专利名称：用输电线路进行信号传输的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用输电线路，特别是如权利要求1的前序部分所述的高压或中压线路进行信号传输的方法和装置。
所谓的输电线载波(PLC)系统是通过高压、中压或低压线路进行数据传输的，这是公知技术。通常有一个数据信号，例如含有控制数据或语音的信号在一个载波上调制，然后将调制的载波信号耦合到输电线的一项或多项上和/或耦合到输电线的屏蔽层上。沿输电线传输信号时，在各根输电线之间会出现信号耦合，导致所有输电线均参加信号传输。在接收端必须从输电线中将信号耦合输出和解调。
为提高数据传输速率，例如曾尝试尽可能好地抑制或滤掉干扰和/或使用更高的载波频率，但是人们在这方面遇到了物理性质上的极限。
本发明的任务是，提供一种上述类型的方法和装置，其具有较高的传输速率。
以上任务通过独立权利要求的方案得到解决。根据该方案，从若干个内容不同的数据信号中产生若干个内容不同的发送信号，每个发送信号在发送端至少分别与输电线中的一根耦合输入。沿高压或中压线路传输的虽然是混合信号，但是出人意料的结果显示，可以在接收端将信号重新分开，并且重新恢复原始的数据信号。
在一种特别简单的方案中，所述发送信号在发送端作为待发送数据信号的线性组合产生，并且在接收端对接收信号进行线性组合，从而恢复数据信号。
从接收信号中测定数据信号的规则最好在一个校准阶段中确定。在该阶段之内产生发送端的预定形式的数据或发送信号，并且在接收端分析出相应的接收信号。所述校准信号例如按以下方式选择，即其互相关函数为零，而其自相关函数基本上符合德尔塔函数。在该情况中，通过计算接收信号和预定信号形式之间的相关逻辑，可以测定传输线路的传输特性以及在必要情况下耦合装置的传输特性。
在正常运行阶段中重复进行校准过程，可以考虑大电流输电线路的传输特性的改变，例如由于天气影响造成的改变。
其他优选方案和用途见从属权利要求所述，下面对照附图对本发明加以说明。
图1表示在发送端一个高压线路具有用于产生和输入耦合发送信号的电路元件的结构。
图2表示在接收端如图1所示的所述高压线路具有用于输出耦合和解调接收信号的电路元件的结构。
图1和图2表示本发明的一种结构，其高压线路具有3根输电线1、2和3。该输电线中的每一根都通有高压电，例如500千伏。图中所示的方案也可用于具有其他输电线数量和配置的高压、中压和低压线路。
在发送端存在三个内容不同的初始数据信号X1、X2和X3。该信号例如来自三种不同的信号源，或者通过一个唯一的串连信号的串/并转换产生。所述数据信号X1、X2和X3被输入到一个组合电路4，在该电路中按下述方式进行逻辑运算。所产生的信号5、6、7经三个具有耦合电容C1、C2和C3的耦合器8、9和10输入耦合给输电线1、2和3，并且在其中产生具有复合振幅的发送信号V1、V2和V3。为此例如可使用公知的耦合电路。
在输入耦合前，信号必须用一个载波频率调制，例如数百kHz。所述调制或者在组合电路4之前发生或者在组合电路4和耦合器8、9和10之间发生。
在所述方案中，线路相对一侧经所谓“线路陷波器”12、13和14屏蔽，所以信号V1、V2和V3只能向另一端传输。因为在该传输中载波频率的信号不能确定保持在3根输电线上，所以会出现强烈的混合，从而在输出端出现接收信号V’1、V’2和V’3，它们通常不同于发送信号V1、V2和V3的振幅及相位。
所述接收信号V’1、V’2、V’3经电容C4、C5、C6和耦合器20、21、22耦合输出，并经三根导线23、24、25进入一个分离电路26和一个恢复电路27。在该电路中，接收信号以下述方式进行分离和处理，从而得到原始的数据信号X1、X2和X3。分离和恢复也可以在唯一一个步骤或组合的计算电路中同时进行。
所接收的信号在进行处理之前必须和载波频率分离。该分离或者在分离电路26和恢复电路27之前或者在其之后进行。本发明所依据的原理是，经具有k根输电线的线路通常可传输具有相同频率的k个PLC信号。为此在发送端，发送信号V1、V2、V3作为初始数据信号X1、X2和X3的线性组合产生。以矩阵方式表达为V=C1·X，(1)其中V表示发送信号的向量(V1,V2,...,Vk),X表示初始数据信号的向量(X1,X2,...Xm),C1表示矩阵的交叉系数。
接收端的电压信号V’=(V’1,V’2,...,V’k)表达为V’=H·V+N， (2)其中kxk型矩阵H是输电线的一般变换矩阵，N是一个附加的噪声。在分离电路26中，从接收信号V’中通过线性组合计算出输出信号Y=(Y1,Y2,...Ym):Y=C2·V’。
(3)因此有Y=C2·H·C1·X+C2·N=A·X+g (4)其中A表示通道矩阵，g表示噪声向量。等式(4)在恢复电路27中以近似方式分解成XX=L·Y (5)在第一次逼近中为抑制噪声可设定L=A-1。具有最小平方差的更为稳定的方法也是公知的，例如参见G.Strang所著的《线性几何及其应用》Hartcourt BraceJavonich,1988。当X是一个具有公知频谱的复合向量信号时，也可以使用文纳尔滤波器方法，例如参见B.D.O.Anderson和J.B.Moore所著的《优化滤波环》，Prentice-Hall,1979。
以上述方法得到的X值然后可送入正常的解调和检测阶段。
矩阵A的值和所使用的矩阵图形C1和C2以及传输线路的几何和电气性质相关，也就是说，和变换矩阵H相关。一种可能的情况是，输电线的特性表现为，A实际上是单数的，以致于造成信号的可靠分离是不可能的。这种情况在一定条件下可通过巧妙地选择C1和C2加以避免，如后面所述。否则应当减小X的尺寸m。
交叉系数的矩阵C1在一个最简单的方案中可选择成在每行中只有一个值不等于零，也就是说，每个信号Xi刚好输入耦合到输电线1、2和3中的一根上。特别是在高压或中压线路是均匀的情况下，也可以给C1提供另一个选择，即信号Xi至少有一部分准确地输入耦合到输电线的模型之一上。例如在k=3以及m=3的情况下选择C1=M=-0.511101-0.510---(6)]]>其中M是模态矩阵，它表示一个均匀线路段的对角化变换矩阵H。如F.Eggimann,W.Senn和K.Morf在《高压输电线载频传输特性》，Brown Boveri通讯8-77中所述，M基本上也可对角化若干其他配置的变换矩阵。
按照等式(6)选择的X1和X2直接输入耦合到两个传输模块中，它们相互独立地继续传播。(在实际中C1列和公式(6)中的列成正比即可。)接收端选择C2=M-1，所以通道矩阵A被对角化，而且X1和X2实际上已经分开。
在许多实际应用中，输电线并不是均质的，所以必须寻找一个复合矩阵C1和C2，以便将通道矩阵A对角化。在这种情况中，C1如上所述最好选择成在每一行和每一列均有一个元素不等于零。当然也可设想，通过对电缆的校准测量寻找到某种形式的C1和C2，它们可更好地变换成通道矩阵A。
为得到等式(4)或(5)的解，通道矩阵A必须是已知的。在多数实际PLC系统中，A从理论上不能确定，此外它还会随天气条件等原因变化。所以要进行校正测量，以便通过试验方法确定A。为此发送端产生校正信号xi，该产生过程一方面发生在投入运行后，另一方面与正常运行成有规律的间隔，所以天气等原因造成的通道矩阵A的变化可以得到补偿。对接收端，校准信号Xi的形式是已知的，接收端从中确定A的系数。在二维的情况中，公式(4)例如变成Y1(t)=A11·x1(t)+A12·x2(t)+g1(t)(7)Y2(t)=A21·x1(t)+A22·x2(t)+g2(t)。
对x1(t)和x2(t)的选择应当使其互相关函数基本为零，而且其自相关函数基本上符合德尔塔函数，也就是说，仅有一个自0的偏移不等于零。为此例如可以使用假设的噪声信号。所以通过Y1和Y2与x1和x2之间的相关函数，直接确定A的系数。
在上述方案中，其初始条件是通道变换矩阵H在PLC信号的频率范围内与频率无关。而通常情况下变换函数是与频率相关的。在这种情况中，例如可将等式(7)一般化为Y1(t)=A11*x1(t)+A12*x2(t)+g1(t)(8)Y2(t)=A21*x1(t)+A22*x2(t)+g2(t)其中*表示具有脉冲应答Aij(t)的折积。
本发明也可以用于上述情况中，其中所必要的方法对专业人员而言是公知的。特别应当指出的是维纳尔滤波法，例如参见B.D.O.Anderson和J.B.Moore所著的《优化滤波环》，Prentice-Hall,1979。
为传输数字化数据，信号Xi具有以下形式Xi=∑αikg(t-KT) (9)其中αik是i传输的90°相位差调幅数据符号，g(t)是脉冲形式，T是符号周期(参见J.G.Proakis所著的《数字通信》，McGraw-Hill,1983)。因为序列αk仅是信号X=X(t)的一个线性变换，因此本发明可使用公知方法直接延伸到以上情况中。在N.Amitay和J.Salz所著的《通过双极化衰减无线信道进行数字化数据传输的线性均衡理论》中，见AT&T贝尔实验室技术通报，第63卷，2215-2259页，描述了在另一种传输系统中的数学等值问题的解法。
权利要求
1.用输电线路，特别是具有若干根输电线的高压或中压线路进行信号传输的方法，其特征是，从若干个内容不同的数据信号(X1、X2、X3)中产生若干个内容不同的发送信号(V1、V2、V3)，每个发送信号在发送端至少分别与输电线(1、2、3)中的一根输入耦合，在接收端从输电线(1、2、3)的若干根中输出耦合若干个接收信号(V’1、V’2、V’3)，为测定数据信号(X1、X2、X3)将接收信号通过计算相互连接在一起。
2.如权利要求1所述的方法，其特征是，所述发送信号(V1、V2、V3)是数据信号(X1、X2、X3)的线性组合。
3.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，在接收端数据信号作为所述接收信号(V’1、V’2、V’3)的线性组合测定。
4.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，至少有一个校准阶段，在该阶段之内产生发送端的预定形式的数据或发送信号，并且分析出相应的接收信号，而且从中导出一个用于从所述接收信号(V’)中测定数据信号的规则。
5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述预定形式(x)的数据或发送信号的形式是，其互相关函数基本为零，而且其自相关函数基本上符合德尔塔函数。
6.如权利要求4或5中任何一项所述的方法，其特征是，在正常运行期间重复插入所述校准过程。
7.如上述权利要求中任何一项所述的方法，其特征是，所述发送信号(V1、V2、V3)按如下方式从数据信号(X1、X2、X3)中组合而成，即数据信号中的至少一个准确激励供电线路(1、2、3)的一种模式。
8.用具有若干根输电线(1、2、3)的输电线路进行信号传输的装置，其特征是，一个组合和输入耦合电路(4、8、9、10)用于从若干个内容不同的数据信号(X1、X2、X3)中产生若干个内容不同的发送信号(V1、V2、V3)，并且用于将发送信号(V1、V2、V3)输入耦合到若干根输电线(1、2、3)，而且有一个输出耦合和运算电路(20、21、22、26、27)用于从若干根输电线(1、2、3)中输出耦合接收信号(V’1、V’2、V’3)，并且用于从接收信号(V’1、V’2、V’3)中测定数据信号(X1、X2、X3)。
全文摘要
在一种高压或低压输电线(1、2、3)中传输若干内容不同的信号(X1、X2、X3)。信号首先进行线性组合,然后经耦合器(8、9、10)输入耦合到输电线。在接收端,信号被输出耦合和解调。输出耦合使用的是匹配技术,它允许对三个信号的恢复与输电线变化的传输特性无关。
文档编号H04B3/56GK1233887SQ9910556
公开日1999年11月3日 申请日期1999年4月2日 优先权日1998年4月3日
发明者D·德宗 申请人:Abb研究有限公司