电力线载波调制解调器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 电力线载波调制解调器设计 摘要 ： 电力线网络的 特点 是它覆盖的范围非常广，各种建筑物内都有接入。与常见的 同，电力线通信（ 于通信线路的特点，是一种 近 距离的通信方式，它适合“最后一英里”（ 通信接入。 而调制解调技术决定了电力线通信的传输速率、传输距离和抗干扰能力，它是电力线通信实现的关键 。 本 次 设计主要 涉及电力线载波 调制解调器的相关内容，本文通过对电力线信道的初步分析，提出了适合电力线通信的具体实现方案。文章详细介绍了基于 制方式的电力线 载波调制解调器的 硬件设计， 设计内容 包括电力线耦合接口的设计、调制解调器的设计和控制器的相关设计 等 。 通过分析和调试，设计实现了电力线 调制解调器（ 相关功能，各项技术指标也达到最初设计任务要求。 关键词 ： 电力线通信； 制；解调 ； 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of is it a of is a it to of an on LCs is to on of to of in is SK of ， ， 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 课题背景 . 1 电力线通信概述 . 1 电力线通信在国内外的应用研究现状 . 1 电力线通信前景展望 . 2 论文内容及主要工作 . 3 论文结构安排 . 4 第 2 章 电力线信道分析及调制解调器方案设计 . 5 电力线信道噪声分析 . 5 电力线信道衰减分析 . 6 系统方案的论证设计 . 7 电力线信道结果分析 . 7 调制方式的选择 . 8 现调制的方案选择 . 9 第 3 章 电力线调制解调电路设计 . 13 绍 . 13 制电力线通信系统性能分析 . 15 电力线通信系统模型 . 15 制电力线 通信系统性能分析 . 19 调制解调器电路设计 . 21 调制解调器核心器件 绍 . 21 工作机理 . 22 由 主体组成 1200 s 的 . 23 合电路设计 . 24 调制解调器的串口电路设计 . 25 使用串口通信的原因 . 25 电器特性 . 26 调制解调器的串行接口电路的设计实现 . 27 电源模块电路设计 . 27 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 晶体振荡器电路设计 . 28 控制电路设计 . 29 第 4 章 调试报告 . 31 调试步骤 . 31 计缺陷 . 32 测试结果 . 33 测试晶体波形 . 33 各点电位测试结果 . 35 功能测试结果 . 35 调试中出现的异常现象及分析 . 36 调试结论和设计优化 . 37 总 结 . 39 致 谢 . 40 参考文献 . 41 附录 1 计原理图 . 42 附录 2 计 . 43 附录 3 计实物图 . 44 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪 论 课题 背景 电力线通信概 述 是以电力线作为通信媒介的一种通信方式。电力线本身并不是一种理想的通信介质，但随着电力线载波通信技术的不断进步，特别是调制技术及微电子技术的发展，使得 实用化成为可能。最早的 用技术是一种称之为 “脉冲控制 ”的通信系统，该系统提供速率极低的单向通信，主要用于路灯及负荷控制。 20 世纪 50 年代以来，人们开始研究电力线（主要为高压）频率范围为 500特性，并在此基础上开发了电力系统调度通信及广泛使用的电力线载波机。20 世纪 90 年代以来国外开始研究电力线（主要为低压及中压）频率范围为 20高频特性，并在此基础上开发了实用的高速 品及系统。当前已有多种高速 品及系统在家庭联网、高速 入、智能家居等方面得到了广泛应用。 电力线通信在国 内 外的应用研究现状 上个世纪，北美的电力公司就开始应用低频率、低速率、异步传输的 术，来实现电力线载波远程控制 （ 如路灯控制、发电机控制等 ） 和语音传输等功能。在近 15年中， 术的应用仍集中在电力线自动抄表 (用电负荷控制 和供电管理、设备保护与监控等领域。只是在近几年，随着使用高频率 (3 30高速率同步传输的术的研发，以及随着 “ 最后一英里 ” 的高速宽带接入的日益增长需求，术才摆脱了仅仅作为电力系统的一类控制工具的局限 ， 而走向无限广阔的 为很有竞争力的、潜力较大的宽带接入方式之一。目前，美国的 户内组网方案和户外接入方案。户内组网方案是低压 (决方案，即在住宅或商业楼宇内，通过 户内低压电力线路和电源插座作为传输介质和节点，组建内部局域网 (该方案解决宽带通信的 “ 最后 100 米 ” 问题。户外接入方案是一个从中压 (低压 (解决方案，即以传统的通信方式 (如光纤 )接到变电站，从变电站到下属的各个低压变压器，通过中压输电线建立宽带传输骨干 网络，再连通变压器以下的低压线作为传输支线 ， 最终接入户内计算机 。 该方案解决宽带通信的 “ 最后一英里 ” (1题。 目前，国外 究的重点主要是以下几个方面： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 （ 1） 信道传输特性 （ 2） 信道噪声特性 （ 3） 信道电磁兼容特性 （ 4） 信道调制编码及处理 目前高速 要用于家庭、小型办公室联网及高速接入。 家庭、办公室联网应用中，通过多个高速 成内部网络，并可通过 享外部 线局域网等宽带 入。在国外，已有数百万电力线高速通信产品用于室内、办公室联网，电力线高速接入在多个国家已达数百个试验网络，主要应用于欧洲和美国等 。 电力线通信前景展望 21 世纪是国际互联网规模和速度发展最快的年代，其用户增长数量每年都在以指数形式增长，从 最初的高科技数据网络发展成为人们工作、学习、生活中必不可少的桌面工具。据有关市场研究公司预测，在 2007 年之前中国的宽带用户数量将达到 5450 万户，面对如此巨大的宽带用户市场， 发展拉动了网络向千家万户的覆盖。 术施工方便、使用灵活，能够利用已有的电力网这一广泛的基础设施把宽带网络接入到每个家庭，省去在接入方式上的重复建设，对于推进我国数字化进程必将产生积极的作用。同时， 术在远程抄表、配网自动化、营销自动化、负荷管理等方面的广泛应用，将为实现我国的电网配售自动化、建设电力信息化平台，提供 一个良好的网络基础和解决方案。 然而，由于 术的传输速度和传输距离有一定限制，它的主要用途不是核心主干网络，而是通信网的外围和末端。发展 术的目的，不是取代光纤通信接入以及其它宽带接入技术，而是作为以上技术的互补，在特定应用场合发挥各自的长处，为国家信息化建设节省投资，给广大网民带来利益。 末端用户接入 (最后 100米接入 )，即从楼内总配电室到每个家庭及入户后采用任意电源插座即能实现连接等功能，具有明显的优势。为此，末端接入的优势必将给已经有宽带网络运营基础的电信运营商和宽带接入服 务商提供了增加用户接入率的商机。此外，低压宽带 术也日益得到国内外科研机构的重视，国家电网公司已经立项，研究利用低压电缆作为高速数据传输链路，既可以解决电力系统配网自动化通道问题，又为广大农村用户及西部地区提买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 供一个节省投资的通信传输方式。相信随着 术标准的制定， 业链的形成，业必将走向健康有序的发展道路。 论文内容及主要工作 目前，国内电力线通信的研发和应用与国外还有一定距离，主要的原因是国内电网与国外的情况有很大不同，从国外引进的电力线通信芯片不能完全适应国内的实际情况 。但是，在特定的环境中、一定距离内，选择恰当的电力线通信芯片，并根据实际环境设计合理的耦合接口，电力线载波通信是可能的。 电力线通信与其他通信方式一样，在发射端都是将基带信号通过某种方式的调制，转换成更适宜在信道中传输的信号并经过放大后，再通过电力线耦合接口发射到电网中；在接收端，从耦合接口接收到电网中的调制信号，先经过滤波处理，再进行放大，最后送入解调器解调输出。 在我的的课题中，重点研究一端发射信号、另一端接收信号的低压窄带电力线通信模块，如图 1示。但在实际设计过 程中，是将发射机与接收机集成在 一起，工作模式通过硬件转换。因此 发射端与接收端的硬件实现方法相同。 图 1电力线调制解调设计框图 从电力线通信硬件设计角度来说，调制解调器的相关设计和滤波、耦合接口的设计是项目的重点之一。其中调制解调器决定了通信的模式及传输速率，课题中选择 接收机 计 算 机及 终 端设备 控制器 放大 /滤波 接口 接口 滤波 /放大 解调器 控制器 串口 串口 调制器 计 算 机和终 端设备 发射机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 芯片为电力线载波通信调制解调器的核心器件，调制方式是 波、耦合接口设计关系到通信能否成功以及通信的质量。此外对调制解调器的设计是 本次 设计的重点。 设计完成后进行了调试和实验。通过试验证实了 硬件模块设计的合理性。 论文结构安排 本文内容安排如下： 第一章主要介绍了电力线的发展状况，及国内外的研究现状和课题的研究前景。 第二章从噪声干扰和信道衰减 两 方面分析了室内电力线信道特征。分析的方法是在总结、吸收国内外先进的信道研究、分析、建模的基础上 ， 结合实际 需要 ，提出了室内近距离的电力线载波 调制解调 方案。 第三章详细介绍 制方式的电力线载波通信模块硬件设计。这章重点 是 电源电路、耦合电路的设计，以及调制解调器的相关设计。 第四章详细介绍电力线载波通信模块调试情况、以及调试的结果和得出的 结论。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 第 2 章 电力线信道分析及 调制解调器 方案设计 电力线信道分析是电力线通信研究中非常重要的一部分，电力线通信的其他研究都是建立在电力线信道研究的基础上。通过对电力线信道分析， 才能找到适合电力线的最佳调制方式，从而设计出最佳的调制解调方案。 电力线信道噪声分析 电力线信道的噪声主要是由电网中工作的各种用电设备产生。不同地点、不同时间电网中工作的用电设备是不同的，因此电力线信道的噪声必然随着时间和地点而变化，而且也必然与人的活动有关，大量文献资料说明了这一点。低压电力线的传输环境不同于其他通 信信道，它的网络结构复杂，连接的负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声非常复杂，不能简单归结为加性高斯白噪声 ( 根据文献资料，电力线信道的噪声可分为以下 5 类： （ 1） 有色背景噪声：这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的功率谱密度 (它主要是由各种低功率的噪声源产生的，它的功率谱密度随时间的变化而缓慢发生变化。 （ 2） 窄带噪声：主要是无线电广播发射引起的幅度调制的正弦信号。 （ 3） 与工频异步的周期性脉冲噪声：这种噪声的重复频率一般为 50200电视机或电脑显示器干扰所造成， 它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器的扫描频率同步。 （ 4） 与工频同步的周期性脉冲噪声：脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下降。它主要是由可控硅整流器件造成的。 （ 5） 随机脉冲噪声：闪电或网络上负载 (如电容器组，自动调温器、冰箱、空气调节器等 )的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会产生很宽的频谱。它的到达时间是随机的，持续时间从几 冲噪声的功率谱密度有时会比背景噪声高出 50 通常，前两类噪声的幅度均方根值随时间变 化缓慢，因此它们可以归纳为背景噪声。另一方面，后三类噪声由于它们的幅度随时间变化迅速，可以被认为是脉冲噪声。既然脉冲噪声实际上是由电力线网络中的电器引起，电力线噪声可以被认为是背景噪声和来买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 自附近电器脉冲噪声的总和。 电力线信道衰减分析 高频信号在低压电力线上传输时，由于不同的原因会出现多种衰减，总结起来可分为耦合衰减和线路衰减。造成耦合衰减的原因是由于发射端和接收端与电力线的阻抗不匹配。线路衰减的产生原因是多方面的，如电力线网络复杂、接入节点众多以及信道存在许多阻抗不匹配的节点等，从而使电力线 具有多径信道的特征，必然会造成信号的多径传播，以至造成衰减；另外电力线本身的热损失和辐射以及电磁干扰，也会造成信号衰减（中、高压电力线中）；电网中存在对信号有衰减 作用的用电设备，造成信号的衰减。还有，信号传播延时衰减等。因此 分析电力线的信道衰减应从多方面考虑。 （ 1） 多径传播造成的衰减线路阻抗的不连续性是指在连接点处具有两种不同特征阻抗的介质。当信号传到阻抗断点处 ,它将发生部分或全部反射（如在电源插座处）。电力线网络上存在许多分支，因此也就存在众多的阻抗不连续点，使信号在电力线上不能从发射端直接传输到接收端 ，而是在节点处发生反射，反射波影响发射信号，使得信号发生频率选择性衰减。 （ 2） 线路损耗衰减通常，由于电缆本身的热损失及辐射等因素，使信号在传输过程中随频率增大、距离增加而发生衰减。按 的讨论，可以将电力线等效为由电阻 R、电容 C、电感 L 和电导 G 组成的模型，如图 2示。传输常数 和特征阻抗 见式 (2 (2由相关参考文献，信道随频率、距离变化的衰减模型可以表示为： ( ) *(,) f d e (2延时衰减由于信号是多径传播的，同一信号由不同的路径传播时，会造成不同的延时。延时与传播距离和传播速度有关，具体表达式为： ( 2式中 i 是第 i 条路径的延时， 第 i 条路径的传播距离， 传播速度。由通信原理可知，通信信道模型包括脉冲响应和噪声两部分，噪声已在前面分析，这里研究脉冲 响应的窄带衰减特性。 设脉冲响应 () 1( ) ( )NE ih t k i t i ( 2买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 其中系数 i 是反射延时， 反射衰减。根据式 (2计算出传输函数为： 21()N iH f k ( 2但实际上系数 传输距离和频率变化，经过修 正后，恰当的表达式是： ( ) 2( , ) f l i j ik f l i a i e e ( 2这里 线缆的长度， 依据第 i 条反射路径的网络拓扑结构决定的系数。 (f)可以写成： ( ) ( ) ( ) 1 222 G Z Lf f f v f v (2这里的 ()R f表示的是趋肤效应的影响， ()G f是绝缘材料的影响， R、 G和 根据电缆的几何特点计算出； 线缆的特性有关， 且 为常数。最后，由 (2 (2 (2计算得到信道衰减的传输函数是： ( 1 2 )( ) 2 211()NN v f v f l if l i j i j iE f a i e e a i e e ( 2分析上式可知，电力线信道的衰减随通信信号频率和传输距离的增加而增大 。 系统方案的 论证 设计 电力线信道结果分析 前面讨论了电力线信道对通信信号的主要影响因数，总结 分析结果可得知，室内电力线信道的通信条件较恶劣。例如： （ 1） 电力线信道中的噪声情况很复杂，随电力线负载的变化而变化。这些噪声频率范围广、能量大，对电力线载波通信信号干扰很严重。因此在接收端必须设计滤波器对接收信号进行滤波，或进行信号处理。此外，在发射端还应该对发射信号做必要的编码相关处理，以增强信号的抗干扰能力，提高信噪比。 （ 2） 信道衰减是电力线信道的另一个重要特性，从前面的分析可知，电力线信道衰减随通信信号频率和传输距离的增加而增大。因此电力线通信不适合远距离传输数据，但对室内近距离、窄带通信来说，它 的优势明显。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 因此对低压窄带电力线通信而言，传输较低速率的数据或控制信号， 则要求所选择的调制方式必须满足抗干扰和抗衰落的性能要求。 调制方式的选择 在数字调制种中 ,最为基本的调制方式有三种 ,分别是 ： 幅度键控 ( 频移键控( 相移键控 ( 下面我们从频带宽度、抗误码率、信道的敏感性等方面来 比较一下 222三种二进制数字调制系统的性能 ，得出相应结论 。 （ 1） 频带宽度 当码元宽度为 ， 2统和 2统的频带宽度近似为 2/统的频 带宽度近似为 212 。因此，从频带宽度和从频带利用率上看， 2统不可取。 （ 2）误码率 表 2列出了 222字调制系统的误码率 输入信噪比 r 的关系。从该表清楚地看出，在每一对相干和非相干的键控系统中，相干方式略优于非相干方式。它们基本上是 r 和 )r 之间的关系，而且随着 r ，它们将趋于同一极限值。另外，三种相干（或非相干）方式之间，在相同误码率条件下，在信噪比要求上 2 2 32 2 3此看来，在抗加性高斯白噪声方面，相干 2能最好， 2之， 2差。 表 2二进制数字调制系统误码率公式表 名称 r 的关系 相干 21 4/干 21 2/干 221 （ 3） 对于对信道特性变化的敏感性 在选择数字调制方式时，还应考虑它的最佳判决门限对信道特性的变化是否敏感。在 2统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比 较两路解调输出的大小来作出判断的。在 2统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。因此，它不随信道特性的变化而变化。这时，接收机容易保持在最佳判决门限买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 状态。对于 2统，判决器的最佳判决门限为 A/2（当 (1) (0)时），它与接收机输入信号的幅度有关。当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度 A 将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。因此，就对信道特性变 化的敏感性而言， 2而 2能最好。 （ 4） 设备复杂度 222说，发送端设备的复杂程度差不多，而接收端的复杂程度则与所选用的调制和解调方式有关。对于同一种调制方式，相干解调的设备要比非相干解调的复杂；而同为相干解调时， 2设备最复杂， 2之， 2简单。 综上所述 :我们发现在频带利用率和误码率方面 2于 2在 信道的敏感性和设备成本方面考虑 好一些 信道的敏感性较高 ,抗噪声，抗衰减特性比较好，设备实现也不是很复 杂 ,因而此设计采用了 调制方式。 实现 调制 的 方案选择 通过上一节对调制调制方式的选择分析后，我们既选定了 2制方式 。 基于 制解调的 现有多种方式 ,这里主要介绍其中的两种 方案 :一种是依靠单片机通过软件来实现 ,另 一种就是通过专用的集成芯片来实现 . 方案一：利用单片机，用软件的方法来实现 制与解调 ，具体的实现框图如图2示 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 图 2 单片机 实现框图 用单片机来实现的方法， 需要采用 A/D 和 D/A 的转换，而一般的 A/D 和 D/A 集成芯片价格较高，要想使成本 最低 的话 ，那么系统设计在实现调制解调的同时，还需要完成 A/D， D/A 转换的功能，这样程序的复杂度增加， 更为重要的一点就是 执行软件 所花的时间也更长 。这对于实时性要求 较高 的系统而言，这样的设计将毫无意义。 方案二： 采用集成芯片的实现方案。 要想解决 电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用 片的设计和应用。国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波 片，并制定了电力线 载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网 (480Y/277V，208Y/120标准频率范围 10050针对欧洲地区电网 (400Y/230标准频率范围 950家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波 片。由于国外电力线载波 网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波 片在一定应用领域可勉强使用。国内 可使用的电力线载波 片有以下几种： 工作方式设置 2 阻网络 电平检测 脉冲整形 三阶低通滤波器 限幅放大 隔 离 变压器 二阶低通滤波器 号接口 三阶高通滤波器 数字接 口 平转换 模拟接 口 隔离变压器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 （ 1） 片或 这是比较早的电力线载波芯片 ， 一组 式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。 美国国家半导体公司生产的 片，采用 制解调方式。它只是对一般 制解调芯片稍作改进，目前，这两款 片在国内基本没有采用。 （ 2） 司专为电力线载波通讯而设计的 片。由于它是专用 片，所以除有一般 片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。 半双工的 片， 600灵敏度为21200灵敏度为 3针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、 动频率控制 )、 动输出幅度控制 )以及软件上的 3 字节容错等现代通讯技术。 片，调制解调技术是较落后的 式，加 上 3 字节容错，最高波特率只能达到 400外它无 络载波侦听 )功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域， 最适合的 片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按 1200 833s 中断一次，对更复杂的应用来讲， 833s 间隔短了一点。 （ 3） 司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波 片。它采用了扩频 (式 )调制解调技术、现代 术、 术以及标准的 称为智能 片，体现了 片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的 其原因， 司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围 10000网电压 480Y/277208Y/12060可采用线地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用 阻 波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭 局域网的应用。 （ 4） 司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。它采买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 用 制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。但是由于它是 络专用，而且价格太高，因此在市场普及上有一定的困难。 （ 5） 美国 司生产的一种性能稳定的调制解调器 (片 ,是公共电话交换网中计算机数据通信的专用 片 ,是功能完整可编程异步移频键控(成电路 。芯片采用 5V 供 电，数字输入输出为标准 平，调制输出最高电平在 600 时为 调接收灵敏度最弱信号为 持 300s， 600s， 1200s 二线半双工和四线全双工 。本次设计采用的也是这个芯片，主要是芯片的价格与同类芯片相比，价格最为便宜。芯片的多项指标都能达到设计要求。 下章将详细介绍电力线载波 调制解调器 的硬件设计。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 第 3 章 电力线调制解调电路设计 上一章分析了室内电力线的信道特性。虽然实际情况中电力线信道条件较差， 但是采用合理的调制解调方式、恰当的电路设计，在一定距离 还是可以达到通信的目的。比如在要求传输速率不太高、通信距离不太远的前提下， 制方式是一个理想的选择。在上一章对信道分析的基础上，本章详细介绍基于 制方式的电力线载波通信模块硬件设计。课题中设计电力线载波调制解调器是以图 1原理框图进行设计的 ,这里 再 画此图 ,以图 3示。 图 3电力线调制解调设计框图 在图 3示框图的硬件电路设计中，主要的任务有 ： （ 1） 调制解调电路设计 （ 2） 调制解调器与计算机的通信电路设计 （ 3） 电力线耦合接口电路设计 （ 4） 电源模块 设计 绍 频移键控（ 是最常用的一种二元调制方式 ,即按数字数据的值（ 0 或 1）调制载波的频率。例如对应二