專(zhuān)利名稱(chēng)：一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分析儀，具體涉及一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀。
背景技術(shù)電力線載波是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力線載波通信是指利用現(xiàn)有電力線， 通過(guò)載波方式將模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。低壓電力線載波通信技術(shù)的發(fā)展為今天的電力用戶(hù)用電信息采集系統(tǒng)建設(shè)提供了最便捷、最經(jīng)濟(jì)的通信資源，滿足了用戶(hù)用電信息采集的基本需求，為國(guó)家電網(wǎng)公司制訂相關(guān)載波通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定了必要的基礎(chǔ)。目前全面統(tǒng)一低壓電力線載波通信技術(shù)物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)機(jī)基本成熟，為實(shí)現(xiàn)采集設(shè)備的互聯(lián)互通和互換提供了可行性。但低壓電力線存在各種背景噪聲(包括有色背景噪聲、窄帶噪聲、異步周期性脈沖噪聲)、同步周期性脈沖噪聲和隨機(jī)脈沖噪。另外，低壓電力線上負(fù)載變化頻繁，線路阻抗變化幅度較大，這會(huì)對(duì)載波信號(hào)造成很大的衰減?？梢哉f(shuō)，低壓電力線是一個(gè)不斷變化的 “濾波器”，這個(gè)“濾波器”的特性是隨地點(diǎn)和時(shí)間的不同而不斷變化的。低壓電力線的信號(hào)傳輸還伴隨著多徑效應(yīng)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)多條電力線路徑到達(dá)信號(hào)接收端，多條路徑到達(dá)的信號(hào)有著不同的延時(shí)、不同的信道增益。載波接受信號(hào)相對(duì)于發(fā)射信號(hào)而言，通常都伴有明顯的畸變，接收機(jī)對(duì)信道多徑參數(shù)估計(jì)的分辨力已經(jīng)成為決定其性能的重要因素。對(duì)于電力線載波通信網(wǎng)，低壓電力線載波信道由于多徑造成的頻率選擇性衰落，對(duì)于不同頻率的載波信號(hào)傳輸特性是不一樣的，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力線網(wǎng)絡(luò)也具有不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸特性。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種分析儀，在單臺(tái)設(shè)備中將信號(hào)進(jìn)行分析，為用電信息采集系統(tǒng)電力線載波通信的載波信號(hào)頻率和載波技術(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明提供的一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，所述分析儀由面板、電源板、功能板I、功能板II和功放板組成；所述面板包括液晶顯示器、按鍵、編碼器和電位器；所述電源板包括高性能開(kāi)關(guān)電源和信號(hào)耦合電路；所述功能版I包括噪聲分析模塊和人機(jī)接口 ；所述功能版II包括阻抗分析模塊和傳輸特性與多徑衰落分析模塊；所述噪聲分析模塊包括依次連接的噪聲實(shí)時(shí)波形分析電路與頻譜分析電路；所述阻抗分析模塊包括依次連接的信號(hào)源、功率分配器、定向耦合器、幅相處理電路和AD采樣電路；所述人機(jī)接口包括處理器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路；所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊包括依次連接的掃頻信號(hào)源、信號(hào)增益控制電路和驗(yàn)波電路；所述電源板的所述耦合電路分別連接所述噪聲分析模塊、所述阻抗分析模塊和所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊；所述人機(jī)接口連接所述液晶顯示器和所述按鍵。本發(fā)明提供的第一優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，所述電源板的所述高性能開(kāi)關(guān)電源包括變壓器。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的特征分析儀，其改 進(jìn)之處在于，噪聲實(shí)時(shí)波形分析電路包括模擬前端信號(hào)調(diào)理電路、AD采樣電路、FIFO緩存和信號(hào)觸發(fā)器；所述模擬前端信號(hào)調(diào)理電路依次連接AD采樣電路和FIFO緩存；所述信號(hào)觸發(fā)器連接FIFO緩存。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，頻譜分析電路包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、混頻與I/Q調(diào)制電路、本振信號(hào)源和AD采樣電路。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，幅相處理電路包括幅相處理芯片，所述幅相處理芯片為AD8302。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊的所述掃頻信號(hào)源為直接數(shù)字頻率合成器。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，所述驗(yàn)波電路包括對(duì)數(shù)放大器，所述對(duì)數(shù)放大器為AD8307。本發(fā)明提供的較優(yōu)選方案的特征分析儀，其改進(jìn)之處在于，所述信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的信號(hào)衰減電路和低通濾波電路。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明為用電信息采集系統(tǒng)電力線載波通信的載波信號(hào)頻率和載波技術(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。
圖1為本發(fā)明提供的分析儀的結(jié)構(gòu)圖；圖2為本發(fā)明提供的分析儀的功能框圖；圖3為本發(fā)明提供的實(shí)時(shí)波形分析原理圖；圖4為本發(fā)明提供的頻譜分析原理框圖；圖5為本發(fā)明提供的阻抗測(cè)量原理框圖；圖6為本發(fā)明提供的傳輸特性與多徑衰落分析原理框圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。分析儀主要由面板、電源板、功能板I、功能板II和功放板組成。其框圖如圖1所不。(1)面板面板主要包括TFT液晶顯示器、按鍵、編碼器和電位器。功能版I實(shí)時(shí)掃描面板上按鍵、編碼器、電位器等信號(hào)輸入，控制采樣模式和速度，并將結(jié)果顯示到TFT顯示器上。(2)電源板[0034]電源板包含兩部分功能，一是采用高性能開(kāi)關(guān)電源，輸入交流220V電壓，產(chǎn)生分析儀各功能板所需的4個(gè)主要直流電壓，包括12V、-12V、5. 7V及-5. 7V ；二是將分析儀產(chǎn)生的載波信號(hào)耦合到電力線上。(3)功能板 I功能版I包括噪聲分析模塊和人機(jī)接口。人機(jī)接口包括處理器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路。噪聲分析模塊包含兩大部分實(shí)時(shí)波形分析電路與頻譜分析電路。實(shí)時(shí)波形分析由模擬前端信號(hào)調(diào)理、AD采樣電路、FIFO緩存、硬件觸發(fā)電路組成，其原理圖如圖3所示。。工作原理是電力線信號(hào)經(jīng)電源板耦合后進(jìn)入功能版I的模擬信號(hào)處理電路，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，主處理器通過(guò)FIFO電路讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)頻譜分析等運(yùn)算處理存入緩存，經(jīng)液晶顯示屏顯示。1)模擬前端信號(hào)調(diào)理模擬前端包括信號(hào)衰減、阻抗變換、信號(hào)程控放大和信號(hào)衰減四部分。信號(hào)衰減采用無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上為一種平衡電橋。較低的頻率表現(xiàn)為電阻分壓衰減，在高頻時(shí)候表現(xiàn)為電抗分壓衰減，可實(shí)現(xiàn)較大頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)衰減。由于被測(cè)的低壓電力線的輸入端阻抗較低，為了降低信號(hào)的采樣部分對(duì)輸入信號(hào)的影響，降低信號(hào)的失真度，需要進(jìn)行阻抗變換，提高輸入端的阻抗。本分析儀采用J-FET 型運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)阻抗的變換。當(dāng)信號(hào)較弱時(shí)，信號(hào)需要進(jìn)行放大。2) AD 轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換和FIFO是前端采集數(shù)據(jù)的核心。信號(hào)經(jīng)由AD采樣，變換成數(shù)字信號(hào)送入 FIFO進(jìn)行緩存。系統(tǒng)采樣精度為10位，最大采樣速率75MSPS，動(dòng)態(tài)范圍56dB。3)采樣時(shí)鐘采樣時(shí)鐘在整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中是非常重要，它直接參與ADC采樣和FIFO存儲(chǔ)， 以及硬件觸發(fā)。采樣時(shí)鐘的抖動(dòng)直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的精度。4)信號(hào)觸發(fā)觸發(fā)電路是為了保證在正確的信號(hào)邊沿進(jìn)行信號(hào)采樣，同時(shí)保證采樣數(shù)據(jù)能在液晶顯示器上進(jìn)行平穩(wěn)的顯示。觸發(fā)電路工作過(guò)程為復(fù)位、開(kāi)始觸發(fā)AD采樣與FIFO存儲(chǔ)、 預(yù)采樣、采樣、數(shù)據(jù)滿保護(hù)、數(shù)據(jù)提取。觸發(fā)方式分為自動(dòng)觸發(fā)和單次觸發(fā)。自動(dòng)觸發(fā)用來(lái)觀察噪聲動(dòng)態(tài)變化，單次觸發(fā)用來(lái)觀察一次采集的噪聲。頻譜分析由信號(hào)調(diào)理、本振信號(hào)源、混頻與I/Q調(diào)制、AD采樣等功能電路組成，其原理圖如圖4所示。為了實(shí)現(xiàn)較大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的頻譜分析，必須要對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行混頻下變頻處理， 并進(jìn)行I/Q調(diào)制，調(diào)制后信號(hào)經(jīng)驗(yàn)波后進(jìn)行AD采樣，然后送入處理器進(jìn)行處理。通過(guò)對(duì)本振信號(hào)進(jìn)行掃頻模式變化，可以實(shí)現(xiàn)高帶寬的頻譜分析。同時(shí)將經(jīng)過(guò)中頻濾波的信號(hào)進(jìn)行采樣后做FFT變換，可以實(shí)現(xiàn)窄帶范圍內(nèi)信號(hào)的高頻率分辨率的頻譜分析。本分析儀綜合頻譜分析和掃頻頻譜分析的優(yōu)點(diǎn)，采用混合型頻譜分析，其原理圖如圖4所示。掃頻頻譜分析采用零中頻混頻，本振信號(hào)采用IOMHz中頻信號(hào)，I/Q調(diào)制器由 90度移相器、兩個(gè)混頻器、濾波器組成。如果要求頻率分辨率為100Hz以?xún)?nèi)，對(duì)低于IOOKHz 的信號(hào)可直接進(jìn)行FFT頻譜分析。頻率分辨率和信號(hào)帶寬的關(guān)系為f = F/N，其中f為頻率分辨率，F(xiàn)為信號(hào)采樣頻率，N為采樣點(diǎn)數(shù)。對(duì)于本方案選用的處理器，N最大為1024①信號(hào)放大與增益控制模擬前端采用可變?cè)鲆娣糯笃鰽D8331。AD8331是一款單通道、超低噪聲、線性dB 可變?cè)鲆娣糯笃?VGA)，可以用作低噪聲可變?cè)鲆嬖?，頻率最高為120MHz。這款器件內(nèi)置一個(gè)超低噪聲前置放大器(11^)、一個(gè)48(^增益范圍的乂-41^ ^^^以及一個(gè)具有可調(diào)輸出限制功能的可選增益后置放大器。LNA增益為19dB，具有單端輸入和差分輸出。實(shí)際應(yīng)用中，使用了一個(gè)電阻來(lái)調(diào)節(jié)LNA輸入阻抗，以便與信號(hào)源相匹配，從而不影響噪聲性能。②混頻與I/Q調(diào)制混頻器(或稱(chēng)乘法器)，是用來(lái)把信號(hào)從某個(gè)頻段變換到另一個(gè)頻段的電路組件。 信號(hào)和一個(gè)較高電平的本振信號(hào)同時(shí)輸入到混頻器，混頻器輸出所需邊帶信號(hào)為中頻IF 信號(hào)?；祛l器的輸出頻率包括兩個(gè)主要的邊帶IF = LO士RF(L0:本振頻率)；本方案混頻器采用AD8333，內(nèi)部包含雙通道正交(I/Q)解調(diào)器和移相器，產(chǎn)生兩個(gè)幅度相等、相位正交的中頻輸出。AD8333輸出的兩路I/Q信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后送入ADC進(jìn)行采樣。其原理如圖4所示。③驗(yàn)波驗(yàn)波器是評(píng)判輸入功率大小的電路。驗(yàn)波電路的輸出電壓變化能夠反映輸入信號(hào)功率的變化，這里采用的是對(duì)數(shù)放大器AD8307。AD8307是一款基于連續(xù)壓縮技術(shù)的500MHz 解調(diào)對(duì)數(shù)放大器，能夠提供92dB的動(dòng)態(tài)范圍，即使在高達(dá)IOOMHz的頻率下仍能提供88dB 動(dòng)態(tài)范圍，其誤差為士 ldB。利用AD8307的大動(dòng)態(tài)范圍可檢測(cè)56 μ V的微弱信號(hào)和2. 2V的大信號(hào)。信號(hào)采用單端輸入，正常工作時(shí)，對(duì)數(shù)零點(diǎn)為-84dBm，斜率為約20mV/dB。功能版II包括阻抗分析模塊和傳輸特性與多徑衰落分析模塊。阻抗測(cè)量實(shí)際測(cè)量的是單端口網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)，通過(guò)測(cè)量反射波與入射波信號(hào)的幅值比就可以得出當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的阻抗。當(dāng)有一個(gè)階躍脈沖加到被測(cè)線路后，在阻抗不連續(xù)點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生反射。其原理如圖5所示。已知源阻抗Z0，則根據(jù)反射系數(shù)S21就可以計(jì)算出被測(cè)點(diǎn)阻抗的大小。反射系數(shù)S21 = R/T。其中R為反射波幅值，T為入射波幅值。由此可得網(wǎng)絡(luò)阻抗 ZDUT =ZDUT = ZO/* (1+S21) / (1-S21)。I)功率分配器功率分配器是一個(gè)低耗的無(wú)源器件，它把一個(gè)輸入信號(hào)等分為二個(gè)輸出，輸出信號(hào)間具有等幅、同相、互相隔離三個(gè)特點(diǎn)。定向耦合器具有定向性，能對(duì)傳輸線中的信號(hào)實(shí)現(xiàn)定向耦合，辨別入射波和反射波；定向耦合器耦合反射波經(jīng)耦合檢波可得出反射波的信號(hào)幅值。II)幅相測(cè)量幅相處理芯片選用的是AD8302，用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)獨(dú)立輸入信號(hào)之間的幅度和相位。 AD8302內(nèi)置兩個(gè)精密匹配的寬帶對(duì)數(shù)放大器、一個(gè)寬帶線性乘法器/鑒相器、1. 8V精密參考電壓源，以及模擬輸出比例運(yùn)算電路。輸入信號(hào)范圍為-60dBm至OdBm(參考阻抗50 Ω )， 相應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍為60dB。AD8302輸出在+/_30dB的范圍內(nèi)提供精確的幅度測(cè)量，斜率為 30mV/dB ；相位測(cè)量范圍為0°至180°，斜率為IOmV/度。傳輸特性與多徑衰落分析模塊包括掃頻信號(hào)源、信號(hào)增益控制電路和驗(yàn)波電路；電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性采用掃頻原理測(cè)量，掃頻信號(hào)源將設(shè)定功率的信號(hào)注入到電力線網(wǎng)絡(luò)中，接收端通過(guò)驗(yàn)波電路可測(cè)量接收到信號(hào)的幅值，通過(guò)頻率步進(jìn)的方式進(jìn)行掃頻測(cè)量輸出，得出二端口電力線網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性曲線。多徑衰落分析測(cè)量的是一個(gè)多端口電力線網(wǎng)絡(luò)，測(cè)量原理跟測(cè)量二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性類(lèi)似。傳輸特性與多徑衰落分析原理框圖如圖6所示。i)掃頻信號(hào)源 掃頻信號(hào)源采用直接數(shù)字頻率合成器(DDS)，可以在數(shù)字控制器的控制下精確快速的調(diào)整信號(hào)頻率和相位，具備較高的頻率和相位分辨率。ii)掃頻信號(hào)放大與增益控制由于電力線阻抗變化范圍較大，當(dāng)電力線上負(fù)載較重時(shí)，阻抗可低到1歐姆以下， 因此如果要驅(qū)動(dòng)低阻抗的網(wǎng)絡(luò)需要較大的發(fā)射功率，DDS信號(hào)源的輸出信號(hào)需要進(jìn)行功率放大。最后應(yīng)該說(shuō)明的是結(jié)合上述實(shí)施例僅說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對(duì)其限制。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解到本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求1.一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀，其特征在于，所述分析儀由面板、電源板、功能板I、功能板II和功放板組成；所述面板包括液晶顯示器、按鍵、編碼器和電位器；所述電源板包括高性能開(kāi)關(guān)電源和信號(hào)耦合電路；所述功能版I包括噪聲分析模塊和人機(jī)接口 ；所述功能版II包括阻抗分析模塊和傳輸特性與多徑衰落分析模塊；所述噪聲分析模塊包括依次連接的噪聲實(shí)時(shí)波形分析電路與頻譜分析電路；所述阻抗分析模塊包括依次連接的信號(hào)源、功率分配器、定向耦合器、幅相處理電路和 AD采樣電路；所述人機(jī)接口包括處理器、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器電路；所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊包括依次連接的掃頻信號(hào)源、信號(hào)增益控制電路和驗(yàn)波電路；所述電源板的所述耦合電路分別連接所述噪聲分析模塊、所述阻抗分析模塊和所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊；所述人機(jī)接口連接所述液晶顯示器和所述按鍵。
2.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，所述電源板的所述高性能開(kāi)關(guān)電源包括變壓器。
3.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，噪聲實(shí)時(shí)波形分析電路包括模擬前端信號(hào)調(diào)理電路、AD采樣電路、FIFO緩存和信號(hào)觸發(fā)器；所述模擬前端信號(hào)調(diào)理電路依次連接AD采樣電路和FIFO緩存；所述信號(hào)觸發(fā)器連接FIFO緩存。
4.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，頻譜分析電路包括依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、混頻與I/Q調(diào)制電路、本振信號(hào)源和AD采樣電路。
5.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，幅相處理電路包括幅相處理芯片，所述幅相處理芯片為AD8302。
6.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，所述傳輸特性與多徑衰落分析模塊的所述掃頻信號(hào)源為直接數(shù)字頻率合成器。
7.如權(quán)利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，所述驗(yàn)波電路包括對(duì)數(shù)放大器，所述對(duì)數(shù)放大器為AD8307。
8.如權(quán)利要求4所述的特征分析儀，其特征在于，所述信號(hào)調(diào)理電路包括依次連接的信號(hào)衰減電路和低通濾波電路。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型為一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀，該分析儀包括面板、電源板、功能板I、功能板II和功放板，完成低壓電力線傳輸特性分析、多徑衰落分析、噪聲分析和阻抗測(cè)量等功能，為用電信息采集系統(tǒng)電力線載波通信的載波信號(hào)頻率和載波技術(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)。
文檔編號(hào)H04B3/46GK202059406SQ201120128558
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者巫鐘興, 張密, 章欣, 鄒和平, 鄭安剛, 陳昊 申請(qǐng)人:中國(guó)電力科學(xué)研究院