摘要：在“电力载波通信原理”课程教学改革实践中，在原有教学内容体系上增加了新的知识点，主要是现代反馈控制理论在电力载波通信中的应用，很好地体现了理论与实践的结合，提高了学生的创新能力、分析和解决工程实践问题的能力。
关键词：电力线载波通信；自动增益控制；自动电平控制；直流伺服环路
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）11-0069-02
“电力载波通信原理”是讲授电力系统利用电力线传输语音和数据的基本理论及实现方法的课程，[1]是电力通信专业重要的专业课，包括理论教学和实验环节。该课程在介绍通信原理的基础上讲述了电力通信相关知识，如电力线载波通信原理等。随着科学技术的发展，多学科交叉渗透，该课程内容有了较大充实。为了在有限的学时中引导学生尽快入门，提高学生的理论分析能力与实践能力，笔者引入了一些新的理论和方法，在理论教学和实验教学两个方面进行了一定的探索和研究。本文以幅度反馈理论的应用为例介绍了现代反馈控制理论在电力载波通信中的应用。
一、幅度反馈理论在电力线载波通信中的应用
在载波通信原理教学中有一个重要的知识点是稳定电力线载波信号幅度的理论和方法，其主要内容包括电力线载波信号稳幅的基本原理（主要是自动增益控制原理）、幅度反馈稳定性分析和工程实现方法。课程中介绍了较多的基本原理，但对反馈稳定性分析和工程应用的介绍较少。学生在实现与此相关的课题时（如“简易电力线载波机设计”课程设计），一般采用教科书上介绍的自动增益控制（AGC）电路，但载波信号的幅度不是特别稳定，而且不能准确地设置和控制载波功率的大小。[2]
为了解决该问题，在课程教学中应注重启发学生利用现代反馈控制理论改进实验电路：将自动增益控制电路改进为自动电平控制（ALC）电路，在单片机的控制下成功地实现载波功率的设置；为了解决ALC电路中运算放大器的失调电压、失调电流、温度漂移等因素对载波功率稳定性的影响，引导学生拓宽思路，在ALC电路中采用锁相环中广泛应用的有源比例积分放大器代替一般AGC电路中的固定增益放大器。理论和实践证明，改进后的电路不仅带来了更好地稳定载波幅度的效果，而且能够实现载波幅度的精确控制和显示。
二、改进前的电路——AGC电路
1.AGC电路简介
传统电力线载波机中的AGC电路原理如图1所示。
图1所示的AGC电路中的反馈网络由检波器、低通滤波器和直流放大器组成。检波器检测出载波输出信号振幅（有效值电平或峰值电平），经低通滤波器滤去不需要的高频分量，然后进行适当放大后控制可变增益放大器的增益。反馈网络设计的原则是：当载波输出信号幅度增大，检波器检测出的信号也随之增大，直流放大器产生一个较小的电压，控制可变增益放大器的增益趋于减小；反之当载波输出信号幅度减小，检波器检测出的信号也随之减小，直流放大器产生一个较大的电压，使可变增益放大器的增益趋于增大。[1]无论何种情况，通过环路不断地循环反馈，使得载波输出信号幅度保持不变或仅在较小范围内变化。
由于电力线载波通信需要采用调幅技术来传输信息（语音和数据），因此环路中的低通滤波器非常重要。由于发射功率变化、距离远近变化、电波传播衰落等原因引起的信号强度变化是比较缓慢的，所以整个环路应具有低通传输特性，这样才能保证AGC电路仅对载波信号电平的缓慢变化有控制作用。[3]当载波输入信号为模拟调幅信号或数字基带调幅信号（ASK）时，为了使调幅波的包络变化不被AGC电路的控制作用抵消，必须恰当选择低通滤波器的频率响应特性，使其对高于某一频率的调制信号的变化无响应，而仅对低于这一频率的缓慢变化有控制作用，这主要取决于低通滤波器的截止频率。
2.AGC电路的缺陷
图1所示的AGC电路有以下缺陷：一是载波放大器的输出幅度不够稳定；二是不能准确的设置和显示载波信号的输出幅度；三是在稳定幅度的过程中容易产生过冲现象。
产生第一个现象的原因是不仅反馈网络中的检波器存在较严重的温度漂移现象，运算放大器也存在温度漂移、失调电压、失调电流等各方面的影响。由于直流放大器具有固定的增益，上述现象造成的电压变化被直流放大器固定放大因而产生变化的控制电压，造成载波信号幅度的波动。造成第二个现象的原因是反馈网络中缺少一个可变的参考电压，无法对载波放大器的输出幅度进行准确的比较和判断（有一些电力线载波机的AGC电路中包括一个参考电压，但通常是固定电压，不能作为可变的电压参考）。第三个现象的产生是反馈网络中的低通滤波器造成的，由于低通滤波器的截止频率设计的相当低（为了适应低速率基带信号的传输，这一点是绝对必要的），而带宽很窄的低通滤波器的瞬态特性往往很差，当载波信号幅度瞬间产生变化时，低通滤波器的响应较慢且有明显的充放电过程，因此带来载波信号幅度的起伏。[4]为解决上述缺陷带来的问题，考虑采用ALC电路取代AGC电路。
三、改进后的电路——ALC电路
1.经典ALC电路简介
经典ALC电路原理如图2所示。
与图1所示的AGC电路相比，图2的ALC方案作了两个重要改进：一是用瞬态特性良好的Bessel低通滤波器取代普通的低通滤波器，用以改善载波输出信号的瞬间起伏；[4]二是用积分器取代固定增益的直流放大器，同时由单片机控制的DA变换器产生一个可变的参考电压UR作为积分器的电压基准，从而将载波幅度的稳定过程转变为动态调节过程。这样有两个优点：一是无论反馈网络中的检波器或运算放大器性能如何，只要参考电压UR稳定且积分器本身失调小，载波输出信号幅度都能实现稳定；二是改变参考电压UR的大小可以达到新的动态平衡，从而实现载波信号幅度的程控。
ALC电路的工作原理是：载波输出信号首先经检波器检测出信号的包络电平，该信号经低通滤波器滤去不需要的高频分量后送到积分器的反相端（通常是直流电压），将可变的参考电压UR加到积分器的同相端作为积分电压基准；当载波输出信号幅度增大时，加到积分器反相端的直流电压也随之增大，若该电压大于参考电压UR，积分器输出一个负斜率的电压（积分器反相积分），这个电压作用到可变增益放大器上，使可变增益放大器的增益趋于减小，载波输出信号幅度随之减小；当载波输出信号幅度减小时，加到积分器反相端的直流电压也随之减小，若该电压小于参考电压UR，积分器输出一个正斜率的电压（积分器同相积分），这个电压作用到可变增益放大器上，使可变增益放大器的增益趋于增大，载波输出信号幅度随之增大。这两种情况下，加到积分器反相端的直流电压都以参考电压UR的大小为平衡点来变化。若环路参数设计适当，最终使得加到积分器反相端的直流电压等同于参考电压UR，载波信号幅度保持不变。由此可见，改变参考电压UR的大小可以达到新的平衡点，从而可以实现载波信号幅度的程控和显示。
2.经典ALC电路的缺陷和解决方法
采用积分器取代固定增益直流放大器来实现载波信号幅度的自动控制会带来一个问题，即载波信号幅度会出现低频的周期性起伏过程。其原因是积分器的输出是以参考电压UR的大小为平衡点，是一个动态调节的过程，若电路形式不合适或环路参数设计不当往往造成载波信号的幅度不能稳定在平衡点上而是围绕着平衡点周期性的振荡，造成载波信号幅度的不稳定，[4]这一问题也常常出现在锁相环的工作工程中。
为了解决该问题，考虑采用带阻尼的有源比例积分放大器代替普通的积分器，具体电路如图3所示，[4，5]在此采用的是二阶有源比例积分放大器。
为了兼顾数据通信的要求，积分器设计了两种不同的低频截止频率，分别是200Hz和1.5KHz，用电子开关进行切换。电路参数需要根据要求进行设计，一是积分器的两组时间常数τ11、τ12和τ21、τ22，通过时间常数可以计算出电路中各个元件参数并验证低通滤波器的截止频率fc1和fc2，不能大于要传输的语音和数字基带信号的速率；二是根据理论分析确定阻尼常数ξ，由ξ的大小可以评估积分器的稳定性。在具体电路中，采用电位器W1来调节阻尼常数ξ，通过电位器的调节，学生能够观察到载波信号幅度的低频起伏过程及消除过程。
3.二阶有源比例积分器的理论计算
二阶有源比例积分器的理论计算不是一个复杂的课题，由于应用环境是电力线载波通信，所以需要考虑电力线载波通信的具体要求。对于兼顾语音通信（载波电话）和数据通信（数据传输和抄表）的电力线载波机，其语音通信最低频率为300Hz，最高频率为3.3KHz，数据传输的最低速率为640B/s，最高速率为8KB/s，[6]根据这项要求确定二阶有源比例积分器的最小带宽约为200Hz；在应用于高速率数据传输时，由于占用带宽更宽，为了保证数据传输的质量，将二阶有源比例积分器的带宽设计为1.5KHz，两者采用电子开关进行切换。电路中元件参数的设计过程如下：
3）计算τ12：根据τ12=2ξ/ωn，计算得τ12=4.6ms，再根据τ11=R2C1，求得R2约为1KΩ。
（2）1.5KHz带宽的相关参数计算。1.5KHz带宽相关参数的计算与200Hz带宽计算过程相似，在此环路带宽ωc=2288rad/s。由于环路带宽的增加，电容C2的数值应当相应减小，调整为0.1uF。计算结果是：τ21=190us，R1约为2KΩ；τ22=613us，R3约为6.2KΩ（应用时为了切换带宽方便，将两种带宽共用一个电阻R1，这也是调整电容大小的依据之一）。最终确定的各项参数如图3所示。
四、结论
本设计的内容和难度已超出本科生教学大纲的要求，在指导教师的启发和帮助下，学生能够发挥主观能动性，通过查阅并借鉴参考文献，完成对系统模型、控制方法、系统设计、电路仿真及实物制作的流程，进行一次较系统的科技方法训练。在整个课题设计和制作阶段，学生们不仅巩固了理论教学的内容，还自发融入了其他课程及参考资料中的方法，真正得到了一次理论与实际相结合的锻炼。
参考文献：
[1]孙同景.PLC原理及工程应用[M].北京：机械工业出版社，2008.
[2]刘晓胜，胡永军，张胜友.低压配电网电力线载波通信与新技术[J].电气应用，2006，25（2）：5-7.
[3]B.Williams，Fred J.Teaylor.电子滤波器设计[M].宁彦卿，姚金科，译.北京：科学出版社，2008.
[4]许建军.数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2012.
[5]王思彤，袁瑞铭，孙志杰.低压电力载波技术及其在抄表系统中的应用[J].电测与仪表，2008，45（507）：31-34.
[6]罗汉武，蔡伟，乐健.电力线载波通信信道特性的影响因素分析[J].电力系统保护与控制，2013，41（7）：73-78.
（责任编辑：孙晴）
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