DZ136電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

DZ136電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計,dz136,電力線,載波,調(diào)制解調(diào)器,設(shè)計 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 I電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計摘要：電力線網(wǎng)絡(luò)的特點是它覆蓋的范圍非常廣，各種建筑物內(nèi)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(diào)制解調(diào)技術(shù)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(guān)鍵。本次設(shè)計主要涉及電力線載波調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)內(nèi)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(xì)介紹了基于 FSK 調(diào)制方式的電力線載波調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計，設(shè)計內(nèi)容包括電力線耦合接口的設(shè)計、調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計和控制器的相關(guān)設(shè)計等。通過分析和調(diào)試，設(shè)計實現(xiàn)了電力線調(diào)制解調(diào)器（Modem ）的相關(guān)功能，各項技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到最初設(shè)計任務(wù)要求。關(guān)鍵詞：電力線通信；FSK；調(diào)制；解調(diào)；Modem 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 IIThe Design of Power Line Carrier Modulator and DemodulatorAbstract: 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 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 III目 錄第 1 章 緒 論 .........................................................................................................................11.1 課題背景 ....................................................................................................................11.1.1 電力線通信概述 .............................................................................................11.1.2 電力線通信在國內(nèi)外的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 .........................................................11.1.3 電力線通信前景展望 .....................................................................................21.2 論文內(nèi)容及主要工作 ................................................................................................31.3 論文結(jié)構(gòu)安排 ............................................................................................................4第 2 章 電力線信道分析及調(diào)制解調(diào)器方案設(shè)計 .................................................................52.1 電力線信道噪聲分析 ................................................................................................52.2 電力線信道衰減分析 ................................................................................................62.3 系統(tǒng)方案的論證設(shè)計 ................................................................................................72.3.1 電力線信道結(jié)果分析 .....................................................................................72.3.2 調(diào)制方式的選擇 .............................................................................................82.3.3 實現(xiàn)調(diào)制的方案選擇 ........................................................................................9第 3 章 電力線調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計 .......................................................................................133.1 FSK 介紹 ..................................................................................................................133.2 FSK 調(diào)制電力線通信系統(tǒng)性能分析 ......................................................................153.2.1 電力線通信系統(tǒng)模型 ...................................................................................153.2.2 FSK 調(diào)制電力線通信系統(tǒng)性能分析 ...........................................................193.3 調(diào)制解調(diào)器電路設(shè)計 ..............................................................................................213.3.1 調(diào)制解調(diào)器核心器件 AM7910 介紹 ...........................................................213.3.2 Modem 的工作機理 ......................................................................................223.3.3 由 AM7910 為主體組成 1200 bit／s 的 Modem ........................................233.4 耦合電路設(shè)計 ..........................................................................................................243.5 調(diào)制解調(diào)器的串口電路設(shè)計 ..................................................................................253.5.1 使用串口通信的原因 ...................................................................................253.5.2 RS-232 的電器特性 ......................................................................................263.5.3 調(diào)制解調(diào)器的串行接口電路的設(shè)計實現(xiàn) ...................................................273.6 電源模塊電路設(shè)計 ..................................................................................................27 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 IV3.7 晶體振蕩器電路設(shè)計 ..............................................................................................283.8 控制電路設(shè)計 ..........................................................................................................29第 4 章 調(diào)試報告 ...................................................................................................................314.1 調(diào)試步驟 ..................................................................................................................314.2 PCB 設(shè)計缺陷 .........................................................................................................324.3 測試結(jié)果 ..................................................................................................................334.3.1 測試晶體波形 ...............................................................................................334.3.2 AM7910 的各點電位測試結(jié)果 ....................................................................354.3.3 功能測試結(jié)果 ...............................................................................................354.4 調(diào)試中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及分析 ..............................................................................364.5 調(diào)試結(jié)論和設(shè)計優(yōu)化 ..............................................................................................37總 結(jié) .......................................................................................................................................39致 謝 .......................................................................................................................................40參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................................41附錄 1 Modem 設(shè)計原理圖 ...................................................................................................42附錄 2 Modem 設(shè)計 PCB 圖 .................................................................................................43附錄 3 Modem 設(shè)計實物圖 ...................................................................................................44西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1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(zhì)，但隨著電力線載波通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是調(diào)制技術(shù)及微電子技術(shù)的發(fā)展，使得 PLC 的實用化成為可能。最早的 PLC 實用技術(shù)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(fù)荷控制。20 世紀(jì) 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(chǔ)上開發(fā)了電力系統(tǒng)調(diào)度通信及廣泛使用的電力線載波機。20 世紀(jì) 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(chǔ)上開發(fā)了實用的高速 PLC 產(chǎn)品及系統(tǒng)。當(dāng)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(yīng)用。 1.1.2 電力線通信在國內(nèi)外的應(yīng)用研究現(xiàn)狀上個世紀(jì)，北美的電力公司就開始應(yīng)用低頻率、低速率、異步傳輸?shù)?PLC 技術(shù)，來實現(xiàn)電力線載波遠(yuǎn)程控制（如路燈控制、發(fā)電機控制等）和語音傳輸?shù)裙δ?。在?5 年中，PLC 技術(shù)的應(yīng)用仍集中在電力線自動抄表(AMR)、用電負(fù)荷控制和供電管理、設(shè)備保護與監(jiān)控等領(lǐng)域。只是在近幾年，隨著使用高頻率(3～30MHz)、高速率同步傳輸?shù)?PLC 技術(shù)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(shù)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(shù)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(nèi)組網(wǎng)方案和戶外接入方案。戶內(nèi)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(nèi)，通過戶內(nèi)低壓電力線路和電源插座作為傳輸介質(zhì)和節(jié)點，組建內(nèi)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(luò)，再連通變壓器以下的低壓線作為傳輸支線，最終接入戶內(nèi)計算機。該方案解決寬帶通信的“最西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文2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(diào)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(yīng)用中，通過多個高速 PLC-Modem 組成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，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(nèi)、辦公室聯(lián)網(wǎng)，電力線高速接入在多個國家已達(dá)數(shù)百個試驗網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于歐洲和美國等。 1.1.3 電力線通信前景展望 21 世紀(jì)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(luò)發(fā)展成為人們工作、學(xué)習(xí)、生活中必不可少的桌面工具。據(jù)有關(guān)市場研究公司預(yù)測，在 2007 年之前中國的寬帶用戶數(shù)量將達(dá)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(luò)向千家萬戶的覆蓋。PLC 技術(shù)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(chǔ)設(shè)施把寬帶網(wǎng)絡(luò)接入到每個家庭，省去在接入方式上的重復(fù)建設(shè)，對于推進(jìn)我國數(shù)字化進(jìn)程必將產(chǎn)生積極的作用。同時，PLC 技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表、配網(wǎng)自動化、營銷自動化、負(fù)荷管理等方面的廣泛應(yīng)用，將為實現(xiàn)我國的電網(wǎng)配售自動化、建設(shè)電力信息化平臺，提供一個良好的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和解決方案。然而，由于 PLC 技術(shù)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(luò)，而是通信網(wǎng)的外圍和末端。發(fā)展 PLC 技術(shù)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(shù)，而是作為以上技術(shù)的互補，在特定應(yīng)用場合發(fā)揮各自的長處，為國家信息化建設(shè)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(nèi)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(luò)運營基礎(chǔ)的電信運營商和寬帶接入服務(wù)商提供了增加用戶接入率的商機。此外，低壓寬帶西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3PLC 技術(shù)也日益得到國內(nèi)外科研機構(gòu)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)容及主要工作目前，國內(nèi)電力線通信的研發(fā)和應(yīng)用與國外還有一定距離，主要的原因是國內(nèi)電網(wǎng)與國外的情況有很大不同，從國外引進(jìn)的電力線通信芯片不能完全適應(yīng)國內(nèi)的實際情況。但是，在特定的環(huán)境中、一定距離內(nèi)，選擇恰當(dāng)?shù)碾娏€通信芯片，并根據(jù)實際環(huán)境設(shè)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(diào)制，轉(zhuǎn)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(diào)制信號，先經(jīng)過濾波處理，再進(jìn)行放大，最后送入解調(diào)器解調(diào)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)備控制器放大/濾波接口接口濾波/放大解調(diào)器控制器串口串口調(diào)制器計算機和終端設(shè)備發(fā)射機圖 1-1 電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計框圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文4從電力線通信硬件設(shè)計角度來說，調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)設(shè)計和濾波、耦合接口的設(shè)計是項目的重點之一。其中調(diào)制解調(diào)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(diào)制解調(diào)器的核心器件，調(diào)制方式是 FSK；濾波、耦合接口設(shè)計關(guān)系到通信能否成功以及通信的質(zhì)量。此外對調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計是本次設(shè)計的重點。 設(shè)計完成后進(jìn)行了調(diào)試和實驗。通過試驗證實了硬件模塊設(shè)計的合理性。1.3 論文結(jié)構(gòu)安排本文內(nèi)容安排如下：第一章主要介紹了電力線的發(fā)展?fàn)顩r，及國內(nèi)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(nèi)電力線信道特征。分析的方法是在總結(jié)、吸收國內(nèi)外先進(jìn)的信道研究、分析、建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際需要，提出了室內(nèi)近距離的電力線載波調(diào)制解調(diào)方案。 第三章詳細(xì)介紹 FSK 調(diào)制方式的電力線載波通信模塊硬件設(shè)計。這章重點是電源電路、耦合電路的設(shè)計，以及調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)設(shè)計。 第四章詳細(xì)介紹電力線載波通信模塊調(diào)試情況、以及調(diào)試的結(jié)果和得出的結(jié)論。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文5第 2 章 電力線信道分析及調(diào)制解調(diào)器方案設(shè)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(chǔ)上。通過對電力線信道分析，才能找到適合電力線的最佳調(diào)制方式，從而設(shè)計出最佳的調(diào)制解調(diào)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(shè)備產(chǎn)生。不同地點、不同時間電網(wǎng)中工作的用電設(shè)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(guān)，大量文獻(xiàn)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(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接的負(fù)載眾多且經(jīng)常發(fā)生變化，因此作用于它的噪聲非常復(fù)雜，不能簡單歸結(jié)為加性高斯白噪聲(AWGN)。根據(jù)文獻(xiàn)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(diào)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(fù)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(fù)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(fù)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(luò)上負(fù)載(如電容器組，自動調(diào)溫器、冰箱、空氣調(diào)節(jié)器等) 的開關(guān)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(dá)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(rèn)為是脈沖噪聲。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6既然脈沖噪聲實際上是由電力線網(wǎng)絡(luò)中的電器引起，電力線噪聲可以被認(rèn)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(jié)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(luò)復(fù)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(shè)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(yīng)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(zhì)。當(dāng)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(luò)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?，而是在?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(dǎo) 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(guān)參考文獻(xiàn)，信道隨頻率、距離變化的衰減模型可以表示為：()*(,fdAfe??? (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(guān)，具體表達(dá)式為： div??( 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(yīng)和噪聲兩部分，噪聲已在前面分析，這里研究西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文7脈沖響應(yīng)的窄帶衰減特性。設(shè)脈沖響應(yīng) ()Eht為： 1()()NEihtkti?????( 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：21()NjiEiHfke???( 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(dāng)?shù)谋磉_(dá)式是： ()2(,)flijikfliae??? ( 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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定的系數(shù)。α(f)可以寫成：()()122RGRZLfffvff????????(2-9)這里的 表示的是趨膚效應(yīng)的影響， 是絕緣材料的影響，R' 、G'和 ZL()Rf ()Gf?可 根據(jù)電纜的幾何特點計算出；v1、v2 與線纜的特性有關(guān)，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：(12)()21()NNvfflifliji jiEiHfaeaiee?? ???? ????( 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(shè)計2.3.1 電力線信道結(jié)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(jié)分析結(jié)果可得知，室內(nèi)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(fù)雜，隨電力線負(fù)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(yán)重。因此在接收端必須設(shè)計濾波器對接收信號進(jìn)行濾波，或進(jìn)行信號處理。此外，在發(fā)射端還應(yīng)該對發(fā)射信號做必要的編碼相關(guān)處理，以增強信號的抗干擾能力，提高信噪比。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文8（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(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，但對室內(nèi)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(diào)制方式必須滿足抗干擾和抗衰落的性能要求。2.3.2 調(diào)制方式的選擇在數(shù)字調(diào)制種中,最為基本的調(diào)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(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能，得出相應(yīng)結(jié)論。（1）頻帶寬度當(dāng)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 ssTf212???。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(diào)制系統(tǒng)的誤碼率 eP與輸入信噪比 r的關(guān)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 erfc和 xp()r?之間的關(guān)系，而且隨著 ，它們將趨r??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(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)誤碼率公式表名稱 與 r 的關(guān)系eP相干 2ASK = 214/?相干 2FSK =e/r相干 2PSK =P21?（3）對于對信道特性變化的敏感性在選擇數(shù)字調(diào)制方式時，還應(yīng)考慮它的最佳判決門限對信道特性的變化是否敏感。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文9在 2FSK 系統(tǒng)中，不需要人為地設(shè)置判決門限，它是直接比較兩路解調(diào)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(guān)。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(dāng) (1)0p?時） ，它與接收機輸入信號的幅度有關(guān)。當(dāng)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(yīng)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(dǎo)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(shè)備復(fù)雜度2ASK、2FSK 、2PSK 來說，發(fā)送端設(shè)備的復(fù)雜程度差不多，而接收端的復(fù)雜程度則與所選用的調(diào)制和解調(diào)方式有關(guān)。對于同一種調(diào)制方式，相干解調(diào)的設(shè)備要比非相干解調(diào)的復(fù)雜；而同為相干解調(diào)時，2PSK 的設(shè)備最復(fù)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(shè)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(shè)備實現(xiàn)也不是很復(fù)雜,因而此設(shè)計采用了 FSK 的調(diào)制方式。2.3.3 實現(xiàn)調(diào)制的方案選擇通過上一節(jié)對調(diào)制調(diào)制方式的選擇分析后，我們既選定了 2FSK 調(diào)制方式。基于 FSK 調(diào)制解調(diào)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(diào)制與解調(diào)，具體的實現(xiàn)框圖如圖 2-1 所示西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文10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(zhuǎn)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(shè)計在實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的同時，還需要完成 A/D，D/A 轉(zhuǎn)換的功能，這樣程序的復(fù)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(shè)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(guān)鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結(jié)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(shè)計和應(yīng)用。國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)(480Y/277V， 208Y/120Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍 100kHz~450kHz 和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)(400Y/230Vac)的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍 9kHz~150kHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地工作方式設(shè)置P0 P1P3.5INTOMCUP2 TXD-RXD電阻網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換模擬接 口隔離變壓器西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文11區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)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(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計，在國內(nèi)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(yīng)用領(lǐng)域可勉強使用。國內(nèi)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(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設(shè)計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 Modem 芯片，采用 FSK 調(diào)制解調(diào)方式。它只是對一般 FSK 調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款 Modem 芯片在國內(nèi)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(shè)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(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)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(shù)。ST7536 也是較早的電力線載波 Modem 芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的 FSK 方式，加上 3 字節(jié)容錯，最高波特率只能達(dá)到 400bps。另外它無 CSMA(網(wǎng)絡(luò)載波偵聽)功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)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(fù)雜的應(yīng)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(shù)設(shè)計的電力線載波 Modem 芯片。它采用了擴頻(Chirp 方式)調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代 DSP 技術(shù)、CSMA 技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設(shè)計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓 480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12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(yīng)用。（4）PLT-22PLT-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(shè)計的。它采用 BPSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，目前在中國電力線網(wǎng)上應(yīng)用效果較理想。但是由于它是 Lonworks 網(wǎng)絡(luò)專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。（5）AM7910AM7910 是美國 AMD 公司生產(chǎn)的一種性能穩(wěn)定的調(diào)制解調(diào)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(biāo)準(zhǔn) TTL 電平，調(diào)制輸出最高電平在 600 Ω 時為-3dB，解調(diào)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(shè)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(biāo)都能達(dá)到設(shè)計要求。下章將詳細(xì)介紹電力線載波調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文13第 3 章 電力線調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計上一章分析了室內(nèi)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(diào)制解調(diào)方式、恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計，在一定距離還是可以達(dá)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(yuǎn)的前提下，F(xiàn)SK 調(diào)制方式是一個理想的選擇。在上一章對信道分析的基礎(chǔ)上，本章詳細(xì)介紹基于 FSK 調(diào)制方式的電力線載波通信模塊硬件設(shè)計。課題中設(shè)計電力線載波調(diào)制解調(diào)器是以圖 1-2 的原理框圖進(jìn)行設(shè)計的,這里再畫此圖,以圖 3-1 所示。圖 3-1 電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計框圖在圖 3-1 所示框圖的硬件電路設(shè)計中，主要的任務(wù)有：（1）調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計（2）調(diào)制解調(diào)器與計算機的通信電路設(shè)計（3）電力線耦合接口電路設(shè)計（4）電源模塊設(shè)計3.1 FSK 介紹頻移鍵控（FSK）：是最常用的一種二元調(diào)制方式,即按數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的值（0 或 1）調(diào)制載波的頻率。例如對應(yīng)二進(jìn)制 0 的載波頻率為 F1，而對應(yīng)二進(jìn)制 1 的載波頻率為電力線接機機計算機及終端設(shè)備控制器放大/濾波接口接口濾波/放大解調(diào)器控制器串口串口調(diào)制器計算機和終端設(shè)備發(fā)射機西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文14F2。該技術(shù)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_(dá)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）12cos()()cos[()]AstAt???????????其中 和 為振蕩器的初相, 和 是 FSK 的兩個頻率。1?212西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文153.2 FSK 調(diào)制電力線通信系統(tǒng)性能分析由于項目設(shè)計是采用 FSK 的調(diào)制方式，所以在設(shè)計之前先對 FSK 調(diào)制的電力線通信系統(tǒng)性能進(jìn)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(fù)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(diào)制解調(diào)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(shè) n 表示耦合變壓器的轉(zhuǎn)換比率， 和 是等效的阻抗和感抗，他們可以分別eRqX寫成：（3-2）e2R()pqsn??（3-e2()plqlsX3）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slXpl抗。圖中 C1 和 C2 是調(diào)制解調(diào)器耦合電容， 和 是變壓器的等效電路元件， 和1RL2R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：2L西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文16（3-211eqeqsCLRAs??4）（3-3211221211()()()eqeqeqeqsLsCLRBsLR??5）（3-1Cs??6）121()()LRDs（3-7）（3-0()LvsLssVZABCRD??8）（3-()LiZs9）（3-10()DBsCZA???10）在(3-10)式中 （3-121sR??11）Zi(s)和 Zo(s)分別是等效電力線通信網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出阻抗； 是電壓傳輸函 ()vAs數(shù)，它可以用來計算源端與負(fù)載端之間由電路引入的損失，這種損失可以表示成 、1P，這里的 是整個網(wǎng)絡(luò)在輸入端的可用功率，按最大功率轉(zhuǎn)換原則， 可寫成： 0P1 1（3-21|4sVPR?12）西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文17是消耗在負(fù)載阻抗 ZL 上的功率：0P（3-20|lVPZ?13）整個網(wǎng)絡(luò)在輸入端與輸出端之間的功率損失按(3-14)式計算：（3-20()1log4lsZVLdBR???????14）（3-2103()vasAbb?15）傳輸函數(shù) Av(s)的系數(shù)如下：（3-21leqaZCL?16）（3-11leqR17）（3-0a?18）（3-211212()leqessbZCLRLR???19）（3-312eq20）（3-12121( )eqsslslbLCRRZ????21）（3-021lZ22）西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文18按照通常的電力線通信調(diào)制解調(diào)器設(shè)計，這里的 可以寫成：eqC（3-12eqC??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(jié)果（通常設(shè)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(fù)載阻抗的增加而減小。負(fù)載阻抗減小，則說明線路中接入用電設(shè)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(jié)果一致。圖 3-5 功率損失與載波頻率關(guān)系示意圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文19圖 3-6 功率損失與負(fù)載阻抗關(guān)系示意圖圖 3-7 功率損失與傳輸距離關(guān)系示意圖3.2.2 FSK 調(diào)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(diào)制會由于系統(tǒng)引入噪聲而影響載波 FSK調(diào)制具有一定的抗干擾能力。連續(xù) FSK 調(diào)制的誤碼率 表示為： eP(3-24)01()2beEPrfcN?這里的 erfc()是互補誤差函數(shù)，Eb/N0 可寫成：（3-0bwbBCf?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wbf率。載波對噪聲的比是：（3-11nktkCNI???????????????????????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(shè)備是電力線通信系統(tǒng)主要的干擾源，如日光燈西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文20整流器、熒光燈、燈光亮度調(diào)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：（3-11nkkCNI?????????????27）參考文獻(xiàn)[13] 根據(jù)以上分析，給出了采用 FSK 調(diào)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(fù)載阻抗的關(guān)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(fù)載阻抗的增大而減小。圖 3-8 誤碼率與載波頻率關(guān)系示意圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文21圖 3-9 誤碼率與通信距離關(guān)系示意圖圖 3-10 誤碼率與負(fù)載阻抗關(guān)系示意圖3.3 調(diào)制解調(diào)器電路設(shè)計3.3.1 調(diào)制解調(diào)器核心器件 AM7910 介紹2.3節(jié)提出選用的調(diào)制解調(diào)芯片為AM7910，AM7910是美國AMD公司生產(chǎn)的一種性能穩(wěn)定的調(diào)制解調(diào)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。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文22控制RC時鐘TC接收CD握手MC0-4TD 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DACADC模擬后置位濾波器模擬后置位濾波器數(shù)字調(diào)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(jié)構(gòu)，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(fù)位 15 BRXD 基帶接收數(shù)據(jù)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文234 VBB －5V 電源 16 DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備5 RC 接收載波 17-21 MC0-MC