載波調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、電力線載波調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)目 錄第一章 緒 論11.1 課題背景和研究意義1 1.1.1 電力線載波簡(jiǎn)介1 1.1.2 電力線通信的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2 論文研究的主要內(nèi)容3第二章 電力線信道分析及調(diào)制解調(diào)器方案設(shè)計(jì)52.1 結(jié)構(gòu)安排52.2 低壓電力線的傳輸信道5 2.2.1 輸入阻抗及其變化7 2.2.2 噪聲干擾8 2.2.3 高頻信號(hào)的衰減及變化分析9 2.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)92.4 系統(tǒng)方案的論證9 2.4.1 電力線信道結(jié)果分析10 2.4.2 調(diào)制方式的選擇11 2.4.3 實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方案選擇12第三章 電力線調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì)133.1 FSK簡(jiǎn)介133.2 FSK調(diào)制電力線通信

2、系統(tǒng)15 3.2.1 電力線通信系統(tǒng)建模15 3.2.2 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21 3.3.1 調(diào)制解調(diào)器核心器件21 3.3.2 工作原理22 3.3.3 由AM7910為主體的調(diào)制解調(diào)器233.4 耦合電路243.5 調(diào)制解調(diào)器的串口電路25 3.5.1 串口通信25 3.5.2 RS-232的特性26 3.5.3 調(diào)制解調(diào)器的串行接口電路的設(shè)計(jì)273.6 電源模塊電路273.7 晶體振蕩器電路283.8 控制電路29第四章 調(diào)制解調(diào)器的安裝與檢測(cè)324.1 準(zhǔn)備工作324.2 電力貓的安裝344.3 以太網(wǎng)的設(shè)置34總 結(jié)39參考文獻(xiàn)40致 謝41附

3、錄1 Modem設(shè)計(jì)原理圖42電力線載波調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)摘 要 電力線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是覆蓋范圍大，電力線通信由于通信線路的特點(diǎn)，它適合“最后一英里”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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。本次設(shè)計(jì)主要介紹和分析了電力線載波調(diào)制解調(diào)器的內(nèi)容，提出了適合電力線通信的具體實(shí)現(xiàn)方案。并且介紹了基于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(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電力線耦合接口、調(diào)制解調(diào)器和控制器的設(shè)計(jì)等，用來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與電力線之間的橋接以及在電力線上的數(shù)字載波通信。本次設(shè)計(jì)同時(shí)完成了高速電力線載波通信調(diào)制解調(diào)器的詳細(xì)電路原理圖設(shè)計(jì)、制作和部分調(diào)試工作

4、，在低壓電力線上進(jìn)行高速的載波通信完全可行，有很廣闊的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：電力線通信；調(diào)制；解調(diào)The 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 co

5、mmunication 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 PLCs transmission speeds, transmission distance and anti-jamming capabilities, The techn

6、ique 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

7、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

8、function of power-line Modem, Various technical indicators have reached the initial design tasks .Keywords: Power-line communication；Frequency Shift Keying ；Modulation，第一章 緒 論1.1 課題背景和研究意義1.1.1 電力線載波簡(jiǎn)介 電力線載波（PLC）通信是利用電力線作為信息傳輸媒介進(jìn)行語(yǔ)音或數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N特殊通信方式。電力線在電力載波領(lǐng)域一般分為高中低3類，通常高壓電力線指35kV及以上電壓等級(jí)、中壓電力線指10kV電壓等

9、級(jí)、低壓配電線指380/220V用戶線。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 電力線通信的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)北美的電力公司就開(kāi)始應(yīng)用低頻率、低速率、異步傳輸?shù)腜LC技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)電力線載波遠(yuǎn)程控制和語(yǔ)音傳輸?shù)裙δ堋＝?5年中，PLC技術(shù)的應(yīng)用仍集中在電力線自動(dòng)抄表(AMR)、用電負(fù)荷控制和供電管理、設(shè)備保護(hù)與監(jiān)控等領(lǐng)域。近幾年，隨著使用高頻率(330MHz)、高速率同步傳輸?shù)腜LC技術(shù)的研發(fā)，正走向無(wú)限廣闊的Internet寬帶通信的市場(chǎng)。目前，國(guó)外PLC研究的重點(diǎn)主要是以下幾個(gè)方面： （1）信道傳輸特性（2）信道噪聲

10、特性（3）信道電磁兼容特性（4）信道調(diào)制編碼及處理1.2 論文研究的主要內(nèi)容從電力線通信硬件設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)設(shè)計(jì)和濾波、耦合接口的設(shè)計(jì)是重點(diǎn)之一。其中調(diào)制解調(diào)器決定了通信的模式及傳輸速率，本次設(shè)計(jì)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(jì)關(guān)系到通信能否成功以及通信的質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)中重點(diǎn)研究一端發(fā)射信號(hào)、另一端接收信號(hào)的低壓窄帶電力線通信模塊。但在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，是將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)集成在一起，工作模式通過(guò)硬件轉(zhuǎn)換。 第二章 電力線信道分析及調(diào)制解調(diào)器方案設(shè)計(jì) 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

11、都是建立在電力線信道研究的基礎(chǔ)上。通過(guò)對(duì)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(jì)出最佳的調(diào)制解調(diào)方案。2.1 結(jié)構(gòu)安排本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)安排如下：第一章主要介紹了電力線載波國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和課題的研究?jī)?nèi)容。第二章介紹了本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安排，在總結(jié)、吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的信道研究、分析、建模的基礎(chǔ)上，提出了最優(yōu)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(jì)。這章重點(diǎn)是電源電路、耦合電路的設(shè)計(jì)，以及調(diào)制解調(diào)器的相關(guān)設(shè)計(jì)。 第四章細(xì)介紹電力線載波通信模塊調(diào)試過(guò)程與分析。 2.2 低壓電力線的傳輸信道 對(duì)于所有的通信信道，阻抗、信號(hào)衰減和干擾是決定其性能

12、的基本參數(shù)。電力線不同于普通的數(shù)據(jù)通信線路，本是用于傳輸電能的，當(dāng)作為一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇闀r(shí)，會(huì)產(chǎn)生許多新問(wèn)題，尤其是在220 V/380 V低壓電力線上進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，與高壓電力線載波通信有較大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣、線路阻抗小、信號(hào)衰減強(qiáng)、干擾大且時(shí)變性大等特點(diǎn)。因此，在使用低壓電力線作為信號(hào)傳輸媒介之前，需要對(duì)它的信道特性進(jìn)行分析。2.2.1輸入阻抗及其變化 輸入阻抗是表征低壓電力線傳輸特性的重要參數(shù)。研究輸入阻抗，對(duì)于提高發(fā)送機(jī)的效率，增加網(wǎng)絡(luò)的輸入功率有重大意義。在理想情況下，當(dāng)沒(méi)有負(fù)載時(shí)，電力線相當(dāng)于一根均勻分布的傳輸線。由于分布電感和分布電容的影響，輸入阻抗會(huì)隨著頻率的增大而

13、減小。當(dāng)電力線上有負(fù)載時(shí)，所有頻率的輸入阻抗都會(huì)減小。但是，由于負(fù)載類型的不同，使不同頻率的阻抗變化也不同，所以實(shí)際情況非常復(fù)雜，甚至使輸入阻抗的變化不可預(yù)測(cè)。 電力線上的輸入阻抗會(huì)隨著頻率的變化而劇烈變化。而且，在實(shí)驗(yàn)所測(cè)的頻率范圍內(nèi)，輸入阻抗隨頻率的變化并不符合一般想象下的隨頻率的增大而減小的變化規(guī)律，甚至與之相反。為了解釋這一問(wèn)題，可以將電力線看成是一根傳輸線，上面連接有各種復(fù)雜的負(fù)載。這些負(fù)載以及電力線本身組合成許多共振電路，在共振頻率及其附近頻率上形成低阻抗區(qū)。并會(huì)在局部上違反電力線上阻抗隨負(fù)載增大而降低的一般規(guī)律。同時(shí)，正是由于負(fù)載會(huì)在電力線上隨機(jī)地連上或斷開(kāi)，所以在不同時(shí)間，電力

14、線的輸入阻抗也會(huì)發(fā)生較大幅度的改變。2.2.2 噪聲干擾 對(duì)于低壓電力網(wǎng)的千擾特性，人們分別對(duì)不同的地域(城市、工業(yè)區(qū)、鄉(xiāng)村)作了大量試驗(yàn)。根據(jù)噪聲千擾的不同性質(zhì)可分為:A)有色背景噪聲干擾，這種干擾主要來(lái)源于交直流兩用電動(dòng)機(jī)，近似服從高斯分 布，它的功率一般不大;B)隨機(jī)脈沖干擾，主要由閃電和負(fù)載的開(kāi)關(guān)操作所產(chǎn)生，近似服從泊松分布，這種干擾的功率較大，頻率一般為電力系統(tǒng)頻率的2倍，而且離接收機(jī)越近影響越大;C)異步脈沖噪聲，這類干擾主要是保護(hù)開(kāi)關(guān)瞬間開(kāi)閉產(chǎn)生的脈沖，電暈噪聲也歸 為該類，這類噪聲可以說(shuō)是電力線通信的最大障礙;D)周期性同步噪聲和周期性異步噪聲，前一種是由電壓觸發(fā)的晶閘管整流器

15、產(chǎn) 生，而后一種主要由電視接收機(jī)和顯示器產(chǎn)生。這兩種噪聲的功率很小，一般 不超過(guò)一45dBo2.2.3高頻信號(hào)的衰減及變化分析 對(duì)高頻信號(hào)而言，低壓電力線是一根非均勻分布的傳輸線，各種不同性質(zhì)的負(fù)載在這根線的任意位置隨機(jī)地連接或斷開(kāi)。因此，高頻信號(hào)在低壓電力線上的傳輸必然存在衰減。電力線上的衰減隨著頻率的增加而增加，但在某些頻率，由于負(fù)載產(chǎn)生的共振現(xiàn)象和傳輸線效應(yīng)的影響，衰減會(huì)出現(xiàn)突然的迅速增加。同時(shí)，信號(hào)傳輸距離對(duì)信號(hào)衰減程度也起著決定性的影響，隨著距離的增加，衰減會(huì)迅速地增加。在跨相傳播時(shí)，衰減一般比同相傳播要大10 dB以上，但有時(shí)也會(huì)有例外。隨著工頻交流電相位的變化，高頻信號(hào)的衰減也會(huì)

16、出現(xiàn)周期性的變化。在不同的時(shí)間段、不同的地點(diǎn)，衰減幅度也不同，有時(shí)變化會(huì)很大。這種變化對(duì)載波通信設(shè)備的設(shè)計(jì)有很大的影響。2.3 擴(kuò)頻通信技術(shù)擴(kuò)頻通信是用高速偽隨機(jī)序列去擴(kuò)展所傳輸信息的帶寬，然后進(jìn)行傳輸，在接收端采用發(fā)送端相同的同步偽隨機(jī)序列進(jìn)行信號(hào)的相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)所傳輸信息的一種技術(shù)。2.4 系統(tǒng)方案的論證設(shè)計(jì)2.4.1 電力線信道結(jié)果分析根據(jù)電力線信道對(duì)通信信號(hào)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(duì)電力線載波通信信號(hào)干擾很嚴(yán)重。因此在接收端必須設(shè)計(jì)濾波器對(duì)接收信號(hào)

17、進(jìn)行濾波，或進(jìn)行信號(hào)處理。此外，在發(fā)射端還應(yīng)該對(duì)發(fā)射信號(hào)做必要的編碼相關(guān)處理，以增強(qiáng)信號(hào)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(gè)重要特性，從前面的分析可知，電力線信道衰減隨通信信號(hào)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(duì)室內(nèi)近距離、窄帶通信來(lái)說(shuō)，它的優(yōu)勢(shì)明顯。因此對(duì)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(hào)，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。2.4.2 調(diào)制方式的選擇在數(shù)字調(diào)制種中,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(lái)比較一下2ASK

18、、2FSK、2DPSK三種二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的性能。（1）頻帶寬度當(dāng)碼元寬度為Ts時(shí)，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)系相干2ASK=相干2FSK=相干2PSK=（3）對(duì)于對(duì)信道特性變化的敏感性在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(lái)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(jī)輸出信號(hào)的幅度有關(guān)。因

19、此，它不隨信道特性的變化而變化。這時(shí)，接收機(jī)容易保持在最佳判決門限狀態(tài)。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門限為A/2（當(dāng)時(shí)），它與接收機(jī)輸入信號(hào)的幅度有關(guān)。當(dāng)信道特性發(fā)生變化時(shí)，接收機(jī)輸入信號(hào)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(shí)，接收機(jī)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(duì)信道特性變化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。總結(jié):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?yàn)镕SK對(duì)信道的敏感性較高,抗噪聲，抗衰減特性比較好，設(shè)備實(shí)現(xiàn)也不是很復(fù)雜,因

20、而本次設(shè)計(jì)采用了FSK的調(diào)制方式。2.4.3 實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方案選擇基于FSK調(diào)制解調(diào)的Modem實(shí)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(jī)通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),另一種就是通過(guò)專用的集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn).然而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(wèn)題，歸結(jié)起來(lái)就是功能強(qiáng)大和性能優(yōu)越的電力線載波專用Modem芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。國(guó)外公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計(jì)出各自的電力線載波Modem芯片。由于國(guó)外電力線載波Modem芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，在國(guó)內(nèi)使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波M

21、odem芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強(qiáng)使用。 本次設(shè)計(jì)采用的是芯片AM7910。AM7910是美國(guó)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(jì)算機(jī)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 時(shí)為-3dB，解調(diào)接收靈敏度最弱信號(hào)為-43dB，支持300bits，600bits，1200bits二線半雙工和四線全雙工。本次設(shè)計(jì)采用的這個(gè)芯片，主要是芯片的價(jià)格與同類芯片相比，價(jià)格最為便宜。芯片的多項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。36第三章 電力線調(diào)制

22、解調(diào)電路設(shè)計(jì)采用合理的調(diào)制解調(diào)方式、恰當(dāng)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)，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(gè)理想的選擇。下面將介紹基于FSK調(diào)制方式的電力線載波通信模塊硬件設(shè)計(jì)。電力線接機(jī)機(jī)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)和終端設(shè)備發(fā)射機(jī)圖1 電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)框圖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(duì)應(yīng)二進(jìn)制0的載波頻率為F1，而對(duì)應(yīng)二進(jìn)制1的載波頻率為F2。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

23、以實(shí)現(xiàn)全雙工操作，通常可達(dá)到1200bps的速率。圖2 FSK信號(hào)波形圖3 FSK參數(shù)說(shuō)明其中 |F2-F1|=波特率*偏差中心頻率=(F1+F2)/2波特率=1/元素長(zhǎng)度通常FSK信號(hào)可以表示為 （3-1）其中和為振蕩器的初相,和是FSK的兩個(gè)頻率。3.2 FSK調(diào)制電力線通信系統(tǒng)由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)是采用FSK的調(diào)制方式，所以在設(shè)計(jì)之前先對(duì)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)建模電力線通信系統(tǒng)的主要組成部分有發(fā)射/接收機(jī)、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(huì)對(duì)通信造成影響。一般來(lái)說(shuō)，電力線通信調(diào)制解調(diào)器都要連接到一個(gè)耦合變壓器的次級(jí)，即通常所說(shuō)的接口

24、。圖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，他們可以分別寫(xiě)成： 這里Rs 和Rp是變壓器次級(jí)和主級(jí)的直流阻抗；和分別是變壓器兩級(jí)的感抗。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，和是電力線路的等效元件。等效電路圖中的 ABCD 參數(shù)計(jì)算如下： 在(3-10)式中 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 數(shù)，它可以用來(lái)計(jì)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、，這里的是整個(gè)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(xiě)成： 是消耗在負(fù)載阻抗ZL上的功率： 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在輸入端與輸出端之間

25、的功率損失按(3-14)式計(jì)算： 傳輸函數(shù)Av(s)的系數(shù)如下： 按照通常的電力線通信調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)，這里的可以寫(xiě)成： 3.2.2 FSK調(diào)制電力線通信系統(tǒng)性能分析 對(duì)低壓窄帶電力線通信，相比采用ASK調(diào)制會(huì)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： 這里的erfc()是互補(bǔ)誤差函數(shù)，Eb/N0可寫(xiě)成： （3-25）式中的C是載波功率，N是噪聲功率，是接收機(jī)噪聲帶寬，是波特率。載波對(duì)噪聲的比是： 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(gè)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，

26、如日光燈整流器、熒光燈、燈光亮度調(diào)節(jié)器、電動(dòng)機(jī)、顯示器、計(jì)算機(jī)、電扇等。常規(guī)的通信系統(tǒng)中，信號(hào)幅度都是比較高的，因此熱噪聲并不會(huì)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： 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(shuō)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。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5 誤碼率與載波頻率關(guān)系示意圖圖6 誤碼率與通信距離關(guān)系示意圖圖7 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3.3.1 調(diào)制解調(diào)器核心器件設(shè)計(jì)中選用的調(diào)制解調(diào)芯片為AM7910

27、，是功能完整可編程異步移頻鍵控(FSK)的Modem集成電路。 控制RC時(shí)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(cè)定時(shí)控制RD圖8 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2 AM7910引腳的功能含義管腳信號(hào)功能定義管腳信號(hào)功能定義1RING振鈴信號(hào)13CTS清除發(fā)送2VCC5V電源14BCTS基帶清除發(fā)送3RESET復(fù)位15BRXD基帶接收數(shù)據(jù)4VBB5

28、V電源16DTR數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備5RC接收載波17-21MC0-MC4工作方式控制位6CAP1外接電阻電容22DGND數(shù)字地7CAP2外接電阻電容23XTAL2外接晶體8TC發(fā)送載波24XTAL1外接晶體9AGND模擬地25CD載波檢測(cè)10TXD發(fā)送數(shù)據(jù)26RXD接收數(shù)據(jù)11BRTS基帶請(qǐng)求發(fā)送27BCD基帶載波檢測(cè)12RTS請(qǐng)求發(fā)送28BTXD基帶發(fā)送數(shù)據(jù)3.3.2 工作原理UART為通用異步接收器/發(fā)送器芯片，RC為接收的調(diào)制信號(hào)，TC為發(fā)送的調(diào)制信號(hào)。解調(diào)過(guò)程是調(diào)制過(guò)程的逆過(guò)程,移頻鍵控(FSK)信號(hào)常用的解調(diào)方法是相干檢測(cè)法和非相干檢測(cè)法。到UARTRC模擬前置濾波器ADC數(shù)字解調(diào)器載波檢

29、測(cè)數(shù)字帶通濾波器MC0-MC4 MMMC4RXD由于AM7910內(nèi)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9 AM7910數(shù)據(jù)接收原理框圖3.3.3 由AM7910為主體的調(diào)制解調(diào)器AM7910是雙列直插式的28腳封裝，±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時(shí)為3dB，解調(diào)接收靈敏度最弱信號(hào)為-43dB，支持300bits，600bits，1200bits二線半雙工和四線全雙工。（1）發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程首先終端設(shè)備PC機(jī)通過(guò)RS232的發(fā)送數(shù)據(jù)端TXD向AM7910發(fā)送數(shù)字信號(hào)，當(dāng)AM7910收到發(fā)送來(lái)的請(qǐng)求信號(hào)后作出響應(yīng)，同時(shí)接受發(fā)

30、送來(lái)的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)進(jìn)入主芯片后，經(jīng)過(guò)一系列的運(yùn)算和處理，輸出調(diào)制以后的正弦信號(hào)。信號(hào)再通過(guò)運(yùn)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(guò)程當(dāng)T2變壓器接收到載頻信號(hào)，打開(kāi)接收數(shù)據(jù)口，在收到對(duì)方發(fā)出的調(diào)頻信號(hào)后，經(jīng)單運(yùn)放放大，再由AM7910的內(nèi)部器件所組成的有源濾波器將無(wú)用邊帶及噪聲源扼制掉，有用的調(diào)頻信號(hào)傳輸?shù)紸M7910解調(diào)器，經(jīng)解調(diào)后，將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸串口后，電平提升后經(jīng)RXD接口至計(jì)算機(jī)。圖10 調(diào)制解調(diào)電路圖3.4 耦合電路此次設(shè)計(jì)的Modem是用于電力線上傳輸數(shù)據(jù)，而電力線經(jīng)常出現(xiàn)風(fēng)雨雷電，所以我們?cè)谧髟O(shè)計(jì)要做好Modem的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。表3 三種防雷管的性能參數(shù)參 數(shù)放

31、電管MOVTVS電 容很小大較小殘 壓高中低通流容量大大小響應(yīng)速度慢快很快 在此次設(shè)計(jì)中是采用不同器件組合成三級(jí)避雷器，第一級(jí)用放電管作過(guò)壓保護(hù)，中間極用隔離阻抗壓敏電阻限流，第三級(jí)用TVS瞬態(tài)二極管再進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)，這樣可以發(fā)揮各器件之所長(zhǎng)。圖11 耦合電路電路圖3.5 調(diào)制解調(diào)器的串口電路3.5.1 串口通信RS-232常用于連接一個(gè)Modem,其他擁有RS-232接口的設(shè)備包括打印機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)試裝置和控制回路。 RS-232有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）RS-232應(yīng)用廣泛，每一臺(tái)PC都有一個(gè)或多個(gè)RS-232端口。（2）在微控制器中，接口芯片使得一個(gè)5V串口轉(zhuǎn)換成RS-232變得非常容易。（

32、3）連接距離可以達(dá)到50-100英尺。（4）對(duì)于雙向連接，只需要3條導(dǎo)線。3.5.2 RS-232的特性EIA-RS-232-C對(duì)電器特性、邏輯電平和各種信號(hào)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表4 RS232的機(jī)械特性狀態(tài)低電位（LOW）高電位（HIGH）電壓范圍-3-15+3+15邏輯10名稱MarkSpace在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上：（1）信號(hào)有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）=+3V+15V（2）信號(hào)無(wú)效（斷開(kāi)，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3V-15VEIA-RS-232-C與TTL轉(zhuǎn)

33、換：EIA-RS-232-C用正負(fù)電壓來(lái)表示邏輯狀態(tài)，與TTL以高低電平來(lái)表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此，為了能夠同計(jì)算機(jī)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(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。實(shí)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。3.5.3 調(diào)制解調(diào)器的串行接口電路的設(shè)計(jì)Max202這個(gè)IC的內(nèi)部提供了一組將+5V電源轉(zhuǎn)換成10V的DC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，因此外部只需提供+5V電源即可將TTL電平轉(zhuǎn)換成為EIA電平。MAX202內(nèi)部一組DC-DC的電源轉(zhuǎn)換電路，只需在外部加上4個(gè)電容就能發(fā)揮電壓轉(zhuǎn)換的功能。圖12 調(diào)制解調(diào)器的串行電路設(shè)計(jì)圖3.6 電

34、源模塊電路在本設(shè)計(jì)的模塊中，AM7910使用的直流輸入電壓是正負(fù)5V，運(yùn)算放大器的工作電壓是正負(fù)12V,因此在電源設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到了4種不同的電壓值。關(guān)于電流的考慮，我們是以模塊工作消耗最大電流來(lái)計(jì)算的。其中以調(diào)制解調(diào)器消耗電流最大，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(shè)計(jì)為500mA已可以滿足要求。 由于本次設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)的Modem是作為系統(tǒng)的一部分，所以在做電源設(shè)計(jì)的時(shí)候，系統(tǒng)已為我設(shè)計(jì)好了正負(fù)12V和5V的電源，所以我只需要再設(shè)計(jì)一個(gè)負(fù)5V的電源即可，這樣電源的設(shè)計(jì)就簡(jiǎn)化為只需一個(gè)LM7905就可以實(shí)現(xiàn)模塊電源的設(shè)計(jì)。同時(shí)這樣我們?cè)诮柚鷥蓚€(gè)三端穩(wěn)壓塊LM7805和LM7

35、905就可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)12V到正負(fù)5V的電壓轉(zhuǎn)換。圖13 模塊電源設(shè)計(jì)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(hù)設(shè)置，一旦當(dāng)7905的輸出端電壓低于-12V時(shí)，二極管導(dǎo)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(fù)載使用，這是為7905輸出電壓不穩(wěn)定時(shí)，作為電壓調(diào)節(jié)使用。3.7 晶體振蕩器電路由于AM7910有多種工作方式。表5 Modem常見(jiàn)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2.4576BELL2021200四線雙工2200 12002200 120017002.4576CCIT

36、TV.2312002100 13002100 130017003.4696PLC/CDT300/6002850 31502850 315030004.0445PLC300/6003080 26803080 26802880這里我們利用一個(gè)六反相器TC4069，通過(guò)4、8、12腳輸出需要的頻率。圖14 晶體振蕩電路3.8 控制電路本次設(shè)計(jì)利用計(jì)數(shù)器4040和4020的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)分頻器的作用。選用這兩個(gè)芯片主要是處于成本考慮，CD4040是串行的14位計(jì)數(shù)器，而CD4020是12位的并行計(jì)數(shù)器。設(shè)計(jì)的首先利用CD4040對(duì)2.4576M的頻率進(jìn)行初次分頻，依靠此芯片的輸出不同的頻率波形，控制則采用

37、撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)S1的三端來(lái)選通端子，進(jìn)行第二次的分頻，將輸出信號(hào)接于串口芯片MAX202的接收時(shí)鐘端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)送速率的控制設(shè)計(jì)。圖15 控制電路原理圖第四章 調(diào)制解調(diào)器的安裝與檢測(cè) 本章中所提到的安裝步驟和檢測(cè)軟件，主要用在基于INT51X1的電力線載波通信調(diào)制解調(diào)器。但由于INT5200為INT51X1的更新替代產(chǎn)品，其除了具有一些新的特性和優(yōu)點(diǎn)之外，仍保持了與INT51X1的兼容性，所以這些安裝步驟和檢測(cè)軟件，同樣適用于所設(shè)計(jì)的基于工NT5200的電力線載波通信調(diào)制解調(diào)器。4.1 準(zhǔn)備工作 計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)要求:Microsoft Windows 98se, me, 2000, XP操作系

38、統(tǒng)，至少一個(gè)空閑的ETH接口，CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。確保電路滿足如下要求:對(duì)于使用超過(guò)10年的電線，應(yīng)根據(jù)國(guó)家電力法進(jìn)行更換，否則由于電線的老化而使信號(hào)無(wú)法傳輸。由于在電路較長(zhǎng)、負(fù)載較大的情況下會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的衰減，所以要保證兩個(gè)設(shè)備之間的電線長(zhǎng)度不要超過(guò)200米。鋪設(shè)電線時(shí)要避免電線有過(guò)多的接頭和分支。使用本調(diào)制解調(diào)器時(shí)請(qǐng)避免與大功率電器和電機(jī)電器接在一個(gè)接線板上，最好單獨(dú)接在墻面的插座上。4.2 電力貓的安裝 用自制的網(wǎng)線，把調(diào)制解調(diào)器(以下稱之為電力貓)分別與兩臺(tái)電腦的ETH接口相連。然后把電力貓插入電源插座，電力貓面板上LINK指示燈亮起，ACT指示燈閃爍，這表示安裝正常。在安裝的時(shí)候需要注

39、意以下事項(xiàng):1, UPS電源和浪涌保護(hù)器徹底隔離信號(hào)的傳輸，電力貓不可接在它們的線路結(jié)構(gòu)上。 2、電路上的負(fù)載對(duì)信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量影響較大，比如真空吸塵器，吹風(fēng)機(jī)等電器明顯降低傳輸速率。因此，電力貓要盡量避免和它們插在同一個(gè)插線板上，最好直接插在墻上插座上，并且盡量避免有大功率家電和電機(jī)家電處在它們的連接線路中間。4.3 以太網(wǎng)的設(shè)置 在完成前面的安裝之后，還需要進(jìn)行額外的操作步驟來(lái)確保現(xiàn)已建立起來(lái)的Powerpacket網(wǎng)絡(luò)是正常運(yùn)行的。這些步驟包括正確設(shè)定IP地址和測(cè)試安裝等。測(cè)試安裝:為了證實(shí)Powerpacket網(wǎng)絡(luò)工作正確，我們可以進(jìn)一步運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的“ping”功能，和Intellon自帶

40、的測(cè)試流量的軟件PLCTest對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。具體步驟如下: 1.在節(jié)點(diǎn)所連的計(jì)算機(jī)上“ping”本Powerpacket節(jié)點(diǎn)的IP地址，如果失敗，可能是本節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口存在問(wèn)題。 2.在網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)另外一個(gè)Powerpacket節(jié)點(diǎn)執(zhí)行上述同樣的操作。 3.如果所有節(jié)點(diǎn)自身都能“ping”通，那么試圖在與本節(jié)點(diǎn)相連的機(jī)子上"ping”另外節(jié)點(diǎn)的IP地址，如果失敗，檢測(cè)一下是否所有節(jié)點(diǎn)的IP地址都在同一個(gè)子網(wǎng)之內(nèi)，如果它們?cè)谕粋€(gè)子網(wǎng)之內(nèi)，那么很有可能在電力線連接方面存在問(wèn)題，換一個(gè)不同的AC插座重試一下。 4.通過(guò)運(yùn)行Intellon提供的PLCTest軟件，可證實(shí)高速通信的可行性，這個(gè)軟件基于TCP協(xié)議，用于顯示系統(tǒng)傳輸時(shí)的吞吐量?？?結(jié) 本文從一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案出發(fā)，較為深入的介紹了電力線載波通信調(diào)制解調(diào)的相關(guān)內(nèi)容。從基于電力載波通信應(yīng)用的一個(gè)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)入手，我們對(duì)電力線通信做了初步探索，并對(duì)電力載波通信有了初步認(rèn)識(shí)。當(dāng)然，可能很多人覺(jué)得這個(gè)題目太簡(jiǎn)單，但是即使是簡(jiǎn)單的題目，只要認(rèn)真去做，也會(huì)學(xué)到不少的東西，更何況這次的設(shè)計(jì)并不像看起來(lái)的簡(jiǎn)單。在設(shè)計(jì)和調(diào)試的過(guò)程中，同樣也出現(xiàn)了不少的問(wèn)題，尤其是