DZ136電力線載波調制解調器設計,DZ136,電力線,載波,調制解調器,設計 西南科技大學本科生畢業(yè)論 IV 電力線載波調制解調器設計 摘要：電力線網(wǎng)絡的特點是它覆蓋的范圍非常廣，各種建筑物內都有接入。與常見的 Internet不同，電力線通信（Power-line communication）由于通信線路的特點，是一種近距離的通信方式，它適合“最后一英里”（last mile）的通信接入。而調制解調技術決定了電力線通信的傳輸速率、傳輸距離和抗干擾能力，它是電力線通信實現(xiàn)的關鍵。 本次設計主要涉及電力線載波調制解調器的相關內容，本文通過對電力線信道的初步分析，提出了適合電力線通信的具體實現(xiàn)方案。文章詳細介紹了基于FSK調制方式的電力線載波調制解調器的硬件設計，設計內容包括電力線耦合接口的設計、調制解調器的設計和控制器的相關設計等。 通過分析和調試，設計實現(xiàn)了電力線調制解調器（Modem）的相關功能，各項技術指標也達到最初設計任務要求。 關鍵詞：電力線通信；FSK；調制；解調；Modem The Design of Power Line Carrier Modulator and Demodulator Abstract: The greatest advantage of the power-line network is that it covers a very wide range. Various buildings have power lines access. Different from the common Internet,because of its communication character, the PLC (Power-line communication)is a short-distance correspondence, it suits to the “l(fā)ast mile” communications access. The technology of modulation and demodulation have an effect on the PLC’s transmission speeds, transmission distance and anti-jamming capabilities, The technique is the key to realize Power-line communication. The design mainly concerns on the content of power line carrier modulator and demodulator, the paper through primarily analyzing the power line channel, puts forward the specific implement proposal which suits to the power-line communication. The article introduces the hardware design of power line carrier modulator and demodulator in detail which is based on FSK modulator mode, the design content including the design of power-line coupling interface ,modem and the controller. Through analyzing and debugging, the design realizes the related function of power-line Modem, Various technical indicators have reached the initial design tasks . Keywords: Power-line communication（PLC），F(xiàn)requency Shift Keying (FSK)，Modulation，Demodulation, Modem 目 錄 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1 電力線通信概述 1 1.1.2 電力線通信在國內外的應用研究現(xiàn)狀 1 1.1.3 電力線通信前景展望 2 1.2 論文內容及主要工作 3 1.3 論文結構安排 4 第2章 電力線信道分析及調制解調器方案設計 5 2.1 電力線信道噪聲分析 5 2.2 電力線信道衰減分析 6 2.3 系統(tǒng)方案的論證設計 7 2.3.1 電力線信道結果分析 7 2.3.2 調制方式的選擇 8 2.3.3實現(xiàn)調制的方案選擇 9 第3章 電力線調制解調電路設計 13 3.1 FSK介紹 13 3.2 FSK調制電力線通信系統(tǒng)性能分析 15 3.2.1 電力線通信系統(tǒng)模型 15 3.2.2 FSK調制電力線通信系統(tǒng)性能分析 19 3.3 調制解調器電路設計 21 3.3.1 調制解調器核心器件AM7910介紹 21 3.3.2 Modem的工作機理 22 3.3.3 由AM7910為主體組成1200 bit／s的Modem 23 3.4 耦合電路設計 24 3.5 調制解調器的串口電路設計 25 3.5.1 使用串口通信的原因 25 3.5.2 RS-232的電器特性 26 3.5.3 調制解調器的串行接口電路的設計實現(xiàn) 27 3.6 電源模塊電路設計 27 3.7 晶體振蕩器電路設計 28 3.8 控制電路設計 29 第4章 調試報告 31 4.1 調試步驟 31 4.2 PCB設計缺陷 32 4.3 測試結果 33 4.3.1 測試晶體波形 33 4.3.2 AM7910的各點電位測試結果 35 4.3.3 功能測試結果 35 4.4 調試中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及分析 36 4.5 調試結論和設計優(yōu)化 37 總 結 39 致 謝 40 參考文獻 41 附錄1 Modem設計原理圖 42 附錄2 Modem設計PCB圖 43 附錄3 Modem設計實物圖 44 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 第1章 緒 論 1.1 課題背景 1.1.1 電力線通信概述 PLC (Power-line Communications)就是以電力線作為通信媒介的一種通信方式。電力線本身并不是一種理想的通信介質，但隨著電力線載波通信技術的不斷進步，特別是調制技術及微電子技術的發(fā)展，使得PLC的實用化成為可能。最早的PLC 實用技術是一種稱之為“脈沖控制”的通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供速率極低的單向通信，主要用于路燈及負荷控制。20世紀50年代以來，人們開始研究電力線（主要為高壓）頻率范圍為5kHz～500kHz的特性，并在此基礎上開發(fā)了電力系統(tǒng)調度通信及廣泛使用的電力線載波機。20世紀90年代以來國外開始研究電力線（主要為低壓及中壓）頻率范圍為2MHz～80MHz的高頻特性，并在此基礎上開發(fā)了實用的高速PLC產(chǎn)品及系統(tǒng)。當前已有多種高速PLC產(chǎn)品及系統(tǒng)在家庭聯(lián)網(wǎng)、高速Internet接入、智能家居等方面得到了廣泛應用。 1.1.2 電力線通信在國內外的應用研究現(xiàn)狀 上個世紀，北美的電力公司就開始應用低頻率、低速率、異步傳輸?shù)腜LC技術，來實現(xiàn)電力線載波遠程控制（如路燈控制、發(fā)電機控制等）和語音傳輸?shù)裙δ堋Ｔ诮?5年中，PLC技術的應用仍集中在電力線自動抄表(AMR)、用電負荷控制和供電管理、設備保護與監(jiān)控等領域。只是在近幾年，隨著使用高頻率(3～30MHz)、高速率同步傳輸?shù)腜LC技術的研發(fā)，以及隨著Internet對“最后一英里”的高速寬帶接入的日益增長需求，PLC技術才擺脫了僅僅作為電力系統(tǒng)的一類控制工具的局限，而走向無限廣闊的Internet寬帶通信的市場，成為很有競爭力的、潛力較大的寬帶接入方式之一。目前，美國的PLC技術公司基本上是在兩大發(fā)展方向上研發(fā)電力線通信的解決方案，即戶內組網(wǎng)方案和戶外接入方案。戶內組網(wǎng)方案是低壓(LV.PLC)解決方案，即在住宅或商業(yè)樓宇內，通過戶內低壓電力線路和電源插座作為傳輸介質和節(jié)點，組建內部局域網(wǎng)(LAN)。該方案解決寬帶通信的“最后100米”問題。戶外接入方案是一個從中壓(MV.PLC)到低壓(LV.PLC)的解決方案，即以傳統(tǒng)的通信方式(如光纖)接到變電站，從變電站到下屬的各個低壓變壓器，通過中壓輸電線建立寬帶傳輸骨干網(wǎng)絡，再連通變壓器以下的低壓線作為傳輸支線，最終接入戶內計算機。該方案解決寬帶通信的“最后一英里”(1ast mile)問題。 目前，國外PLC研究的重點主要是以下幾個方面： （1）信道傳輸特性 （2）信道噪聲特性 （3）信道電磁兼容特性 （4）信道調制編碼及處理 目前高速PLC主要用于家庭、小型辦公室聯(lián)網(wǎng)及高速接入。PLC在家庭、辦公室聯(lián)網(wǎng)應用中，通過多個高速PLC-Modem組成內部網(wǎng)絡，并可通過PLC-Modem共享外部ADSL、無線局域網(wǎng)等寬帶Internet接入。在國外，已有數(shù)百萬電力線高速通信產(chǎn)品用于室內、辦公室聯(lián)網(wǎng)，電力線高速接入在多個國家已達數(shù)百個試驗網(wǎng)絡，主要應用于歐洲和美國等。 1.1.3 電力線通信前景展望 21世紀是國際互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和速度發(fā)展最快的年代，其用戶增長數(shù)量每年都在以指數(shù)形式增長，從最初的高科技數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)展成為人們工作、學習、生活中必不可少的桌面工具。據(jù)有關市場研究公司預測，在2007年之前中國的寬帶用戶數(shù)量將達到5450萬戶，面對如此巨大的寬帶用戶市場，PLC的發(fā)展拉動了網(wǎng)絡向千家萬戶的覆蓋。PLC技術施工方便、使用靈活，能夠利用已有的電力網(wǎng)這一廣泛的基礎設施把寬帶網(wǎng)絡接入到每個家庭，省去在接入方式上的重復建設，對于推進我國數(shù)字化進程必將產(chǎn)生積極的作用。同時，PLC技術在遠程抄表、配網(wǎng)自動化、營銷自動化、負荷管理等方面的廣泛應用，將為實現(xiàn)我國的電網(wǎng)配售自動化、建設電力信息化平臺，提供一個良好的網(wǎng)絡基礎和解決方案。 然而，由于PLC技術的傳輸速度和傳輸距離有一定限制，它的主要用途不是核心主干網(wǎng)絡，而是通信網(wǎng)的外圍和末端。發(fā)展PLC技術的目的，不是取代光纖通信接入以及ADSL等其它寬帶接入技術，而是作為以上技術的互補，在特定應用場合發(fā)揮各自的長處，為國家信息化建設節(jié)省投資，給廣大網(wǎng)民帶來利益。PLC在末端用戶接入(最后100米接入)，即從樓內總配電室到每個家庭及入戶后采用任意電源插座即能實現(xiàn)連接等功能，具有明顯的優(yōu)勢。為此，末端接入的優(yōu)勢必將給已經(jīng)有寬帶網(wǎng)絡運營基礎的電信運營商和寬帶接入服務商提供了增加用戶接入率的商機。此外，低壓寬帶PLC技術也日益得到國內外科研機構的重視，國家電網(wǎng)公司已經(jīng)立項，研究利用低壓電纜作為高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路，既可以解決電力系統(tǒng)配網(wǎng)自動化通道問題，又為廣大農(nóng)村用戶及西部地區(qū)提供一個節(jié)省投資的通信傳輸方式。相信隨著PLC技術標準的制定，PLC產(chǎn)業(yè)鏈的形成，PLC事業(yè)必將走向健康有序的發(fā)展道路。 1.2 論文內容及主要工作 目前，國內電力線通信的研發(fā)和應用與國外還有一定距離，主要的原因是國內電網(wǎng)與國外的情況有很大不同，從國外引進的電力線通信芯片不能完全適應國內的實際情況。但是，在特定的環(huán)境中、一定距離內，選擇恰當?shù)碾娏€通信芯片，并根據(jù)實際環(huán)境設計合理的耦合接口，電力線載波通信是可能的。 電力線通信與其他通信方式一樣，在發(fā)射端都是將基帶信號通過某種方式的調制，轉換成更適宜在信道中傳輸?shù)男盘柌⒔?jīng)過放大后，再通過電力線耦合接口發(fā)射到電網(wǎng)中；在接收端，從耦合接口接收到電網(wǎng)中的調制信號，先經(jīng)過濾波處理，再進行放大，最后送入解調器解調輸出。 在我的的課題中，重點研究一端發(fā)射信號、另一端接收信號的低壓窄帶電力線通信模塊，如圖1-1所示。但在實際設計過程中，是將發(fā)射機與接收機集成在一起，工作模式通過硬件轉換。因此發(fā)射端與接收端的硬件實現(xiàn)方法相同。 電力線 接收機 計算機及終端設備 控制器 放大/濾波 接口 接口 濾波/放大 解調器 控制器 串口 串口 調制器 計算機和終端設備 發(fā)射機 圖1-1 電力線調制解調設計框圖 從電力線通信硬件設計角度來說，調制解調器的相關設計和濾波、耦合接口的設計是項目的重點之一。其中調制解調器決定了通信的模式及傳輸速率，課題中選擇AM7910芯片為電力線載波通信調制解調器的核心器件，調制方式是FSK；濾波、耦合接口設計關系到通信能否成功以及通信的質量。此外對調制解調器的設計是本次設計的重點。 設計完成后進行了調試和實驗。通過試驗證實了硬件模塊設計的合理性。 1.3 論文結構安排 本文內容安排如下： 第一章主要介紹了電力線的發(fā)展狀況，及國內外的研究現(xiàn)狀和課題的研究前景。 第二章從噪聲干擾和信道衰減兩方面分析了室內電力線信道特征。分析的方法是在總結、吸收國內外先進的信道研究、分析、建模的基礎上，結合實際需要，提出了室內近距離的電力線載波調制解調方案。 第三章詳細介紹FSK調制方式的電力線載波通信模塊硬件設計。這章重點是電源電路、耦合電路的設計，以及調制解調器的相關設計。 第四章詳細介紹電力線載波通信模塊調試情況、以及調試的結果和得出的結論。 46 第2章 電力線信道分析及調制解調器方案設計 電力線信道分析是電力線通信研究中非常重要的一部分，電力線通信的其他研究都是建立在電力線信道研究的基礎上。通過對電力線信道分析，才能找到適合電力線的最佳調制方式，從而設計出最佳的調制解調方案。 2.1 電力線信道噪聲分析 電力線信道的噪聲主要是由電網(wǎng)中工作的各種用電設備產(chǎn)生。不同地點、不同時間電網(wǎng)中工作的用電設備是不同的，因此電力線信道的噪聲必然隨著時間和地點而變化，而且也必然與人的活動有關，大量文獻資料說明了這一點。低壓電力線的傳輸環(huán)境不同于其他通信信道，它的網(wǎng)絡結構復雜，連接的負載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化，因此作用于它的噪聲非常復雜，不能簡單歸結為加性高斯白噪聲(AWGN)。 根據(jù)文獻資料，電力線信道的噪聲可分為以下5類： （1）有色背景噪聲：這種噪聲隨頻率而發(fā)生變化，具有相對低的功率譜密度(PSD)。它主要是由各種低功率的噪聲源產(chǎn)生的，它的功率譜密度隨時間的變化而緩慢發(fā)生變化。 （2）窄帶噪聲：主要是無線電廣播發(fā)射引起的幅度調制的正弦信號。 （3）與工頻異步的周期性脈沖噪聲：這種噪聲的重復頻率一般為50~200Hz，由電視機或電腦顯示器干擾所造成，它的重復頻率與電視屏幕或電腦顯示器的掃描頻率同步。 （4）與工頻同步的周期性脈沖噪聲：脈沖的重復頻率為工頻或工頻的整數(shù)倍。脈沖的持續(xù)時間很短，頻率覆蓋范圍大，功率大，功率譜密度隨頻率的升高而下降。它主要是由可控硅整流器件造成的。 （5）隨機脈沖噪聲：閃電或網(wǎng)絡上負載(如電容器組，自動調溫器、冰箱、空氣調節(jié)器等)的開關操作會產(chǎn)生脈沖噪聲，每個脈沖噪聲都會產(chǎn)生很寬的頻譜。它的到達時間是隨機的，持續(xù)時間從幾μs到幾ms。脈沖噪聲的功率譜密度有時會比背景噪聲高出50dB。 通常，前兩類噪聲的幅度均方根值隨時間變化緩慢，因此它們可以歸納為背景噪聲。另一方面，后三類噪聲由于它們的幅度隨時間變化迅速，可以被認為是脈沖噪聲。既然脈沖噪聲實際上是由電力線網(wǎng)絡中的電器引起，電力線噪聲可以被認為是背景噪聲和來自附近電器脈沖噪聲的總和。 2.2 電力線信道衰減分析 高頻信號在低壓電力線上傳輸時，由于不同的原因會出現(xiàn)多種衰減，總結起來可分為耦合衰減和線路衰減。造成耦合衰減的原因是由于發(fā)射端和接收端與電力線的阻抗不匹配。線路衰減的產(chǎn)生原因是多方面的，如電力線網(wǎng)絡復雜、接入節(jié)點眾多以及信道存在許多阻抗不匹配的節(jié)點等，從而使電力線具有多徑信道的特征，必然會造成信號的多徑傳播，以至造成衰減；另外電力線本身的熱損失和輻射以及電磁干擾，也會造成信號衰減（中、高壓電力線中）；電網(wǎng)中存在對信號有衰減作用的用電設備，造成信號的衰減。還有，信號傳播延時衰減等。因此分析電力線的信道衰減應從多方面考慮。 （1）多徑傳播造成的衰減線路阻抗的不連續(xù)性是指在連接點處具有兩種不同特征阻抗的介質。當信號傳到阻抗斷點處,它將發(fā)生部分或全部反射（如在電源插座處）。電力線網(wǎng)絡上存在許多分支，因此也就存在眾多的阻抗不連續(xù)點，使信號在電力線上不能從發(fā)射端直接傳輸?shù)浇邮斩耍窃诠?jié)點處發(fā)生反射，反射波影響發(fā)射信號，使得信號發(fā)生頻率選擇性衰減。 （2）線路損耗衰減通常，由于電纜本身的熱損失及輻射等因素，使信號在傳輸過程中隨頻率增大、距離增加而發(fā)生衰減。按2.2節(jié)的討論，可以將電力線等效為由電阻R、電容C、電感L和電導G 組成的模型，如圖2-2所示。傳輸常數(shù)和特征阻抗Z0。見式(2-1)和(2-2)。由相關參考文獻，信道隨頻率、距離變化的衰減模型可以表示為： (2-4) 延時衰減由于信號是多徑傳播的，同一信號由不同的路徑傳播時，會造成不同的延時。延時與傳播距離和傳播速度有關，具體表達式為： ( 2-5) 式中τi是第i條路徑的延時，di是第i條路徑的傳播距離，vi是傳播速度。由通信原理可知，通信信道模型包括脈沖響應和噪聲兩部分，噪聲已在前面分析，這里研究脈沖響應的窄帶衰減特性。 設脈沖響應為： ( 2-6) 其中系數(shù)τi是反射延時，ki是反射衰減。根據(jù)式(2-6)可計算出傳輸函數(shù)為： ( 2-7) 但實際上系數(shù)ki隨傳輸距離和頻率變化，經(jīng)過修正后，恰當?shù)谋磉_式是： ( 2-8) 這里li是線纜的長度，ai是依據(jù)第i條反射路徑的網(wǎng)絡拓撲結構決定的系數(shù)。α(f)可以寫成： (2-9) 這里的表示的是趨膚效應的影響，是絕緣材料的影響，R'、G'和ZL可 根據(jù)電纜的幾何特點計算出；v1、v2與線纜的特性有關，且為常數(shù)。最后，由(2-7)、(2-8)和(2-9)可計算得到信道衰減的傳輸函數(shù)是： ( 2-10) 分析上式可知，電力線信道的衰減隨通信信號頻率和傳輸距離的增加而增大。 2.3 系統(tǒng)方案的論證設計 2.3.1 電力線信道結果分析 前面討論了電力線信道對通信信號的主要影響因數(shù)，總結分析結果可得知，室內電力線信道的通信條件較惡劣。例如： （1）電力線信道中的噪聲情況很復雜，隨電力線負載的變化而變化。這些噪聲頻率范圍廣、能量大，對電力線載波通信信號干擾很嚴重。因此在接收端必須設計濾波器對接收信號進行濾波，或進行信號處理。此外，在發(fā)射端還應該對發(fā)射信號做必要的編碼相關處理，以增強信號的抗干擾能力，提高信噪比。 （2）信道衰減是電力線信道的另一個重要特性，從前面的分析可知，電力線信道衰減隨通信信號頻率和傳輸距離的增加而增大。因此電力線通信不適合遠距離傳輸數(shù)據(jù)，但對室內近距離、窄帶通信來說，它的優(yōu)勢明顯。 因此對低壓窄帶電力線通信而言，傳輸較低速率的數(shù)據(jù)或控制信號，則要求所選擇的調制方式必須滿足抗干擾和抗衰落的性能要求。 2.3.2 調制方式的選擇 在數(shù)字調制種中,最為基本的調制方式有三種,分別是：幅度鍵控(ASK)、頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)。下面我們從頻帶寬度、抗誤碼率、信道的敏感性等方面來比較一下2ASK、2FSK、2DPSK這三種二進制數(shù)字調制系統(tǒng)的性能，得出相應結論。 （1）頻帶寬度 當碼元寬度為Ts時，2ASK系統(tǒng)和2PSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為2/Ts,2FSK系統(tǒng)的頻帶寬度近似為。因此，從頻帶寬度和從頻帶利用率上看，2FSK系統(tǒng)不可取。 （2）誤碼率 表2-1中列出了2ASK、2FSK、2DPSK數(shù)字調制系統(tǒng)的誤碼率與輸入信噪比r的關系。從該表清楚地看出，在每一對相干和非相干的鍵控系統(tǒng)中，相干方式略優(yōu)于非相干方式。它們基本上是和之間的關系，而且隨著，它們將趨于同一極限值。另外，三種相干（或非相干）方式之間，在相同誤碼率條件下，在信噪比要求上2PSK比2FSK小3dB、2FSK比2ASK小3dB。由此看來，在抗加性高斯白噪聲方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。 表2-1 二進制數(shù)字調制系統(tǒng)誤碼率公式表 名稱 與r的關系 相干2ASK = 相干2FSK = 相干2PSK = （3）對于對信道特性變化的敏感性 在選擇數(shù)字調制方式時，還應考慮它的最佳判決門限對信道特性的變化是否敏感。在2FSK系統(tǒng)中，不需要人為地設置判決門限，它是直接比較兩路解調輸出的大小來作出判斷的。在2PSK系統(tǒng)中，判決器的最佳判決門限電平為零，與接收機輸出信號的幅度有關。因此，它不隨信道特性的變化而變化。這時，接收機容易保持在最佳判決門限狀態(tài)。對于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為A/2（當時），它與接收機輸入信號的幅度有關。當信道特性發(fā)生變化時，接收機輸入信號的幅度A將隨著發(fā)生變化；相應地，判決器的最佳判決門限電平也將隨之改變。這時，接收機不容易保持在最佳判決門限狀態(tài)，從而導致誤碼率增大。因此，就對信道特性變化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。 （4）設備復雜度 2ASK、2FSK、2PSK來說，發(fā)送端設備的復雜程度差不多，而接收端的復雜程度則與所選用的調制和解調方式有關。對于同一種調制方式，相干解調的設備要比非相干解調的復雜；而同為相干解調時，2PSK的設備最復雜，2FSK次之，2ASK最簡單。 綜上所述:我們發(fā)現(xiàn)在頻帶利用率和誤碼率方面2PSK優(yōu)于2FSK,而在信道的敏感性和設備成本方面考慮.2FSK更好一些.也正是因為FSK對信道的敏感性較高,抗噪聲，抗衰減特性比較好，設備實現(xiàn)也不是很復雜,因而此設計采用了FSK的調制方式。 2.3.3 實現(xiàn)調制的方案選擇 通過上一節(jié)對調制調制方式的選擇分析后，我們既選定了2FSK調制方式。 基于FSK調制解調的Modem實現(xiàn)有多種方式,這里主要介紹其中的兩種方案:一種是依靠單片機通過軟件來實現(xiàn),另一種就是通過專用的集成芯片來實現(xiàn). 方案一：利用單片機，用軟件的方法來實現(xiàn)FSK調制與解調，具體的實現(xiàn)框圖如圖2-1所示 工作方式設置 P0 P1 P3.5 INTO MCU P2 TXD-RXD 電阻網(wǎng)絡 電平檢測 脈沖整形 三階低通濾波器 限幅放大 隔離變壓器 二階低通濾波器 FSK信號接口 三階高通濾波器 數(shù)字接 口 RS-232電平轉換 模擬接 口 隔離變壓器 圖2-1 FSK的單片機實現(xiàn)框圖 用單片機來實現(xiàn)的方法，需要采用A/D和D/A的轉換，而一般的A/D和D/A集成芯片價格較高，要想使成本最低的話，那么系統(tǒng)設計在實現(xiàn)調制解調的同時，還需要完成A/D，D/A轉換的功能，這樣程序的復雜度增加，更為重要的一點就是執(zhí)行軟件所花的時間也更長。這對于實時性要求較高的系統(tǒng)而言，這樣的設計將毫無意義。 方案二：采用集成芯片的實現(xiàn)方案。 要想解決電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結起來就是功能強大和性能優(yōu)越的電力線載波專用Modem芯片的設計和應用。國外很早對電力線載波通訊技術進行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波Modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)(480Y/277V，208Y/120Vac)的標準頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標準頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波Modem芯片。由于國外電力線載波Modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波Modem芯片在一定應用領域可勉強使用。國內可使用的電力線載波Modem芯片有以下幾種： （1）XR2210/XR2206套片或LM1893 這是比較早的電力線載波芯片，XR2210/XR2206是一組FSK方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導體公司生產(chǎn)的Modem芯片，采用FSK調制解調方式。它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款Modem芯片在國內基本沒有采用。 （2）ST7536 ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設計的Modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。ST7536是半雙工的FSK Modem芯片，600bps時靈敏度為2mV，1200bps時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊采用了數(shù)字濾波器、AFC(自動頻率控制)、ALC(自動輸出幅度控制)以及軟件上的3字節(jié)容錯等現(xiàn)代通訊技術。ST7536也是較早的電力線載波Modem芯片，調制解調技術是較落后的FSK方式，加上3字節(jié)容錯，最高波特率只能達到400bps。另外它無CSMA(網(wǎng)絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域，ST7536是最適合的Modem芯片。但它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計算，每833μs中斷一次，對更復雜的應用來講，833μs間隔短了一點。 （3）SSCP300 SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術設計的電力線載波Modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現(xiàn)代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協(xié)議，可稱為智能Modem芯片，體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢。但在國內電力線載波抄表領域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標準、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨立住宅，所以在通訊距離上，它還采用阻波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應用。 （4）PLT-22 PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發(fā)器，它是針對工業(yè)控制網(wǎng)而設計的。它采用BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，目前在中國電力線網(wǎng)上應用效果較理想。但是由于它是Lonworks網(wǎng)絡專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。 （5）AM7910 AM7910是美國AMD公司生產(chǎn)的一種性能穩(wěn)定的調制解調器(Modem)芯片,是公共電話交換網(wǎng)中計算機數(shù)據(jù)通信的專用Modem芯片,是功能完整可編程異步移頻鍵控(FSK)Modem集成電路。芯片采用±5V供電，數(shù)字輸入輸出為標準TTL電平，調制輸出最高電平在600 Ω時為-3dB，解調接收靈敏度最弱信號為-43dB，支持300bit／s，600bit／s，1200bit／s二線半雙工和四線全雙工。本次設計采用的也是這個芯片，主要是芯片的價格與同類芯片相比，價格最為便宜。芯片的多項指標都能達到設計要求。 下章將詳細介紹電力線載波調制解調器的硬件設計。 第3章 電力線調制解調電路設計 上一章分析了室內電力線的信道特性。雖然實際情況中電力線信道條件較差， 但是采用合理的調制解調方式、恰當?shù)碾娐吩O計，在一定距離還是可以達到通信的目的。比如在要求傳輸速率不太高、通信距離不太遠的前提下，F(xiàn)SK調制方式是一個理想的選擇。在上一章對信道分析的基礎上，本章詳細介紹基于FSK調制方式的電力線載波通信模塊硬件設計。課題中設計電力線載波調制解調器是以圖1-2的原理框圖進行設計的,這里再畫此圖,以圖3-1所示。 電力線 接機機 計算機及終端設備 控制器 放大/濾波 接口 接口 濾波/放大 解調器 控制器 串口 串口 調制器 計算機和終端設備 發(fā)射機 圖3-1 電力線調制解調設計框圖 在圖3-1所示框圖的硬件電路設計中，主要的任務有： （1）調制解調電路設計 （2）調制解調器與計算機的通信電路設計 （3）電力線耦合接口電路設計 （4）電源模塊設計 3.1 FSK介紹 頻移鍵控（FSK）：是最常用的一種二元調制方式,即按數(shù)字數(shù)據(jù)的值（0或1）調制載波的頻率。例如對應二進制0的載波頻率為F1，而對應二進制1的載波頻率為F2。該技術抗干擾性能好，但占用帶寬較大。在電話線路上，使用FSK可以實現(xiàn)全雙工操作，通?？蛇_到1200bps的速率。 其中圖3-2顯示為FSK信號的波形, 圖3-3是對FSK圖形的參數(shù)說明。 圖3-2 FSK信號波形 圖3-3 FSK參數(shù)說明 其中 |F2-F1|=波特率*偏差 中心頻率=(F1+F2)/2 波特率=1/元素長度 通常FSK信號可以表示為 （3-1） 其中和為振蕩器的初相,和是FSK的兩個頻率。 3.2 FSK調制電力線通信系統(tǒng)性能分析 由于項目設計是采用FSK的調制方式，所以在設計之前先對FSK調制的電力線通信系統(tǒng)性能進行分析。 3.2.1 電力線通信系統(tǒng)模型 由圖3-1可知，電力線通信系統(tǒng)的主要組成部分有發(fā)射/接收機、電力線以及系統(tǒng)中的電子負載。由于它們自身的特性，都會對通信造成影響。一般來說，電力線通信調制解調器都要連接到一個耦合變壓器的次級，即通常所說的接口。圖3-4是電力線通信的等效電路圖。 圖3-4 電力線通信等效電路圖 設n表示耦合變壓器的轉換比率，和是等效的阻抗和感抗，他們可以分別寫 成： （3-2） （3-3） 這里Rs 和Rp是變壓器次級和主級的直流阻抗；和分別是變壓器兩級的感抗。圖中C1和C2是調制解調器耦合電容，和是變壓器的等效電路元件，和 是電力線路的等效元件。等效電路圖中的 ABCD 參數(shù)計算如下： （3-4） （3-5） （3-6） （3-7） （3-8） （3-9） （3-10） 在(3-10)式中 （3-11） Zi(s)和Zo(s)分別是等效電力線通信網(wǎng)絡的輸入和輸出阻抗；是電壓傳輸函 數(shù)，它可以用來計算源端與負載端之間由電路引入的損失，這種損失可以表示成、，這里的是整個網(wǎng)絡在輸入端的可用功率，按最大功率轉換原則，可寫成： （3-12） 是消耗在負載阻抗ZL上的功率： （3-13） 整個網(wǎng)絡在輸入端與輸出端之間的功率損失按(3-14)式計算： （3-14） （3-15） 傳輸函數(shù)Av(s)的系數(shù)如下： （3-16） （3-17） （3-18） （3-19） （3-20） （3-21） （3-22） 按照通常的電力線通信調制解調器設計，這里的可以寫成： （3-23） 下面是不同情況下系統(tǒng)功率的損失示意圖。圖3-5說明了系統(tǒng)功率損失隨載波頻率上升而變大，這與上一章分析傳輸線特性有相同的結果（通常設計的窄帶電力線通信頻率一般選（95kHz～200kHz）。圖3-6說明系統(tǒng)功率損失隨負載阻抗的增加而減小。負載阻抗減小，則說明線路中接入用電設備多，那么線路分枝多，信號被反射、吸收就多，因此功率損失大；圖3-7說明隨著通信距離的增加，系統(tǒng)功率損失變大，這也與第二 章中分析的結果一致。 圖3-5 功率損失與載波頻率關系示意圖 圖3-6 功率損失與負載阻抗關系示意圖 圖3-7 功率損失與傳輸距離關系示意圖 3.2.2 FSK調制電力線通信系統(tǒng)性能分析 對低壓窄帶電力線通信，相比采用ASK調制會由于系統(tǒng)引入噪聲而影響載波FSK 調制具有一定的抗干擾能力。連續(xù)FSK調制的誤碼率表示為： (3-24) 這里的erfc()是互補誤差函數(shù)，Eb/N0可寫成： （3-25） （3-25）式中的C是載波功率，N是噪聲功率，是接收機噪聲帶寬，是波特率。 載波對噪聲的比是： （3-26） 這里的(C /N)t 是在信道熱噪聲下的載波與噪聲的比率，(C/ I)k是載波與第k個干擾之比。通常連接到電力線上的用電設備是電力線通信系統(tǒng)主要的干擾源，如日光燈整流器、熒光燈、燈光亮度調節(jié)器、電動機、顯示器、計算機、電扇等。常規(guī)的通信系統(tǒng)中， 信號幅度都是比較高的，因此熱噪聲并不會真正使PLC性能下降。如果忽略FSK 性能分析中的熱噪聲影響，則可得到： （3-27） 參考文獻[13]根據(jù)以上分析，給出了采用FSK調制的電力線通信性能分析示意圖，說明了誤碼率與載波頻率、通信距離及電力線負載阻抗的關系，如圖3-8、3-9、3-10所示。從中我們可以發(fā)現(xiàn)誤碼率隨載波頻率的增大而升高，隨通信距離的增大而加大，隨 著負載阻抗的增大而減小。 圖3-8 誤碼率與載波頻率關系示意圖 圖3-9 誤碼率與通信距離關系示意圖 圖3-10 誤碼率與負載阻抗關系示意圖 3.3 調制解調器電路設計 3.3.1 調制解調器核心器件AM7910介紹 2.3節(jié)提出選用的調制解調芯片為AM7910，AM7910是美國AMD公司生產(chǎn)的一種性能穩(wěn)定的調制解調器(Modem)芯片,是公共電話交換網(wǎng)中計算機數(shù)據(jù)通信的專用Modem芯片,是功能完整可編程異步移頻鍵控(FSK)的Modem集成電路。 圖3-11是AM7910的系統(tǒng)原理框圖。 控制 RC 時鐘 TC 接收 CD 握手 MC0-4 TD 發(fā)送 正弦合成器 接口控制 數(shù)字帶通濾波器 數(shù)字帶通濾波器 DAC ADC 模擬后置位濾波器 模擬后置位濾波器 數(shù)字調制 載波檢測 定時控制 RD 圖3-11 AM7910芯片原理框圖 AM7910采用N溝道MOS工藝制造，輸出采用TTL結構，28管腳塑料或陶瓷雙列直插式封裝，塑料封裝總工作電流為80mA，陶瓷封裝總工作電流為10mA。表3-1為AM7910的各引腳的功能含義： 表3-1 AM7910引腳的功能含義 管腳 信號 功能定義 管腳 信號 功能定義 1 RING 振鈴信號 13 CTS 清除發(fā)送 2 VCC ＋5V電源 14 BCTS 基帶清除發(fā)送 3 RESET 復位 15 BRXD 基帶接收數(shù)據(jù) 4 VBB －5V電源 16 DTR 數(shù)據(jù)終端準備 5 RC 接收載波 17-21 MC0-MC4 工作方式控制位 6 CAP1 外接電阻電容 22 DGND 數(shù)字地 7 CAP2 外接電阻電容 23 XTAL2 外接晶體 8 TC 發(fā)送載波 24 XTAL1 外接晶體 9 AGND 模擬地 25 CD 載波檢測 10 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù) 26 RXD 接收數(shù)據(jù) 11 BRTS 基帶請求發(fā)送 27 BCD 基帶載波檢測 12 RTS 請求發(fā)送 28 BTXD 基帶發(fā)送數(shù)據(jù) 3.3.2 Modem的工作機理 AM7910 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程的原理框圖分別見圖3-12，3-13所示，UART為通用異步接收器/發(fā)送器芯片(Universal Asynchronous Receiver / Transmitter )，RC為接收的調制信號，TC為發(fā)送的調制信號。 AM7910數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程的原理框圖分別見圖3-12和圖3-13所示： 到DAA TC TXD DAC 模擬傳遞濾波器 數(shù)字帶通濾波器 數(shù)字正弦波合成器 從UART 來 圖3-12 AM7910 數(shù)據(jù)發(fā)送原理框圖 解調過程是調制過程的逆過程,移頻鍵控(FSK)信號常用的解調方法是相干檢測法和非相干檢測法。 到UART RC 模擬前置濾波器 ADC 數(shù)字解調器載波檢測 數(shù)字帶通濾波器 MC0-MC4 MMMC4 RXD 由于AM7910內部具有數(shù)字、模擬帶通濾波器和其它類型的濾波器,故不需外加濾波電路。 圖3-13 AM7910數(shù)據(jù)接收原理框圖 3.3.3 由AM7910為主體組成1200 bit／s的Modem Modem原理圖如附錄1所示，AM7910是雙列直插式的28腳封裝，±5V供電，數(shù)字輸入輸出為標準TTL電平，調制輸出最高電平在600Ω時為－3dB，解調接收靈敏度最弱信號為-43dB，支持300bit／s，600bit／s，1200bit／s二線半雙工和四線全雙工。 （1）發(fā)送數(shù)據(jù)過程 首先終端設備PC機通過RS232的發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD向AM7910發(fā)送數(shù)字信號，當AM7910收到發(fā)送來的請求信號后作出響應，同時接受發(fā)送來的數(shù)字信號。信號進入主芯片后，經(jīng)過一系列的運算和處理，輸出調制以后的正弦信號。信號再通過運放加以放大后，經(jīng)變壓器T1發(fā)送出去。 （2）接收數(shù)據(jù)過程 當T2變壓器接收到載頻信號，打開接收數(shù)據(jù)口，在收到對方發(fā)出的調頻信號后，經(jīng)單運放放大，再由AM7910的內部器件所組成的有源濾波器將無用邊帶及噪聲源扼制掉，有用的調頻信號傳輸?shù)紸M7910解調器，經(jīng)解調后，將數(shù)據(jù)信號傳輸串口后，電平提升后經(jīng)RXD接口至計算機。 圖3-14 調制解調電路圖 3.4 耦合電路設計 前面已經(jīng)提到過，此次設計的Modem是用于電力線上傳輸數(shù)據(jù)所使用的，但考慮到電力線環(huán)境的多變性，經(jīng)常出現(xiàn)風雨雷電的影響，所以引起的干擾也特別大，我們在作設計時也必須要考慮這些因素，做好Modem的保護電路設計。 ??? 由于?通信線路避雷器的技術要求較高，因為除了滿足防雷技術要求外，還須保證傳輸指標符合要求。加上與通信線路相連的設備耐壓很低，對防雷器件的殘壓要求嚴格，因此在選擇防雷器件時較困難，目前常用的防雷器件的相關性能如表3-2所示： 表3-2 三種防雷管的性能參數(shù) 參 數(shù) 放電管 MOV TVS 電 容 很小 大 較小 殘 壓 高 中 低 通流容量 大 大 小 響應速度 慢 快 很快 ????? 理想的通信線路防雷器件應是電容小、殘壓低、通流大、響應快。顯然表中的器件都不理想，放電管幾乎可以用于所有的通信頻率，但其防雷能力較弱；MOV電容較大，只適用于音頻傳輸；TVS耐雷電流的能力較弱只能起輔助保護作用。 在此次設計中是采用不同器件組合成三級避雷器，第一級用放電管作過壓保護，中間極用隔離阻抗壓敏電阻限流，第三級用TVS瞬態(tài)二極管再進行過壓保護，這樣可以發(fā)揮各器件之所長。 具體設計電路由圖3-15所示 圖3-15 耦合電路電路圖 3.5 調制解調器的串口電路設計 3.5.1 使用串口通信的原因 串行通信接口標準經(jīng)過使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有多種。RS-232常用于連接一個Modem,其他擁有RS-232接口的設備包括打印機、數(shù)據(jù)采集模塊、測試裝置和控制回路。另外RS-232也可以直接應用于任何類型的計算機之間的簡單連接上。 RS-232有幾個優(yōu)點： （1）RS-232應用廣泛，每一臺PC都有一個或多個RS-232端口。更新的計算機現(xiàn)在支持其他諸如USB這樣的串行接口，但是RS-232可以做很多USB無法進行的工作。 （2）在微控制器中，接口芯片使得一個5V串口轉換成RS-232變得非常容易。 （3）連接距離可以達到50-100英尺。USB連接最長可以達到16英尺，PC機的并行打印機接口與主機距離可以達到10~15英尺，或者利用IEEE-1284B型驅動器可以達到30英尺。如果RS-232端口與Modem相連，則可以在世界范圍內接受和傳送數(shù)據(jù)。 （4）對于雙向連接，只需要3條導線。而并行連接一般需要8條數(shù)據(jù)線、兩條或者更多的控制線信號線和幾條接地線，這使得連接成本也比較高。 3.5.2 RS-232的電器特性 EIA-RS-232-C對電器特性、邏輯電平和各種信號線功能都作了規(guī)定。 在TXD和RXD上： （1）邏輯1（MARK）=-3V~-15V （2）邏輯0（SPACE）=+3V~+15V 如表3-3所示： 表3-3 RS232的機械特性 狀態(tài) 低電位（LOW） 高電位（HIGH） 電壓范圍 -3~-15 +3~+15 邏輯 1 0 名稱 Mark Space 在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上： （1）信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V~+15V （2）信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓）=-3V~-15V EIA-RS-232-C與TTL轉換：EIA-RS-232-C用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平來表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計算機接口或終端的TTL器件連接，必須在EIA-RS-232-C與TTL電路之間進行電平和邏輯關系變換。實現(xiàn)這種變換的方法可以是分立元件，也可以是集成電路芯片。目前廣泛使用的是集成電路轉換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL到EIA電平的轉換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA到TTL電平的轉換。因為所設計電路本質是TTL電路，故選用了MAX202完成TTL與EIA的雙向電平變換。 3.5.3 調制解調器的串行接口電路的設計實現(xiàn) Max202這個IC的內部提供了一組將+5V電源轉換成10V的DC-DC電源轉換電路，因此外部只需提供+5V電源即可將TTL電平轉換成為EIA電平。MAX202內部一組DC-DC的電源轉換電路，只需在外部加上4個電容就能發(fā)揮電壓轉換的功能。圖3-16為調制解調器的串行接口電路。 圖3-16 調制解調器的串行電路設計圖 3.6 電源模塊電路設計 在本設計的模塊中，AM7910使用的直流輸入電壓是正負5V，運算放大器的工作電壓是正負12V,因此在電源設計時，考慮到了4種不同的電壓值。關于電流的考慮，我們是以模塊工作消耗最大電流來計算的。其中以調制解調器消耗電流最大（發(fā)射狀態(tài)時電流消耗為120mA），其他器件的電流消耗都較小。因此,模塊的供電單元電流輸出設計為500mA已可以滿足要求。 由于本次設計中，所設計的Modem是作為系統(tǒng)的一部分，所以在做電源設計的時候，系統(tǒng)已為我設計好了正負12V和5V的電源，所以我只需要再設計一個負5V的電源即可，這樣電源的設計就簡化為只需一個LM7905就可以實現(xiàn)模塊電源的設計。 當然在設計中，我也考慮到了Modem做獨立使用情況，在查閱相關的資料發(fā)現(xiàn)，由于-48V的電源在通信系統(tǒng)很常見，而且我所在的公司也有自己設計實物。所以我就決定在這個電源基礎上來實現(xiàn)一個可以提供上述四種電壓的電源設計。借助日本一家公司生產(chǎn)的電源模塊ZUW10-4812，可以實現(xiàn)從48V到24V和正負12V的電壓轉換。同時這樣我們在借助兩個三端穩(wěn)壓塊LM7805和LM7905就可以實現(xiàn)正負12V到正負5V的電壓轉換。圖 3-17為模塊電源設計的電路圖。 圖3-17 模塊電源設計的電路。 此電路中C1和C23分別作為低頻和高頻濾波，二極管V5是作為三端穩(wěn)壓塊的保護設置，一旦當7905的輸出端電壓低于-12V時，二極管導通，形成短路。正常情況下，二極管是處于截止的。電阻R1是作為7905的負載使用，這是為7905輸出電壓不穩(wěn)定時，作為電壓調節(jié)使用。 3.7 晶體振蕩器電路設計 由于AM7910有多種工作方式，但其中最常用的方式只有表3-4中的幾種。 表3-4 Modem常見工作方式 晶體MHz 協(xié)議名稱 速率bit/s 方式 發(fā)送頻率 0 1 接收頻率 0 1 中心頻率 2.4576 BELL202 1200 四 線 雙 工 2200 1200 2200 1200