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基于CPLD的高壓電力線FSK MODEM設(shè)計
摘要：介紹應(yīng)用CPLD實現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的FSK MODEM的設(shè)計方法；探討如何優(yōu)化算法和改良電路來減少系統(tǒng)的誤碼率，并給出應(yīng)用電路。關(guān)鍵詞：CPLD FSK MODEM
1 國內(nèi)電力線載波的應(yīng)用
在電力系統(tǒng)中，由于電力線載波使用堅固可靠的高壓電力線作為信號的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設(shè)投資，再加上電力線載波信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時復(fù)用遠(yuǎn)動信號等特點，使得這種電力系統(tǒng)獨有的通信方式在數(shù)字微波、一點多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現(xiàn)的今天仍得到持續(xù)的發(fā)展。
由于數(shù)據(jù)信號的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近，因此電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計出一個功能強(qiáng)大的電力線載波專用MODEM芯片。國外在電力線載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續(xù)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)。由于國外電力線載波MODEM芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)的，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計，因此在國內(nèi)使用都難盡如人意。
圖1 FSK MODEM系統(tǒng)組成
電力線載波MODEM芯片雖然容易使用，但它的中心頻率和頻偏比較固定，對特殊的應(yīng)用場合就難以發(fā)揮作用。因此有根據(jù)特殊應(yīng)用來開發(fā)電力線載波MODEM的必要。以下討論的就是一個應(yīng)用于100kV的高壓電力線FSK MODEM的設(shè)計。
2 實現(xiàn)電力線載波通信的難點
由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線通信具有以下特點。
①配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。
②三相電力線間有很大信號損失（10dB～30dB）。通信距離很近時，不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。
③不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同，耦合方式有線-地耦合和線-中線耦合。與線-中線耦合方式相比，線-地耦合方式電力載波信號損失十幾dB，但線-地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。
圖2 RS232-TTL轉(zhuǎn)換及緩沖電路
④電力線存在脈沖干擾。目前國內(nèi)使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值。兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，因此電力線上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時間約2ms。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒�，但由于過零點時間短，實際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場通信數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應(yīng)用。
⑤電力線對載波信號造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，線路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對載波信號的高削減。實際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆譳m。但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，只能傳輸幾十m。因此，只有通過進(jìn)一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｌ岣咻d波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積。(范文先生網(wǎng)www.gymyzhishaji.com收集整理)
因此電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信已成為可能。
3 系統(tǒng)組成及工作原理
如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：調(diào)制部分和解調(diào)部分。
待解調(diào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流通過輸入緩沖器后進(jìn)入調(diào)制模塊。調(diào)制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線路上。
待解調(diào)的FSK正弦波通過輸入放大器，波形變換電路變換成為FSK方波，在輸入到解調(diào)模塊解頻之后，經(jīng)過輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。
在下面我們將對這兩部分作詳細(xì)進(jìn)行說明。
3.1 調(diào)制部分
調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)為'1'時，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過緩沖隔離后，由CPLD采樣來判斷當(dāng)前輸入電平的高低，并在FSK信號輸出端產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波。表1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)對應(yīng)的方波頻率表。
表1 調(diào)制規(guī)則表
隨著二進(jìn)制數(shù)據(jù)的跳變，在FSK信號輸出端產(chǎn)生不同頻率的方波，從而形成了FSK調(diào)制波形（方波）。
由于方波是由無窮個逐次倍頻的正弦波組成的，如下式所示
ω0=2πf，f為基頻，就是方波的頻率。
所以我們可以在CPLD的FSK信號輸出端后，加入一個低通濾波器來濾除方波的高頻諧波分量，濾波器輸出的則是對應(yīng)于方波的同頻率的正弦信號，經(jīng)過緩沖放大后即可輸出FSK信號。
3.2 解調(diào)部分
FSK信號是通過波形變換電路（由比較電路及緩沖放大電路組成）變換成為同頻同相的方波。CPLD對方波進(jìn)行頻率識別，并在數(shù)據(jù)輸出端輸出解頻后的數(shù)據(jù)流。
3.3 技術(shù)指標(biāo)
載波上限頻率—3260Hz。
載波下限頻率—2460Hz。
載波中心頻率—2860Hz。
波特率—300bps，600bps，1200bps。
調(diào)制方式—FSK。數(shù)據(jù)為'1'時，輸出在2860～3260Hz之間的正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
圖4 過零檢測電路
4 硬件設(shè)計
4.1 輸入緩沖及輸出緩沖
計算機(jī)一般是通過串口傳輸數(shù)據(jù)，所以要用RS232TTL轉(zhuǎn)換芯片MAX232來進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，同時通過緩沖器CD4050來隔離并驅(qū)動后級，如圖2所示。
4.2 輸出濾波器，輸出放大器
因為需要濾掉載波下限頻率的三次倍頻7380Hz（2460Hz×3）以上的頻率，因此該濾波器的截至頻率設(shè)計為4000Hz（>3260Hz）。為了減小體積，這里采用了Maxim公司的開關(guān)電容（switched capacitor）濾波器MAX7411。MAX7411是一個五階低通橢圓開關(guān)電容濾波器，具有非常快的下降度且電路十分簡潔。圖3是由MAX7411構(gòu)成的濾波器。
INPUT為輸入頻率fIN，OUTPUT為輸出頻率fout'CLOCK為截至頻率fc。該濾波器的效果如表2所列。
由表2可見，在1.25fc處信號衰減達(dá)到-38.5dB，已經(jīng)可以忽略了。
表2 MAX7411的濾波參數(shù)
我們的截止頻率是4000Hz，即4000=1.25×fC。所以fc=3200Hz。該頻率由CPLD產(chǎn)生。
為了能夠推動后級設(shè)備，必須在濾波器之后加上輸出放大器，這里采用FC411。電路為普通的反相放大器電路。
4.3 輸入放大器和波形變換電路
如圖4所示，輸入的FSK和正弦信號經(jīng)過運(yùn)放TLE2037放大后，輸入比較器LM311進(jìn)行過零點檢測。由于在接地處有較強(qiáng)的噪音，因此必須在電路設(shè)計上考慮抗干擾的問題，如采取隔離、浮地等措施。LM311是一款高速比較器，比較速度最在為165ns，它的輸出兼容TTL和MOS電路。LM311通過過零檢測，把FSK波形轉(zhuǎn)換成方波輸入CPLD，由CPLD進(jìn)行頻率分析，從而實現(xiàn)解頻的目的。
5 軟件設(shè)計
該系統(tǒng)軟件最主要的部分就是調(diào)制和解調(diào)軟件的設(shè)計，還有一部分是濾波器的時鐘產(chǎn)生及工作狀態(tài)指示與工作模式選擇。
此系統(tǒng)可以選擇300bps、600bps、1200bps三種波特率，由外部的跳線決定。
工作指示用來指示波特率及系統(tǒng)是否繁忙。如果需要還可以輸出同步的時鐘信號。
5.1 調(diào)制部分
如圖5所示，在時鐘的上升沿檢測數(shù)據(jù)輸入引腳的狀態(tài)，如果狀態(tài)變化，則檢測當(dāng)前的波形是否完整（為了保證相位的穩(wěn)定，要求必須在最靠近波形零點的地址切換頻率），如是則切換輸出頻率。
5.2 解調(diào)部分
如圖6所示，在時鐘的上升沿檢測FSK信號的頻率，并切換輸出的數(shù)據(jù)。
結(jié)語
原來采用MCU調(diào)制和解調(diào)，但是MCU的速度極大的影響了系統(tǒng)性能，尤其是抗干擾能力，使得決定采用高速的比較器和CPLD來進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，使得系統(tǒng)的整體性能得到了較大的提高，目前已用于100kV的高壓電力線上的控制數(shù)據(jù)傳輸。
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