专利名称：有源接地补偿的制作方法
技术领域：
本发明涉及在电力线通信系统中提高阻塞电路的性能。
常规电力线信号接收器通过使用一个阻塞电路对连接到住房的供电线的设备所产生的噪声加以阻塞。这种阻塞电路降低了诸如家用设备的设备所产生的噪声电压，从而防止正在通过电力线接收信号的信号接收机受到干扰。
因为连接到住房的电力线具有三根线路，其中在正电力线与负电力线之间的电压大约240伏，仅需要120伏电压的家用电器被连接到正电力线和负电力线中的一根和中性线之间。由此，在正电力线和负电力线上产生了噪声电压，从而在正电力线和负电力线之间独立产生了净压差。
上述通过正电力线和负电力线的噪声电压只是部分地被阻塞电路消除。由此，需要提高阻塞电路的性能以便进一步降低由诸如家用电器的设备引入到电力线上的噪声。
本发明提供了一个接地电压降抑设备，该设备通过把阻塞电路的接地节点的电压在大体上维持得与一所住房的中性线路的中性参考节点的电压相同，从而提高了阻塞电路降低电力线噪声的性能。接地电压降抑设备被连接在中性参考节点和接地节点之间，其中由连接在正供电线和负供电线之间的阻塞电路的两个旁路电容定义中性参考节点和接地节点。接地电压降抑设备检测中性参考节点和接地节点之间的压差并驱动接地节点大大降低中性参考节点和接地节点之间的压差。
由于接地节点的电压被维持得与中性参考节点的电压大体相等，故在阻塞电路中的各个并联电容能独立地消除正负电力线及中性参考节点之间产生的噪声。由此，由住房噪声源产生的噪声电压被有效地阻塞，以便不影响电力线通信系统所使用的供电线。
结合下面的图例对本发明进行描述，其中类似的标号表示类似的部件，其中
图1是从电力线到住房的连接的框图2说明了电力线到住房电表的连接；图3说明一个变压器与住房电力线之间的连接的电子框图；图4说明从变压器到家用电器的电路的模拟模型；图5说明一个电力线接收器的框图；图6说明电表中配备的一个阻塞电路的框图；图7说明接地节点的电压和电力线之间的压差的电压谱；图8说明一个连接在电面节点和中性参考节点之间的接地电压降抑设备；图9说明一个接地电压降抑设备的电路图；而图10说明在加入接地电压降抑设备后，接地节点及电力线间压差的电压谱。
图1说明了到达住房102和104的一个常见电力线连接。高压电力线116连接到一个电力线变压器112。电力线变压器具有一个连接到高电压电力线116的初级线圈和两个连在一起的次级线圈。两个次级线圈的连接点通过接地连接118接地。次级线圈提供一个正供电线和一个负供电线，它们被穿过电力线极从而成为电力线114。这些电力线114向住房102和104及诸如街灯110的街灯提供电力。各住房102和104连接到电力线114，其中住房102通过电力线120连到连接头(header connection)106而住房104通过电力线121连到连接头(header connection)108。
图2说明从电力线120到住房102的连接头106。电力线120通过电力线214从连接头106连接到固定在供电箱(power box)212中的电表202。供电箱212通常放置在住房102的外墙101上。
电力线214还连接到一所住房的配电箱204，它通常包含对住房电力线提供过流保护的电路断路器。由接地线206建立一个中性参考点使得中性参考点接地。
图3说明住房102的电力线连接的电路图。电力变压器400包括一个连接到高压电力线116的初级线圈408和为向住房102提供电力而连在一起为电力线305和307提供电力的两个次级线圈410。两个次级线圈410之间的中央连接点通过接地线118接地。接地线118可由一个竖管(stake)接地。
向住房102提供的电力可由三根连接线提供，即两根电力线305和307及一根中性线303。如图3所示，电力线305和307分别具有节点208和210，而中性线具有一个节点328。240伏AC出现在电力线305和307之间。由此，对于一个常规住房连接，节点208和210之间的电压是240伏AC。节点328是一个中性参考节点，而电力线305和307上的电压在超出或低于中性参考节点的电压上以60Hz的频率振动。如图3所示，中性参考节点328在住房内的变压器和接地线206处通过接地线118接地。由此，节点208，210和328之间的电压是120伏AC。节点208和210的电压相位相隔180度。
在住房102的内部，电力线330和334(黑线)连接到节点208和210。中性参考节点328在住房内通常被连接成白线332和336及裸线340和342。白线332和336是中性线而裸线340和342是地线。由此，在住房内的各插头有三个插孔。第一个插孔连接到黑线330或334中的任一个，第二个插孔连接到白线332或336中任一个并且第三个插孔连接到裸线340和342中任一个。
通过把通信信号调制到电力线305和307，上述电力线114，116，120，121，305和307可用于通信。通信信号可在10MHz和30MHz之间的频率上操作，且电力线发送器/接收器在此频率范围的操作可安排在电表202附近，以便接收和发送到/来自所有其他电力线114，116，120和121连接的所有住房102和104的电力线305和307的信号。然而，由诸如家用电器的设备所产生的噪声降低了电力线发送器/接收器的性能。由此，阻塞电路用于阻止此种噪声对电力线发送器/接收器的影响。
由于电力线330和334形成两个隔离的电源，所以可以在电力线330和334中独立产生相对于地线的噪声。连接到电力线的设备造成中性参考节点328和RF阻塞电路所建立的接地节点之间的电压发生变化。而这损害了阻塞电路在期望通信频带中阻塞来自电力线305和307的住房噪声的能力。从而，通过迫使中性参考点328的电压与接地节点大体相等可以提高阻塞电路的效果。
通常，处于低频率时，中性参考点的电压和接地节点的电压被一根连接两个端的电线强迫相等。但是，该电线有电感。因为电力线通信系统可在大约10MHz和30MHz的RF频带内操作，故针对所关心的频率(thefrequency of interest)，电线电感从电气上隔离了中性参考点和接地节点。由此，在两个电线的端点产生了压差，这是阻塞电路对于RF信号的较差性能的结果。通过用有源电路来替换电线可以降低这种压差，其中有源电路驱动接地节点以维持接地节点的电压在大体上与中性参考节点328的电压相等。
图4说明一个电力变压器112和住房102之间电路的模拟模型。该模拟模型包括由模块302，304，306，308和310表示的扩展线连接的模型。另外，还包括街灯模型110(模型500)，电力线发送器/接收器模型312和一个阻塞电路模型600。在住房102内诸如家用电器的负载由一个噪声产生器700和电阻负载324及326模拟。
来自电力变压器112的电力线402和406通过模块302和304连接到住房102。电力线发送器/接收器312在节点314和316处连到电力线305和307。阻塞电路600把在住房102内的电力线330和334与住房102外的电力线305和307隔离开来，从而住房内产生的噪声在被传送至电力线305和307时被阻塞并且在通信频带中住房的阻抗(impedence)变化被从电力线305和307中隔离出来。
阻塞电路600包括线内电感602和604及并联电容606和608。并联电容606和608连接在节点213和338之间并建立接地节点610。电感(inductance)602和604具有约2μH的值而并联电容器606和608具有约.05μF的值。这些值适用于AC电力系统的电流和电压。
节点213和338在节点208和210处通过由电感318和322表示的具有电感的电线连到住房内电力线330和334。接地节点还通过一根电线连到中性参考点328。该线具有用电感320表示的电感。
图5说明电力线发送器/接收器312的框图。电力线发送器/接收器312通过阻抗变压器420耦合到电力线305和307并耦合到电容器426和428。由箭头434所指从节点314和316所见的阻抗，与箭头432所指方向见到的接收器430的阻抗相等。变压器420调整接收器的阻抗使其与节点314和316处的电力线305和307的阻抗相匹配，从而获得最大通信信号功率传输。典型地，在RF频率范围内电力线阻抗约为75欧姆。由此，如果接收器430的阻抗不是75欧姆，则调整被标为1∶1的变压器比以便节点间出现的阻抗与电力线阻抗匹配。
图6说明放置(disposed)在供电箱212和电表202中的阻塞电路600。电表202是一个通常出现在住房102的电力线连接处的玻璃表。例如，从连接头106延续下来的电力线305和307被分别连接到电感602和604。节点314和316在电感602和604的连接头一边而节点213和338分别在电感602和604的住房一边。电感602和604及并联电容器606和608可物理地放置在电表202中。节点213，610和338通过电感318，320和322连到节点208，328和210。因节点213和208之间；610和328之间；及338和210之间的连接在常规住房连接中约为10英寸，根据电线的敷设(layout)，电感318，320和322的电感值在.15μH左右。
在所关心的频带，电感318，320和322隔离节点213，208；610，328；及338，210。在节点213，208和338，210之间的电气隔离不影响家用电器及电力线发送器/接收器312的操作。从而，在节点610和328之间的电气隔离影响并联电容器606和608的噪声并联能力。
图7说明在接地节点610(910)处出现的电压和节点213与338(912)之间的压差的电压谱910和912。根据一个由诸如噪声源700的噪声源所产生的一个1伏特AC信号918模拟出图7中的电压谱。对于所关心的频带，诸如由垂线916所示在12MHz左右，在点914处产生一个大约86mV的最大电压。
图8说明一个连接在接地节点610和中性参考节点328之间的接地电压降抑设备800的最优实施例。接地电压降抑设备800通过基于在中性参考节点328处的中性参考电压驱动接地节点610从而降低中性参考节点328与接地节点610之间的压差。由此，通过在上面的方式下驱动接地节点610，电感320的反面影响被消除并且使得接地节点610的电压值大体等于中性参考节点328的中性参考电压。
图8还说明接地电压降抑设备800物理地跨接接地节点610和中性参考节点328隔离的距离。如箭头904，906和908所示，接地电压降抑设备800在接地节点一边904处被连到接地节点610，并在中性参考定位908处连到中性参考节点328。由此，接地电压降抑设备800跨接接地节点610和中性参考节点328间的空间906(例如，约10英寸)。
图9说明一个接地电压降抑设备800的示例实施例。接地电压降抑设备800包括一个连接在中性参考节点328和接地节点610间的电压跟随器(follower)电路。电压跟随器(follower)包括一个具有两个输入端804和806及一个输出端812的缓冲放大器802。输入端804是一个连到中性参考节点328的正高阻抗输入端。输入端806是一个通过一根长电线连到接地节点610的负高阻抗输入端，它扩展通过接地节点610和中性参考节点328间的隔离空间。这个长电线被用作电感822，该电感在数值上与电感320一致。输出端812也穿过隔离906连到接地节点610并作为一个电感820。
因为输入端804和806是高输入阻抗端，故在输入端804与中性参考节点328之间和在输入端806与接地节点610之间流动的电流均大致为0。如图9所示，缓冲放大器802被放置在距中性参考节点328非常近的物理位置上。由此，在输入端804处的电压大致与中性参考节点328处的电压相等。
因为输入端806是一个较高阻抗端，故在输入端806与接地节点610之间没有流动的电流。由此，因在输入端806与接地节点610之间的电压大致为0，故在输入端806处的电压大致与接地节点610处的电压相等，由此大致消除由电感822形成的任何电压降低的影响。
缓冲放大器802是一个宽带缓冲放大器并且对电力线信号发送器/接收器的频带(例如，10MHz-30MHz)中的信号作出响应。由此，当输入端804和806间的电压不同时，输出812通过电感820驱动接地节点610。因缓冲放大器802的输出电压范围大于通常出现在接地节点610和中性参考节点328间的压差，故缓冲放大器802能驱动在接地节点610的电压从而与中性参考节点328处的电压匹配。
缓冲放大器802是由两个电力电源828与830供电。如图9所示，电力电源828与830可物理定位在接地节点610附近。如从图6能看出，接地节点610定位于电表202内并准备接入可接收电力的节点213与338或节点314与316。图9说明电力电源828和830在接地节点610附近定位，而其它诸如节点208和210附近的物理位置也可能依赖特定装置的环境。
具有一个参考点832的电力电源828和830串联连接。一个电力电源828的正端被连到一个缓冲放大器802的电力输入端808并且电力电源830的一个负端被连到缓冲放大器802的电力端810。参考端832被连到中性参考节点328。
缓冲放大器802的电力端808和810通过电容器814和816并联到中性参考节点328。在所关心的频带中，电容器814和816把缓冲放大器802的电力端808及端810的电压维持在相对于中性参考节点328固定的值上。
电容器814和816可能具有2.2μF的值。电容器814和816被物理定位在非常靠近缓冲放大器802和中性参考节点328处，以便电容器814和816的导线的电感值大体为0。由此，电容器814和816允许电力电源828和830定位在远离缓冲放大器802处。另外，电容器814和816与缓冲放大器802所固有的电力电源噪声抵抗能力一起阻止本质上影响缓冲放大器802能力的任何可出现在电力端808和810处的噪声，以便维持在中性参考节点328的电压处的接地节点610的电压。
图10说明缓冲放大器802的输出端812的电压谱926；接地节点610的电压谱924；及出现在电力线信号发送器/接收器312的输入处的节点314和316间压差的压差谱922。把图7与图10比较，在频带12MHz附近的电压谱922的峰值电压如图10所示在点928处是2.6mv。2.6mv低于图7中的86mv超过30倍。由此，接地电压降抑设备800显著降低接地节点610和中性参考节点328间的压差，其中大大提高了在接收器312处降低RF噪声的阻塞电路600的性能。
这里结合其具体实施例对本发明进行了描述，显然本领域的技术人员可以进行各种选择，修改和变化。相应地，这里提出的本发明的最优实施例是说明性的，并未作出限制。在不脱离下面的权利要求书所定义的本发明的范围和本质的情况下可以作出各种改变。
权利要求
1.一个接地电压降抑设备，包括一个放置在第一位置的接地节点；一个放置在第二位置的中性参考节点，中性参考节点通过电力线耦合到接地节点并且至少一个设备连接在电力线中的一根和中性参考节点之间，第一和第二位置被隔离；及一个连接在接地节点和中性参考节点间的有源电路，其中有源电路根据中性参考节点的一个中性参考电压驱动接地节点从而降低接地节点和中性参考节点间的电压。
2.如权利要求1所述的设备，其中接地节点的接地电压由在第一位置处连到电力线的一个阻塞电路建立，电力线扩展穿过第一和第二位置之间的距离，在第一位置的电力线与在第二位置的电力线被电力线的电感电气隔离。
3.如权利要求2所述的设备，其中有源电路包括一个电力电源；及从电力电源接收电力的缓冲电路，其中缓冲电路从中性参考节点输入中性参考电压并根据在第一位置处的中性参考电压和接地节点电压的差驱动一个具有输出信号的接地节点。
4.如权利要求3所述的设备，其中电力电源电路被放置在第一位置而缓冲电路被放置在第二位置，电力电源的一个参考端被连到中性参考节点。
5.如权利要求所述4的设备，其中缓冲电路包括一个连到中性参考节点的输入端；一个耦合到接地节点的输出端；及一个耦合到接地节点的反馈输入端，其中输出端被一个电感从接地节点电气隔离而反馈输入端被一个第二电感从接地节点电气隔离。
6.如权利要求5所述的设备，其中缓冲电路是一个电压跟随电路，输入端是电压跟随电路的一个正输入而反馈输入端是电压跟随电路的负输入。
7.如权利要求6所述的设备，其中电压跟随器是一个宽带缓冲放大器，对于所关心的频带，输入端和反馈输入端具有高输入阻抗而输出端具有低输出阻抗。
8.如权利要求3所述的设备，其中电力电源电路包括一个具有一个第一正端和一个第一负端的第一电力电源电路；及一个具有一个第二正端和一个第二负端的第二电力电源电路，其中第一正端被连到缓冲电路的一个正电力端而第二负端被连到缓冲电路的一个负电力端，第一负端和第二正端被连到参考端。
9.如权利要求8所述的设备，其中还包括一个连接在缓冲电路的正电力端和中性参考节点之间的第一电容器；及一个连接在缓冲电路的负电力端和中性参考节点之间的第二电容器。
10.一个降低接地电压的方法，包括在第一位置处的一个接地节点和在第二位置处的一个中性参考节点之间连接一个有源电路，其中接地节点和中性参考节点通过电力线被连接在一起，并至少有一个设备连接在电力线中的一根和中性参考节点之间，第一和第二位置被隔离；及运用一个有源电路根据中性参考节点的一个中性参考电压驱动接地节点，从而降低在接地节点和中性参考节点间的电压。
11.如权利要求10所述的方法，其中有源电路包括一个电力电源；及从电力电源接收电力的缓冲电路，其中缓冲电路从中性参考节点输入中性参考电压并根据在第一位置处的中性参考电压和接地节点电压的差驱动一个具有输出信号的接地节点。
12.如权利要求11所述的方法，其中还包括把一个缓冲电路的输入端与中性参考节点连接；把一个缓冲电路的输出端与接地节点连接；及把一个缓冲电路的反馈输入端与接地节点连接，其中输出端被一个第一电感从接地节点电气隔离而反馈输入端被一个第二电感从接地节点电气隔离，缓冲电路接收中性参考节点的中性参考电压并根据中性参考电压和接地节点电压的差驱动一个具有输出信号的接地节点。
13.如权利要求12所述的方法，其中缓冲电路是一个电压跟随电路，输入端是电压跟随电路的一个正输入而反馈输入端是电压跟随电路的负输入。
14.如权利要求13所述的方法，其中电压跟随器是一个宽带缓冲放大器，对于所关心的频带，输入端和反馈输入端具有高输入阻抗而输出端具有低输出阻抗。
15.如权利要求11所述的方法，还包括把一个电力电源的第一电力电源电路的一个第一正端与缓冲电路的一个正电力端连接；把一个电力电源的第二电力电源电路的一个第二负端与缓冲电路的一个负电力端连接；把第一电力电源电路的一个第一负端和第二电力电源电路的一个第二正端连接到中性参考节点。
16.如权利要求15所述的方法，其中还包括一个连接在缓冲电路的正电力端和中性参考节点之间的第一电容器；及一个连接在缓冲电路的负电力端和中性参考节点之间的第二电容器。
17.如权利要求10所述的方法，其中接地节点的接地电压由在第一位置处连到电力线的一个阻塞电路建立，电力线扩展穿过第一和第二位置的距离，在第一位置处的电力线与在第二位置处的电力线被电力线的电感电气隔离。
全文摘要
连接在一个中性参考节点和一个接地节点之间的接地电压降抑设备由一个阻塞电路的两个旁路电容器定义。接地电压降抑设备检测中性参考节点和接地节点之间的压差并驱动接地节点大大降低中性参考节点和接地节点之间的压差。
文档编号H03L1/00GK1199287SQ9810785
公开日1998年11月18日 申请日期1998年5月7日 优先权日1997年5月8日
发明者迈克尔·H·西尔弗伯格, 伍德森·戴尔·怀恩 申请人:美国电报电话公司, 郎迅科技公司