【文章內(nèi)容簡介】 的疊加， 因此， 在產(chǎn)生 2FSK 信號時可以采用模擬調(diào)頻電路來實(shí)現(xiàn)。 FSK 解調(diào)器將接收到的 FSK 信號解調(diào)并且以原來的二進(jìn)制的格式進(jìn)行存貯。一般來講，可以附加帶通濾波器用來抑制帶外噪聲，降低 FSK 發(fā)送器的諧波。 167。 相移鍵控方式 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 相移鍵控是用離散的基帶數(shù)據(jù)信號去控制載波信號的相位變化， 即數(shù)據(jù)信號的信息載荷 在載波的相位變化上，利用載波相位的變化來傳遞信息。通過數(shù)據(jù)信號控制開關(guān)得以選取與數(shù)據(jù)信號相對相位的數(shù)字移相信號。 該方式通過調(diào)制載波的相位來傳輸數(shù)據(jù)，也是一種線性調(diào)制技術(shù)。在發(fā)生相位突變時，由于包絡(luò)不恒定會導(dǎo)致在通過帶限信道后頻譜發(fā)生擴(kuò)散。 PSK 是用載波的兩種不同相位表示信號“ 0”和“ 1， 可取 0 和 π 兩種取值，其時域表達(dá)式為： 式中： an =??? ?? 出現(xiàn)以概率 出現(xiàn)以概率 P11 P1； ?c 為載波角頻率。 產(chǎn)生 PSK 信號一般有以下兩種方法： 1. 調(diào)相法：將基帶數(shù)字信號(雙極性 )與載波信號直接相乘的方法； 2. 選擇法：用數(shù)字基帶信號去對相位相差 180度的兩個載波進(jìn)行選擇。 在 PSK 系統(tǒng)中，由于發(fā)送端是以某一個相位做基準(zhǔn)的，因而在接收系統(tǒng)中也必須有對應(yīng)的基準(zhǔn)相位作參考，如果基準(zhǔn)相位發(fā)生變化就會造成誤碼?？紤]到實(shí)際通信時參考基準(zhǔn)相位的隨機(jī)跳變是可能的且不易被發(fā)覺， 由這種因素導(dǎo)致的現(xiàn)象稱為 PSK 方式的“倒現(xiàn)象”或“反向工作”現(xiàn)象，所以在實(shí)際 應(yīng)用中必須盡量避免這種現(xiàn)象發(fā)生。在大信噪比條件下， PSK 的誤碼率比 FSK 要好。 167。 擴(kuò)頻通信方式 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信 (Spread Spectrum Communication)，是一種信息傳輸方式，其信號所占有的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬。頻帶的擴(kuò)展是通過一個獨(dú)立的碼序列來完成，用編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)。 在接收端則用同樣的碼進(jìn)行相關(guān)同步接收、 解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)碼 (PN 碼 )調(diào)制，實(shí)現(xiàn)河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端 則采用同樣的 PN 碼進(jìn)行相關(guān)處理及解調(diào)，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信在一定程度上可以提高頻帶內(nèi)抗干擾的能力， 但是當(dāng)載波信號由于阻抗不匹配而引起信號跌落時，擴(kuò)頻通信也無能為力。 擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)是對信息數(shù)據(jù)頻譜擴(kuò)展的一種通信系統(tǒng)。 要對信息數(shù)據(jù)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，其擴(kuò)頻所采用的偽隨機(jī)碼須有極寬且均勻的頻譜特性。這種偽隨機(jī)碼就叫做擴(kuò)頻序列。擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能同擴(kuò)頻碼的性能有很大關(guān)系。對擴(kuò)頻碼通常提出下列要求：易于產(chǎn)生；具有隨機(jī)性；擴(kuò)頻碼應(yīng)具有盡可能長的周期，使干擾者難以通過擴(kuò)頻碼的一小段去重建整個碼序列； 擴(kuò)頻碼應(yīng)具有雙 值自相關(guān)函數(shù)和良好的互相關(guān)特性，以有利于接收時的截獲和跟蹤，以及多用戶應(yīng)用。從理論上說，用純隨機(jī)序列去擴(kuò)展信號頻譜是最理想的。但在接收機(jī)中為了解擴(kuò)應(yīng)當(dāng)有一個同發(fā)送端擴(kuò)譜碼同步的副本。因此，實(shí)際工程中，我們只能用偽隨機(jī)或偽噪聲（ PN）序列作為擴(kuò)頻碼。偽隨機(jī)序列具有貌似噪聲的性質(zhì)，但它又是周期性的有規(guī)律的，既容易產(chǎn)生，又可以加工和復(fù)制的序 列。 擴(kuò)頻通信要求擴(kuò)頻序列具有較好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性， 屬偽隨機(jī)序列（ Pseudo Noise Sequence，即 PN 序列） 。其中最常用的有 m 序列（即最大長度線性反饋 移位積存器序列） 、 Gold 序列、 M 序列（結(jié)構(gòu)型非線性移位寄存器序列）等。擴(kuò)頻的主要特點(diǎn)就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)必須預(yù)先知道一個預(yù)置的擴(kuò)頻碼或密鑰，擴(kuò)頻碼必須足夠長，盡量接近類似于噪聲的隨機(jī)數(shù)字序列。但是，在任何情況下，他們必須保持可恢復(fù)性。否則，接收機(jī)將不能提取發(fā)射信息。因此，這序列是近似隨機(jī)的，擴(kuò)頻碼通常稱為偽隨機(jī)碼 (PRN)或偽隨機(jī)序列。通常采用反饋型移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列。 目前實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻有三種方式：直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻和脈沖線性擴(kuò)頻 （ ChirpSS)。擴(kuò)頻技術(shù)具有偽隨機(jī)碼調(diào)制和相關(guān)處理兩大特點(diǎn)。正是 這兩大特點(diǎn)，使擴(kuò)頻通信有許多優(yōu)良特性， 如抗干擾性強(qiáng)、 抗多徑干擾、 可以實(shí)現(xiàn)碼分多址等。采用該技術(shù)，能在很大程度上克服電力線的大衰減、強(qiáng)干擾的缺陷，提高了通信系統(tǒng)的能力。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 167。 正交頻分復(fù)用 正交頻分復(fù)用是一種多載波調(diào)制技術(shù)。 主要是把高速傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流分解成若干個子比特流，每個子比特流具有較低的傳輸速率，并用低速數(shù)據(jù)流調(diào)制若干子載波。它把有效的頻譜分成許多小的信道。它們相互重疊，并且在空間上彼此正交。重疊越大，分成的信道數(shù)也就越多。每個信道提供一個低的數(shù)據(jù)速率，眾多信道加在一起就可以獲得較高的數(shù) 據(jù)速率和更有效的頻譜利用率。 它具有頻譜利用率高，信號調(diào)制解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，同時可以較好地解決電力線通信信道的多徑衰落和頻率選擇性衰落，已廣泛地應(yīng)用于電力線通信、無線局域網(wǎng)（ WLAN）等技術(shù)領(lǐng)域。 由于 OFDM 技術(shù)可以選用 IFFT/FFT 方法來實(shí)現(xiàn)各個子信道的調(diào)制和解調(diào)，因此隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展， OFDM 技術(shù)的實(shí)現(xiàn)變得極為容易。目前常采用 DSP 實(shí)現(xiàn)調(diào)制和解調(diào)，這種調(diào)制技術(shù)具有抗噪聲、抗多徑干擾、抗衰落等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻和 OFDM 都具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高等特點(diǎn)，但是 因?yàn)樗鼈兊恼{(diào)制原理不同，所以在實(shí)際應(yīng)用中有一定的差異。主要體現(xiàn)在發(fā)射功率、調(diào)制效率、抗干擾性能、抗多徑能力等方面。 由于 FSK 傳輸速率相對較低，頻帶利用率不高，但其實(shí)現(xiàn)簡單，甚至可以用軟件實(shí)現(xiàn)，因此仍得到了廣泛應(yīng)用。將 FSK 應(yīng)用到 PLC 中時，對其具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行設(shè)計，使之能夠與 PLC 的信道特點(diǎn)相適應(yīng)，以達(dá)到較好的傳輸性能 。綜合考慮到以上幾種調(diào)制解調(diào)方式的優(yōu)缺點(diǎn)以及實(shí)際情況，我們選擇 FSK作為調(diào)制解調(diào)模式。 167。 電力線載波 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 圖 21 電力線原理框圖 如圖 21 所示為實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的原理框圖。圖中 A 端為發(fā)電廠、B 端為變電所，發(fā)電廠產(chǎn)生的 50Hz 電流經(jīng)升壓后，通過電力線送到變電所，再經(jīng)降壓后供給用戶。利用電力線實(shí)現(xiàn)載波通信，最重要的問題是如何把高頻信號安全地耦合到電力線上。常用的耦合采用圖中所示的相地耦合方式。它由耦合電容 C 和結(jié)合濾波器 F 組成。耦合電容器和結(jié)合濾波器構(gòu)成一只高通濾波器，它使高頻信號順利通過，達(dá)到了將高頻信號耦合到電力線的目的。而對 50Hz 電流具有極大的衰減，防止 50Hz 電流進(jìn)入載波設(shè)備，達(dá)到了保護(hù)人身和載波設(shè)備安 全的目的。圖中電力線上很高的 50Hz 電壓，由于頻率低，電壓幾乎都降落到耐壓很高的高壓耦合電容器兩端，結(jié)合濾波器的變量器線圈上所降電壓無幾，這樣的耦合是非常安全的。阻波器 T 是一個調(diào)諧電路，其電感線圈時能通過很大 50Hz 電流的強(qiáng)流線圈，保證 50Hz 電流的傳送，而整個調(diào)諧電路諧振在高頻信號的頻率附近，阻止高頻信號通過，起到防止發(fā)電廠或者變電所母線對高頻信號的旁路作用?？傊眠@些線路設(shè)備，耦合問題得到了解決。 河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 22 電力線載波設(shè)備框圖 電力線載波通信在兩個方向采 用兩個不同的線路傳送頻帶在同一相電力線上來回傳送，是雙頻帶二線制雙向通信。其具體過程為： A 端的語音信號 (O． 3— 3． 4kHz)經(jīng)差接系統(tǒng)，與頻率為斤的載波進(jìn)行調(diào)制，并取其上邊帶，將語音信號頻譜搬移到高頻，成為 f+(O． 3～ 3． 4)kHz 的高頻信號，通過放大和帶通濾波器濾除諧波成分，經(jīng)結(jié)合濾波器 Fl、耦合電容器 C1 送到電力線的耦合相線上。由于阻波器 Tl 的存在，高頻信號沿電力線傳輸?shù)?B 端，再經(jīng)過 B 端的 C F2 送入 B 端載波設(shè)備。中心頻率為 f1 的收信帶通濾波器濾出斤 +(0． 3— 3． 4)kHz 的高頻信號，經(jīng)過放大、 解調(diào)以后得到 A 端的語音信號。按照相同的方式，將 B 端的語音信號通過厶 +(0． 3～ 3． 4)kHz 的高頻信號傳輸?shù)?A 端，這樣就可以實(shí)現(xiàn)雙向電力線載波通信。電力線載波設(shè)備和通信線載波設(shè)備沒有原理上的區(qū)別。但電力線載波設(shè)備與電力線連接時，必須通過線路設(shè)備。實(shí)際上，線路設(shè)備中的阻波器和耦合電容器、結(jié)合電容器的作用，同通信線載波設(shè)備中的線路濾波器的作用完全相同。圖 中可見，電力線載波通信系統(tǒng)由電力線載波設(shè)備和高頻通道所組成。它所使用的頻帶主要由高頻通道的特性所決定。使用頻率過高線路衰減將增得很大，通信距河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 離受到限制；而 使用頻率太低，將受到 50Hz 工頻諧波的干擾，同時要求耦合電容器的電容量和阻波器的強(qiáng)流線圈電感量增大，而使線路設(shè)備在制造商和經(jīng)濟(jì)上造成困難。國際電工委員會 (IEC)建議使用頻帶一般為 30～ 500kHz。在實(shí)際選擇頻帶時，必須考慮無線電廣播和無線電通信的影響。國內(nèi)統(tǒng)一的使用頻帶為 40～ 500kHz。電力線載波通信在充分利 40～ 500kHz之間的 460kHz頻帶時，和通信線載波通信在充分利用線路頻帶有著明顯的不同。通信線是專門為開設(shè)載波通信而架設(shè)的，為了充分利用這條線路，根據(jù)其傳輸特性的限制，在其可使用的頻帶內(nèi)開 設(shè)多路通信，達(dá)到全頻帶都能合理的利用。電力系統(tǒng)中的電力線路是為了傳輸和分配電能而架設(shè)的，它們在發(fā)電廠和變電所內(nèi)均按電壓等級連接在同一母線上。同一發(fā)電廠、變電所種不同電壓等級的電力線也均在同一高壓區(qū)內(nèi)，并由電力變壓器將其相互耦合。這樣，在一條電力線上開設(shè)電力線載波，它的信號雖被阻波器阻塞，但還會串?dāng)_到同一母線的其他相電力線上去。由于同母線上的不同相電力線之間的跨越衰減不大，因此使每條電力線上開設(shè)電力線載波的頻譜不能重復(fù)使用，使得同母線的各條電力線上只能限制在共同使用的 40～ 500kHz 的頻帶。此外，在同一個電 力系統(tǒng)中電力線是相互連接的，要想重復(fù)使用相同頻譜，至少應(yīng)相隔兩段電力線路。這就使得同母線的各條電力線上所能共同利用的頻譜，還要比40～ 500kHz 窄 167。 實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的難點(diǎn) 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(diǎn)。 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。 ④ 電力線存在脈沖干擾。河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 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(diǎn)的短時間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^零點(diǎn)時間短， 實(shí)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(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸?shù)綆?km。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?。提高載波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積。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。 167。 系統(tǒng)總體 設(shè)計方案的構(gòu)成 根據(jù) FSK 電力線載波通信系統(tǒng)基本硬件功能模塊和設(shè)計的要求，完成主要有串口通信模塊，微控制器模塊、 FSK 調(diào)制解調(diào)器 模塊、電力線耦合 模塊和其他外圍模塊組成。 167。 串口通信模塊 設(shè)計方案的確定 串口通信模塊是實(shí)現(xiàn)單片機(jī) PC 機(jī) 通信 的核心模塊 ,主要用來通過與 PC機(jī)互聯(lián)通信下載程序到微控制器芯片 STC12C5A60S2以達(dá)到對 FSK調(diào)制解調(diào)模塊的控制。 方案：該模塊主要使用 MAX232 芯片，下面對該芯片做簡單介紹： MAX232 是一種雙組驅(qū)動器 /接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在 單 5V電源供電時提供 EIA/TIA232E 電平。每個接收器 EIA/TIA232E電平輸入轉(zhuǎn)換為 5V TTL/CMOS 電平。這些接收器具有 的典型門限值 的典型遲滯，而且可以接收177。 30V 的輸入。每個驅(qū)動器將 TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為 EIA/TIA232E 電平。所有的驅(qū)動器、接收器及電壓發(fā)生器都可以在河南科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 德州儀器公司的 LinASICTM 元件庫中得到標(biāo)準(zhǔn)單元。 MAX232 的工作溫度范圍為 0℃至 70℃， MAX232I 的工作溫度范圍為 40℃至 85℃。 芯片特點(diǎn)：