本發(fā)明涉及的是一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊，屬于電能信息采集領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電能是生產(chǎn)、生活中不可或缺的能源。市電網(wǎng)絡(luò)的終端數(shù)以億計(jì)。電力線通信技術(shù)可直接利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，無須重新布網(wǎng)，成本低廉，信息傳輸安全有充分的保障。近年來，寬帶電力線載波通信(BPLC：BroadbandPowerLineCarrier)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，尤其大量應(yīng)用于智能電網(wǎng)抄表系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、智能家居和工業(yè)數(shù)據(jù)采集等場景。

目前市場上智能電表的抄表大部分使用電力線載波技術(shù)，這種技術(shù)是利用現(xiàn)有的電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通信技術(shù)。電力線上固有噪聲和介質(zhì)衰減是影響數(shù)據(jù)傳輸是主要因素，要想在電力線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速可靠傳輸，必須解決低壓配電網(wǎng)上的噪聲干擾、阻抗匹配困難、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電磁兼容以及線路阻抗和容性負(fù)載等主要因素對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽拵лd波使用OFDM技術(shù)，將寬帶載頻劃分為多個子載波，且子載波間使用正交的方式進(jìn)行調(diào)制和頻譜劃分，這樣可有效減少噪聲干擾實(shí)現(xiàn)電力線的可靠通信。目前電力線通信市場大多使用多載波頻分復(fù)用技術(shù)來生產(chǎn)電力線載波設(shè)備，但是通信速率比較低，現(xiàn)場抄表成功率也不高，不能很好地支持智能電表和集中控制器的數(shù)據(jù)傳輸工作。

寬帶電力線通信在利用電力線實(shí)現(xiàn)信息通信時(shí)存在許多問題，而OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing：正交頻分復(fù)用)技術(shù)由于具有數(shù)據(jù)傳輸速率高，抗多徑干擾和窄帶干擾強(qiáng)，頻譜利用率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力線通信中。OFDM系統(tǒng)可利用多用戶分集和信道衰落特性，根據(jù)信道增益自適應(yīng)地進(jìn)行資源分配，可明顯地提高系統(tǒng)吞吐量等性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊，其目的是將OFDM技術(shù)應(yīng)用于智能電表模塊的數(shù)據(jù)傳輸，使得電力線通信的數(shù)據(jù)高速可靠，并且具有多種數(shù)據(jù)通信接口的寬帶數(shù)據(jù)透傳模塊。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊，包括：

調(diào)制解調(diào)器、以太網(wǎng)單元、發(fā)送單元、接收單元、濾波耦合器、電力線、通信單元，其中：

所述調(diào)制解調(diào)器的信號端與所述通信單元中包含的所述以太網(wǎng)單元的信號端對應(yīng)連接，用于從通信單元接收與發(fā)送數(shù)據(jù)；

所述調(diào)制解調(diào)器的信號輸出端與所述發(fā)送單元的信號輸入連接，所述調(diào)制解調(diào)器的信號輸入端與所述接收單元的信號輸出端連接，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；

所述發(fā)送單元的信號輸出端與所述濾波耦合器的信號輸入端連接，所述濾波耦合器的信號輸出端與所述接收單元的信號輸入端連接，所述濾波耦合器的信號端與電力線中連接的低壓集中抄表模塊強(qiáng)電接口的信號端對應(yīng)連接。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種發(fā)送側(cè)實(shí)施的嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊，包括：

所述調(diào)制解調(diào)器將接收到的所述通信單元傳輸?shù)耐ㄐ艛?shù)據(jù)調(diào)制為多路高頻信號后傳輸給所述發(fā)送單元，所述發(fā)送元接收到傳輸?shù)男盘柡髮ζ溥M(jìn)行放大，通過所述耦合濾波器將放大后的數(shù)據(jù)耦合到電力線之上；

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種接收側(cè)實(shí)施的智能電表模塊的數(shù)據(jù)通信方法，包括：

所述耦合濾波器在接收到加載在電力線上的其他寬帶數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送的高頻載波信號，通過所述耦合濾波器輸入到所述接收單元，所述接收單元接收到通過所述濾波耦合器過濾的信號后發(fā)送給所述調(diào)制解調(diào)器，所述調(diào)制解調(diào)器將收到的高頻信號解調(diào)為真實(shí)數(shù)據(jù)后輸入所述通信單元。

本發(fā)明的有益效果包括：

1)將OFDM的技術(shù)應(yīng)用于智能電表模塊的數(shù)據(jù)通信模塊，能夠有效提高抗多徑效應(yīng)的能力，獲得可靠的信號傳輸，即使在固有電網(wǎng)受到嚴(yán)重干擾的情況下，也可提保證寬帶傳輸效率，從而使得數(shù)據(jù)高速可靠通信；

2)電力線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸速度快、效率高，可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成大量的數(shù)據(jù)傳輸，可以大大降低電力線上突發(fā)噪聲的影響，有效提高信號斷點(diǎn)重傳的能力，確保數(shù)據(jù)可靠；

3)通過所述以太網(wǎng)單元擴(kuò)展了以太網(wǎng)通訊方式，使得寬帶電力線傳輸模塊串口通訊與以太網(wǎng)通訊自適應(yīng)。

本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)和獲得。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本發(fā)明的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中，智能電表模塊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中，OFDM收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中，智能電表模塊發(fā)送側(cè)實(shí)施的嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊流程示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中，智能電表模塊接收側(cè)實(shí)施的嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊流程示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使電力線通信的數(shù)據(jù)更加高速可靠，并且具有多種數(shù)據(jù)通信接口的寬帶數(shù)據(jù)透傳模塊，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊。

OFDM技術(shù)指的是將所給信道分成許多正交子信道，在每個子信道上使用獨(dú)立的正交子載波進(jìn)行調(diào)制，各個子載波并行傳輸。這樣，盡管總的信道是非平坦的，但每個子信道是相對平坦的，并且每個子信道上傳輸?shù)氖钦瓗盘?，信號帶寬小于信道的相?yīng)帶寬，可以大大消除信號波間的干擾。又由于各個子信道的載波間相互正交，于是它們的頻譜是相互重疊，這樣既減小了子載波間干擾的同時(shí)又提高了頻譜利用率。OFDM技術(shù)抗信道頻率選擇性衰落較好，是抗信道多徑的有效方法。

基于此，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊的實(shí)施原理是：其結(jié)構(gòu)包括調(diào)制解調(diào)器，以太網(wǎng)單元、發(fā)送單元、接收單元、濾波耦合器，其中調(diào)制解調(diào)器的信號端與以太網(wǎng)單元的信號端對應(yīng)連接，調(diào)制解調(diào)器的信號輸出端與發(fā)送單元的信號輸入端連接，調(diào)制解調(diào)器的信號輸入端與接收單元的信號輸出端連接，發(fā)送單元的信號輸出端與濾波耦合器的信號輸入端連接，濾波耦合器的信號輸出端與接收單元的信號輸入端連接，濾波耦合器的信號端與集中控制器強(qiáng)電接口的信號端對應(yīng)相連。調(diào)制解調(diào)器將接收到的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和/或解調(diào)后傳輸給所述發(fā)送單元和/或所述接收單元，所述濾波耦合器對系統(tǒng)通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并將過濾后的數(shù)據(jù)傳輸接入電力線。上述嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊采用OFDM技術(shù)進(jìn)行通信，具有很多傳統(tǒng)通信無可比擬的先天優(yōu)勢，例如：能夠有效提高抗多徑效應(yīng)的能力、獲得可靠的信號傳輸，同時(shí)，電力線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸速度快、效率高，可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成大量的數(shù)據(jù)傳輸，可以大大降低電力線上突發(fā)噪聲的影響，有效提高信號斷點(diǎn)重傳的能力，確保數(shù)據(jù)可靠。

以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行說明，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明，并且在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。

如圖1所示，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的智能電表模塊數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)與方法的結(jié)構(gòu)示意圖，可以包括：

通信接口1、以太網(wǎng)單元2、調(diào)制解調(diào)器3、發(fā)送單元4、濾波耦合器5、電力線6、接收單元7，其中：

所述調(diào)制解調(diào)器3的信號端與所述以太網(wǎng)單元2的信號端對應(yīng)連接，用于從通信單元接收與發(fā)送數(shù)據(jù)；

所述調(diào)制解調(diào)器3的信號輸出端與所述發(fā)送單元4的信號輸入端連接，所述調(diào)制解調(diào)器3的信號輸入端與所述接收單元7的信號輸出端連接，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸；

所述發(fā)送單元4的信號輸出端與所述濾波耦合器5的信號輸入端連接，所述濾波耦合器5的信號輸出端與所述接收單元7的信號輸入端連接，所述濾波耦合器5的信號端與電力線6中連接的低壓集中抄表模塊強(qiáng)電接口的信號端對應(yīng)連接。

具體實(shí)施時(shí)，所述調(diào)制解調(diào)器3和所述濾波耦合器5分別與所述發(fā)送單元4、接收單元7連接，所述調(diào)制解調(diào)器3將接收到的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制和/或解調(diào)后傳輸給所述發(fā)送單元4和/或所述接收單元7，所述濾波耦合器5對系統(tǒng)通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并將過濾后的數(shù)據(jù)傳輸接入電力線。

所述的調(diào)制解調(diào)器3的輸入輸出串口與集中控制器的輸入輸出串口相連，所述調(diào)制解調(diào)器3的RMII接口與所述以太網(wǎng)單元2相連；

優(yōu)選地，所述以太網(wǎng)單元2使用KSZ8041以太網(wǎng)收發(fā)芯片，其中：

所述以太網(wǎng)單元2物理層與集中控制器1的弱電通信端口連接，網(wǎng)絡(luò)層RMII接口與所述調(diào)制解調(diào)器3連接，

至此，即可實(shí)現(xiàn)所述調(diào)制解調(diào)器3和所述以太網(wǎng)單元2實(shí)現(xiàn)所述通信接口1、以太網(wǎng)RMII接口與所述發(fā)送單元4、接收單元7之間的信號轉(zhuǎn)換。

具體地，所述調(diào)制解調(diào)器頻譜寬度為2M-12MHZ，采用基于OFDM的DMT調(diào)制方式，不同于傳統(tǒng)的OFDM調(diào)制方式，使用自適應(yīng)載波算法瞬時(shí)計(jì)算所有子通道的信噪比，根據(jù)其結(jié)果動態(tài)的進(jìn)行阻抗匹配，同時(shí)預(yù)測下一瞬間的信噪分布并且自行學(xué)習(xí)電網(wǎng)干擾概算，有效規(guī)避干擾，提高傳輸信號的質(zhì)量，并從根本上降低了寬帶載波芯片的功耗。

優(yōu)選的，所述濾波耦合器5主要包括信號變壓器、高通濾波器、保護(hù)電路和電力線耦合接口，其中：

電力線耦合接口接收到信號后依次通過保護(hù)電路、高通濾波器、信號變壓器，保護(hù)電路過濾外部過壓信號，高通濾波器對電力線50Hz信號的阻隔并使寬帶載波信號可以雙向傳輸，所述發(fā)送單元4與所述接收單元7與信號變壓器相連進(jìn)行信號的收發(fā)。

如圖2所示，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的OFDM收發(fā)信機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖，主要顯示利用OFDM進(jìn)行通信的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳輸方式，由圖2可知：

智能電表載波模塊在接收到數(shù)據(jù)后，通過所述調(diào)制解調(diào)器3進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，將調(diào)制后的串行數(shù)據(jù)先經(jīng)過串/并信號轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的多路分離，然后再通過IFFT完成相應(yīng)的調(diào)制，經(jīng)過并/串信號轉(zhuǎn)換后，加入系統(tǒng)信號循環(huán)前綴，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換，上變頻至高頻區(qū)將信號發(fā)射至信道，完成信號的發(fā)送調(diào)制過程；

信號的接收則進(jìn)行相反的過程，信道發(fā)出來的信號先經(jīng)過下變頻，通過濾波耦合器5過濾相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，將留下的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換后的信號移除信號的保護(hù)間隔，再通過串/并信號轉(zhuǎn)換、FFT解調(diào)、并/串信號轉(zhuǎn)換后傳輸至調(diào)制解調(diào)器3，進(jìn)行數(shù)字解調(diào)，最終還原得到信宿序列，完成信號的接收解調(diào)過程；

至此，信號的發(fā)送與接收進(jìn)行完成了循環(huán)。

由于所述調(diào)制解調(diào)器3具有串行通信接口和所述以太網(wǎng)單元2RMII接口，可以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)字通信連接，兩者在接口和功能上相互獨(dú)立，可根據(jù)需要單獨(dú)或同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)了集中控制器和寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊之間的通信自適應(yīng)，集中控制器既可以與數(shù)據(jù)傳輸模塊之間通過串口進(jìn)行通訊，也可以通過所述以太網(wǎng)單元2進(jìn)行通訊。

如圖3所示，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的智能電表模塊發(fā)送側(cè)實(shí)施的嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊流程示意圖，可以包括：

S31、所述通信接口1將數(shù)據(jù)發(fā)送至所述調(diào)制解調(diào)器3；

S32、所述調(diào)制解調(diào)器3將接收到的數(shù)據(jù)調(diào)制到多路高頻子載波信號上；

S33、所述發(fā)送單元4接收到調(diào)制后的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行放大；

S34、放大后的數(shù)據(jù)通過所述耦合器5耦合至所述電力線6；

發(fā)送信號時(shí)，所述調(diào)制解調(diào)器3將通信數(shù)據(jù)調(diào)制到多路高頻子載波信號上，并利用所述發(fā)送單元4進(jìn)行放大，通過所述濾波耦合器5耦合到所述電力線6上進(jìn)行通信。

優(yōu)選地，所述發(fā)送單元4的主要性能指標(biāo)包括電力傳輸線特性線性阻抗Rz＝100Ω，輸出功率Po＝14.5dBm，信號峰平比為5.33。

優(yōu)選地，所述發(fā)送單元主要包括線路驅(qū)動放大電路及其外圍電路，使用TI公司的THS6214線路驅(qū)動放大器，最大功率電平為+14.5dBm。差分信號從兩個運(yùn)放的同相端輸入，環(huán)路增益由電阻R2、R3和R8的比值確定。由于THS6214使用電流反饋工作方式，電路的實(shí)際增益與計(jì)算所得有一定誤差，而且反饋電阻會直接影響到整個電路的精確程度。需要使用一個變壓器減小等效負(fù)載阻抗來降低對線驅(qū)動器輸出電壓的要求。這里變壓器的初級與次級的匝數(shù)比為1∶2，因此反映到初級一邊的等效負(fù)載阻抗為25Ω。串聯(lián)于放大器輸出端的兩個電阻R5、R9提供與初級的等效負(fù)載阻抗的匹配：R5＝R9＝12.5Ω。

如圖4所示，其為本發(fā)明實(shí)施例提供的智能電表模塊發(fā)送側(cè)實(shí)施的嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊流程示意圖，可以包括：

S41、所述耦合濾波器5接收加載在所述電力線6上的高頻載波信號；

S42、將高頻載波信號通過所述接收單元7發(fā)送至所述調(diào)制解調(diào)器3；

S43、所述調(diào)制解調(diào)器3將接收到的高頻信號調(diào)解為真實(shí)數(shù)據(jù)；

S44、調(diào)節(jié)后的真實(shí)數(shù)據(jù)傳輸至所述通信接口1；

接收信號時(shí)，將已加載在所述電力線6上的高頻載波信號，通過所述耦合濾波器5接收并輸入到所述接收單元7，再進(jìn)入所述調(diào)制解調(diào)器3，將多路高頻信號解調(diào)為真實(shí)數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述接收單元7主要包括帶通濾波器和限幅電路，帶通濾波器濾除干擾信號，限幅電路過濾外部過壓信號，防止外部干擾對調(diào)制解調(diào)器造成影響，其中：

所述接收單元7通過帶通濾波器濾除干擾信號，帶通濾波器由五階段濾波器組成，截止頻率為12MHZ，通頻帶為10MHZ，阻抗為50Ω，紋波為0.2dB。根據(jù)查表計(jì)算的L1＝1065.9nH，C1＝165.0pF，L2＝413.3nH，C2＝425.6pF，L3＝1723.7nF，C3＝102.1pF，L4＝413.3nH，C4＝425.6pF，L5＝1065.9nF，C5＝165.0pF。

一種嵌入于智能電表的寬帶電力線數(shù)據(jù)透傳模塊，將OFDM技術(shù)運(yùn)用于通信中，通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行寬帶數(shù)字化調(diào)制解調(diào)，可以在電力線上高速傳輸數(shù)字信號，對信號進(jìn)行采集和處理；通過電力線耦合單元實(shí)現(xiàn)保護(hù)和濾波的功能，其電力線接口可以支持直播，采用電容耦合方式；通過串行通信接口和所述以太網(wǎng)RMII接口，支持多種外部連接方式。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對這些實(shí)施例做出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。