(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性線−グランド回路を用いてデバイスに広帯域データを送信する方法であって、
インタフェースモジュール（３２）と前記中性線−グランド回路を結合することによってブレーカボックス（１４）を変更する工程と、
前記中性線−グランド回路の特定のデバイスに送信したインパルスのスペクトラルと該インパルスに対する当該デバイスからのインパルス応答スペクトルを比較することによって、データチャネルとしての前記中性線−グランド回路のインピーダンスの値を決定し、その後、インピーダンス特性を改善するようにインピーダンス値を調整し、要求されたデータレートで送信できるかどうかを決定することにより、前記中性線−グランド回路のインピーダンスの変化を補償するように前記インタフェースモジュールを構成する工程を備える方法。
【請求項２】
前記インタフェースモジュール（３２）内の変調器／復調器（５４）で利用可能な最も高い信号送信帯域の幅に等しいスペクトル占有域を持つ短パルスを前記中性線−グランド回路のデータチャネル上に送信するように、前記変調器／復調器に指示する工程と、トランシーバ（３８）を用いて、前記中性線−グランド回路のデータチャネル上の前記パルスをサンプリングする工程と、前記トランシーバで前記短パルスの電力スペクトル密度を計算する工程と、従来の低速信号送信方式を用いてスペクトル係数を前記インタフェースモジュールに報告する工程を備える、請求項１の方法。
【請求項３】
前記変調器／復調器で利用可能な最も高い信号送信帯域の幅と等しいスペクトル占有域を持つ短パルスを前記中性線−グランド回路のデータチャネル上に送信するように前記インタフェースモジュール（３２）内の前記変調器／復調器（５４）に指示する工程と、前記中性線−グランド回路のデータチャネル上のトランシーバ（３８）を用いて前記パルスを受信する工程と、前記トランシーバで受信した前記パルスを前記インタフェースモジュールに繰返し送り返す工程と、前記トランシーバから送り返された前記信号を、前記中性線−グランド回路のインピーダンスを決定するように処理する工程を備える、請求項１の方法。
【請求項４】
インピーダンスの変化を補償するように前記インタフェースモジュール（３２）を構成する前記工程は、多数の通信キャリヤ、即ち、複数の通信周波数帯域を調整する前記インタフェースモジュールの固定インピーダンス（６０）を切り替える工程をさらに備える、請求項１の方法。
【請求項５】
信号送信レートを決定する前記工程は、前記インタフェースモジュール（３２）を介して利用可能なデータレートを外部コントローラ（３４）に送信する工程をさらに備える、請求項１の方法。
【請求項６】
配線を介してデバイスと広帯域データ通信するために構造の電気配線内の中性線−グランド回路とインタフェースするように構成され、前記配線のためにブレーカボックス（１４）で、またはその付近で前記配線とインタフェースするようにさらに構成されたインタフェースモジュール（３２）であって、
前記中性線−グランド回路に接続された可変または固定インピーダンス（６０）源と、前記中性線−グランド回路とのカプラ（５２）と、
送信／受信されるデータをフォーマット化するように構成され、前記カプラにインタフェースされる変調器／復調器（５４）と、
前記中性線−グランド回路上の特定のデバイスに送信するインパルスを生成するように構成され、前記変調器／復調器とインタフェースされる音響器（５６）と、
前記音響器から送信したインパルスと当該デバイスからのインパルスに対する応答に基づいて前記中性線−グランド回路に加えられるインピーダンス値を決定するよう構成され、インピーダンス特性が改善されるように前記インピーダンス値を可変または固定インピーダンス（６０）源で調整するように前記音響器と前記可変または固定インピーダンスとインタフェースされる演算デバイス（５８）と、
前記演算デバイスとインタフェースされる入出力信号ポート（６４）と、
前記変調器／復調器とインタフェースされる入出力データポート（６６）を備えるインタフェースモジュール。
【請求項７】
前記演算デバイス（５８）は、前記入出力信号ポート（６４）を介して外部コントローラ（３４）から所望の信号送信レートを受信するように構成される、請求項６のインタフェースモジュール（３２）。
【請求項８】
データチャネルとしての前記中性線−グランド回路のデータレートを評価するように構成され、
前記変調器／復調器（５４）は、前記変調器／復調器で利用可能な最も高い信号送信帯域の幅と等しいスペクトル占有域を持つ短パルスを前記中性線−グランド回路のデータチャネルに送信するように構成され、
従来の低速信号送信方式を用いて、前記短パルスをサンプリングし前記短パルスの電力スペクトル密度を計算した前記中性線−グランド回路のデータチャネル上のトランシーバ（３８）からスペクトル係数を受信するように構成された、請求項６のインタフェースモジュール（３２）。
【請求項９】
前記中性線−グランド回路のデータチャネル上のトランシーバ（３８）から繰返し送り返された前記短パルスを受信し、前記中性線−グランド回路のインピーダンスを決定するように前記トランシーバから繰返し送り返されたパルスを処理するように構成された、請求項６のインタフェースモジュール（３２）。
【請求項１０】
前記インタフェースモジュールの前記可変インピーダンス（６０）源を、データキャリヤとしての前記中性線−グランド回路のインピーダンス特性を改善する値に調整し、
信号送信波形と、前記中性線−グランド回路のデータチャネルのスペクトル伝達関数とのスペクトルマッチングをとることによって、スペクトルウォターフィリングを行うように構成された、請求項９のインタフェースモジュール（３２）。
【請求項１１】
多数の通信キャリヤ、即ち、複数の通信周波数帯域を調整する前記インタフェースモジュールの固定インピーダンス（６０）を切り替え、
利用可能な最大データレートを前記インタフェースモジュールを介して外部コントローラ（３４）に送信するように構成された、請求項９のインタフェースモジュール（３２）。
【請求項１２】
設置された電気配線を通して広帯域データを伝送するように構成されたデータ伝送システムであって、
データチャネルとして構成された少なくとも一つの中性線−グランド回路と、
中性線（２２）とグランド（２４）が電気的に接続されているブレーカボックス（１４）と、
前記ブレーカボックスで、またはその付近で前記中性線−グランド回路とインタフェースするように構成されたインタフェースモジュール（３２）であって、該インタフェースモジュール（３２）は、
前記中性線−グランド回路に接続された特定のデバイスに送信したインパルスのスペクトラルと該インパルスに対する当該デバイスからのインパルス応答スペクトルを比較することによって、前記中性線−グランド回路のインピーダンス値を決定し、その後インピーダンス特性が改善される値に可変または固定インピーダンス（６０）源で調整し、要求されたデータレートで送信できるかどうかを決定するように構成される共に、
前記インタフェースモジュール内の変調器／復調器（５４）で利用可能な最も高い信号送信帯域の幅と等しいスペクトル占有域を持つ短いパルスを前記中性線−グランド回路に送信するように構成されている、前記インタフェースモジュール（３２）と、
外部コントローラ（３４）を備えるシステム。
【請求項１３】
前記インタフェースモジュール（３２）は、前記外部コントローラ（３４）から所望の信号送信レートを受信するように構成された、請求項１２のデータ伝送システム。
【請求項１４】
前記インタフェースモジュール（３２）は、から従来の低速信号送信方式を用いて前記短パルスをサンプリングし前記短パルスの電力スペクトル密度を計算した前記中性線−グランド回路のデータチャネルと結合されたトランシーバ（３８）スペクトル係数を受信するように構成された、請求項１２のデータ伝送システム。
【請求項１５】
前記インタフェースモジュール（３２）は、前記中性線−グランド回路のデータチャネルと結合されたトランシーバ（３８）から繰返し送り返された前記短パルスを受信し、前記トランシーバから繰返し送り返されたパルスを処理し、前記中性線−グランド回路のインピーダンスを決定するように構成された、請求項１２のデータ伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はデータ伝送に関し、特に住居用電気配線を利用した高速データ送信に関する。
【０００２】
【従来の技術】
住居全体にデータを高速伝送することによって、ホームセキュリティや家電制御等のホームオートメーションを行うことが容易となる。住居用電気システムを用いることによって住居内でデータ通信を行うことができる。たいていの場合、既存の建築住居では住居用電気システムの配線を利用することによって通信システムを設置できるというメリットがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
データ通信では、住居用電気システムを利用する代わりに専用データ配線を設置してもよいが、値段やその他の要因のため望ましくない。その他の要因としては、専用データ配線を設置することで既存の建築構造の領域を侵してしまうことであって、幅木や天井や壁沿いに見苦しく設置しなければならなかったり、既存の壁板やしっくい壁の裏側に設置しようとすると、壁に損傷を与えて修理が必要となってしまう。
【０００４】
住居用の電気配線システムの中性線−グランド回路を用いることによって住居用電気配線を介してデータを伝送できる。住居全体にデータを伝送する中性線−グランド回路を利用することは、ライン−グランド回路やライン−中性線回路を利用するよりもメリットがある。何故ならば、回路に電圧がかかることを回避できるからである。しかしながら、デバイスを回路に取り付けると回路インピーダンスが変化するので、ライン−グランド間やライン−中性線間のデータ伝送と同様に、中性線−グランド間のデータ伝送も複雑である。従って、データトランシーバが遭遇するインピーダンスは絶えず変化する。インピーダンスの変化は、最適な信号送信技術の特質や帯域幅やデータトランシーバのデータ伝送容量にも影響を与える。
【０００５】
中性線−グランド回路のインピーダンスを周期的に診断して、検出されたインピーダンスの変化を補償できることが望ましく、これによって、その回路が広いデータ帯域幅を維持することが可能となるので、殆どの既存の建築物に利用可能であって専用データ配線の設置に必要な低コストで信頼性のある高速データ伝送媒体を提供できる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
模範的な一実施形態では、 中性線−グランド回路を用いて広帯域データを送信する方法には、中性線−グランド回路とインタフェースするように構成されたインタフェースモジュールによってロードセンタを変更する工程と、中性線−グランド回路内のインピーダンスの変化を補償するようにインタフェースモジュールを構成する工程が含まれる。
【０００７】
住居内の回路用ブレーカボックスはロードセンタの一例である。インピーダンスを中性線−グランド回路に接続してデータ伝送特性を改善することによって、その回路のインピーダンスの変化を補償するようにインタフェースモジュールが構成される。中性線−グランド回路のインピーダンスが変化するとき、インタフェースモジュール内で接続されたインピーダンスを変更することによってデータ伝送特性を維持することができる。また、インタフェースモジュールは、中性線−グランド回路を介してデータを送受信するためのインタフェースとしても使用できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は住居用配線回路の概略図１０である。通常、電力は地下等を通って給電器から供給され、電気メータ１２から顧客の住居や会社に電力が供給される。その電気メータから顧客の住居内に電気配線が施されている。通常、住居内にはロードセンタ１４がある。これは、ヒューズボックス、あるいはブレーカボックスとも呼ばれ、住居全体に送電するために、供給する電力が個別の回路に分配される。供給された電力は複数のブレーカ１６で分配され、住居の複数のコンセント１８に送電される。図１は簡略図であるが、住居全体への送電は用途毎に行われる。例えば、オーブンへの回路を独立した１つの回路としたり、また、一部屋以上の寝室の複数の壁コンセントを別の独立した回路としてもよい。ほとんどの電気システムは、ライン２０と中性線２２とグランド２４として個別に指定される３線デザインである。設置のほとんどの場合、ロードセンタ１４内に中性線２２とグランド２４が電気的に接続される、即ち、「結ばれる」。ロードセンタ１４から中性線２２とグランド２４を個別に住居全体に配線すると、中性線２２とグランド２４の間でインピーダンスが発生することがある。これは、住居に電気配線するために必要な配線が長かったり、照明や家電やテレビやコンピュータ等を備える個々の回路の負荷が原因となる。
【０００９】
図２は、高速データ伝送システムの一実施形態を含む住居用配線回路３０の概略図である。概略図１０（図１に示す）の構成要素と同じものについては、図２の回路３０では図１と同じ符号が用いられている。さらに、図２には、インタフェースモジュール３２と、データトランシーバ／外部コントローラ３４と、中性線−グランド回路を介してコントローラ３４と通信するように構成されたデータ依存デバイス３６と、中性線−グランド回路を介してコントローラ３４と通信するように構成されたトランシーバ３８が含まれる。図２に示すように、一実施形態では、インタフェースモジュール３２は物理的にロードセンタ１４に配置される。その代わりに、インタフェースモジュール３２をロードセンタ１４の外部に配置してもよい。
【００１０】
インタフェースモジュール３２は、中性線−グランド回路のインピーダンスの変化を補償するように構成されている。一実施形態では、インタフェースモジュール３２は、データチャネルとして中性線−グランド回路のデータレートを評価し、信号送信レートを決定する。データレートの評価には、以下で説明する方法を用いて、中性線−グランド回路のデータチャネルのインピーダンスを周波数の関数として決定する工程が含まれる。
【００１１】
図３は、本発明の一実施形態にかかる住居内の中性線−グランド回路のインピーダンスを決定して調整するように構成されたインタフェースモジュール３２のブロック図である。インタフェースモジュール３２は、データの送信／受信のために中性線−グランド回路に結合されるカプラ５２を備える。一実施形態では、カプラ５２は絶縁形変成器である。別の実施形態では、カプラ５２は静電結合デバイスである。カプラ５２に関するその他の実施形態では、信号データを中性線−グランド回路に転送するように構成されたデバイスを有するものもある。
【００１２】
インタフェースモジュール３２は、送信／受信されたデータをフォーマット化する変調器／復調器５４をさらに備える。一実施形態では、変調器／復調器５４は電圧制御発信器（不図示）を備えて、中性線−グランド回路に伝送できる信号送信波形を生成する。別の実施形態では、受信した信号を直交成分の集合に変換する櫛形フィルタ（不図示）が、外部処理する中性線−グランド回路から受信したデータを復調する。しかしながら、変調器／復調器５４には、ＣＥバスやＲＳ−２３２等のデータ送受信プロトコル用の信号送信波形の生成や受信が可能な複数のデバイスが含まれる。
【００１３】
また、上述したように、インタフェースモジュール３２は、中性線−グランド回路に伝送するための短いパルス、即ち、インパルスを生成するように構成された音響器５６を備える。さらに、音響器５６は、中性線−グランド回路からインパルス応答を受信する。また、送信されたインパルスのスペクトラルとインパルス応答スペクトルを比較することによって、中性線−グランド回路の伝送特性を確かめることができる。受信したインパルス応答と音響器５６によって生成されたインパルスを比較することによって中性線−グランド回路に対して加えられる、もしくは、減じられるインピーダンス値を決定するようにインタフェースモジュール３２内の演算デバイス５８は構成されている。一実施形態では、演算デバイス５８はマイクロプロセッサに基づくものであって、上述したインパルス応答に基づいて中性線−グランド回路に必要なインピーダンス値を決定するプログラムを実行するように構成されている。
【００１４】
可変または固定インピーダンス６０には、演算デバイス５８から受け取ったコマンドに従って中性線−グランド回路に適用される抵抗性負荷と誘導性負荷がある。インタフェース６２は、入出力（Ｉ/Ｏ）信号ポート６４と入出力（Ｉ/Ｏ）データポート６６を有する外部コントローラ３４（図２に示す）に接続されている。Ｉ/Ｏデータポート６６は、外部コントローラ３４へのデータインタフェースとして用いられる。Ｉ/Ｏ信号ポート６４は、演算デバイス５８へのポートである。Ｉ/Ｏ信号ポート６４を介して、外部コントローラ３４は、中性線−グランド回路の所望のデータレートをインタフェースモジュール３２に送信して、上述したようなインタフェースモジュール３２の動作を開始させる。また、Ｉ/Ｏ信号ポート６４は、中性線−グランド回路のデータレートを外部コントローラ３４に送るポートであり、また、このデータレートは演算デバイス５８によって計算されたインパルス応答特性と適用されたインピーダンスに基づくものである。
【００１５】
上述したように、インタフェースモジュール３２を利用して中性線−グランド回路のデータチャネルの伝送特性やインピーダンスを決定する一つの方法としては、演算デバイス５８からのコマンドに基づいて、変調器／復調器５４へ信号を送信する音響器５６がある。これにより、利用可能な最も高い信号送信帯域の幅に等しいスペクトル占有域を持つ短いパルスを中性線−グランド回路のデータチャネルへカプラ５２を介して送信することができる。次に、この方法では、トランシーバ３８（図２に示す）を用いてパルスをサンプリングし、トランシーバで短パルスの電力スペクトル密度を計算し、従来の低速信号送信方式を用いてスペクトル係数をインタフェースモジュール３２に報告する。演算デバイス５８は、記録されたスペクトル係数を用いて中性線−グランド回路のインピーダンスを決定する。
【００１６】
インタフェースモジュール３２を用いて中性線−グランド回路のインピーダンスを決定する他の方法としては、上述したような短いパルスをトランシーバ３８に送ったり、中性線−グランド回路を介してトランシーバ３８に送信したりする方法がある。トランシーバ３８は送信されたパルスを受信し、受信したパルスを中性線−グランド回路を介してインタフェースモジュール３２に戻すように構成されている。インタフェースモジュール３２は、トランシーバ３８から受信した信号を演算デバイス５８を用いて処理し、中性線−グランド回路のインピーダンスを決定するように構成されている。送信された元のパルスの成分の変化に基づいてこのような決定がなされる。例えば、中性線−グランド回路のインピーダンス特性によって、パルスから特定の周波数成分が失われることがある。
【００１７】
中性線−グランド回路のインピーダンスを決定した後で、インタフェースモジュール３２は中性線−グランド回路が外部コントローラ３４から要求された速度でデータ送信できるかどうかを決定するように構成されている。可変インピーダンス６０を、データキャリヤとしての中性線−グランド回路のインピーダンス特性が改善される値に調整することによって、中性線−グランド回路のインピーダンスの変化を補償するように演算デバイス５８は構成される。インピーダンスを調整することによってデータ伝送の信頼性を改善する一つの方法であるヒルクライミング法は、本技術分野では周知のものである。
【００１８】
インタフェースモジュール３２は、ヒルクライムするように構成することができる。尚、ヒルクライミングとは、簡単に説明すると、複数の入力変数を選択して複雑な非線形関数を最大化することによって、多入力関数を最適化する技術である。一実施形態のインタフェースモジュール３２は、必要に応じて、関数に対する初期入力値集合を選択するように構成されている。尚、この初期入力値集合は、可変インピーダンス６０内の抵抗器やコンデンサやインダクタ等の調節可能な離散素子の集合に基づくインピーダンスである。この関数は、関数に入力させるために選択されたインピーダンスに基づいて評価され、関数からの出力値は保存される。これらの関数から出力された値が既知の値となる。
【００１９】
次に、関数への入力値に、ランダムもしくは決定論的な摂動が与えられるが、これは、一つずつもしくは複数の入力単位で行われ、入力インピーダンスの新たな値集合に対する関数値が計算、もしくは、測定される。もし関数値が以前の既知の値よりも所望の値に近ければ、新しい入力変数集合が新しい最適な入力インピーダンス集合として採用され、関数値の新しい値が新しい既知の値となる。
【００２０】
結果的に新たに既知の値となった入力変数に対する摂動は、ヒルクライミングの方向とみなされ、この方向は既知の値に対する極大値を求めるために探索される。可変インピーダンス６０に対して、その値は広帯域幅で複雑なインピーダンス値や振幅値や位相値であってもよい。例えば、二分検索や、周波数依存性インピーダンス曲線と注目のスペクトルでの所望のインピーダンス曲線間の最小二乗法によるフィッティング等の一連の公知の方法によって、極大値の検索が行われる。
【００２１】
一旦極大値が求められると、新しいヒルクライミングの方向がランダムもしくは決定論的に選択されて処理が繰り返される。ヒルクライミングのアプローチは計算期間や反復数の制限や他の制限要因を満たすまで続く。
【００２２】
データ伝送特性を改善するためにインタフェースモジュール３２内の可変インピーダンス６０を調整する一つの方法として、スペクトルウォターフィリングという方法がある。尚、この方法は、中性線−グランド回路のデータチャネルのスペクトル伝達関数と信号伝送波形間のスペクトルマッチングである。データチャネルの雑音電力スペクトル密度が推定され、測定されたチャネルインピーダンス伝達関数を適切に調整した後でウォターフィリングが実施される。
【００２３】
別の方法では、演算デバイス５８が最大信号送信レート、即ち、最大データレートを決定し、中性線−グランド間の現在のインピーダンスによって、その情報がサポートされ、外部コントローラ３４にそれが転送される。
【００２４】
別の一実施形態では、固定インピーダンスを中性線−グランド回路に導入することができる。多くの通信キャリヤ、即ち、複数の通信周波数帯域を調整するように中性線−グランド回路を構成するインタフェースモジュール３２の固定インピーダンス６０を切り替えることによって、中性線−グランド回路のインピーダンスの変化を補償するようにインタフェースモジュール３２を構成することができる。
【００２５】
以上説明された方法及び装置は住居用配線とデータ伝送に関するものであるが、住居用はここで説明された実施形態の一適用例であって、実施形態を制限するものではない。ここで説明された実施形態は、これに限定されるわけではないが、商業用や産業用の電気配線の設置を含むその他の用途にも同様に適用できる。また、利用可能なデータ伝送プロトコルは実施形態では詳しく説明されていないが、どのような通信プロトコルでも電力線用中性線−グランド回路に適応させることができる、即ち、それを橋渡すことができる。例えば、電力線用モデムを持つコンピュータ等のゲートウェイデバイスを用いてイーサネット通信は中性線−グランド回路に橋渡される。
【００２６】
本発明は様々な特定の実施形態で説明されたが、当業者であれば、請求項の精神と範囲の中で本発明を変更して実施できることがわかっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ロードセンタを含む住居用配線回路の概略図である。
【図２】図２は、高速データ伝送システムの構成要素を含む住居用配線回路の概略図である。
【図３】図３は、中性線−グランド回路のインピーダンスを調整するように構成されたインタフェースモジュールのブロック図である。
【図１】
0004437205.tif 000002
【図２】
0004437205.tif 000003
【図３】
0004437205.tif 000004