專利名稱：一種用于低壓電力線載波信道的特征分析儀的制作方法
技術領域：
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， 通過載波方式將模擬信號或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g，最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳輸。低壓電力線載波通信技術的發(fā)展為今天的電力用戶用電信息采集系統(tǒng)建設提供了最便捷、最經(jīng)濟的通信資源，滿足了用戶用電信息采集的基本需求，為國家電網(wǎng)公司制訂相關載波通信技術標準奠定了必要的基礎。目前全面統(tǒng)一低壓電力線載波通信技術物理層、鏈路層和網(wǎng)絡層技術標準的時機基本成熟，為實現(xiàn)采集設備的互聯(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脈沖噪。另外，低壓電力線上負載變化頻繁，線路阻抗變化幅度較大，這會對載波信號造成很大的衰減?？梢哉f，低壓電力線是一個不斷變化的 “濾波器”，這個“濾波器”的特性是隨地點和時間的不同而不斷變化的。低壓電力線的信號傳輸還伴隨著多徑效應。發(fā)射信號經(jīng)過多條電力線路徑到達信號接收端，多條路徑到達的信號有著不同的延時、不同的信道增益。載波接受信號相對于發(fā)射信號而言，通常都伴有明顯的畸變，接收機對信道多徑參數(shù)估計的分辨力已經(jīng)成為決定其性能的重要因素。對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，對于不同頻率的載波信號傳輸特性是不一樣的，不同拓撲結(jié)構的電力線網(wǎng)絡也具有不同的網(wǎng)絡傳輸特性。
發(fā)明內(nèi)容針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種分析儀，在單臺設備中將信號進行分析，為用電信息采集系統(tǒng)電力線載波通信的載波信號頻率和載波技術的選擇提供科學依據(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關電源和信號耦合電路；所述功能版I包括噪聲分析模塊和人機接口 ；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時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；所述人機接口包括處理器、時鐘電路、復位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲器電路；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源、信號增益控制電路和驗波電路；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，其改進之處在于，所述電源板的所述高性能開關電源包括變壓器。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選方案的特征分析儀，其改 進之處在于，噪聲實時波形分析電路包括模擬前端信號調(diào)理電路、AD采樣電路、FIFO緩存和信號觸發(fā)器；所述模擬前端信號調(diào)理電路依次連接AD采樣電路和FIFO緩存；所述信號觸發(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，其改進之處在于，頻譜分析電路包括依次連接的信號調(diào)理電路、混頻與I/Q調(diào)制電路、本振信號源和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，其改進之處在于，所述驗波電路包括對數(shù)放大器，所述對數(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，其改進之處在于，所述信號調(diào)理電路包括依次連接的信號衰減電路和低通濾波電路。與現(xiàn)有技術比，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頻率和載波技術的選擇提供科學依據(jù)。本發(fā)明便于現(xiàn)場測試。
圖1為本發(fā)明提供的分析儀的結(jié)構圖；圖2為本發(fā)明提供的分析儀的功能框圖；圖3為本發(fā)明提供的實時波形分析原理圖；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。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明。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實時掃描面板上按鍵、編碼器、電位器等信號輸入，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，一是采用高性能開關電源，輸入交流220V電壓，產(chǎn)生分析儀各功能板所需的4個主要直流電壓，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接口。人機接口包括處理器、時鐘電路、復位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲器電路。噪聲分析模塊包含兩大部分實時波形分析電路與頻譜分析電路。實時波形分析由模擬前端信號調(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經(jīng)電源板耦合后進入功能版I的模擬信號處理電路，再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，主處理器通過FIFO電路讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，經(jīng)頻譜分析等運算處理存入緩存，經(jīng)液晶顯示屏顯示。1)模擬前端信號調(diào)理模擬前端包括信號衰減、阻抗變換、信號程控放大和信號衰減四部分。信號衰減采用無源網(wǎng)絡，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，在高頻時候表現(xiàn)為電抗分壓衰減，可實現(xiàn)較大頻帶范圍內(nèi)的信號衰減。由于被測的低壓電力線的輸入端阻抗較低，為了降低信號的采樣部分對輸入信號的影響，降低信號的失真度，需要進行阻抗變換，提高輸入端的阻抗。本分析儀采用J-FET 型運算放大器實現(xiàn)阻抗的變換。當信號較弱時，信號需要進行放大。2) AD 轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換和FIFO是前端采集數(shù)據(jù)的核心。信號經(jīng)由AD采樣，變換成數(shù)字信號送入 FIFO進行緩存。系統(tǒng)采樣精度為10位，最大采樣速率75MSPS，動態(tài)范圍56dB。3)采樣時鐘采樣時鐘在整個數(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， 以及硬件觸發(fā)。采樣時鐘的抖動直接關系到采樣數(shù)據(jù)的精度。4)信號觸發(fā)觸發(fā)電路是為了保證在正確的信號邊沿進行信號采樣，同時保證采樣數(shù)據(jù)能在液晶顯示器上進行平穩(wěn)的顯示。觸發(fā)電路工作過程為復位、開始觸發(fā)AD采樣與FIFO存儲、 預采樣、采樣、數(shù)據(jù)滿保護、數(shù)據(jù)提取。觸發(fā)方式分為自動觸發(fā)和單次觸發(fā)。自動觸發(fā)用來觀察噪聲動態(tài)變化，單次觸發(fā)用來觀察一次采集的噪聲。頻譜分析由信號調(diào)理、本振信號源、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。為了實現(xiàn)較大動態(tài)范圍內(nèi)的頻譜分析，必須要對被測信號進行混頻下變頻處理， 并進行I/Q調(diào)制，調(diào)制后信號經(jīng)驗波后進行AD采樣，然后送入處理器進行處理。通過對本振信號進行掃頻模式變化，可以實現(xiàn)高帶寬的頻譜分析。同時將經(jīng)過中頻濾波的信號進行采樣后做FFT變換，可以實現(xiàn)窄帶范圍內(nèi)信號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，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，本振信號采用IOMHz中頻信號，I/Q調(diào)制器由 90度移相器、兩個混頻器、濾波器組成。如果要求頻率分辨率為100Hz以內(nèi)，對低于IOOKHz 的信號可直接進行FFT頻譜分析。頻率分辨率和信號帶寬的關系為f = F/N，其中f為頻率分辨率，F(xiàn)為信號采樣頻率，N為采樣點數(shù)。對于本方案選用的處理器，N最大為1024①信號放大與增益控制模擬前端采用可變增益放大器AD8331。AD8331是一款單通道、超低噪聲、線性dB 可變增益放大器(VGA)，可以用作低噪聲可變增益元件，頻率最高為120MHz。這款器件內(nèi)置一個超低噪聲前置放大器(11^)、一個48(^增益范圍的乂-41^ ^^^以及一個具有可調(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。實際應用中，使用了一個電阻來調(diào)節(jié)LNA輸入阻抗，以便與信號源相匹配，從而不影響噪聲性能。②混頻與I/Q調(diào)制混頻器(或稱乘法器)，是用來把信號從某個頻段變換到另一個頻段的電路組件。 信號和一個較高電平的本振信號同時輸入到混頻器，混頻器輸出所需邊帶信號為中頻IF 信號。混頻器的輸出頻率包括兩個主要的邊帶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)生兩個幅度相等、相位正交的中頻輸出。AD8333輸出的兩路I/Q信號經(jīng)過運算放大器放大后送入ADC進行采樣。其原理如圖4所示。③驗波驗波器是評判輸入功率大小的電路。驗波電路的輸出電壓變化能夠反映輸入信號功率的變化，這里采用的是對數(shù)放大器AD8307。AD8307是一款基于連續(xù)壓縮技術的500MHz 解調(diào)對數(shù)放大器，能夠提供92dB的動態(tài)范圍，即使在高達IOOMHz的頻率下仍能提供88dB 動態(tài)范圍，其誤差為士 ldB。利用AD8307的大動態(tài)范圍可檢測56 μ V的微弱信號和2. 2V的大信號。信號采用單端輸入，正常工作時，對數(shù)零點為-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。阻抗測量實際測量的是單端口網(wǎng)絡的反射系數(shù)，通過測量反射波與入射波信號的幅值比就可以得出當前網(wǎng)絡的阻抗。當有一個階躍脈沖加到被測線路后，在阻抗不連續(xù)點就會產(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就可以計算出被測點阻抗的大小。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)絡阻抗 ZDUT =ZDUT = ZO/* (1+S21) / (1-S21)。I)功率分配器功率分配器是一個低耗的無源器件，它把一個輸入信號等分為二個輸出，輸出信號間具有等幅、同相、互相隔離三個特點。定向耦合器具有定向性，能對傳輸線中的信號實現(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幅值。II)幅相測量幅相處理芯片選用的是AD8302，用于測量兩個獨立輸入信號之間的幅度和相位。 AD8302內(nèi)置兩個精密匹配的寬帶對數(shù)放大器、一個寬帶線性乘法器/鑒相器、1. 8V精密參考電壓源，以及模擬輸出比例運算電路。輸入信號范圍為-60dBm至OdBm(參考阻抗50 Ω )， 相應的動態(tài)范圍為60dB。AD8302輸出在+/_30dB的范圍內(nèi)提供精確的幅度測量，斜率為 30mV/dB ；相位測量范圍為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源、信號增益控制電路和驗波電路；電力線網(wǎng)絡的傳輸特性采用掃頻原理測量，掃頻信號源將設定功率的信號注入到電力線網(wǎng)絡中，接收端通過驗波電路可測量接收到信號的幅值，通過頻率步進的方式進行掃頻測量輸出，得出二端口電力線網(wǎng)絡的傳輸特性曲線。多徑衰落分析測量的是一個多端口電力線網(wǎng)絡，測量原理跟測量二端口網(wǎng)絡的傳輸特性類似。傳輸特性與多徑衰落分析原理框圖如圖6所示。i)掃頻信號源 掃頻信號源采用直接數(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)整信號頻率和相位，具備較高的頻率和相位分辨率。ii)掃頻信號放大與增益控制由于電力線阻抗變化范圍較大，當電力線上負載較重時，阻抗可低到1歐姆以下， 因此如果要驅(qū)動低阻抗的網(wǎng)絡需要較大的發(fā)射功率，DDS信號源的輸出信號需要進行功率放大。最后應該說明的是結(jié)合上述實施例僅說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制。所屬領域的普通技術人員應當理解到本領域技術人員可以對本發(fā)明的具體實施方式
進行修改或者等同替換，但這些修改或變更均在申請待批的權利要求保護范圍之中。
權利要求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關電源和信號耦合電路；所述功能版I包括噪聲分析模塊和人機接口 ；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時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；所述人機接口包括處理器、時鐘電路、復位電路、參數(shù)與數(shù)據(jù)存儲器電路；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源、信號增益控制電路和驗波電路；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；所述人機接口連接所述液晶顯示器和所述按鍵。
2.如權利要求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關電源包括變壓器。
3.如權利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，噪聲實時波形分析電路包括模擬前端信號調(diào)理電路、AD采樣電路、FIFO緩存和信號觸發(fā)器；所述模擬前端信號調(diào)理電路依次連接AD采樣電路和FIFO緩存；所述信號觸發(fā)器連接FIFO緩存。
4.如權利要求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調(diào)理電路、混頻與I/Q調(diào)制電路、本振信號源和AD采樣電路。
5.如權利要求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源為直接數(shù)字頻率合成器。
7.如權利要求1所述的特征分析儀，其特征在于，所述驗波電路包括對數(shù)放大器，所述對數(shù)放大器為AD8307。
8.如權利要求4所述的特征分析儀，其特征在于，所述信號調(diào)理電路包括依次連接的信號衰減電路和低通濾波電路。
專利摘要本實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頻率和載波技術的選擇提供科學依據(jù)。
文檔編號H04B3/46GK202059406SQ201120128558
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月27日 優(yōu)先權日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 申請人:中國電力科學研究院