CN1623318A - 在多种线路上使用多个经调制的载波频率的高频网络多路复用通信 - Google Patents

在多种线路上使用多个经调制的载波频率的高频网络多路复用通信 Download PDF

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Abstract

一种用于高频多路复用电气线路通信的设备，通过高压和低压电气线路及直接通过变压器用于有线电视、电话、因特网、安全信息和其它控制应用。在该设备中，沿电气线路(18)的两个或多个地点中的任一地点处都具有一个发送器、一个接收器、一个调制解调器(14)、一个多路通信器以及多个耦合器(28)。该耦合器具有与一个空芯变压器或介质芯变压器串联的电容性电路。该电容性电路与变压器在一个预选频率上发生谐振。在该预选频率上，耦合器(28)能消除噪音信号，并与电气线路的阻抗相匹配。这就可将线路上的通信信息线性化，并能将高速数据和语音通信信号传播很远的距离。多个调制器和多个解调器用以产生多个经调制的频率。

Description

在多种线路上使用多个经调制的载波频率的高频网络多路复用通信
参考的相关申请
本申请是申请日为2002年2月1日申请号为10/061,798的美国专利申请的部分延续(continuation-in-part)，该申请是申请日为2000年5月23日申请号为09/576,981美国专利申请，即现在的美国专利第6,396,392的部分延续。
技术领域
本发明总体上涉及改进的电力系统通信设备，更具体来讲，涉及这样的设备：它们能通过电力线和输电变压器，包括交流、直流、同轴电缆以及双绞线，在很长的距离上同时高速发送和接收多个多路复用数码数据信号。
背景技术
在电力系统通信领域中，“电力线载波”是公知的。电力线载波的主要元件是发送终端和接收终端，它们包括一个或多个线路陷波器、一个或多个耦合电容器、以及调谐和耦合设备。在1983年出版的由John Wiley和Sons所著的《(电气及计算机基础工程手册》第二册“通信控制装置和系统”部分的第617到627页中可找到关于普通电力线载波技术原理和典型组成的详细描述，上述的文献也结合到本文中作为参考。与现有电力线载波技术相关的一个突出问题是：它们需要一个或多个线路陷波器、一个或多个电容器、一个或多个耦合变压器或载波频率混合电路、以及频率接线电缆。
所有的传统型耦合器都包括一个铁氧体磁芯变压器或铁芯变压器，由于发送耦合器和接收耦合器间传递函数的特性是非线性的，所以该耦合变压器会造成信号失真。该信号失真是由于具有磁滞现象的磁芯材料造成的。对于配电电力线载波，由于信号的传播必须要经过至少三个这样的非线性装置—即配电变压器和两个电力线耦合器，所以失真尤为严重，其中的电力线耦合器采用了铁氧体磁芯变压器。由这些非线性装置造成的失真会导致包络迟延畸变，这将限制通信速度的提高。
现有设计中这种主要缺陷是由于在信号耦合器中采用了铁氧体磁芯或铁芯变压器。由于磁芯是非线性的，主绕组的感抗L1会变为未知数值。这就会导致对预期载波频率的失谐。同时，在预期载波频率时，主绕组的阻抗也不再能与电力线特征阻抗相匹配。考虑到这样的事实，现有其它设计试图仅采用大耦合电容器(接近于0.5微法)、以低输入阻抗的收发器将信号耦合到电力线上。但这会导致在载波频率时的耦合损耗高达20dB。
美国专利第6,407,987(发明人Abraham)中公开了一种新颖的既用于发送、也用于接收的相移线性耦合器，其可用在电力线、电话线、双绞线以及同轴电缆上。该相移线性耦合器首创地采用了空芯或介质芯变压器，其可用在电话线路通信、同轴电缆通信、局域网通信、以及经过输电变压器的电力线通信中。该相移线性耦合器还包括一个附联的耦合电容器网，目的是为实现约为线路特征阻抗已知最低值的阻性匹配，并最大可能地稳定在线路上传输的信号。这样的谐振实际上形成一个在载波频率上的带通滤波器。美国专利第6,407,987整体结合到本文中作为参考。
美国专利第6,407,987中的设计解决了现有设计中的许多问题，现有设计采用的是铁氧体或铁磁耦合器，而这样的耦合器会与电力线特征阻抗发生谐振，导致电力线等各种线路上所传输的通信出现频率阶陷、缩洼(suck out)和非线性媒介。但美国专利第6,407,987中的相移线性耦合器不会使通信带宽出现阶陷，从而可在很宽的频率范围内实现线性通信。
但目前仍存在这样的需求：需要有一种电力线通信系统，其能利用更高的频率(例如为200兆赫到500吉赫)同时发送和接收多个数码数据信号，由此能以大带宽通过电力线和输电变压器，包括交流、直流、同轴电缆和双绞线，在很长的距离上同时高速通信。
发明内容
简言之，在一个第一实施例中，本发明体现为一种通信设备，该设备用来通过一条或多条具有特征阻抗的电气线路传送电信号。该通信设备包括：
一个调制器，该调制器对所述电信号进行调制，而生成一个调制后的载波信号，该载波信号的频率是预先选定的，其大于或等于200MHz；
一个与调制器电路连接的发送器，其具有一输出阻抗，该发送器将已调制载波信号发送出去；以及
一个连接在电路和发送器之间的耦合器，该耦合器使发送装置的输出阻抗与线路的特征阻抗相匹配，并将调制后的载波信号无显著相位畸变地传送到线路上。
在第二实施例中，本发明是一种通信设备，该设备用来在一条或多条具有特征阻抗的电气线路上传送电信号，该设备包括；
一个调制器，该调制器对所述电信号进行调制，而生成一个调制后的载波信号，该载波信号的频率为第一预选定频率，该频率大于或等于200MHz；
一个与调制器电路连接的发送器，其具有一输出阻抗，该发送器将调制载波信号发送出去；
一个接在所述电路和发送器之间的第一耦合器，该耦合器使发送装置的输出阻抗与线路的特征阻抗相匹配，并将调制后的载波信号无显著相位畸变地传送到线路上；
一个具有一定输入阻抗的接收器，该接收器接收调制载波信号；
一个与接收器相连的解调器，所述解调器通过对调制载波信号进行解调而产生一个解调后的载波信号，解调载波信号的频率为第二预选定频率，该频率大于或等于200兆赫；以及
一个第二耦合器，其连接在所述电路和接收器之间，用来使接收器的输入阻抗与电路的特征阻抗相匹配，并无显著相位畸变地将调制载波信号传送到接收器。
在第三实施例中，本发明体现为一种通信设备，其用来经一条或多条具有特征阻抗的电气线路传送电信号，该设备包括：
一个第一调制解调器，其产生一个具有第一预选频率的第一调制载波信号，并对具有第二预选频率的第二调制载波信号进行解调，其中的第一预选频率和第二预选频率都大于或等于200MHz；
一个具有一定输出阻抗的第一发送器，所述发送器与第一调制解调器连接，并发送第一调制载波信号；
一个具有一定输入阻抗的第一接收器，所述接收器与第一调制解调器连接，用来接收所述的第二调制载波信号；
一个连接在电气线路与第一发送器、第一接收器之间的第一耦合器，该第一耦合器使第一发送器的输出阻抗、第一接收器的输入阻抗与电路的特征阻抗相匹配，并无显著相位畸变地传送第一和第二调制载波信号；
一个第二调制解调器，其产生所述的第二调制载波信号，并对第一调制载波信号进行解调；
一个具有一定输出阻抗的第二发送器，该发送器与所述的第二调制解调器连接，用来发送第二调制载波信号；
一个具有一定输入阻抗的第二接收器，该第二接收器与第二调制解调器连接，用来接收第一调制载波信号；以及
一个连接在电路和第二发送器、第二接收器之间的第二耦合器，该第二耦合器使第二发送器的输出阻抗、第二接收器的输入阻抗与电路的特征阻抗相匹配，并无显著相位畸变地传送第一和第二调制载波信号。
附图说明
如结合附图进行阅读，就能更好地理解上文的概述以及下文对本发明优选实施例的详细描述。为了对本发明进行示例的目的，附图中表示了几种目前认为是优选的实施方式。但应当指出的是：本发明并不限于图中所示的确切的布置和实施措施。在附图中，相同的数字标号用来指代所有相同的元件。在附图中：
图1中是本发明耦合器电力线对特征阻抗的曲线图；
图2中示意性的框图表示了本发明的电力线通信宽域网；
图3的示意图表示了本发明的半双工电力线调制解调器；
图4的示意图表示了本发明的全双工电力线调制解调器；
图5的示意框图表示了本发明的电力线通信设备；
图6是用在图5的电力线通信设备中的一个调制器的示意框图，其工作在一个第一频率上；
图7是用在图5的电力线通信设备中的一个调制器的示意框图，其工作在一个第二频率上；
图8的示意图表示了用在图5的电力线通信设备中的、工作在一个第一频率上的解调器；
图9的示意图表示了用在图5的电力线通信设备中的一个解调器，其工作在一个第二频率上；
图10的示意图表示了一个用在图5的电力线通信设备中的一个以太网接口；
图11是一个耦合器的示意图，该耦合器用在图5的电力线通信设备中，以第一组频率工作；
图12是一个耦合器的示意图，该耦合器用在图5的电力线通信设备中，以第二组频率工作；以及
图13的示意图表示了一个电源，该电源用在图5的电力线通信设备中。
具体实施方式
本发明的技术方案是对美国专利第6,407,987中的相移线性耦合器所作的改进。人们已经发现：在空芯耦合器或介质芯耦合器条件下用较高的频率(1G到500GHz)能产生更好的工作效果，这是因为该频率具有更大的带宽，并能传播更远的距离。频率较高的信号将环绕任何类型的导线产生一个磁场，该磁场将像磁波一样沿电力线的表面传播，并跨过变压器。因而，该高频信号的传播可实现长距离、大带宽。
在类似于同轴电缆的受控环境中，频率为1GHz或更高的高频率信号将只能传播很短的一段距离就消失了。这是因为同轴电缆具有很大的恒定串联电感值L和并联电容值C，它们所造成的低通滤波器效果很强，该滤波器在一定的距离内会除去各个频段上的信号。同时，由于同轴电缆中的中间导线受到了密闭的屏蔽，所以环绕该中间导线只能产生很弱的磁场。
电力线是不同的情况，其并不是从一个点简单地引到另一个点处，而是呈现一种星形布置关系。电力线不具有恒定的L值和C值，因而相比于同轴电缆，电力线是弱的低通滤波器。同时，电力线也是未受屏蔽的，因而电力线的导线能环绕其电线产生比同轴电缆更强的磁场。另外，电力线的特征阻抗Z0随时间、地点、以及相互连接的导线数而改变，且在该电力配电网中，在各个点处的阻抗数值也是不同的。相应地，由数字信号产生的电/磁场沿电力线的传播将不会消散，且这些信号能比在同轴电缆中传播更长的距离。如果按照本发明所描述的设计：通过与电力线进行匹配，则还能在不使信号强度出现大损耗的前提下使高频信号跨过输电变压器，其中的变压器从效果来看更像一个大的并联电容器。
本发明耦合器的重要性在于其还是电力线特征阻抗的匹配装置。如同在美国专利第6,407,987的情况，本发明的耦合器包括一个空芯变压器或介电变压器以及一个耦合电容器Ceq。变压器主绕组的任何阻抗变化都不会太多地反应到变压器的副绕组上，反之也不会。因而，对电力线有影响的阻抗仅是与电容器Ceq发生谐振的原边绕组。这样的串联谐振将产生一个低阻抗，其值将接近于1欧姆。随着频率的增加，阻抗也将增加到约为100到200欧姆，这取决于哪个阻抗值能最好地与电力线特征阻抗相匹配，以及需要多大的带宽。
例如，图1中表示了耦合器对电力线的特征阻抗，如果在F1处电力线的阻抗为100欧姆，则如进行6dB匹配，耦合器阻抗范围应是在40欧姆到50欧姆(F4)到100欧姆(F3)之间，该范围将覆盖从F3到F4很宽的带宽。与此相反，如果电力线的特征阻抗仅为10欧姆，则6dB匹配范围将是从5到20欧姆，从而导致带宽很窄。降低耦合器的阻抗能对低特征阻抗(例如为10欧姆)的电力线实现更大的匹配频宽。
如在美国专利第6,396,392中所讨论的那样，本发明的耦合器的突出优点在于实现了相位线性。在不同的频率上，电力线的每几英尺耦合都会有一定的局部阻抗。由于电力线是由多个电感性元件L和电容性元件C组成的，所以通过采用不带有铁氧体磁芯或铁磁芯的电感部件(L)、以及电容部件(C)，可实现与电力线的最佳匹配。另外，在每条无终端接头线路的端部都发生了反射。铁氧体磁芯或铁磁芯耦合器在所关芯的通信带宽附近还会产生自谐振。电力线中的自谐振和反射会造成不定的带宽阶陷。与此相反，本发明的空芯耦合器或介质芯耦合器发生自谐振的频率要比所关芯的频带要高，且空芯耦合器能与电力线的局部特征阻抗相匹配。因而，在所关心的频带上，反射不会造成频带阶陷。
通过用本发明的耦合器来与电力线进行匹配，可实现6dB到10dB的带宽均匀化。当电力线特征阻抗在耦合器原边阻抗一半到耦合器原边阻抗两倍之间时，就可以实现这样的匹配。例如，对于18到30兆赫的频带，耦合器的原边阻抗将在1到100欧姆的范围中变化。假如电力线的阻抗在22MHz时为50欧姆、在20MHz时为10欧姆，在20MHz附近，我们将用25到100欧姆进行匹配，这将覆盖约从21MHz到30MHz的频率范围。假如耦合器原边阻抗在20MHz时约为20欧姆，则能实现从18MHz到22MHz的匹配。对于10dB匹配，总的匹配带宽将是从18MHz到30MHz，且该带宽中没有任何阶陷。
对于地下线路，电力线的阻抗通常为50到100欧姆，对于架空线则为100到500欧姆。但是，断路开关和带有很多馈电线的地下变电所会在它们所在位置处产生低达1欧姆的电力线特征阻抗。所述耦合器被设计能适应电力线最常见的局部阻抗。例如，如果电力线的特征阻抗为80欧姆，则在任何地点都可以用本发明40到160欧姆的空芯耦合器来实现6dB的匹配。电力线必须要局部分段地进行匹配是因为电力线的局部阻抗每隔几英尺就会发生变化。由于120V电力线的特征阻抗是已知的—例如为80欧姆，因而对于任何地点，80欧姆都是一个很好的匹配值。
由于副边阻抗不会受电力线特征阻抗变化的影响而发生显著的改变，所以可在50欧姆左右实现与发送器和接收器的匹配。从而，变压器的两侧都可以不管电力线阻抗如何变化来进行匹配。变压器副边与发送器或接收器进行匹配。变压器原边的阻抗变化不会反应到副边上来。因而，不论电力线的阻抗如何变化，在任何时候，都可以用45到50欧姆实现与发送器和接收器的匹配。
对于较高的频率(例如在200MHz到500GHz之间)，空芯或介质芯变压器的结构将与美国专利第6,396,392中的变压器不同。该耦合器不再是两个用磁线缠绕成的、具有不同直径的同轴螺线管或空芯线圈，而是一个很小的类似于芯片的元件，其中充满了任何类型的塑料或非导电材料，例如为树脂、胶质材料、陶瓷或任何其它的硬质非导电材料(称为“芯片材料)。该耦合器最好包括两片非常薄的导电板，导电板之间用芯片材料隔开。这些导电板最好是由铜材制成的，但也可以用银、金或其它的导电材料制成，而不论其是活泼材料还是钝态材料。这些导电板可以是任何形状(例如为方形、矩形、圆形等)，但最好为环形。这种叠层空芯变压器的尺寸取决于工作频率。例如，一个30GHz耦合器原边的直径将小于1毫米，层厚将约小于0.1毫米，其所产生的电感将为0.3纳亨。类似地，矩形薄铜片的尺寸将约为两毫米长、0.1毫米厚，且原边和副边电感将相互叠置，间距约为0.5毫米。因而，这样的装置看起来象是一个非常小的电容器。但是，本发明用端对端电感值来对电容器进行调谐，以实现与电力线特征阻抗的匹配。
作为变化的方案，通过进行金属层沉积或利用掺杂硅，可直接在芯片中制出导电板。掺杂硅当其处于激发态时是导电的，例如，一个直流电压可使一个晶体管变为导通的，而使其成为一个有源装置。因而，当用掺杂硅来制造导电板时，可采用某些有源装置的形式—例如是晶体管或二极管。当然，可以理解：在不超出本发明设计思想或范围的前提下，也可采用其它设计形式的空芯或介质芯变压器。例如，一段同轴电缆就可用作一个空芯变压器。该同轴电缆的屏蔽层作为变压器的原边，而内部导线为变压器的副边。这种空芯变压器可被用在频率超过500MHz的高频通信中。类似，可用两个铜管或铁管(或者是铝箔或铜箔)相互套置在一起。外管或外箔作为空芯变压器的原边，内管或内箔作为副边，这种设计也能用在超过100MHz的应用中。
此外，近来的开发工作是要制出固态变压器，其采用与进行直流—直流变压的开关式稳压器类似的技术，可将7.6kV的中压交流电变压成120V的交流电。这些固态变压器中所采用的技术被称为晶体管门驱动电路的门驱动控制，该技术是公知的，因而没有必要在此作详细叙述。这些变压器是用所谓的“固态”技术设计的—也就是说：它们主要依赖于诸如晶体管和集成电路等半导体器件，而不是像普通的变压器那样，是用重的铜线圈和铁芯实现的。这样的固态变压器也可用在本发明的耦合器中。本领域普通技术人员可以理解：还可以用其它更简单的基成电路来形成本发明耦合器中所用的变压器。目前采用有源晶体管的集成电路能模拟和/或形成一个空芯变压器，其工作状态与通常的空芯变压器精确地相同，并具有所需的电感值和电容值。
尽管上述这些耦合器的结构与美国专利第6,396,392中所公开的耦合器不同，但功能是相同的。本发明耦合器中的导电板(或者是管或箔)电感性或电容性地耦合起来而形成一个空芯变压器或介质芯变压器。但变压器原边与副边的耦合情况却随频率而变化。在100MHz频率以下，原边和副边通过磁耦合和电耦合(即电容性耦合和电感性耦合)的程度是相同的，而在高于100MHz的频率上，则更多地是通过电感耦合(磁耦合)。在高达100GHz的频率上，变压器原边和副边主要是通过电感效应耦合的。
如在美国专利第6,396,392中所详细描述的那样，美国专利第6,396,392中的通信设备具有多种功用。本发明的高频耦合器由于能实现更高的数据传输率而延伸了该功能。例如，本发明可采用200MHz-50GHz级别上、沿电力线传播的高频载波。采用本发明的空芯或介质芯耦合器技术，可实现沿电力线传播的、速度高达至少为1吉比特/秒(Gbps)的通信。
下面参见附图，其中用相同的数字标号指代所有附图中相同或相对应的部件，图2中的框图表示了根据本发明的电力线通信宽域网(WAN)。
一个以太网路由器12通过一个HUB(网络集线器)或转接器(图中未示出)连接到主干网上，其中的主干网例如是因特网或是企业内部网，而其中的集线器或转接器例如是Network Peripheral’s NuWave的3层线产品。路由器12还连接到一个电力线调制解调器14上，而调制解调器14再连接到一个中压电力线耦合器16上，该耦合器将调制解调器14输出的信号在变电站20处耦合到11KV的电力线18上。
本领域技术人员可以理解：在其它的应用中，路由器12也可连接到其它的装置上，这并不背离本发明设计思想和范围。其它应用例如包括(1)具有另外多个服务器的以太宽域网，主干网通过这些服务器被接到其它的网络上；(2)电话业务应用，其中的主干网被连接到一个电话交换中心和一个分时多路复用器上，该多路复用器可在该电力线上建立多条电话线路；以及(3)电视应用，在该应用中，主干网被连接到一个TV广播台上，在该电力线上数字传播几个电视台的节目。
以太网路由器12是一个标准的以太网路由器。电力线调制解调器14通过中压电力线耦合器16将以太网信号调制和解调到11KV的电力线18上。该电力线调制解调器14的设计将在下文进行讨论。中压电力线耦合器16在尺寸上最好为0.5米高、直径为0.2米，并布置在陶瓷绝缘体中，且用树脂进行填塞。最好是用介质芯变压器作为耦合器，其结构如上述那样：可采用两个小板件的形式，它们电容性地相互叠置起来，以适合于高频工作。当然，在本发明的设计思想或范围内，上述讨论的其它类型高频变压器设计都可用在该中压电力线耦合器16上。
所述高频信号(最好是100Mbps的以太网信号)在电力线18上传播，并借助磁波而跨过一个或多个配电变压器22、24，从而传到110V到220V的低压电力线26上。信号经低压耦合器28而由一个或多个电力线调制解调器14检波。低压耦合器28和电力线调制解调器14最好是被布置进入建筑物30方向上、电度表(图中未示出)之前的低压电力线26上。此处的电力线调制解调器14与连接到电力线18上的电力线调制解调器14是相同的。低压耦合器28可按照美国专利第6,396,392中所描述的方案进行设计，且比中压电力线耦合器16要小。低压耦合器28采用上述的高频空芯或介质芯变压器。
以太网转接器(HUBs)32被连接到电力线调制解调器14上。以太网转接器32利用本发明的电力线通信局域网(LAN)将电力线上载送的以太网数据配送到建筑物30中，其中的局域网将在下文进行描述。
电力线调制解调器14的发送和接收最好都是用1.35GHz的高频。该载波频率将能跨过配电变压器22、24，从中压电力线18(7到35千伏)传送到建筑物30的低压电力线26(110到240伏)上。采用该载波频率，可发送100Mbps或10Mbps的以太网数据。本领域技术人员可以理解：也可以采用例如为2.7GHz到3.5GHz的载波频率，且这样也不超出本发明的设计思想或范围。因此，该系统可以使用通过大于100Mbps的配电变压器以载波频率200Mbps或以上的通信载波频率信号。
在另一种备选实施方式中，可利用30GHz或更高频率的载波来发送10Mbps、100Mbps或1Gbps的以太网数据。如果采用这一级别的载波频率，则本发明的电力线宽域网(WAN)就能从变电站直接接入到建筑物30中，而没有必要在建筑物30之外的电度计处中继。因而，电力线调制解调器14和低压耦合器28就不需要布置在进入建筑物30方向上、电度计(图中未示出)之前的低压电力线26上了。而是可将电力线调制解调器14和低压耦合器28布置到建筑物30内。
本领域技术人员还可以理解：尽管所描述的实施例是按照以太网协议来发送和接收数据的，但也可以采用其它的数据协议来实现本发明的电力线宽域网(WAN)，这也不超越本发明的设计思想和范围。
下面参见图3，图中表示了一种目前推荐的电力线调制解调器14的构造。以太网物理接口38将电力线调制解调器14连接到一个以太网卡、HUB或中继器(图中未示出)上，并具有任何合适的接线——包括一条双绞线连接。以太网数据(例如是曼彻斯特编码的数据)被从接口38输送到CPU40，其例如是一个摩托罗拉公司的MPC855T芯片，该芯片将编码后的数据转换后送向并行总线接口42、或者是从该总线接口接收数据而转换成编码数据。存储器44用来缓存并行总线接口42上的数据。
在并行总线接口42上连接一个现场可编程门阵列(FPGA)46，其最好是Altera Stratics 25型或由Xilinx Virtex生产的XCV100-FG256型，由它对电力线调制解调器14进行控制，同时由它来对所要发送的数据和接收到的数据分别执行多个调制操作和解调操作。可擦写存储器EPROM48中存储着FPGA46和CPU40的程序指令。FPGA46控制着发送/接收开关36，开关36与耦合器34和电力线48相连，从电力线调制解调器14发出的数据在该电力线48上传送。耦合器34与电力线48接口的结构以及耦合器34的结构在美国专利第6,396,392中都有详细的描述。但如上文所提的，必须要在耦合器34中采用本发明的高频空芯或介质芯变压器。
设置了某些电路来将信号传向FPGA46、或从FPGA46传入信号。对于发送数据的情况，信号从FPGA46输出，并经过模数(A/D转换)转换器50。转换完成后，通过混频器58和本机振荡器52形成所述的载波频率。放大器56和滤波器54被用来将所形成的信号转接到耦合器34。类似地，对于接收数据的情况，信号经过滤波器54和放大器56，然后由混频器58和本机振荡器52进行转换。自动增益控制(AGC)是由AGC电路62进行调控的，然后，该数据被模数(A/D转换)转换器60进行数字化，并将数字信号传送向FPGA46。图3中所示的电力线调制解调器是半双工的，因而，用来进行发送和接收的载波频率是相同的。本领域技术人员可意识到：也可以不用另外的电路，而用FPGA来执行由AGC和混频器完成的上行/下行转换。
滤波器54可以是SAW或LC硬件滤波器，也可以是快速傅立叶转换(FFT)滤波器，该FFT滤波器可以以程序形式装入FPGA46。带通滤波器(BPF)可以是SAW滤波器，也可以是低通滤波器(LPF)54。
FPGA46可被预编程成以任何所希望的调制制式工作。FPGA46可编程设计成用FM(调频)、FSK、QPSK、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、CDMA、ADSL、FDM、正交频分复用(OFDM)或其他任何类似的调制制式，且这些都不背离本发明的设计思想或范围。例如，使用带宽为30MHz的单个载波频率用以传送时白噪音较高，替代方案是，使用1000或更多个载波频率的OFDM，这些频率在每30KHz上的间隔相同。这样，30KHz带宽上的白噪音将比30KHz处白噪音小几乎20-30dB。FFT用于将每30KHz调制载波频率通道分离，可以以程序形式装入一个DSP或FPGA。然后，每个成功解调的载波频率可以相乘在一起以增加实际的总输出率。OFDM的优点是，由于低噪音信号可以传送更长距离。在受到某一特定频率RF干扰的情况下，仅有一些OFDM通道不能成功解调，而其它OFDM通道仍可以工作。
进一步讲，通过确定一个载波频率的信噪比，可以使用自适应的高级调制算法和编码。例如，QPSK调制技术需要10dB信噪比而128QAM调制技术需要35dB。如果解调器有35dB信噪比，它可以通知调制起使用128QAM技术，这样可以增加实际速度4倍。另一方面，如果信噪比小于10dB时，需要使用QPSK调制技术，自适应编码可以重复相同的信息多次，然后信噪比的叠加可以实现10dB的信噪比和正确的接收。当然在这种情况下，重复几次实际速度将降低几倍。
同样，可以理解：FPGA46和CPU40的具体型号是可以改变的，这也不超出本发明的范围。事实上，如美国专利第6,396,392中所讨论的那样，FPGA46可用任何类型的DSP处理器代替。
可以使用多个经调制的载波频率代替单个经调制的载波频率。这可以通过下述方式实现，增加多个结合在可编程FPGA46上的调制器和解调器，同时使用FFT滤波器以据此产生频分双工(FDM)的或正交频分复用(OFDM)的系统。这可以通过对FPGA设备46编程实现。如上所述，设备46具有多路调制和多路解调功能。对设备46编程使之响应多个调制器是直截了当的。这样作的优点是：对几个调制信号的每一个在较窄的带宽噪音低，且FMD或OFMD的使用可以进一步增加通过电力线的传送速度和传送距离。
图4表示了电力线调制解调器14的一种全双工设计。除了在调制解调器14与电力线48之间的接口处存在差别之外，该调制解调器14的结构与图3中所示的半双工调制解调器14几乎完全相同。如图4所示，该结构去掉了发送/接收开关36，而是用一个工作在第一频率F1上的耦合器34来进行发送，而用一个工作在第二频率F2的第二耦合器34完成接收。例如，可同时用1.2GHz的频率和1.6GHz的频率来向电力线48发送信号和从电力线48接收信号。调制解调器14除了在结构上存在差异之外，存储在EPROM48中的FPGA46软件程序也需要作出改动，以体现出在两个频段上全双工工作的特性。
下面转向图5，图中表示了根据本发明的电力线通信设备10的框图，其用在电力线通信的局域网(LAN)中。图中所示的通信设备10被连接到一对电力线48上。该通信设备10主要包括一个调制器64、一个解调器66、一个以太网接口68、一个耦合器34以及一个电源70。该通信设备10连接到一块以太网卡、HUB或转接器(图中未示出)上，其能以全双工模式向电力线48发送以太网数据。
在工作中，在电力线48上连接一个第一通信设备10，将其指定为主设备，其以第一频率F1发送信号，以第二频率F2接收信号。在电力线48上还连接一个第二通信设备10，将其指定为从设备，其以第二频率F2发送信号，以第一频率F1接收信号。仅是为了举例说明：下文的装置采用250MHz作为第一频率F1，350MHz作为第二频率F2，由此来实现电力线传输的10Mbps以太网信号。当然，本领域技术人员可理解：采用其它频率也不背离本发明设计思想或范围。例如，也可采用2.44GHz和5.8GHz的频带在电力线上以100Mbps的速率传送以太网信号，其中的2.44GHz和5.8GHz频带被准许为自由通信波段。
在图6中表示了主设备中的调制器64(其例如是用250MHz的频率发送信号)的技术细节。该调制器64最好是一个调频调制器，如图所示，其包括一个振荡器76、一个调频器74以及有关的电容电感等。如图中所示，该调制器64还包括一个射频(RF)变压器72以及相关的电路，用来与以太网接口68的连接单元接口(AUI)的端口进行互接。以太网输入信号从变压器输送来，经过振荡器/调频器电路74、76，然后再通过LC滤波电路，从而输出调制后的信号。电容和电感的数值可在载波频率的基础上确定出，在当前情况下，该主设备的载波频率为250MHz。
图7表示了从设备(其发射频率例如为350MHz)的调制器64。除了LC滤波电路中的电容和电感的数值不同之外，该从调制器64与主调制器64完全相同。从调制器64中的电感和电容的数值是在350MHz载波频率的基础上确定的。
图8中表示出了主设备(其例如是以350MHz的频率接收信号)的解调器66的技术细节。如图所示，FM调制输入信号首先被送过两级RF放大器78、以及两放大器78之间的相关电路，这些电路包括Blinch滤波器，用来将噪音信号和其它载波频率从输入的已调制信号中隔离出去。Blinch滤波器中的LC值是在该通信设备10所用载波频率的基础上确定出的。然后，滤波后的调制信号通过RF变压器80被耦合到FM检波回路82中。该FM检波回路82优选为MC12155D芯片。FM检波回路82的输出信号然后经过宽频带放大器84和滤波器86，从而由调制输入信号产生了一个输出信号，该信号即为恢复后的以太网数据。
图9表示了从设备(其接收频率例如为250MHz)的解调器。除了对调制输入信号进行滤波的Blinch滤波器中的电感和电容的数值不同之外，该从解调器66与主解调器66完全相同。从解调器66中的电感和电容采用其它数值是因为：需要从调制输入信号中滤掉的载波的频率不同。
由于使用了MC1315D型号的FM检波回路，且载波频率分别为250MHz和350MHz，所以上述解调器66的实施例只限于10Mbps速度的以太网。如果采用能在高于200MHz的频带上工作的FM检波电路82，并采用高于1GHz的载波频率，则能使解调器66的带宽增加到100Mbps网速。
转向图10，图中表示了主设备和从设备通用的以太网接口68。在该以太网接口68中置入了两套备选接口。首先，通过接插件88设置了一个针对以太网HUB或转接器的AUI接口。从接插件88引出的两条线路直接通向调制器64，且解调器66的输出通过RF变压器92耦接到接插件88上。作为备选接口，通信设备10还可利用一个以太网双绞线RJ-45接插件94连接到一个以太网HUB或转接器上。如果使用了RJ-45接插件94，则如图中所示那样，通过集成电路96以及相关电路将RJ-45接插件94与接插件88的AUI端口相接，其中的集成电路96是一个10Base-T收发器或以太网双绞线/AUI适配器，优选为ML4658CQ型芯片。
参见图11，图中表示了用在主通信设备中的耦合器34。对于向电力线48发送信号的情形，调制器64的输出首先经过RF放大器96和低通滤波器98。然后信号被发送到根据本发明的一个高频空芯耦合器或介电耦合器中，其包括一个空芯或介质芯变压器100和耦合电容器(Ceq)102。该变压器100和耦合电容器将信号耦合到电力线48上。低通滤波器98的LC值可在载波频率的基础上作出选择。耦合电容器(Ceq)102的电容值应被选成：可在电力线48和RF放大器96之间产生50欧姆的阻抗匹配。
对于从电力线48接收信号的情况，本发明中由空芯或介质芯变压器104以及耦合电容器(Ceq)106组成的高频空芯或介质芯耦合器首先耦合从电力线48上输送来的输入信号。然后输入信号被输送过RF放大器108和Blinch滤波器110，从而向解调器66输出信号。如同在发射侧的情况，Blinch滤波器110的LC值也是在载波频率的基础上确定的。耦合电容器(Ceq)106的容值被选择成可在电力线48和RF放大器之间形成50欧姆的阻抗匹配。
图12表示了从通信设备10的耦合器34。除了Blinch滤波器110、低通滤波器98中的电感、电容，以及耦合电容器(Ceq)102、106的电容值不同之外，该从耦合器34与主耦合器34完全相同。从耦合器34中各电感和电容数值的不同是由于：它从电力线48接收载波的频率与向电力线48发送载波的频率和主通信设备10的情况刚好相反。
最后参见图13，图中表示了用在通信设备10中的电源70。交流电从电力线48上引入，并经过用来将电源变压器114的阻抗与电力线48的阻抗隔绝的介电磁珠112。这样作的目的是为了在电力线上形成一个更稳定的带宽，并产生更高的信号电平。通过电源变压器114和整流器116产生直流电。利用调压器118来输出通信设备10所需的各个不同直流电压。从图13可看出，是采用两套独立的电源变压器114、整流器116和调压器118分别向通信设备10的发送侧和接收侧供电的。以此方式，就可以使250MHz和350MHz的载波频率相互隔绝。
本领域技术人员可意识到：在不超出本发明的广义范围的前提下，可对上述的实施例进行改动。因而，可以理解：本发明并不仅限于所公开的这种具体实施形式，其应涵盖在本发明设计思想和范围内的如所附权利要求所限定的所有变型。

Claims (19)

1.一种通信设备，该设备用来经一条或多条具有一特征阻抗的电气线路来传送多路复用电信号，其包括：
多个调制器，该调制器对所述电信号进行调制而生成多个经调制的载波信号，每一载波信号的频率是预先选定的，该频率大于或等于200MHz；
一个或多个发送器，每一发送器具有一输出阻抗，其与每个调制器工作连接以发送经调制的载波信号；
一个接在电气线路和每个发送器之间的耦合器，该耦合器使发送器的输出阻抗与电气线路的特征阻抗相匹配，并将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电气线路上；
每个耦合器包括：
一个具有非磁芯的变压器；以及
一个耦合电容器，该电容器在预选频率上与该变压器谐振；所述变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
所述电容器适于连接在第一导电板和电气线路之间，其中，第一导电板和电容器的阻抗被设计成在一个预选频带上与电气线路的特征阻抗相匹配；以及
一个频分复用器，用于结合电信号。
2.根据权利要求1所述的通信设备，其特征在于，所述频分复用器是正交频分复用器。
3.一种通信设备，该设备用来经一条或多条具有一特征阻抗的电气线路来传送多路复用电信号，其包括：
多个调制器，该调制器对所述电信号进行调制而生成多个经调制的载波信号，载波信号的频率是预先选定的，该频率大于或等于200MHz；
一个或多个发送器，每一发送器具有一输出阻抗，其与每个调制器工作连接以发送经调制的载波信号；
一个接在电气线路和每个发送器之间的耦合器，该耦合器使发送器的输出阻抗与电气线路的特征阻抗相匹配，并将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电气线路上；
每个耦合器包括：
一个具有非磁芯的变压器；以及
一个耦合电容器，该电容器在预选频率上与该变压器谐振；
所述变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
所述电容器适于连接在第一导电板和电气线路之间，其中，第一导电板和电容器的阻抗被设计成在一个预选频带上与电气线路的特征阻抗相匹配；以及
一个复用器，用于结合电信号。
4.一种通信设备，该装置用来经一条或多条具有一特征阻抗的电力线路以100Mbps或更高的速率来传送电信号，其包括：
多个调制器，该调制器对所述电信号进行调制而生成多个调制后的载波信号，载波信号的频率是预先选定的，该频率大于或等于200MHz；
一个发送器，其与所述多个调制器工作连接并具有一输出阻抗，该发送器将经调制的载波信号发送出去；
一个接在电气线路和所述发送器之间的耦合器，该耦合器使得发送器的输出阻抗与电力线路的特征阻抗相匹配，并将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电力线路上；
所述耦合器包括：
一个具有非磁芯的变压器；以及
一个耦合电容器，该电容器在预选频率上与该变压器谐振；
所述变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
一个电容器，该电容器适于连接在第一导电板和电气线路之间，其中，第一导电板和电容器的阻抗被设计成在一个预选频带上与电力线路的特征阻抗相匹配。
5.根据权利要求4所述的通信设备，其特征在于，经调制的载波信号速率为1Gbps或更高。
6.一种通过一个电力传输系统传送电信号的方法，该传输系统包括配电变压器并在该电信号输入端具有一特征阻抗，所述方法包括：
使用多个调制器对所述电信号进行调制而生成多个经调制的载波信号，载波信号的频率大于或等于200MHz；
通过具有一输出阻抗的发送器发送经调制的载波信号；
使用一个耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电力系统，该耦合器在耦合处使发送器的输出阻抗与系统的特征阻抗相匹配；
所述耦合器包括一个具有非磁芯的变压器和一个耦合电容器，该耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电力系统上；以及
所述耦合电容器在调制载波频率上与该变压器谐振；
第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
所述耦合电容器连接在第一导电板和电力系统之间，其中，第一导电板和电容器被设计成在一个预选频带上与电气线路的特征阻抗相匹配；以及
其中，包括数据的电信号的传送速率为100Mbps或更高。
7.根据权利要求6所述的传送电信号的方法，其特征在于，该电力系统包括低压、中压和高压的电气线路或它们的任一组合。
8.一种通过一条或多条具有一特征阻抗的电气线路传送电信号的方法，包括：
使用多个调制器对所述电信号进行调制而生成多个经调制的载波信号，载波信号的频率是预先选定的，该频率大于或等于200MHz；
通过具有一输出阻抗的发送器发送经调制的载波信号；
使用一个耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电气线路上，该耦合器使得发送器的输出阻抗与电气线路的特征阻抗相匹配；
所述耦合器包括：
一个具有非磁芯的变压器，所述变压器将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电气线路上；以及
一个耦合电容器，该电容器在预选频率上与该变压器谐振；
所述变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
所述耦合电容器连接在第一导电板和电气线路之间，其中，第一导电板和电容器被设计成在一个预选频带上能与电气线路的特征阻抗相匹配；
其中，所述变压器的副绕线圈以大约40到50欧姆的匹配阻抗工作连接在该变压器，并与电气线路的阻抗的变化无关，该变压器的主绕线圈与电气线路的阻抗匹配范围为1到500欧姆。
9.一种通过电力线路配电系统传送高速信号的系统，该高速信号例如是数字化视频、数字化声音或数字化数据信号，电气线路传送系统包括从远程到预定位置的变压器，包括以下步骤：
以10Mbps到1Gbps的速率将高速信号耦合到传送系统的中压区；
在包含配电变压器的系统内通过电力线路将高速信号传送到预定地点；
在预定地点附近，将从传送系统的低压区传来的高速信息耦合到一个调制解调器上，以在预定地点以大约10Mbps到100Mbps的速率插入局域网(LAN)；
每一个所述耦合器包括一个带非磁芯的变压器，以将高速信号无显著相位畸变地耦合；
所述变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；
一个耦合电容器，连接在第一导电板和电气系统之间，其中，第一导电板和电容器被设计成与电力线路的特征阻抗相匹配。
10.一种通过电气传送系统以大约100Mbps或更高的速率传送电信号的方法，所述方法包括：
使用多个调制器对所述电信号进行调制而生成多个经调制的载波信号；
通过具有一输出阻抗的发送器发送经调制的载波信号；
使用一个耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电力系统，该耦合器在耦合处使得发送器的输出阻抗与线路系统的特征阻抗相匹配；
所述耦合器包括一个具有非磁芯的变压器和一个耦合电容器，所述耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电力系统。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，该变压器包括：
一个第一导电板；以及
一个第二导电板，其通过非磁芯与第一导电板间隔；以及
所述耦合电容器连接在第一导电板和电气线路之间，其中，导电板和电容器被设计成在该耦合器连接电气线路处与该电气线路的特征阻抗相匹配。
12.一种通过电力传送系统以大约100Mbps或更高的速率传送电信号的方法，所述方法包括：
在连接在整个网络系统主干网上的电力线路调制解调器/网络系统中，有线电视、电话、因特网、安全信息和其它控制应用以非常高速率的数据被传送，其中经数字化信号处理的载波信号通过传输电力线路传送并直接通过变电变压器从中压电力线路传到低压电力线路及从低压电力线路传到高压电力线路；
产生多个经调制的载波信号，据此产生通过电力线路的频分复用或正交频分复用；
通过具有一输出阻抗的发送器发送经调制的载波信号；
使用一个耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电力系统，该耦合器在耦合处使得发送器的输出阻抗与系统的特征阻抗相匹配，且与电力线的特征阻抗匹配；
所述耦合器包括一个具有非磁芯的变压器和一个耦合电容器，所述耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电力系统。
13.一种通过电力线路传送系统以大约100Mbps或更高的速率传送电信号的方法，所述方法包括：
在适配于网络的电力线路调制解调器/网络系统中，有线电视、电话、因特网、安全信息和其它控制应用以非常高速率的数据通过电气线路以经数字化信号处理的载波信号形式被传送；
产生多个经调制的载波信号，据此产生通过电力线的频分复用或正交频分复用；
通过具有一输出阻抗的发送器发送经调制的载波信号；
使用一个耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地耦合到电力系统，该耦合器在耦合处使得发送器的输出阻抗与线路系统的特征阻抗相匹配，且与电力线的特征阻抗匹配；
所述耦合器包括一个具有非磁芯的变压器和一个耦合电容器，所述耦合器将经调制的载波信号无显著相位畸变地传送到电气线路上。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，使用以太网协议传送该多路复用信号。
15.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，使用以太网协议传送该多路复用信号。
16.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，使用以太网网络协议传送该多路复用信号。
17.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，使用以太网网络协议通过电力传输系统传送该电信号。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，使用以太网网络协议通过电力传输系统传送该电信号。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用以太网网络协议通过电气线路传送该电信号。
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