专利名称：全数字化高压输电线数字载波机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电子通信领域器材，具体地说是涉及一种全数字化高压输电线数字载波机。
从五十年初期到九十年代末，我国电力系统的高压输电线载波机一直沿用前苏联的模拟通信方式，从早期的ZDD-5型不断发展为今天的ZDD-12型及其它各种型号的ZDD系列，均未脱出模拟通信的方式，以往电力载波通信方式，对于高压输电线高压电晕放电造成的干抗，线路换位造成的阻抗——频率特性超常波动和阻抗调制等，模拟通信方式很难对付这些不利特性。通信运行率低，通信质量差，话路杂音大是电力载波部门众所周知的。尤其在结冰和雨、雾天气、以往的摸拟方式出现通信中断，引起远动信息的错误和误动，甚至因此而造成电网瓦解都不止一次地严重发生过。按照以上通信方式的思路所生产的模拟电力线载波机，设备庞大，电路落后，滤波器众多，成本甚至高，又不能传送图像和2400bit/S以上的数据信息，其直接影响了电力部门的社会效益和经济效益。由于高压输电线通信可用频率范围为40KHz至400KHz，在其范围内划分载波频点有限。由于变电站同一母线上各分支出线间跨越衰耗不大，所以各载波机的频率即使不在同一地区也不能复用，使得各通信站为争得有限的通信频率资源造成矛盾，加之高压输电线高频端传输衰耗较大，实用频段集中在100KHz到200KHz之间，使得该问题更加突出，这严重制约了电力通信的发展。
本实用新型的目的就在于提供一种能够减少干扰、降低成本、容量较大、通信质量优良且可以抵抗恶劣气候对高压输电线通信的影响的全数字化高压输电线数字载波机。
本实用新型的目的可通过以下措施来实现本实用新型包括壳体，在壳体内设置有数字调制器、单边带形成器、扩频器、两个跟踪式数字滤波器、预放功放电路、输出匹配网络、两个伪随机序列码发生器、频率合成器、动态同步信号提取电路、变频器、中放电路、中频解调器、数字式低通滤波器、AGG放大控制电路、反扩频乘法器、数字解调器；其中，数字调制器、单边带形成器、扩频器、跟踪式数字滤波器、预放功放电路、输出匹配网络依次单向传输，并且自数字调制器输出直至输入到输出匹配网络；跟踪式数字滤波器、反扩频乘法器、变频器、中放电路、中频解调器以及数字式低通滤波器依次为单向传输，并且自跟踪式数字滤波器输出直至输入到数字式低通滤波器；频率合成器分别输出至数字调制器、单边带形成器、跟踪式数字滤波器、两个伪随机序列码发生器、数字解调器、数字式低通滤波器、中频解调器以及变频器；伪随机序列码发生器连接至扩频器，伪随机序列码发生器分别连接至反扩频乘法器及动态同步信号提取电路，动态同步信号提取电路输出至频率合成器，数字式低通滤波器输出至数字解调器，中放电路与AGG放大控制电路为双向传输；反扩频乘法器连接至动态同步信号提取电路。
由于本实用新型采用数字调制，以实现数字载波，并采用扩频、增加带宽、等一系列设计，使本实用新型体积小、重量轻、抗干扰能力强、容量大、成本较低，通信质量极好，可以抵抗恶劣气候对高压输电线通道的影响。该机除可传送传统的电话信号和运动信号外，还可同时传送彩色图像。如果不传送图像，还可以传送14.4Kbit/s44.8Kbit/s数据，为计算机直线联网提供了电力线数据通道。再者，由于该机采用全数字方式通信，使得同一频段可以重复利用。即使在变电站同一母线上或在输电线同一端站，可以几台同频段的该数字载波机同时运行而互不干扰。这就有效地克服了频率资源紧张和可工作在高压输电线上通信机数量的矛盾；反过来说，该机提高了高压输电线有限频谱资源的利用率。
本实用新型的附图图面说明如下
图1是本实用新型的外形结构图。
图2是本实用新型实现高压输电线通信的数字方案图。
图3是本实用新型的电路原理框图。
图4是本实用新型图的电路原理图。
本实用新型
以下结合附图和实施例作进一步详细地说明如图所示本实用新型包括壳体，在壳体内设置有数字调制器(1)、单边带形成器(2)、扩频器(3)、两个跟踪式数字滤波器(4)(9)、预放功放电路(5)、输出匹配网络(6)、两个伪随机序列码发生器(7)(11)、频率合成器(8)、动态同步信号提取电路(12)、变频器(13)、中放电路(14)、中频解调器(16)、数字式低通滤波器(17)、AGG放大控制电路(15)、反扩频乘法器(10)、数字解调器(18)；其中，数字调制器(1)、单边带形成器(2)、扩频器(3)、跟踪式数字滤波器(4)(9)、预放功放电路(5)、输出匹配网络(6)依次单向传输，并且自数字调制器(1)输出直至输入到输出匹配网络(6)；跟踪式数字滤波器(9)、反扩频乘法器(10)、变频器(13)、中放电路(14)、中频解调器(16)以及数字式低通滤波器(17)依次为单向传输，并且自跟踪式数字滤波器(9)输出直至输入到数字式低通滤波器(17)；频率合成器(8)分别输出至数字调制器(1)、单边带形成器(2)、跟踪式数字滤波器(4)、两个伪随机序列码发生器(7)(11)、数字解调器(18)、数字式低通滤波器(17)、中频解调器(16)以及变频器(13)；伪随机序列码发生器(7)连接至扩频器(3)，伪随机序列码发生器(11)分别连接至反扩频乘法器(10)及动态同步信号提取电路(12)，动态同步信号提取电路(12)输出至频率合成器(8)，数字式低通滤波器(17)输出至数字解调器(18)，中放电路(14)与AGG放大控制电路(15)为双向传输，反扩频乘法器(10)连接至动态同步信号提取电路(12)。
本实用新型的工作原理如下A该机实现高压输电线通信的数字方案如“附图2”，图中A边为某电力局近端变电站，B边为远离本局的远端变电站，该机一式两部分别装于A、B、两侧，A、B两侧有分别以a.b.c三相10千伏至50万伏之间某电压等级的高压输电线三条来联结两地，E、F为分别安装于各端的数载波机并通过结合滤波器C、D将各机高频信号耦合至a.b.c任一相线和大地之间，或相一相耦合至两线之间(图例中为a相，属相一地耦合方式)，这和通常模拟载波方式没有区别。有本质不同之处在于从E到电力局通信室及从F到变电所通信站之间为双向数据接口，互为收发的是14.4Kbit/s至44.8Kbit/s数据。具体数据速率由通信部门按需求或通信线路情况自行设定。
B该机的技术构成该机的构成方案见“附图3”。图示方案由“发信单元”和“收信单元”组成“发信单元”由(1)至(7)组成，“收信单元”由(9)至于(18)组成。“动态同步提取电路(12)”和“频率合成器(18)”两单元共用，由8位打码开关设定整机工作频段。
发信单元“数字调制(1)”将来自通信单位的14.4Kbit/s至44.8Kbit/s的数据变换为键控载频送给“单边带形成器(2)”，该“形成器”的作用在于把“数字调制器”输出的双边带抑载或非抑载双边带键控载波处理为“单边带信号”。因为高压输电线电晕放电噪声随接收的频带加宽而正比增加，把“双边带”处理为“单边带”，信息内容并未丢失，但减少了一倍信号带宽，可以在收端换来6dB的抗噪增益(以电压电平计算201g2＝6)。然后将处理过的该单边带数字频谱信号送到“扩频器(3)”进行“直接扩频”(简称DSC)。“扩频器(3)”依据“伪随机序列码发生器(7)”的数字序列进行乘法运算，把含信息内容的单边数字信号谱进行加扩加密处理，在其输出端得到一个近百倍原信息频带宽度的信号谱，以便使收端得到一个近百倍的抗噪扰能力和允许该频段频谱资源的重复使用。该“扩频器”扩频增益为32dB(以电压电平计算201g40＝32)。该增益由“伪随机序列码发生器”的码片速率决定(见下)。“跟踪式数字滤波器(4)”滤出来自“扩频器(3)”的扩频信号谱，在“频率合成器(8)”的作用下自动跟踪扩频信号谱，其带通特性由其自身芯片的码位决定(实施时可用16位)。“预放、功放电路(5)”将来自带通滤波器选择的信号放大为1W至10W输出(视高压输电线的电压等级而定，例如，50万伏等级可按10W输出设定)“输出匹配网络(6)”是将功率输出信号耦合至高压输电线路，以完成发信单元的信号输送功能。
“伪随机序列码发生器”提供25-1的伪随机码循环周期，码片宽为1.6uS，以满足扩频器需要。“频率合成器(8)”给各单元提供正确的时序脉冲，使各单元同步有序地工作。
收信单元由“跟踪式数字滤波器(9)”自跟踪地滤出自高压输电线送来的本接收单元的数字载波信号，送给“反扩频乘法器(10)”，同发信单元一样，本单元“伪随机序列码发生器(11)”以和发端相同的随机逻辑给反扩器提供码流，经过反扩器处理信息，反扩器就输出了和发端相同的键控载波信号，该信号分为二路、一路送给“动态同步信号提取(12)”，为频率合成器提供同步时钟，另一路送给“变频器(13)”，“变频器”把合成器送来的本振信号、和键控载波混频，得到60KHz中频送给“中放(14)电路”。“AGC放大控制(15)电路”用于控制中放的增益，其AGC范围为15~30dB，以对付高压输电线对载波的动态衰减。“中频解调器(16)”将来自中放的一定强度的中频信号恢复成适合“数字解调器(18)”解调的双边带信号，通过“数字式低通滤波器(17)”滤除中，高频干扰后，送给数字解调器。经解调得到原发端的数据信息。从而完成收发通信。
如前所述，该实用新型工作于40KHz～400KHz范围，划分3个波段，波段可以任选。但收发频段必须一致。现将其具体构成和原理分述如下(如图4)。
以下说明中英文符号表示为R电阻。C电容。L电感。T变压器。X晶体。IC集成电路(其型号已在附图中注明)。K打码开关。W瓦。KHz千赫兹。A输出插座。B输入插座。Ω欧姆。Vp-p电压峰-峰值(伏)。mVp-p电压峰-峰值(毫伏)。Kbit/s每秒千比特。DC-DC直流-直流变换器。AC-DC交流-直流变换器。
A、公共单元公共单元由“频率合成器(8)和“动态同步信号提取电路(12)构成，二者共同工作起到给整机各集成芯片提供同步时钟的作用。前者由IC8、K1、X1、R16、C27、C28、构成，后者由模块MR6717和C38构成。K1为波段打码开关，X1为稳频振荡晶体，R16为泄放电阻，C28、C38为耦合电容。当末收到高压输电线上传来的数字载波信号时，IC8由晶体X1、C28、R16构成内部振荡，给收发各集成芯片提供准确的时钟。当收到输电线传来的信号时，模块MR6717的3脚通过C38从IC9的12脚取得同步信息，经模块内部处理提纯后从其4脚输出标准同步信号送给IC8的8脚，取代由晶X1构成的内部振荡，通过IC8内部分频，倍频由脚7、15、14、3、5、6、9、输出给收发各相关芯片提供标准时钟。其脚10、11、13、所接打码开关K1、可改变IC8内部分频值，以便转换工作波段。
B、发信单元发信数据及同步时钟由通信站相关设备用外部连线引入a1，a2点送入“数字调制器(1)”。数字调制器(1)由IC1及其周边电阻R1～R4和电容C1～C8构成。该调制器仅占用IC1内部的发信支路(IC1具有收信，发信双工功能)。14.4Kbit/s～44.8Kbit/s数据信号DATA IN和其同步时钟CLK IN分别从其2脚和7脚输入，外部同步触发脉冲从C7进入27脚，通过IC1内发信支路GMSK调制后变成4.8KHZ键控双边带抑制载频信号，分别从其18脚和25脚以180度和270度相角输出，并经过C5、R2、和C6、R3送给下一级IC2的3脚和5脚。
单边带形成器(2)由IC2、D1、R5、R6、R7、C9、C10构成。R5、C9、构成IC2的电源去耦，D1、R7使IC2 8脚的时钟脉冲有效。其8脚通过R6和IC1的C7相联，共同接受IC8 14脚送来的时钟脉冲。IC2把3、5、8脚接收的上述信号在内部进行处理，从其16脚通过C10向IC3送出带限为4.8KHz的单边带信号。
扩频器(3)和“伪随机序列码发生器(7)由IC3、K2、R8、R10、C10、C11、C29构成。其中K2为打码开关，用户以此来设置IC3内部形成的伪随机序列码的码形(其必须和对应的收信对端一致)，R10为接收同步时钟的衰减电阻，C11为输出耦合电容。R8、C10、C29为IC3要求的外围元件。当IC3从8脚接收到IC2的单边信号后，在上述构造及IC3内部的作用下，由其12脚通过C11向下一级输出120KHz带宽的扩频信号。
跟踪式数字滤波器(4)由IC4、IC5、R9、R11、C12～C20构成，R9、R11为信号耦合电阻，C12～C19为IC4要求的外围电容，C20为耦合电容。通过公式设计，该滤波器3dB带宽为120KHz。通过IC4、IC5共同处理，该120KHz宽带信号经C20耦合到下一级。
预放、功放电路(6)由IC6、IC7、R12～R15、C21、C22构成。IC6形成预放，IC7形成功放、R12是耦合电阻，R15为负反馈电阻，R13、R14为偏置电阻，C21、C22为电源退耦。IC6 9脚接收上一级送来的信号，将其放大到4VP-P送给IC7，IC7将其功率放大到1～10W送给下一级，其功率大小视具体线路情况而定。调整电阻R15，可以控制输出功率的大小。
输出匹配网络(6)由C23、C24、L1、T1构成。C23、C24、L1用来形成IC7和T1之间隔离，并滤除高次谐波。T1用来将IC7输出12Ω的低阻抗变换为75Ω。来自上一级的数字载波信号通过该网络在A点输出。并在A点通过75Ω同轴电缆外联结至高压输电线的结合滤波器，以将发信的信号送往高压输电线传输至对方。
C、收信单元从高压输电线送来的数字载波信号通过外部结合滤波器用75Ω同轴电缆引入B点，并通过B点送入接收单元。“跟踪式数字滤波器(9)由L3、L4、L19、R20、C31～C35、C54、IC9构成。C31、C34、C35、为耦合电容，L4、C54、构成电源去耦，R19、R20是IC9要求的外围电阻。C32、L3、C33、构成兀型滤波器，以其粗滤性能防止B点高于400KHz信号窜入接收单元。C31、C34将兀型波波器粗滤的B点信号，引入IC9的8脚进行精滤。IC9 1脚为IC8输送的同步时钟，通过IC9内部处理，在其5脚输出精滤的信号并通过C35送给下一级。
反扩频乘法器(10)、“伪随机序列码发生器(11)由IC10、R21、R22、R31，C36、C37、C53、K3构成。R31和C53构成本级电源去藕，R21、C36为IC10、要求的外图元件，R22为同步时钟耦合输入电阻，C37为耦合电容，K3为IC10内伪随机序列码发生器的打码开关，拨动K3、可以设置IC10内部伪码码型，其码型必须和其对应发信的对端一致，也就是说K3的设置必须和对端一致。IC10从8脚和9脚分别接收精滤信号和同步时钟，在K3给定伪码码型的情况下，经IC10内运算，在12脚输出反扩频信号并通过C37送给下一级。
变频器(13)由IC11、C39～C41构成。其中C39、C40为IC11要求外围电容，C41为耦合电容。IC11的1脚和6脚分别接收上一级送来的反扩频信号和IC8送来的同步时钟，经其内部处理后在其4脚输出60KHz中频信号并通过C41耦合给下一级。
中放电路(14)和“AGC放大控制电路(15)由IC12、C42～C44、C52、R23、R0、R24、R30、L5、D2、D3、构成。其中IC12为可变增益放大器，R30、C52构成电源去耦，R23为平恒电阻，C42为IC12要求的外围电容，L5、C44、R24是谐振网络，其谐振频率为60KHz，C43、D2、D3，C45、构成倍压整流滤波电路(即AGC控制)，R0为输出耦合电阻。IC12从4脚接收上一级送来的中频信号，经IC12处理在其1脚输出，1脚接有60KHz选频网络，并经C43耦合给D2、D3、整流，在5脚得到经C45滤波的直流电压，以控制IC12的增益，在其1脚得到一个稳定为300mVp-p的中频信号并经过R0耦全到下一级。
中频解调器(16)由IC13、Rb、R25、CL、C46～C48、C51、D4、和X2构成。其中R25、C51、CL构成电源去耦，C46、C48、为耦合电容，C47为IC13移相电容，X2为60KHz选频晶体。D4、Rb使输入给IC13脚11的同步时钟在芯片内部有效。这样，从R0耦合过来的60KHz中频信号经X2进一步选频，从C46送IC13的20脚，通过IC13的内部解调作用，在其15脚出4.8KHz的双边带抑载信号，并经过C48送给下一级。
数字式低通滤滤器(17)由IC14、IC15、R26～R29、C49、C50、构成。其中C49、R26、C50、R29、为耦合网络，R27、R28、分别为运放IC15的输入匹配电阻和负反馈电阻。从C48送来的信号引入到IC14的8脚，其1脚是引入的同步时钟，通过IC14内部选择作用，滤除高于4.8KHz 2的9.6KHz以上中、高频干扰和杂散干扰，通过5脚将双边带抑载信号经C49、R26送IC15放大，以满足“数字解调器(18)对输入信号强度的要求。调整R28的值可以控制1C15放大量，被放大信号由IC15的5脚输出并经C50、R29送下一级处理。
数字解调器(18)由IC1收信支路及相关元件构成(前已所述)。由IC15放大到一定强度的信号送到IC1的14脚，由IC1内部集成单元处理后，在其10脚和4脚分别输出数据DATA和同步时钟CLK。该数据和时钟从b1，b2点输出与同样的发信数据一起由外部连线引到通信站相关接口设备，完成整个收发通信过程。
该机工作电源分为+12V、-12V、+5V，由一般DC-DC、AC-DC变换得来，由于通用简单，此处不再赘述。
权利要求1.一种全数字化高压输电线数字载波机，它包括壳体，其特征在于在壳体内设置有数字调制器(1)、单边带形成器(2)、扩频器(3)、两个跟踪式数字滤波器(4)(9)、预放功放电路(5)、输出匹配网络(6)、两个伪随机序列码发生器(7)(11)、频率合成器(8)、动态同步信号提取电路(12)、变频器(13)、中放电路(14)、中频解调器(16)、数字式低通滤波器(17)、AGG放大控制电路(15)、反扩频乘法器(10)、数字解调器(18)；其中，数字调制器(1)、单边带形成器(2)、扩频器(3)、跟踪式数字滤波器(4)、预放功放电路(5)、输出匹配网络(6)依次单向传输，并且自数字调制器(1)输出直至输入到输出匹配网络(6)；跟踪式数字滤波器(9)、反扩频乘法器(10)、变频器(13)、中放电路(14)、中频解调器(16)以及数字式低通滤波器(17)依次为单向传输，并且自跟踪式数字滤波器(9)输出直至输入到数字式低通滤波器(17)；频率合成器(8)分别输出至数字调制器(1)、单边带形成器(2)、跟踪式数字滤波器(4)、两个伪随机序列码发生器(7)(11)、数字解调器(18)、数字式低通滤波器(17)、中频解调器(16)以及变频器(13)；伪随机序列码发生器(7)连接至扩频器(3)，伪随机序列码发生器(11)分别连接至反扩频乘法器(10)及动态同步信号提取电路(12)，动态同步信号提取电路(12)输出至频率合成器(8)，数字式低通滤波器(17)输出至数字解调器(18)，中放电路(14)与AGG放大控制电路(15)为双向传输；反扩频乘法器(10)连接至动态同步信号提取电路(12)。
专利摘要一种全数字化高压输电线数字载波机,它包括壳体,其特征在于:在壳体内设置有数字调制器、单边带形成器、扩频器、两个跟踪式数字滤波器、预放功放电路、输出匹配网络、两个伪随机序列码发生器等组成。由于本实用新型采用数字调制,以实现数字载波,并采用扩频、增加带宽、等一系列设计,使本实用新型体积小、重量轻、抗干扰能力强、容量大、成本较低,通信质量极好,可以抵抗恶劣气候对高压输电线通道的影响。
文档编号H04B3/54GK2385477SQ9923822
公开日2000年6月28日 申请日期1999年7月30日 优先权日1999年7月30日
发明者李跃华, 吴琦, 余书印, 全振基 申请人:河南省华康通信研究所