专利名称：电力线网络中层次多维频率的传输方法
技术领域：
本发明是一种利用层次多维频率方法，经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上，经过线性叠加，构成层次多维频率调制波，以模拟或数字方式，经过电力线(四路电线)进行数据的双向传输，再经过线性分支，选频放大、检波滤波，将各个数据逐层分离出来的电力网信息传输方法。
信息时代到来的一个重要的标志就是全社会能够广泛共享信息资源。然而，在进行国家信息基础设施建设的过程中，对广大的农村如何进行信息共享问题，并没有引起人们的高度重视。农村地域辽阔，地理环境复杂，不可能象城市那样布设数字网络、有线电视网络和电信网络。而对城市，智能大厦、智能小区以及智能家庭的建设已成为市场热点。每个小区、每幢大楼、每个家庭和每一房间都存在通讯线路铺设难的问题，因为家庭里往往没有进行网络基础设施建设，只有极少数有先见之明的建筑商在布设电力线、电话线和同轴电缆的同时也布设了计算机网线。一个现代化的家庭对各种电器设备控制和家庭办公等的要求也已经提出。因此人们提出了“无须新线路”口号，并不约而同地将目光聚集到目前网络布设最广的电力线网络。电力线在现代生活中已无处不在，如果能够利用电力线网络实施现代通信，接入Internet，那将是信息基础设施建设的重大突破。
国外很早就对电力线载波通讯技术进行研究，多家公司推出了电力线载波modem芯片，并指定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网的标准频率范围100KHz-450KHz和针对欧洲地区电网的标准频率范围9KHz-150KHz，前苏联电网的标准频率范围为30KHz-800KHz。由于国外电力线载波modem芯片是针对其本地电网特性和电网结构的，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在我国的使用难尽人意。目前以电力线为数据传输载体的电力线局域网已经诞生，利用220V电源线作为传输网线，交流电源插座作为节点，网络的通信速率达到了115.2Kbps，可以实现点对点的通信，也可以进行广播式通信。电力线网络的Internet接入也正在变为现实，采用扩频通信技术，低比特率与数字编码压缩技术，智能高速多路复用技术，通过低压、中压和高压输配电线路(220V、380V、10KV、35KV、110KV)的供电系统实现Internet接入。西门子公司、韩国的Keyin通信公司日前都推出了传输的速率1Mbps电力线通信方案。美国Inari公司继完成第一代350Kbps和第二代1Mbps传输速率的芯片之后，正准备推出的第三代传输速率为10Mbps的芯片。德国Veba公司与美国的Enikia公司也透露，它们即将推出一项用电力线实现高速Internet接入的服务。新加坡能源公司正在利用瑞士的Ascom公司开发的产品进行试验。第一阶段数据的传输速度为800Kbps，第二阶段试验的数据传输速度为2200Kbps，到2001年数据传输速度可达4000Kbps。
目前还无一款真正适合我国电力线载波通讯的modem芯片。我国的电网特性、电网结构、居民住宅分布状况和电力线载波通讯的应用领域等方面与国外有一些不同之处。电力线载波通讯modem芯片的瓶颈作用越来越突出，使国内电力线载波通讯市场难以驯熟增长，也延缓了用户对电力线载波通讯技术的认同和接收。但现代通讯技术发展已完全能消除这个瓶颈，这就需要国内电力线载波通讯领域的公司及相关人员根据我国电网特性、住宅结构和市场需求等情况，加上对国外电力线载波通讯技术的深入研究，定制出我国电力线载波通讯modem芯片的最佳模式。
然而，电力线由于线路上辐射损耗非常大，并考虑到对其它频率的干扰，可以利用的频带宽度有限，目前的利用一般都是在低频范围内，即不到2MHz，虽然设计了多种的调制与解调方案，并利用电力线高压三相(3根电线和2根避雷线)和低压三相四线(4根电线)的特性，使得利用电力线网络的数字传输速度得到了很大的提高，从350Kbps到1Mbps，准备发展到10Mbps。但是，现在所有调制解调器均只利用一维频率轴上的频率资源，属于单频使用，因此，如果不能在频率资源的瓶颈问题上有很大的突破，要想真正实现电力线的Internet的高速接入，仍然是非常困难的。
本发明的目的就是提供一种层次多维频率技术，开发和利用频率资源，提高单信道的传输能力，使得在一个频道上能够传输若干个多节目，增加基带的宽度，从而提高信息传输速度的电力线网络中层次多维频率的传输方法。
本发明的方案是采用层次调制的方法，经过重复的层次调制将多个待调制的数据(信号频率)分别调制到指定的频率轴、频率层次和指定频率上。这个指定的频率就是一个载波，这样一个经过多层次调制的载波就不再是一个频率的概念了，而是层次多维频率的概念，即一个载波可以对应有很多层次多维的频率，他在频道一定和带宽一定的情况下，经过多层次和多维的频率利用，传输的信息量将是十分巨大的。在发送端，将数据调制在载波上，利用四端网络将将载波耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端。在接收端，首先利用四端网络滤除电力线固有的50Hz的频率。再通过线性分支器，选频放大器和检波滤波器，将各个数据逐层还原出来。
本发明的具体方案是采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或数字化后利用四端网络将将载波耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端。在接收端，首先利用四端网络滤除电力线固有的50Hz的频率。利用“剥离器”，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波还原出原数据(信息)。采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)，调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)。采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。系统的接收部分采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。本发明的优点在于这一方法使层次多维频率同时使用在一个给定的频率上，这相当与一种模拟数据的压缩技术，在将被调制的载波数字化后，再进行数据压缩，则是一种全新的数字压缩方法。
这一方法完全不同于一般意义上的频分复用的概念，使用这一方法可以在保持一定带宽和一定传输速率的前提下，大幅度提高信息的传输能力，特别是在解决单信道中大幅度提高信息传输能力的前提下，可以使给定的一个传输通道传输很多路的数据，如广播频道、电视频道和数字通信等。使得只需要有限的通道就可以满足人们对宽带和网络速度的需求。
采用调制(解调)、复用(解复用)技术，在目前的条件下，器件比较便宜，性能也可靠，电滤波器可以设计为高效的、近乎理想的多点滤波器。整个设计方法可行，电路简单。
这一方法的使用由于频道资源的大幅度增加，完全能够满足多媒体宽带网接入的要求，可以安排足够的上行与下行通道的频带宽度，使得交互式实时视频点播、可视电话、视频会议、远程教育等业务都可以利用电力线网络进行。
实施这一技术，可以大大降低通信领域基础设施建设的强度和资金的投入，使得广大的农村在信息化建设的过程中能够尽快地跟上信息时代发展的要求，对形成全新的以电力线网络为载体的信息传输系统，对加速信息化进程和推进信息产业的发展将是一个重大的突破。更重要的是在当今全球都在争夺电力线高速接入Interent制高点的情况，形成我国的特式和优势，形成一个产业，发展一片市场，就尤为迫切。正如韩国人预计的，他们发展电力线高速接入Internet，可以在他们本国形成50亿美元的市场。
图1为利用多车道、立体交通和多层次车辆来说明层次多维频率的电力线网络传输原理。
图1a为传统的电力线载波双工通信示意图。
图1b为现行电力线宽带网接入信息传输示意图。
图1c为利用层次多维频率技术构建的能级信息通道示意图。
图1d为利用层次多维频率技术构建的层次立体信息通道。
图2为电力线网络系统结构示意图。
图3为层次多维频率构造示意图。
图4为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……、datan进行处理和模拟传输的示意图1。
图5为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……、datan进行处理和传输的示意图之2。
图6为m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa、fb……fn同时对data1、data2、……datan进行处理和数字传输的示意图。
以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
我们可以将四根电力线看成一条高速公路上的四条车道，把四条车道的一条设定为上行道，三条设定为下行道。同样我们也可以把电力线中的一根看成是一条高速公路，按照频谱的分配，在这条公路上有若干条通道。对于每一条通道其主要职能有所不同，可以分为上行通道、数字广播电视业务、数字通信、个人通信等，我们将这些通道上的业务用不同颜色的汽车表示。由于公路的宽度有限(小于2GHz)，在这有限的路宽上能够划分出来的通道就非常有限，划分的通道越多，单个通道的宽度就越窄，传输速度越低。因此，在现行的情况下或未来对信息量需求增大的情况下，不是感到因为频道资源不够造成的业务不能满足要求，就是感到信息传输的速度跟不上。
如图1所示，图1a表示传统的电力线网络的单向树型结构(图2)，网络中的所有用户分享这一相同树型网络及其带宽，在干线和每条支线上的车辆类型数量可以是相同的。
图1b表示现在实施的宽带网接入方式，由于很多用户共享有限的带宽资源，当同时使用网络的用户激增的时候，各种业务都在争抢着进入信息通道，在这条通道上业务十分繁忙，虽然可以采用正交频分复用方法，尽可能增加对有限频率资源的利用，但因为带宽很窄，常常会出现传输速度显著下降和信息阻塞。随着视频会议、可视电话、远程教育等业务的开展，对带宽的分配和要求越来越高，虽然可采用动态频率分配的智能调制解调器，动态分配各种业务需要的频率，但在现行情况下频率资源仍然是十分有限的。
图1c表示我们在树型结构的每个夫结点上(变压器、分支箱)进行改造，将各子结点上行的信息(或载波)利用层次多维频率技术通过调制和线性叠加，进入上一层次。将在干线和支线处设置双向分配器，上行时每个支线上的小汽车全部搭上运输小汽车的运输车上，这样在干线上就不会因为小汽车太多，造成拥挤和阻塞。下行的汽车我们利用层次多维频率技术将表示各种业务的小汽车分别搭载在专门运输小汽车的运输车上，到各干支线交接点，小汽车下车自己运行。
图1d表示原来单一的信息通道变成了立体信息通道，在一个信息通道的某一个频率上可以同时传输多个数字/模拟电台的节目、数字电视台的节目、数据中心的数据。
我们采用层次多维频率方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)。调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。其中待调制的频率有“k”个，即f1(1)至f1(k)，在1至k个频率中的第j个频率是f1(j)。相对原频率第n层调制的频率即为fn(1)至fn(k)，第j个频率在n层的调制结果fn(j)(图3)。
目前，电力线网络的利用的带宽一般是小于2MHz，扩频技术与4路电力线合用是当前解决电力线带宽有限和频率不足的主要方法。如果我们将4根电力线中的一根确定为上行线，其他三根为下行线，每根电力线的带宽确定为2MHz，以3KHz(起点频率9KHz)和5KHz(起点频率为15KHz)、10KHz(起点频率为30KHz)、20KHz(起点频率为60KHz)为频带宽度，利用层次多维频率构造技术，来计算在不同情况下可以利用的频率资源数(表1)。
表1在一维、二维和三维频率轴上一根电力线上支持的信道数的对比(高频2MHz)
由表1可见，层次多维频率的构造使得频率资源得到了极大幅度的提高，在频率资源足够的情况下，我们就可以增加带宽，提高传输速度。
图4为我们方案的构架之示意1。
(1)振荡器A与隔离器1、隔离器2、……隔离器n组成了一个载波。
(2)振荡器1与视频信号或语音信号组成了调制器1，调制器1的输出与振荡器A又组成了调制器2，振荡器2与视频信号或语音信号组成了调制器3，调制器3的输出与振荡器A又组成了调制器4，……。
(3)将调制器2、调制器4、……、调制器n的输出频率进行线性叠加。
需要满足的条件为振荡器A的振荡频率应大于等于3倍的调制器1、调制器2、……、调制器n中输出的最高频率。
(4)将若干个载频经过线性叠加，再经过调制，经电力线传输到接收端，在接收端进入与线性叠加相对应的线性分支器，将线性叠加的语音信号分路处理。
(5)选频放大器1、选频放大器3、……、选频放大器n，进行第一次选频，选频放大器2、选频放大器4、……选频放大器n进行第二次选频，两次选频放大的目的就是增加选频放大的效果。
(6)经过检波滤波器还原出原信号。
图5为我们方案的构架之示意2，表示了在m条频率轴中的某一频率轴上的某一个频率上的n个层次的频率资源层次的的复用方法。这样我们可以形象化地认为是利用一个载波同时传输data1、data2、……、datan，也可以利用其他频率的载波同时传输视频信号或语音信号1、视频信号或语音信号2、……视频信号或语音信号n。
如图6所示，对于data1、data2、……、datan在可以是模拟信息，也可以是数字数据。如果data1、data2、……、datan是模拟信息，可以经过模数转换转换成数字数据。图示的虚框第一部分增加层次多维频率形成部分，将载波fa、fb……fk数字化，即经过模数转换，这种模数/数模转换方式有多种，技术比较成熟。再将经过模数转换得到的数字信息发送，在发送端，将数据调制在载波上，利用四端网络将将载波耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端。在接收端，首先利用四端网络滤除电力线固有的50Hz的频率。再通过线性分支器，选频放大器和检波滤波器，将各个数据逐层还原出来。在虚框的第二部分，经过数模变换，再进行信息还原。当然，也可以对搭载多层信息(模拟/数字信息)的各层次的载波进行数字化、传输、数/模转换，到信息还原。
本发明的接收系统的关键点是在接收端利用“剥离器”，对层次多维频率调制波采用线性接收，带通滤波器(如选频放大器)，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波取出数据(信息)。具体的实施例为了证明上述的设计方案，我们进行了m条频率轴中第k一条频率轴上的载波fa同时对data1、data2、……、datan进行处理和传输样机研制。
振荡器产生的振荡频率为1.4MHz，振荡器1、振荡器2、振荡器3、振荡器4产生的振荡频率分别为100KHz、150KHz、200KHz、250KHz。data1、data2、data3、data4为可以为视频信号也可以为音频信号。
data1调制在100KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data2调制在150KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data3调制在200KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上；data4调制在250KHz上形成的调制波再调制在1.4MHz上。将上述所形成的调制波进行线性叠加。1.4MHz调制波都满足100KHz、150KHz、200KHz、250KHz调制波中的最大值的3倍。
在发送端，将数据调制在载波上，利用四端网络将将载波耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端。在接收端，首先利用四端网络滤除电力线固有的50Hz的频率。再通过线性分支器，选频放大器和检波滤波器，将各个数据逐层还原出来。
选频放大器1和选频放大器2分别进行两次选频选出100KHz的频率；选频放大器3和选频放大器4分别进行两次选频选出150KHz的频率，选频放大器5和选频放大器6分别进行两次选频选出200KHz的频率；选频放大器7和选频放大器8分进行两次选频选出250KHz的频率。(6)经过100KHz的频率、150KHz的频率、200KHz的频率和250KHz的频率的检波滤波分别还原出data1、data2、data3和data4。
权利要求
1．一种电力线网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制，分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上，再将被调制的载波直接或数字化后利用四端网络将将载波耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端，在接收端首先利用四端网络滤除电力线固有的50Hz的频率，利用“剥离器”，带通滤波器，逐层将层次多维频率剥离出来，最后经检波滤波还原出原信息。
2．根据权利要求1所述的电力线网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于层次调制的方法，即采用层次调制方法将许多待调制的频率分别调制到指定的调制层次和指定的频率上形成(f1→f2→f3→……fn)，即将若干个待调制的频率f1(1)至f1(k1)用调制器将它们逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第一层调制的f2(1)至f2(k2)，再将分别调制后的频率f2(1)至f2(k2)经过调制器将它们再次逐个调制在分别对应指定的任一个频率上，形成第二层调制的f3(1)至f3(k3)，以此类推经过n-1次的层次调制形成第n层调制的fn(1)至fn(kn)，调制后的频率fn(jn)大于等于调制前被调制频率fn-1(jn-1)的3倍即fn(jn)≥3fn-1(jn-1)。
3．根据权利要求1或2所述的电力线网络中层次多维频率的传输方法，其特征在于采用的调制器为调幅波调制器或调频波调制器或调相调制器或频率幅度兼调调制器。
4．根据权利要求1所述的电力线网络中层次多维频率传输方法其特征在于采用剥离器，即采用线性接收，带通滤波，检波滤波，分层剥离。
全文摘要
电力线网络中层次多维频率的传输方法是一种将多个待传输的信号频率叠加在一体进行传输的方法,采用层次调制的方法将多个待传输的信号频率经过重复的逐层调制,分别调制到指定的频率轴、指定的频率层次和指定的频率上,再将被调制的载波直接或数字化后利用四端网络耦合到220V或380V的电力线上传输到接收端。再利用四端网络滤除50Hz的固有频率。利用“剥离器”,带通滤波器,逐层将层次多维频率剥离出来,最后经检波滤波还原出原信息。
文档编号H04B3/54GK1305271SQ0110801
公开日2001年7月25日 申请日期2001年1月5日 优先权日2001年1月5日
发明者闾国年, 朱灿生, 袁惠仁, 叶春, 吴平生 申请人:南京师范大学, 朱灿生, 袁惠仁, 吴平生