专利名称：一种用于低压电力线载波信道的特征分析仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种分析仪，具体涉及一种用于低压电力线载波信道的特征分析仪。
背景技术：
电力线载波是电力系统特有的通信方式，电力线载波通信是指利用现有电力线， 通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的技术，最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传输。低压电力线载波通信技术的发展为今天的电力用户用电信息采集系统建设提供了最便捷、最经济的通信资源，满足了用户用电信息采集的基本需求，为国家电网公司制订相关载波通信技术标准奠定了必要的基础。目前全面统一低压电力线载波通信技术物理层、链路层和网络层技术标准的时机基本成熟，为实现采集设备的互联互通和互换提供了可行性。但低压电力线存在各种背景噪声(包括有色背景噪声、窄带噪声、异步周期性脉冲噪声)、同步周期性脉冲噪声和随机脉冲噪，而且低压电力线上负载变化频繁，线路阻抗变化幅度较大，这会对载波信号造成很大的衰减。可以说，电压电力线是一个不断变化的 “滤波器”，这个“滤波器”的特性是随地点和时间的不同而不断变化的。低压电力线的信号传输还伴随着多径效应。发射信号经过多条电力线路径到达信号接收端，多条路径到达的信号有着不同的延时、不同的信道增益。载波接受信号相对于发射信号而言，通常都伴有明显的畸变，接收机对信道多径参数估计的分辨力已经成为决定其性能的重要因素。对于电力线载波通信网，低压电力线载波信道由于多径造成的频率选择性衰落，对于不同频率的载波信号传输特性是不一样的，不同拓扑结构的电力线网络也具有不同的网络传输特性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种分析仪，在单台设备中对电力线进行噪声分析、信号频谱分析、传输特性分析和阻抗分析，为用电信息采集系统电力线载波通信的载波信号频率和载波技术的选择提供科学依据。本发明提供的一种用于低压电力线载波信道的特征分析仪，其改进之处在于，所述分析仪由面板、电源板、功能板I、功能板II和功放板组成；所述面板包括液晶显示器、按键、编码器和电位器；所述电源板包括高性能开关电源和信号耦合电路；所述功能版I包括噪声分析模块和人机接口 ；所述功能版II包括阻抗分析模块和传输特性与多径衰落分析模块；所述功放板包括高带宽的功率放大器；信号经所述信号耦合电路后分别传给所述噪声分析功能模块、所述阻抗分析模块和所述传输特性与多径衰落分析模块；所述阻抗分析模块和所述传输特性与多径衰落分析模块通过串口将数据传输给所述人机接口后存入缓存通过液晶显示器显示；所述面板、所述电源板、所述功能板I、所述功能板II和所述功放板采用电路板插拔方式。本发明提供的第一优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述功能板I的所述人机接口包括处理器、时钟电路、复位电路、参数与数据存储器电路，实时扫描面板上按键、编码器、电位器等信号输入，控制采样模式和速度，并将结果在液晶显示器上显示。本发明提供的第二优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述功能板I的所述噪声分析模块包括噪声实时波形分析电路与频谱分析电路；所述实时波形分析电路包括模拟前端信号调理电路、AD采样电路、FIFO缓存和信号触发器；所述信号经过模拟前端信号调理电路后进行AD采样，存入FIFO缓存。本发明提供的第三优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述功能板II的所述阻抗分析模块包括信号源、功率分配器、定向耦合器、幅相处理电路和AD采样电路；所述信号通过功率分配器和幅相处理电路后进行反射波信号与入射波信号的幅值比，在通过AD 采样存入缓存。本发明提供的第四优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述功能板II的所述传输特性与多径衰落分析模块包括扫频信号源、信号增益控制电路和验波电路；电力线网络的传输特性采用扫频原理测量，扫频信号源将设定功率的信号注入到电力线网络中， 接收端通过验波电路可测量接收到信号的幅值，通过频率步进的方式进行扫频测量输出， 得出二端口电力线网络的传输特性曲线。本发明提供的较优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述处理器为ARM控制器。本发明提供的另一优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述频谱分析电路包括信号调理电路、混频与I/Q调制电路、本振信号源和AD采样电路；信号经过信号调理电路后进行混频下变频处理，并进行I/Q调制，调制后信号经验波后进行AD采样，送入所述处理器。本发明提供的再一优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述模拟前端信号调理电路包括信号衰减、阻抗变换、信号程控放大电路；信号经信号衰减、阻抗变换、信号程控放大电路后再进行信号衰减后输出。本发明提供的再一优选方案的特征分析仪，其改进之处在于，所述信号调理电路包括依次连接的信号衰减电路和低通滤波电路。与现有技术比，本发明的有益效果为本发明为用电信息采集系统电力线载波通信的载波信号频率和载波技术的选择提供科学依据。本发明便于现场测试。
图1为本发明提供的分析仪的结构图；图2为本发明提供的分析仪的功能框图；图3为本发明提供的实时波形分析原理图；图4为本发明提供的频谱分析原理框图；图5为本发明提供的阻抗测量原理框图；图6为本发明提供的传输特性与多径衰落分析原理框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。分析仪主要由面板、电源板、功能板I、功能板II和功放板组成。其框图如图1所不。(1)面板面板主要包括TFT液晶显示器、按键、编码器和电位器。功能版I实时扫描面板上按键、编码器、电位器等信号输入，控制采样模式和速度，并将结果显示到TFT显示器上。(2)电源板电源板包含两部分功能，一是采用高性能开关电源，输入交流220V电压，产生分析仪各功能板所需的4个主要直流电压，包括12V、-12V、5. 7V及-5. 7V ；二是将分析仪产生的载波信号耦合到电力线上。(3)功能板 I功能板I包括噪声分析模块和人机接口。(人机接口功能)包括处理器、时钟电路、复位电路、参数与数据存储器电路。噪声分析模块包含两大部分实时波形分析电路与频谱分析电路。实时波形分析由模拟前端信号调理、AD采样电路、FIFO缓存、硬件触发电路组成，其原理图如图3所示。工作原理是电力线信号经电源板耦合后进入功能版I的模拟信号处理电路，再经AD转换后，主处理器通过FIFO电路读取转换结果，经频谱分析等运算处理存入缓存，经液晶显示屏显示。1)模拟前端信号调理模拟前端包括信号衰减、阻抗变换、信号程控放大和信号衰减四部分。信号衰减采用无源网络，本质上为一种平衡电桥。较低的频率表现为电阻分压衰减，在高频时候表现为电抗分压衰减，可实现较大频带范围内的信号衰减。由于被测的低压电力线的输入端阻抗较低，为了降低信号的采样部分对输入信号的影响，降低信号的失真度，需要进行阻抗变换，提高输入端的阻抗。本分析仪采用J-FET 型运算放大器实现阻抗的变换。当信号较弱时，信号需要进行放大。2) AD 转换AD转换和FIFO是前端采集数据的核心。信号经由AD采样，变换成数字信号送入 FIFO进行缓存。系统采样精度为10位，最大采样速率75MSPS，动态范围56dB。3)采样时钟采样时钟在整个数据采集系统中是非常重要，它直接参与ADC采样和FIFO存储， 以及硬件触发。采样时钟的抖动直接关系到采样数据的精度。4)信号触发触发电路是为了保证在正确的信号边沿进行信号采样，同时保证采样数据能在液晶显示器上进行平稳的显示。触发电路工作过程为复位、开始触发AD采样与FIFO存储、 预采样、采样、数据满保护、数据提取。触发方式分为自动触发和单次触发。自动触发用来观察噪声动态变化，单次触发用来观察一次采集的噪声。频谱分析由信号调理、本振信号源、混频与I/Q调制、AD采样等功能电路组成，其原理图如图4所示。
为了实现较大动态范围内的频谱分析，必须要对被测信号进行混频下变频处理， 并进行I/Q调制，调制后信号经验波后进行AD采样，然后送入处理器进行处理。通过对本振信号进行扫频模式变化，可以实现高带宽的频谱分析。同时将经过中频滤波的信号进行采样后做FFT变换，可以实现窄带范围内信号的高频率分辨率的频谱分析。本分析仪综合频谱分析和扫频频谱分析的优点，采用混合型频谱分析，其原理图如图4所示。扫频频谱分析采用零中频混频，本振信号采用IOMHz中频信号，I/Q调制器由 90度移相器、两个混频器、滤波器组成。如果要求频率分辨率为IOOHz以内，对低于IOOkHz 的信号可直接进行FFT频谱分析。频率分辨率和信号带宽的关系为f = F/N，其中f为频率分辨率，F为信号采样频率，N为采样点数。对于本方案选用的处理器，N最大为10M。①信号放大与增益控制模拟前端采用可变增益放大器AD8331。AD8331是一款单通道、超低噪声、线性dB 可变增益放大器(VGA)，可以用作低噪声可变增益元件，频率最高为120MHz。这款器件内置一个超低噪声前置放大器(LNA)、一个48dB增益范围的X-AMP VGA以及一个具有可调输出限制功能的可选增益后置放大器。LNA增益为19dB，具有单端输入和差分输出。实际应用中，使用了一个电阻来调节LNA输入阻抗，以便与信号源相匹配，从而不影响噪声性能。②混频与I/Q调制混频器(与附图中哪个对应)(或称变频器或乘法器)，是用来把信号从某个频段变换到另一个频段的电路组件。信号和一个较高电平的本振信号同时输入到混频器， 混频器输出所需边带信号为中频IF信号。混频器的输出频率包括两个主要的边带IF = LO士RF (L0 本振频率)；本方案混频器采用AD8333，内部包含双通道正交(I/Q)解调器和移相器，产生两个幅度相等、相位正交的中频输出。AD8333输出的两路I/Q信号经过运算放大器放大后送入ADC进行采样。③验波验波器是评判输入功率大小的电路。验波电路的输出电压变化能够反映输入信号功率的变化，这里采用的是对数放大器AD8307。AD8307是一款基于连续压缩技术的500MHz 解调对数放大器，能够提供92dB的动态范围，即使在高达IOOMHz的频率下仍能提供88dB 动态范围，其误差为士 ldB。利用AD8307的大动态范围可检测56 μ V的微弱信号和2. 2V的大信号。信号采用单端输入，正常工作时，对数零点为-84dBm，斜率为约20mV/dB。功能版II包括阻抗分析模块和传输特性与多径衰落分析模块。阻抗测量实际测量的是单端口网络的反射系数，通过测量反射波与入射波信号的幅值比就可以得出当前网络的阻抗。当有一个阶跃脉冲加到被测线路后，在阻抗不连续点就会产生反射。其原理如图5所示。已知源阻抗Z0，则根据反射系数S21就可以计算出被测点阻抗的大小。反射系数S21 = R/T。其中R为反射波幅值，T为入射波幅值。由此可得网络阻抗 ZDUT =ZDUT = ZO/* (1+S21) / (1-S21)。I)功率分配器功率分配器是一个低耗的无源器件，它把一个输入信号等分为二个输出，输出信号间具有等幅、同相、互相隔离三个特点。定向耦合器具有定向性，能对传输线中的信号实现定向耦合，辨别入射波和反射波；定向耦合器耦合反射波经耦合检波可得出反射波的信号幅值。II)幅相测量幅相处理芯片选用的是AD8302，用于测量两个独立输入信号之间的幅度和相位。 AD8302内置两个精密匹配的宽带对数放大器、一个宽带线性乘法器/鉴相器、1. 8V精密参考电压源，以及模拟输出比例运算电路。输入信号范围为-60dBm至OdBm(参考阻抗50 Ω )， 相应的动态范围为60dB。AD8302输出在+/_30dB的范围内提供精确的幅度测量，斜率为 30mV/dB ；相位测量范围为0°至180°，斜率为IOmV/度。传输特性与多径衰落分析模块包括扫频信号源、信号增益控制电路和验波电路； 电力线网络的传输特性采用扫频原理测量，扫频信号源将设定功率的信号注入到电力线网络中，接收端通过验波电路可测量接收到信号的幅值，通过频率步进的方式进行扫频测量输出，得出二端口电力线网络的传输特性曲线。多径衰落分析测量的是一个多端口电力线网络，测量原理跟测量二端口网络的传输特性类似。传输特性与多径衰落分析原理框图如图6所示。i)扫频信号源扫频信号源采用直接数字频率合成器(DDS)，可以在数字控制器的控制下精确快速的调整信号频率和相位，具备较高的频率和相位分辨率。ii)扫频信号放大与增益控制由于电力线阻抗变化范围较大，当电力线上负载较重时，阻抗可低到1欧姆以下， 因此如果要驱动低阻抗的网络需要较大的发射功率，DDS信号源的输出信号需要进行功率放大。最后应该说明的是结合上述实施例仅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应当理解到本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式
进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
权利要求
1.一种用于低压电力线载波信道的特征分析仪，其特征在于，所述分析仪由面板、电源板、功能板I、功能板II和功放板组成；所述面板包括液晶显示器、按键、编码器和电位器； 所述电源板包括高性能开关电源和信号耦合电路；所述功能版I包括噪声分析模块和人机接口 ；所述功能版II包括阻抗分析模块和传输特性与多径衰落分析模块；所述功放板包括高带宽的功率放大器；信号经所述信号耦合电路后分别传给所述噪声分析功能模块、所述阻抗分析模块和所述传输特性与多径衰落分析模块；所述阻抗分析模块和所述传输特性与多径衰落分析模块通过串口将数据传输给所述人机接口后存入缓存通过液晶显示器显示；所述面板、所述电源板、所述功能板I、所述功能板II和所述功放板采用电路板插拔方式。
2.如权利要求1所述的特征分析仪，其特征在于，所述功能板I的所述人机接口包括处理器、时钟电路、复位电路、参数与数据存储器电路，实时扫描面板上按键、编码器、电位器等信号输入，控制采样模式和速度，并将结果在液晶显示器上显示。
3.如权利要求1所述的特征分析仪，其特征在于，所述功能板I的所述噪声分析模块包括噪声实时波形分析电路与频谱分析电路；所述实时波形分析电路包括模拟前端信号调理电路、AD采样电路、FIFO缓存和信号触发器；所述信号经过模拟前端信号调理电路后进行 AD采样，存入FIFO缓存。
4.如权利要求1所述的特征分析仪，其特征在于，所述功能板II的所述阻抗分析模块包括信号源、功率分配器、定向耦合器、幅相处理电路和AD采样电路；所述信号通过功率分配器和幅相处理电路后进行反射波信号与入射波信号的幅值比，在通过AD采样存入缓存。
5.如权利要求1所述的特征分析仪，其特征在于，所述功能板II的所述传输特性与多径衰落分析模块包括扫频信号源、信号增益控制电路和验波电路；电力线网络的传输特性采用扫频原理测量，扫频信号源将设定功率的信号注入到电力线网络中，接收端通过验波电路可测量接收到信号的幅值，通过频率步进的方式进行扫频测量输出，得出二端口电力线网络的传输特性曲线。
6.如权利要求2所述的特征分析仪，其特征在于，所述处理器为ARM控制器。
7.如权利要求3所述的特征分析仪，其特征在于，所述频谱分析电路包括信号调理电路、混频与I/Q调制电路、本振信号源和AD采样电路；信号经过信号调理电路后进行混频下变频处理，并进行I/Q调制，调制后信号经验波后进行AD采样，送入所述处理器。
8.如权利要求3所述的特征分析仪，其特征在于，所述模拟前端信号调理电路包括信号衰减、阻抗变换、信号程控放大电路；信号经信号衰减、阻抗变换、信号程控放大电路后再进行信号衰减后输出。
9.如权利要求7所述的特征分析仪，其特征在于，所述信号调理电路包括依次连接的信号衰减电路和低通滤波电路。
全文摘要
本发明为一种用于低压电力线载波信道的特征分析仪，该分析仪包括面板、电源板、功能板I、功能板II和功放板，完成低压电力线传输特性分析、多径衰落分析、噪声分析和阻抗测量等功能，为用电信息采集系统电力线载波通信的载波信号频率和载波技术的选择提供科学依据。
文档编号H04B3/54GK102185639SQ20111010699
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者巫钟兴, 张密, 章欣, 邹和平, 郑安刚, 陈昊 申请人:中国电力科学研究院