(duì)上述接口電路數(shù)學(xué)模型的分析、化簡可知，基于“復(fù)合耦合技術(shù)”的接口電路模型，電路的主要參數(shù)是可以通過線性代數(shù)方程組進(jìn)行求解，接口電路的原理清晰，計(jì)算復(fù)雜度較小，符合低壓電力線載波通信要求，是簡潔、可行的。

　　2 ST 7538 電力線接口電路的設(shè)計(jì)

　　2. 1 ST 7538 調(diào)制解調(diào)芯片

　　ST 7538 載波芯片是一款為家庭和工業(yè)領(lǐng)域電力線網(wǎng)絡(luò)通信而設(shè)計(jì)的半雙工、同步/異步FSK 調(diào)制解調(diào)器芯片。ST 7538 內(nèi)部集成了發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的所有功能，通過串行通信，可以方便地與微處理器相連接，且只要通過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(qiáng)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(yuǎn)程抄表、燈光控制、智能家電等領(lǐng)域已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)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(nèi)部集成電力線驅(qū)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(dá)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。