DZ136電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)

DZ136電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì),DZ136,電力線,載波,調(diào)制解調(diào)器,設(shè)計(jì) 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論 IV 電力線載波調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì) 摘要：電力線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是它覆蓋的范圍非常廣，各種建筑物內(nèi)都有接入。與常見(jiàn)的 Internet不同，電力線通信（Power-line communication）由于通信線路的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。 本次設(shè)計(jì)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(guò)對(duì)電力線信道的初步分析，提出了適合電力線通信的具體實(shí)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(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括電力線耦合接口的設(shè)計(jì)、調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)和控制器的相關(guān)設(shè)計(jì)等。 通過(guò)分析和調(diào)試，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了電力線調(diào)制解調(diào)器（Modem）的相關(guān)功能，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到最初設(shè)計(jì)任務(wù)要求。 關(guān)鍵詞：電力線通信；FSK；調(diào)制；解調(diào)；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(guó)內(nèi)外的應(yīng)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(nèi)容及主要工作 3 1.3 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(jì) 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(shè)計(jì) 7 2.3.1 電力線信道結(jié)果分析 7 2.3.2 調(diào)制方式的選擇 8 2.3.3實(shí)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(jì) 13 3.1 FSK介紹 13 3.2 FSK調(diào)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(diào)制電力線通信系統(tǒng)性能分析 19 3.3 調(diào)制解調(diào)器電路設(shè)計(jì) 21 3.3.1 調(diào)制解調(diào)器核心器件AM7910介紹 21 3.3.2 Modem的工作機(jī)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(shè)計(jì) 24 3.5 調(diào)制解調(diào)器的串口電路設(shè)計(jì) 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(diào)制解調(diào)器的串行接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 27 3.6 電源模塊電路設(shè)計(jì) 27 3.7 晶體振蕩器電路設(shè)計(jì) 28 3.8 控制電路設(shè)計(jì) 29 第4章 調(diào)試報(bào)告 31 4.1 調(diào)試步驟 31 4.2 PCB設(shè)計(jì)缺陷 32 4.3 測(cè)試結(jié)果 33 4.3.1 測(cè)試晶體波形 33 4.3.2 AM7910的各點(diǎn)電位測(cè)試結(jié)果 35 4.3.3 功能測(cè)試結(jié)果 35 4.4 調(diào)試中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象及分析 36 4.5 調(diào)試結(jié)論和設(shè)計(jì)優(yōu)化 37 總 結(jié) 39 致 謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄1 Modem設(shè)計(jì)原理圖 42 附錄2 Modem設(shè)計(jì)PCB圖 43 附錄3 Modem設(shè)計(jì)實(shí)物圖 44 西南科技大學(xué)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(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(shí)用化成為可能。最早的PLC 實(shí)用技術(shù)是一種稱(chēng)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(lái)，人們開(kāi)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(kāi)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(jī)。20世紀(jì)90年代以來(lái)國(guó)外開(kāi)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(kāi)發(fā)了實(shí)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I(mǎi)nternet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(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究現(xiàn)狀 上個(gè)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（如路燈控制、發(fā)電機(jī)控制等）和語(yǔ)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(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。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(shù)的研發(fā)，以及隨著Internet對(duì)“最后一英里”的高速寬帶接入的日益增長(zhǎng)需求，PLC技術(shù)才擺脫了僅僅作為電力系統(tǒng)的一類(lèi)控制工具的局限，而走向無(wú)限廣闊的Internet寬帶通信的市場(chǎng)，成為很有競(jìng)爭(zhēng)力的、潛力較大的寬帶接入方式之一。目前，美國(guó)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(hù)內(nèi)組網(wǎng)方案和戶(hù)外接入方案。戶(hù)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(guò)戶(hù)內(nèi)低壓電力線路和電源插座作為傳輸介質(zhì)和節(jié)點(diǎn)，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(wèn)題。戶(hù)外接入方案是一個(gè)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(gè)低壓變壓器，通過(guò)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(hù)內(nèi)計(jì)算機(jī)。該方案解決寬帶通信的“最后一英里”(1ast mile)問(wèn)題。 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(guò)多個(gè)高速PLC-Modem組成內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并可通過(guò)PLC-Modem共享外部ADSL、無(wú)線局域網(wǎng)等寬帶Internet接入。在國(guó)外，已有數(shù)百萬(wàn)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(gè)國(guó)家已達(dá)數(shù)百個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，主要應(yīng)用于歐洲和美國(guó)等。 1.1.3 電力線通信前景展望 21世紀(jì)是國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模和速度發(fā)展最快的年代，其用戶(hù)增長(zhǎng)數(shù)量每年都在以指數(shù)形式增長(zhǎng)，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(chǎng)研究公司預(yù)測(cè)，在2007年之前中國(guó)的寬帶用戶(hù)數(shù)量將達(dá)到5450萬(wàn)戶(hù)，面對(duì)如此巨大的寬帶用戶(hù)市場(chǎng)，PLC的發(fā)展拉動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)向千家萬(wàn)戶(hù)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(gè)家庭，省去在接入方式上的重復(fù)建設(shè)，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)數(shù)字化進(jìn)程必將產(chǎn)生積極的作用。同時(shí)，PLC技術(shù)在遠(yuǎn)程抄表、配網(wǎng)自動(dòng)化、營(yíng)銷(xiāo)自動(dòng)化、負(fù)荷管理等方面的廣泛應(yīng)用，將為實(shí)現(xiàn)我國(guó)的電網(wǎng)配售自動(dòng)化、建設(shè)電力信息化平臺(tái)，提供一個(gè)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(bǔ)，在特定應(yīng)用場(chǎng)合發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，為國(guó)家信息化建設(shè)節(jié)省投資，給廣大網(wǎng)民帶來(lái)利益。PLC在末端用戶(hù)接入(最后100米接入)，即從樓內(nèi)總配電室到每個(gè)家庭及入戶(hù)后采用任意電源插座即能實(shí)現(xiàn)連接等功能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。為此，末端接入的優(yōu)勢(shì)必將給已經(jīng)有寬帶網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)基礎(chǔ)的電信運(yùn)營(yíng)商和寬帶接入服務(wù)商提供了增加用戶(hù)接入率的商機(jī)。此外，低壓寬帶PLC技術(shù)也日益得到國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的重視，國(guó)家電網(wǎng)公司已經(jīng)立項(xiàng)，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(dòng)化通道問(wèn)題，又為廣大農(nóng)村用戶(hù)及西部地區(qū)提供一個(gè)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(guó)內(nèi)電力線通信的研發(fā)和應(yīng)用與國(guó)外還有一定距離，主要的原因是國(guó)內(nèi)電網(wǎng)與國(guó)外的情況有很大不同，從國(guó)外引進(jìn)的電力線通信芯片不能完全適應(yīng)國(guó)內(nèi)的實(shí)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(shí)際環(huán)境設(shè)計(jì)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(hào)通過(guò)某種方式的調(diào)制，轉(zhuǎn)換成更適宜在信道中傳輸?shù)男盘?hào)并經(jīng)過(guò)放大后，再通過(guò)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(hào)，先經(jīng)過(guò)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(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，如圖1-1所示。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。因此發(fā)射端與接收端的硬件實(shí)現(xiàn)方法相同。 電力線 接收機(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1-1 電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)框圖 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)是項(xiàng)目的重點(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，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(jì)關(guān)系到通信能否成功以及通信的質(zhì)量。此外對(duì)調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)是本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了硬件模塊設(shè)計(jì)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(guó)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(guó)內(nèi)外先進(jìn)的信道研究、分析、建模的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)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(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。 46 第2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 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(diǎn)、不同時(shí)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(shí)間和地點(diǎn)而變化，而且也必然與人的活動(dòng)有關(guān)，大量文獻(xiàn)資料說(shuō)明了這一點(diǎn)。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(jiǎn)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(lèi)： （1）有色背景噪聲：這種噪聲隨頻率而發(fā)生變化，具有相對(duì)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(shí)間的變化而緩慢發(fā)生變化。 （2）窄帶噪聲：主要是無(wú)線電廣播發(fā)射引起的幅度調(diào)制的正弦信號(hào)。 （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(jī)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(shí)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(jī)脈沖噪聲：閃電或網(wǎng)絡(luò)上負(fù)載(如電容器組，自動(dòng)調(diào)溫器、冰箱、空氣調(diào)節(jié)器等)的開(kāi)關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生脈沖噪聲，每個(gè)脈沖噪聲都會(huì)產(chǎn)生很寬的頻譜。它的到達(dá)時(shí)間是隨機(jī)的，持續(xù)時(shí)間從幾μs到幾ms。脈沖噪聲的功率譜密度有時(shí)會(huì)比背景噪聲高出50dB。 通常，前兩類(lèi)噪聲的幅度均方根值隨時(shí)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(lèi)噪聲由于它們的幅度隨時(shí)間變化迅速，可以被認(rèn)為是脈沖噪聲。既然脈沖噪聲實(shí)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(lái)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(hào)在低壓電力線上傳輸時(shí)，由于不同的原因會(huì)出現(xiàn)多種衰減，總結(jié)起來(lái)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(diǎn)眾多以及信道存在許多阻抗不匹配的節(jié)點(diǎn)等，從而使電力線具有多徑信道的特征，必然會(huì)造成信號(hào)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(huì)造成信號(hào)衰減（中、高壓電力線中）；電網(wǎng)中存在對(duì)信號(hào)有衰減作用的用電設(shè)備，造成信號(hào)的衰減。還有，信號(hào)傳播延時(shí)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(diǎn)處具有兩種不同特征阻抗的介質(zhì)。當(dāng)信號(hào)傳到阻抗斷點(diǎn)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(diǎn)，使信號(hào)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(diǎn)處發(fā)生反射，反射波影響發(fā)射信號(hào)，使得信號(hào)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(hào)在傳輸過(guò)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(jiàn)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： (2-4) 延時(shí)衰減由于信號(hào)是多徑傳播的，同一信號(hào)由不同的路徑傳播時(shí)，會(huì)造成不同的延時(shí)。延時(shí)與傳播距離和傳播速度有關(guān)，具體表達(dá)式為： ( 2-5) 式中τi是第i條路徑的延時(shí)，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，這里研究脈沖響應(yīng)的窄帶衰減特性。 設(shè)脈沖響應(yīng)為： ( 2-6) 其中系數(shù)τi是反射延時(shí)，ki是反射衰減。根據(jù)式(2-6)可計(jì)算出傳輸函數(shù)為： ( 2-7) 但實(shí)際上系數(shù)ki隨傳輸距離和頻率變化，經(jīng)過(guò)修正后，恰當(dāng)?shù)谋磉_(dá)式是： ( 2-8) 這里li是線纜的長(zhǎng)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(xiě)成： (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可 根據(jù)電纜的幾何特點(diǎn)計(jì)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(jì)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(hào)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(jì) 2.3.1 電力線信道結(jié)果分析 前面討論了電力線信道對(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?chē)?yán)重。因此在接收端必須設(shè)計(jì)濾波器對(duì)接收信號(hào)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(mǎn)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(lái)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T(mén)s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 表2-1中列出了2ASK、2FSK、2DPSK數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)的誤碼率與輸入信噪比r的關(guān)系。從該表清楚地看出，在每一對(duì)相干和非相干的鍵控系統(tǒng)中，相干方式略?xún)?yōu)于非相干方式。它們基本上是和之間的關(guān)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(lái)，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(chēng) 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 在選擇數(shù)字調(diào)制方式時(shí)，還應(yīng)考慮它的最佳判決門(mén)限對(duì)信道特性的變化是否敏感。在2FSK系統(tǒng)中，不需要人為地設(shè)置判決門(mén)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(mén)限電平為零，與接收機(jī)輸出信號(hào)的幅度有關(guān)。因此，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(mén)限狀態(tài)。對(duì)于2ASK系統(tǒng)，判決器的最佳判決門(mén)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(mén)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(mén)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。 （4）設(shè)備復(fù)雜度 2ASK、2FSK、2PSK來(lái)說(shuō)，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(duì)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(shí)，2PSK的設(shè)備最復(fù)雜，2FSK次之，2ASK最簡(jiǎn)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?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,因而此設(shè)計(jì)采用了FSK的調(diào)制方式。 2.3.3 實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方案選擇 通過(guò)上一節(jié)對(duì)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(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(zhuān)用的集成芯片來(lái)實(shí)現(xiàn). 方案一：利用單片機(jī)，用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)FSK調(diào)制與解調(diào)，具體的實(shí)現(xiàn)框圖如圖2-1所示 工作方式設(shè)置 P0 P1 P3.5 INTO MCU P2 TXD-RXD 電阻網(wǎng)絡(luò) 電平檢測(cè) 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(hào)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 圖2-1 FSK的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)框圖 用單片機(jī)來(lái)實(shí)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(jià)格較高，要想使成本最低的話(huà)，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的同時(shí)，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(diǎn)就是執(zhí)行軟件所花的時(shí)間也更長(zhǎng)。這對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)而言，這樣的設(shè)計(jì)將毫無(wú)意義。 方案二：采用集成芯片的實(shí)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(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(zhuān)用Modem芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。國(guó)外很早對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專(zhuān)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Modem芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強(qiáng)使用。國(guó)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(zhuān)門(mén)針對(duì)電力線載波通訊設(shè)計(jì)的，還可用于有線和無(wú)線通訊。LM1893是美國(guó)國(guó)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(duì)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(guó)內(nèi)基本沒(méi)有采用。 （2）ST7536 ST7536是SGS-THOMSON公司專(zhuān)為電力線載波通訊而設(shè)計(jì)的Modem芯片。由于它是專(zhuān)用modem芯片，所以除有一般Modem芯片的信號(hào)調(diào)制解調(diào)功能外，還針對(duì)電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號(hào)處理手段。目前，在國(guó)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(shí)靈敏度為2mV，1200bps時(shí)靈敏度為3mV。它針對(duì)電力線載波通訊采用了數(shù)字濾波器、AFC(自動(dòng)頻率控制)、ALC(自動(dòng)輸出幅度控制)以及軟件上的3字節(jié)容錯(cuò)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(cuò)，最高波特率只能達(dá)到400bps。另外它無(wú)CSMA(網(wǎng)絡(luò)載波偵聽(tīng))功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國(guó)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(shí)，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計(jì)算，每833μs中斷一次，對(duì)更復(fù)雜的應(yīng)用來(lái)講，833μs間隔短了一點(diǎn)。 （3）SSCP300 SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波Modem芯片。它采用了擴(kuò)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(chēng)為智能Modem芯片，體現(xiàn)了Modem芯片的發(fā)展趨勢(shì)。但在國(guó)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(duì)家庭自動(dòng)化而設(shè)計(jì)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(duì)家庭自動(dòng)化，主要一家一戶(hù)式獨(dú)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-22 PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發(fā)器，它是針對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。它采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯(cuò)及糾錯(cuò)技術(shù)，目前在中國(guó)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(zhuān)用，而且價(jià)格太高，因此在市場(chǎng)普及上有一定的困難。 （5）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(huà)交換網(wǎng)中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的專(zhuān)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(shí)為-3dB，解調(diào)接收靈敏度最弱信號(hào)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(jì)采用的也是這個(gè)芯片，主要是芯片的價(jià)格與同類(lèi)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。 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(jì)。 第3章 電力線調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì) 上一章分析了室內(nèi)電力線的信道特性。雖然實(shí)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(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。在上一章對(duì)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(jì)。課題中設(shè)計(jì)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(jì)的,這里再畫(huà)此圖,以圖3-1所示。 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3-1 電力線調(diào)制解調(diào)設(shè)計(jì)框圖 在圖3-1所示框圖的硬件電路設(shè)計(jì)中，主要的任務(wù)有： （1）調(diào)制解調(diào)電路設(shè)計(jì) （2）調(diào)制解調(diào)器與計(jì)算機(jī)的通信電路設(shè)計(jì) （3）電力線耦合接口電路設(shè)計(jì) （4）電源模塊設(shè)計(jì) 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(huà)線路上，使用FSK可以實(shí)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(hào)的波形, 圖3-3是對(duì)FSK圖形的參數(shù)說(shuō)明。 圖3-2 FSK信號(hào)波形 圖3-3 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)性能分析 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)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(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。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，他們可以分別寫(xiě) 成： （3-2） （3-3） 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： （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(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： （3-12） 是消耗在負(fù)載阻抗ZL上的功率： （3-13） 整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在輸入端與輸出端之間的功率損失按(3-14)式計(jì)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(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)，這里的可以寫(xiě)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(shuō)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(jì)的窄帶電力線通信頻率一般選（95kHz～200kHz）。圖3-6說(shuō)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(shuō)明線路中接入用電設(shè)備多，那么線路分枝多，信號(hào)被反射、吸收就多，因此功率損失大；圖3-7說(shuō)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 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(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： (3-24) 這里的erfc()是互補(bǔ)誤差函數(shù)，Eb/N0可寫(xiě)成： （3-25） （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： （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(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，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： （3-27） 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(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，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 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(jì) 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(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(huà)交換網(wǎng)中計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信的專(zhuān)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(shí)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(diào)制 載波檢測(cè) 定時(shí)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(hào) 功能定義 管腳 信號(hào) 功能定義 1 RING 振鈴信號(hào) 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) 4 VBB －5V電源 16 DTR 數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)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(cè) 10 TXD 發(fā)送數(shù)據(jù) 26 RXD 接收數(shù)據(jù) 11 BRTS 基帶請(qǐng)求發(fā)送 27 BCD 基帶載波檢測(cè) 12 RTS 請(qǐng)求發(fā)送 28 BTXD 基帶發(fā)送數(shù)據(jù) 3.3.2 Modem的工作機(jī)理 AM7910 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)程的原理框圖分別見(jiàn)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(diào)制信號(hào)，TC為發(fā)送的調(diào)制信號(hào)。 AM7910數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過(guò)程的原理框圖分別見(jiàn)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(lái) 圖3-12 AM7910 數(shù)據(jù)發(fā)送原理框圖 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UART RC 模擬前置濾波器 ADC 數(shù)字解調(diào)器載波檢測(cè) 數(shù)字帶通濾波器 MC0-MC4 MMMC4 RXD 由于AM7910內(nèi)部具有數(shù)字、模擬帶通濾波器和其它類(lèi)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(biāo)準(zhǔn)TTL電平，調(diào)制輸出最高電平在600Ω時(shí)為－3dB，解調(diào)接收靈敏度最弱信號(hào)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(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)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3-14 調(diào)制解調(diào)電路圖 3.4 耦合電路設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)提到過(guò)，此次設(shè)計(jì)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(fēng)雨雷電的影響，所以引起的干擾也特別大，我們?cè)谧髟O(shè)計(jì)時(shí)也必須要考慮這些因素，做好Modem的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。 ??? 由于?通信線路避雷器的技術(shù)要求較高，因?yàn)槌藵M(mǎn)足防雷技術(shù)要求外，還須保證傳輸指標(biāo)符合要求。加上與通信線路相連的設(shè)備耐壓很低，對(duì)防雷器件的殘壓要求嚴(yán)格，因此在選擇防雷器件時(shí)較困難，目前常用的防雷器件的相關(guān)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(yīng)速度 慢 快 很快 ????? 理想的通信線路防雷器件應(yīng)是電容小、殘壓低、通流大、響應(yīng)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(hù)作用。 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)。 具體設(shè)計(jì)電路由圖3-15所示 圖3-15 耦合電路電路圖 3.5 調(diào)制解調(diào)器的串口電路設(shè)計(jì) 3.5.1 使用串口通信的原因 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)使用和發(fā)展，目前已經(jīng)有多種。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。另外RS-232也可以直接應(yīng)用于任何類(lèi)型的計(jì)算機(jī)之間的簡(jiǎn)單連接上。 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。更新的計(jì)算機(jī)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(wú)法進(jìn)行的工作。 （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。 （3）連接距離可以達(dá)到50-100英尺。USB連接最長(zhǎng)可以達(dá)到16英尺，PC機(jī)的并行打印機(jī)接口與主機(jī)距離可以達(dá)到10~15英尺，或者利用IEEE-1284B型驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到30英尺。如果RS-232端口與Modem相連，則可以在世界范圍內(nèi)接受和傳送數(shù)據(jù)。 （4）對(duì)于雙向連接，只需要3條導(dǎo)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(hào)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(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 如表3-3所示： 表3-3 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 1 0 名稱(chēng) Mark Space 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~-15V EIA-RS-232-C與TTL轉(zhuǎn)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。目前廣泛使用的是集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實(shí)現(xiàn)EIA到TTL電平的轉(zhuǎn)換。因?yàn)樗O(shè)計(jì)電路本質(zhì)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(diào)制解調(diào)器的串行接口電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 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3-16為調(diào)制解調(diào)器的串行接口電路。 圖3-16 調(diào)制解調(diào)器的串行電路設(shè)計(jì)圖 3.6 電源模塊電路設(shè)計(jì) 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（發(fā)射狀態(tài)時(shí)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(shè)計(jì)為500mA已可以滿(mǎn)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)。 當(dāng)然在設(shè)計(jì)中，我也考慮到了Modem做獨(dú)立使用情況，在查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，由于-48V的電源在通信系統(tǒng)很常見(jiàn)，而且我所在的公司也有自己設(shè)計(jì)實(shí)物。所以我就決定在這個(gè)電源基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)可以提供上述四種電壓的電源設(shè)計(jì)。借助日本一家公司生產(chǎn)的電源模塊ZUW10-4812，可以實(shí)現(xiàn)從48V到24V和正負(fù)12V的電壓轉(zhuǎn)換。同時(shí)這樣我們?cè)诮柚鷥蓚€(gè)三端穩(wěn)壓塊LM7805和LM7905就可以實(shí)現(xiàn)正負(fù)12V到正負(fù)5V的電壓轉(zhuǎn)換。圖 3-17為模塊電源設(shè)計(jì)的電路圖。 圖3-17 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 晶體振蕩器電路設(shè)計(jì) 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(jiàn)工作方式 晶體MHz 協(xié)議名稱(chēng) 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