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)部正式申請了牌照。國家電力公司計劃在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，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 個難題:

(1) 電力網(wǎng)50 Hz 的工頻信號不能給載波通信系統(tǒng)帶來太大的干擾，同時，考慮到整個通信系統(tǒng)的安全，必須進行強電隔離;(2) 低壓電力線上并接的所有用電器的“統(tǒng)計載波阻抗”要高，以確保較高的載波信號加載效率。

上述問題，正是低壓電力線通信的接口技術問題，以下從這兩方面介紹其設計原理和實現(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的要求:① 必須進行強電隔離;② 確保較高的載波信號加載效率。為此，就必須采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結合的“復合耦合技術”。接口電路模型如圖1所示。

圖1 接口電路模型。

該電路的關鍵物理量是2 個回路中的電流i1(t)和i2(t)。由基爾霍夫第二定律可得出該電路的數(shù)學模型:

式中，設i′ 、i″分別為i 的一、二階導數(shù)，則：

對于式(1)，通過不同的處理將得到不同的數(shù)學模型。對圖1 所示的雙RLC 耦合回路進行去耦處理，得到2 個獨立的RLC 串聯(lián)回路。對式(1)求導，則可得到二元二階方程組：

式(2)同時含有2 個未知函數(shù)i1( t) 和i2( t)的二階導數(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RLC 回路便可得到四元一階方程組：

該方程組含有4 個未知數(shù):i1( t)，i2( t)，uc1(t)，uc2( t)，其定解條件直接由電路的初始儲能情況給出。當無初始儲能時，為齊次初始條件，即：

設所有電路元件都是非時變性元件，則所對應的常系數(shù)線性一階常微分方程組可轉化成線性代數(shù)方程組進行求解。

通過對上述接口電路數(shù)學模型的分析、化簡可知，基于“復合耦合技術”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)方程組進行求解，接口電路的原理清晰，計算復雜度較小，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計

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)領域電力線網(wǎng)絡通信而設計的半雙工、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功能強大、集成度很高，采取了多種抗干擾技術，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。ST7538 作為很有代表性的窄帶通信芯片，在遠程抄表、燈光控制、智能家電等領域已經(jīng)有了廣泛的應用。

除此之外，該芯片還有以下主要特點:

(1) 有8 個可編程( 載波) 頻率，即60、66、72、76、82. 05、86、110、132. 5 kHz;(2) 內(nèi)部集成電力線驅動接口，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。

2. 2 接口電路框圖

ST 7538 電力線收發(fā)信號通道框圖設計如圖2 所示。接收信號通道由耦合電路、濾波電路、保護電路、電壓放大電路組成。發(fā)送信號通道由電壓放大電路、功率放大電路、濾波電路、保護電路、耦合電路組成。

電力線接口首先是一個耦合電路，用于FSK信號的傳輸與接收，同時也是一個濾波系統(tǒng)，能可靠地過濾掉220 V/50 Hz 的電力信號、噪聲信號和浪涌信號。

圖2 ST 7538 的電力線收發(fā)信號通道框圖。

由于希望系統(tǒng)使用時有較遠的通信距離，就必須要求模塊發(fā)送端有足夠大的功率輸出，而大輸出功率的放大電路不宜長時間連續(xù)工作，否則容易過熱損壞;若設計高要求的大輸出功放電路，會增加系統(tǒng)成本。為此，系統(tǒng)采用如圖2 框圖