CN104184494A - 一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法，测试系统包括PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、电力线耦合器、信号调理电路和数据采集卡；PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、信号调理电路和数据采集卡依次连接，数据采集卡连接PC机；宽带电力线通过电力线耦合器连接定向耦合器。本发明采用扫频的方法，既提高了接入阻抗对频率分辨率，又使所测得的数据准确性更高，同时使测试系统简便易于进行现场测试。既能够测试出宽带电力线载波信道接入阻抗的模值，又能得到阻抗的相位信息，同时测量结果比较准确，又能很方便应用于现场测量，对于电力线通信进一步发展研究具有重要的意义。

Description

一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法

技术领域

本发明属于电力通信技术领域，具体涉及一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法。

背景技术

目前，国内外现有的测试电力线载波通信系统和装置中的频段分为窄带(30kHz-500kHz)和宽带(2MHz-20MHz)通信，中间的频段(500kHz-2MHz)没有利用，因此也就没有去测量。并且现有的阻抗测量仪器，只能测量不带电情况下的电力线阻抗，即使有可以测量带电情况下的仪器也需要配备阻抗适配器，这样不是直接测量电力线上的阻抗，因此测量结果不是太准确。

电力线载波通信指利用电力线传输数据、话音等信号的一种通信方式。利用已有的电力线资源进行通信，既能满足通信需求，又可解决布线困难，且基础建设投资和日常维护费用低廉，因此电力线载波通信技术具有很高的经济性、便捷性和实用性。但是电力线路设计的初衷是为了完成电能配送而非数据的传输，因而对于数据通信而言，其信道特性非常不理想。影响电力线可靠通信的一个主要因素就是电力线路的接入阻抗特性。电力线载波通信信道的接入阻抗是指在信号发送装置和信号接收装置驱动点处低压电力线的等效阻抗。电力线载波通信通道的阻抗特性随着时间、频率和信号的接入位置的变化而变化。宽带载波频段，变化虽然没那么剧烈，但是受电网结构、线路、用户电器等影响明显，是一个非稳定性参数，它直接影响到载波信号耦合效率和信号的传输性能，是电力线通信信道的一个重要参数。因此研究和实际现场测试电力线载波接入阻抗对提高和改进电力线载波通信系统性能具有重要的意义。另一方面，相对于弱电通信线缆，电力线路属于非对称线路和高压强电网络，实际测试电力线路阻抗有一定的难度，国内外现有的接入阻抗的测试方法主要有双电流探头法，比值法，谐振法，伏安法几种。

现有电力线载波接入阻抗测试方法有以下几个不足：

1)比值法只能测出阻抗的模值，不能得到阻抗的相位信息；

2)谐振法只能测出单个频点的阻抗的值，不能得到连续频谱的阻抗特性；

3)双电流探头法虽然能测出低压电力线阻抗的模值和相位信息，但是由于所用网络分析仪的频率分辨率低，所测得的结果准确性并不是很高，现场测试也不方便。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法，采用扫频的方法，既提高了接入阻抗对频率分辨率，又使所测得的数据准确性更高，同时使测试系统简便易于进行现场测试。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，所述宽带电力线载波的频率范围从2MHz～20MHz扩展到500kHz～20MHz；所述测试系统包括PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、电力线耦合器、信号调理电路和数据采集卡；所述PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、信号调理电路和数据采集卡依次连接，所述数据采集卡连接PC机；宽带电力线通过电力线耦合器连接定向耦合器。

所述PC机发出控制信号给所述信号发生装置，使信号发生装置产生扫频信号，所述扫频信号通过放大器和定向耦合器进行放大和耦合，经过放大和耦合后的信号通过信号调理电路进行信号调理后，通过数据采集卡传输给PC机。

所述信号发生装置为直接数字合成器，所述直接数字合成器产生的扫频信号频率为500kHz-20MHz，其接收来自于PC机的控制信号，并将控制信号进行DA转换，转换得到扫频信号。

所述放大器包括运算放大器和功率放大器，所述运算放大器对扫频信号的电压幅值进行放大，所述功率放大器对通过电压幅值放大的扫频信号再进行功率放大。

所述定向耦合器包括正向耦合器和反向耦合器；正向耦合器用于单向耦合功率放大器输出到宽带电力线上的入射波信号，所述反向耦合器用于单向耦合经宽带电力线反射的反射波信号。

所述入射波信号和反射波信号分别通过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路均包括滤波电路和信号放大电路；所述滤波电路用于滤除噪声，所述信号放大电路用于将微弱的测试信号进行放大，以便准确测试。

所述数据采集卡通过其内部的第一通道和第二通道分别采集经过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理的入射波信号和反射波信号；并将入射波信号和反射波信号进行AD转换后，通过串行RS-232接口传输给PC机。

所述电力线耦合器位于所述定向耦合器和宽带电力线之间，用于隔离强电信号和弱电信号，同时将入射波信号耦合到宽带电力线上，电力线耦合器中初级线圈和次级线圈的匝数比为3:1。

本发明还提供一种采用测试系统对宽带电力线载波信道接入阻抗进行测试的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：循环迭代校准所述测试系统；

步骤2：将测试点插入到宽带电力线上，测量宽带电力线上的接入阻抗；

步骤3：计算宽带电力线接入阻抗的实部、虚部、模值和相角。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：设置循环迭代校准次数；

步骤1-2：分别按顺序进行短路校准、标定电阻校准和开路校准，所述标定电阻包括1Ω电阻、10Ω电阻和50Ω电阻；

步骤1-3：根据校准得到的数据修订测试系统的参数；

步骤1-4：循环重复步骤2和3，直到测试系统的误差小于1％。

所述步骤3中，设正向耦合器和反向耦合器的耦合系数均为k，通过所述数据采集卡采集的入射波信号和反射波信号的电压分别为a和b；假设测试点的入射波信号为a₁，反射波信号为b₁，则有a＝ka₁，b＝kb₁；

根据史密斯圆图，极坐标系下的反射系数S₁₁表示为：

其中，r为极坐标下的接入阻抗的模值，和分别为极坐标下的入射波信号和反射波信号的相角，为极坐标下的接入阻抗的相角；

将极坐标系转换为直角坐标系，宽带电力线载波信道接入阻抗Z的实部Re{Z}和虚部Im{Z}分别表示为：

其中，Z_L为宽带电力线的特征阻抗，且直角坐标系下的接入阻抗的模值和相角分别为|r|和

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)本发明中宽带电力线载波频率范围为(500kHz-20MHz)，现有的宽带电力线阻抗的频率范围为(2MHz-20MHz)，因此比现有的宽带电力线阻抗的频率范围更宽，频率范围宽展到了(0.5MHz-20MHz)，这样增加了电力线载波信道的测试频率带宽，对于研究0.5MHz-2MHz的载波信道提供了保障；

2)测量系统内部集成有电力线耦合器，因此可以直接测量AC220V的电力线网络宽带阻抗，不需要阻抗适配器或隔离器；

3)测试系统不需要非常复杂的仪器设备，并且操作简单，测试过程为自动化控制，非常适合现场测试；

4)通过“先校准，再测量”和“多次循环迭代校准”的方法，并且所用的数据采集卡采用速率快、精度高，因此测量的阻抗结果准确度高；

5)测量方法在校准的时候采用短路校准、开路校准以及标定电阻校准等，这样对从短路时的接入阻抗(0欧姆)到开路时的接入阻抗(大约几百欧姆)都进行了校准，使得参数更准确，测量结果更准确。

附图说明

图1是本发明实施例中宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统结构图；

图2是本发明实施例中宽带电力线载波信道接入阻抗测试原理图；

图3是本发明实施例中宽带电力线载波信道接入阻抗校准和测试流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明提供一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统和方法，既能够测试出宽带电力线载波信道接入阻抗的模值，又能得到阻抗的相位信息，同时测量结果比较准确，又能很方便应用于现场测量，对于电力线通信进一步发展研究具有重要的意义。

如图1和图2，本发明提供一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，所述宽带电力线载波的频率范围从2MHz～20MHz扩展到500kHz～20MHz；所述测试系统包括PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、电力线耦合器、信号调理电路和数据采集卡；所述PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、信号调理电路和数据采集卡依次连接，所述数据采集卡连接PC机；宽带电力线通过电力线耦合器连接定向耦合器。

所述PC机上安装有UltraWave软件，提供9种标准波形：Sine，Square，Ramp，Pulse，ExpRise，ExpFall，Sinc，Noise和DC，可满足最基本的需求，同时还会为用户提供手动绘制、点点之间的连线绘制、任意点编辑的绘制方式，使创建复杂波形轻而易举；多文档界面的管理方式可使用户同时编辑多个波形文件。

UltraWave软件更具有以下实用功能：

1)将所创建的任意波存储为.txt(文本文件)、.csv(CSV文件)、.rdf(任意波形文件)。

2)读取DS系列数字示波器存储的.Wfm波形文件；

3)打印波形；

4)将所创建的任意波下载到DG1000内部存储器中。

所述PC机安装UltraWave软件，于是发出控制信号给所述信号发生装置，使信号发生装置产生扫频信号，所述扫频信号通过放大器和定向耦合器进行放大和耦合，经过放大和耦合后的信号通过信号调理电路进行信号调理后，通过数据采集卡传输给PC机。

所述信号发生装置为直接数字合成器，所述直接数字合成器产生的扫频信号频率为500kHz-20MHz，其接收来自于PC机的控制信号，并将控制信号进行DA转换，转换得到扫频信号。

所述放大器包括运算放大器和功率放大器，所述运算放大器对扫频信号的电压幅值进行放大，所述功率放大器对通过电压幅值放大的扫频信号再进行功率放大。

所述定向耦合器包括正向耦合器和反向耦合器；正向耦合器用于单向耦合功率放大器输出到宽带电力线上的入射波信号，所述反向耦合器用于单向耦合经宽带电力线反射的反射波信号。

所述入射波信号和反射波信号分别通过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路均包括滤波电路和信号放大电路；所述滤波电路用于滤除噪声，所述信号放大电路用于将微弱的测试信号进行放大，以便准确测试。

所述数据采集卡通过其内部的第一通道和第二通道分别采集经过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理的入射波信号和反射波信号；并将入射波信号和反射波信号进行AD转换后，通过串行RS-232接口传输给PC机。

所述电力线耦合器位于所述定向耦合器和宽带电力线之间，用于隔离强电信号和弱电信号，同时将入射波信号耦合到宽带电力线上，电力线耦合器中初级线圈和次级线圈的匝数比为3:1。

如图3，本发明还提供一种采用测试系统对宽带电力线载波信道接入阻抗进行测试的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：循环迭代校准所述测试系统；

步骤2：将测试点插入到宽带电力线上，测量宽带电力线上的接入阻抗；

步骤3：计算宽带电力线接入阻抗的实部、虚部、模值和相角。

所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：设置循环迭代校准次数；

步骤1-2：分别按顺序进行短路校准、标定电阻校准和开路校准，所述标定电阻包括1Ω电阻、10Ω电阻和50Ω电阻；

步骤1-3：根据校准得到的数据修订测试系统的参数；

步骤1-4：循环重复步骤2和3，直到测试系统的误差小于1％。

所述步骤3中，设正向耦合器和反向耦合器的耦合系数均为k，通过所述数据采集卡采集的入射波信号和反射波信号的电压分别为a和b；假设测试点的入射波信号为a₁，反射波信号为b₁，则有a＝ka₁，b＝kb₁；

根据史密斯圆图，极坐标系下的反射系数S₁₁表示为：

其中，r为极坐标下的接入阻抗的模值，和分别为极坐标下的入射波信号和反射波信号的相角，为极坐标下的接入阻抗的相角；

将极坐标系转换为直角坐标系，宽带电力线载波信道接入阻抗Z的实部Re{Z}和虚部Im{Z}分别表示为：

其中，Z_L为宽带电力线的特征阻抗，且直角坐标系下的接入阻抗的模值和相角分别为|r|和

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述宽带电力线载波的频率范围从2MHz～20MHz扩展到500kHz～20MHz；所述测试系统包括PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、电力线耦合器、信号调理电路和数据采集卡；所述PC机、信号发生装置、放大器、定向耦合器、信号调理电路和数据采集卡依次连接，所述数据采集卡连接PC机；宽带电力线通过电力线耦合器连接定向耦合器。

2.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述PC机发出控制信号给所述信号发生装置，使信号发生装置产生扫频信号，所述扫频信号通过放大器和定向耦合器进行放大和耦合，经过放大和耦合后的信号通过信号调理电路进行信号调理后，通过数据采集卡传输给PC机。

3.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述信号发生装置为直接数字合成器，所述直接数字合成器产生的扫频信号频率为500kHz-20MHz，其接收来自于PC机的控制信号，并将控制信号进行DA转换，转换得到扫频信号。

4.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述放大器包括运算放大器和功率放大器，所述运算放大器对扫频信号的电压幅值进行放大，所述功率放大器对通过电压幅值放大的扫频信号再进行功率放大。

5.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述定向耦合器包括正向耦合器和反向耦合器；正向耦合器用于单向耦合功率放大器输出到宽带电力线上的入射波信号，所述反向耦合器用于单向耦合经宽带电力线反射的反射波信号。

6.根据权利要求5所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述入射波信号和反射波信号分别通过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理，所述第一信号调理电路和第二信号调理电路均包括滤波电路和信号放大电路；所述滤波电路用于滤除噪声，所述信号放大电路用于将微弱的测试信号进行放大，以便准确测试。

7.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述数据采集卡通过其内部的第一通道和第二通道分别采集经过第一信号调理电路和第二信号调理电路进行信号调理的入射波信号和反射波信号；并将入射波信号和反射波信号进行AD转换后，通过串行RS-232接口传输给PC机。

8.根据权利要求1所述的宽带电力线载波信道接入阻抗的测试系统，其特征在于：所述电力线耦合器位于所述定向耦合器和宽带电力线之间，用于隔离强电信号和弱电信号，同时将入射波信号耦合到宽带电力线上，电力线耦合器中初级线圈和次级线圈的匝数比为3:1。

9.一种采用权利要求1-8任一所述的测试系统对宽带电力线载波信道接入阻抗进行测试的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：循环迭代校准所述测试系统；

步骤2：将测试点插入到宽带电力线上，测量宽带电力线上的接入阻抗；

步骤3：计算宽带电力线接入阻抗的实部、虚部、模值和相角。

10.根据权利要求9所述的采用所述的测试系统对宽带电力线载波信道接入阻抗进行测试的方法，其特征在于：所述步骤1包括以下步骤：

步骤1-1：设置循环迭代校准次数；

步骤1-2：分别按顺序进行短路校准、标定电阻校准和开路校准，所述标定电阻包括1Ω电阻、10Ω电阻和50Ω电阻；

步骤1-3：根据校准得到的数据修订测试系统的参数；

步骤1-4：循环重复步骤2和3，直到测试系统的误差小于1％。

11.根据权利要求9所述的采用所述的测试系统对宽带电力线载波信道接入阻抗进行测试的方法，其特征在于：所述步骤3中，设正向耦合器和反向耦合器的耦合系数均为k，通过所述数据采集卡采集的入射波信号和反射波信号的电压分别为a和b；假设测试点的入射波信号为a₁，反射波信号为b₁，则有a＝ka₁，b＝kb₁；

根据史密斯圆图，极坐标系下的反射系数S₁₁表示为：

其中，r为极坐标下的接入阻抗的模值，和分别为极坐标下的入射波信号和反射波信号的相角，为极坐标下的接入阻抗的相角；

将极坐标系转换为直角坐标系，宽带电力线载波信道接入阻抗Z的实部Re{Z}和虚部Im{Z}分别表示为：

其中，Z_L为宽带电力线的特征阻抗，且直角坐标系下的接入阻抗的模值和相角分别为|r|和