基于扩频通信的低压电力线载波芯片的设计.pdf

基于扩频通信的 低压电力线载波芯片的设计 荣岳栋，徐东明2 ，周晓刚， ( 1 西安邮电学院通信工程系陕西西安7 1 0 0 6 1 ； 2 西安邮电学院通信工程系陕西西安7 1 0 0 6 1 ； 3 西安深亚电子有限责任公司陕西西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要：为了适应智能电网的发展要求，本文提出了一种基于扩频通信理论的低压电力线载波扩频通信芯 片的设计。通过对有关文献资料中相关设计的大量分析、比较，以及对最新理论建模工具S y s t e m V i e w 的 应用，本文应用V e r il o g H D L 语言对该电路进行了设计，并利用F P G A ( F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t a A r r a y ) 进行了实验验证。实验结果表明，本设计电路可以准确地解调出电力线上的数据信号，并很好地 满足相关的性能指标，从而完成电力线上信息的数字化通信的功能。 关键词：解调；F P G A ；扩频通信 中图分类号：T N 9 1 3 6 D e s i g no fs p r e a ds p e c t r u mI n t e g u a t eC i r c u i t f o rd a t ac o m m u n i c a t i o no v e rp o w e rl i n e R O N GY u e - d o n 9 1 ，X UD o n g - m i n g 工，Z H O UX i a o s a n # ( 1 X i a nU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l c o m m u n i c a t i o n sX i a n7 1 0 0 6 1 ； 2 X i a nU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l c o m m u n i c a t i o n sX i a n7 1 0 0 6 1 ； 3 X i a nS u p e r m i c r oE l e c t r o n i c sC o ，L T DX i a n7 1 0 0 61 ) A b s t r a c t ：I no r d e rt oa d a p tt h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n te l e c t r i cp o w e rn e t ，t h ed e s i g no fs p r e a d - s p e c t r u mI n t e g r a t e c i r c u i tf o rd a t ac o m m u n i c a t i o no v e rp o w e rl i n ei sp r e s e n t e d B a s e do nt h el a t e s tt e c h n o l o g y S y s t e mV i e wi nt h e o r y m o d e l i n ga n dt h el a r g en u m b e r so fa n a l y z ea n dc o m p a r i s o na b o u tt h ec o n c e r n e dd e s i g nr e f e r r e di nm a n yr e l a t e d d o c u m e n t s ，t h i sd e s i g ni s a c c o m p l i s h e da n d v a l i d a t e d b yu s i n gV e r i l o g - H D La n dF P G Ai n d e p e n d e n t l y T h e e x p e r i m e n tr e s u l td e m o n s t r a t e st h a tb yu t i l i z i n gt h i sc i r c u i tt h ed i g i t a ls i g n a lC a nb er e s u m e dw e l lf r o mp o w e rl i n ea n d C a l lm e e tt h er e l a t e dp e r f o r m a n c ei n d e x I ta l s ov e r i f i e st h a tt h i sd e s i g nC a l ls a t i s f yt h ed i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni np o w e r l i n e K e yw o r d s ：d e m o d u l a t i o n ；F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t eA r r a y ；s p r e a d s p e c t r u m 2 4 1 璺箜! ! ! 塑! 目墨衄 h t t p ：W W W c i c m a g c o m 万方数据 1引言 随着科学技术的发展以及人们生活水平的提 高，传统的人工抄表模式已无法适应信息时代数字 化的要求，因而，远程数字抄表系统应运而生。目前， 远程抄表可以通过无线电波，电话线，低压电力线等 介质进行传输。但考虑到成本以及实现的过程，低 压电力线载波利用已有的电网，而且不必占用已有 的频谱资源，因此低压电力线载波通讯传输方式比 其他通讯方式具有明显的优势。虽然 由于信号在电力线上的衰减以及背景 噪音的干扰等都很大，电力线并非理 想的通信信道。但是根据香农定理，在 信道容量同定的前提下，牺牲带宽可 以以较低的信噪比获取可靠的数据传 输，本文正是根据这一理论进行了设 计。 C = W l i1 + 昔 其中：c 为信道容量( 比特，秒) ；N 为噪声功 率；w 为信号带宽( 赫兹) ；s 为信号功率。由此可 见，c 不变时，增加带宽，则信号的信噪比在较低的 情况下，也可以以相同的速率可靠的传输信息。因 此，增加信号带宽，可以使信号甚至在被噪声淹没的 情况下，仍能保持可靠的传输。扩频通信正是使用了 这一点，采用扩展信号带宽的方法以提高数据传输 中的抗干扰性。 2 扩频通信工作原理 扩频通信与一般现有的常规通信方式完全不同 【l 】。它用伪随机编码把基带信号( 信息数据窄带信 号) 的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密 度信号发射出去。使用不同的伪随机编码，不同通 信用户可在同一频段、同一时间工作，互不影响或影 响极小地进行通信。因此，扩频通信在调制、解调上 是与众不同的。扩频通信的基本原理如图l 所示。 信息数据D 经通常的数据调制后变成带宽为B 1 的 信号( B l 为基带信号带宽) ，用扩频码发生器产生 的伪随机码( P N 码) 去对基带信号作扩频调制，形 成带宽为B 2 ( B 2 B 1 ) 、功率谱密度极低的扩频信 号后再发射出去。在接收端，首先使用与扩频信号 发送端相同的伪随机码做扩频解调处理，把宽带信 号恢复成通常的基带信号，再使用通常的通信处理 手段解调出发送来的信息数据D 。其理论基础是信 息论中的香农定理1 2 1 ： h t t p ：w w w c i c m a g c o m 图1 扩频通信基本原理图 3 系统及主要模块设计 3 1 系统的结构框图及工作原理 系统结构框图如图2 所示。它的工作模式为半 双工工作模式。 该电路主要有以下几个电路模块组成：差分编 解码模块，扩频调制模块，伪随机发生模块，捕获与 跟踪模块，解扩解调模块，低通滤波器模块，带通滤 波器模块以及收发控制接口模块等。 当系统处于发射态时( I O _ C = 0 ) ，S Y N O 脚由 芯片内部的P N 码电路产生同步信号。外部的单片 机在S Y N O 的下降沿时将数据置于D A T A I O 管 脚，该管脚将数据送入内部的差分编码及扩频调制 单元与P N 码及8 0k H z 的载波信号产生8 0k H z 的 直序扩频信号( 调制信号) 。该信号经过功率放大之 后即可以耦合到低压电力线上进行传输。 当系统处于接收态时( I O _ C = 1 ) ，管脚A S I 输 入的8 0k H z 载频信号与芯片内部电路进行混频产 生3 2 0k H z 的中频信号，该3 2 0k H z 的混频信号经 过带通滤波电路，低通滤波电路，最后再经过与发送 万方数据 I O _ C 图2 系统结构框图 端同步的的m 序列相关同步解扩及数字信号处理 之后，便恢复出原始信号。 3 2 主要模块设计 3 2 1m 序列发生器 m 序列发生器是在1 3 级线性移位寄存器的基础 上，加上反馈逻辑电路构成的。i n 序列信号发生器有 两中结构：F a b o n a c c i 型和G a l o i s 型嘲。本文采用 F a b o n a c c 型移位寄存器产生m 序列。该结构的特点 是移位寄存器的反馈抽头位置与本原多项式一致， 序列与初始状态相对应，码序列的产生速度主要受 反馈网络的时延限制。 时钟 图3n l 序列产生电路 本设计电路采用m 序列发生器阁， 其生成的多项式为G ( X ) = X 4 + X + l 。图 3 为其产生电路。其中，4 个小方格代表 4 个寄存器D ，把他们从左至右依次叫 做第1 级、第2 级、第3 级、第4 级寄存 器。对于系数C I = I ，表示第l 级输出参 与反馈。开始时，设初始状态为0 0 0 1 ，则 根据图3 可生成1 5 位的伪随机序列。图 4 为采用V e r i l o g 对图3 电路设计仿真 的结果。从图中可以看出1 5 位伪随机序 列的产生，即1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 序列。 3 2 2 同步电路模块设计 同步技术是扩频通信系统中的关键技术。只有 实现了同步，使收发两端相关的信号在频率、相位上 取得一致，整个系统才能正常的工作。 这一过程分为两个阶段，第一阶段为捕获过程 即粗调过程【5 】，它通过调节送到解扩器的本地码相 位实现两个伪码之间初始同步，当捕获过程完成时 用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频信号码 相位偏差将小于直扩系统一个P N 码单元，这时接 收机能大致正常解调出信息。第二阶段为P N 码的 定时跟踪即细调过程f 6 J ，跟踪是通过相位锁定方法不 断调节补偿本地码相位漂移，以达到进一步缩小同 步误差和保持这种精确同步的目的。在扩频码同步 系统工作过程中，同步捕获和跟踪状态应该可以相 互转换川。在捕获出现因强干扰引起失步时，同步系 统必须能够能迅速地从跟踪状态重新转入捕获状 态。而在捕获真正锁定时，同步系统也应迅速转入 到跟踪状态。所以同步系统应采用同步识别控制系 统以控制捕获和跟踪之间的相互转换。 图4 伪随机码及同步信号S Y N 0 的仿真波形 万方数据 图5 同步电路原理图 本设计也是基于以上的理论方法而进行的同步 电路的设计。图5 为本设计所采用的同步电路原理 图。如图所示，接收到的信号经宽带滤波器后，在乘 法器中与本地P N 码进行相关运算。此时，捕获电路 调整压控钟源，使P N 码发生器产生的本地脉冲序 列的频率和相位重复接收信号的频率和相位，以捕 获有用信号嗍。一旦捕获到有用信号后，则肩动码跟 踪电路，由其来控制压控钟源，使本地P N 码发生器 与外来信号保持同步。如果由于某种原因引起失步， 则重新开始新的一轮捕获和跟踪过程。图6 为同步 电路仿真结果，从图中可以看到同步电路工作的两 h t t p I w w w c i c m a g c o m 个过程即捕获和跟踪过程。 4 系统仿真结果 本设计应用S y s t e m V i e w 进行理论建模仿真，应 用V e r i l o g H D L 语言进行代码设计。 图7 为系统配置成接收端，芯片主要信号的仿 真波形。图8 为整体仿真局部放大后的电路仿真波 形。图中D A T A I N 为所要经过电力线传输的数据 信号，t o p _ d a t ao u t _ l 为系统解调后接收到的数据。 S Y N C S H F A 为发送端系统的同步信号S Y N C ； S Y N C S H S H O U 为接收端系统的同步信号S Y N C ； 从图可以看出系统在同步的前提下可以正确的解调 出电力线上数据信号，从而完成电力线通信的功能。 5 结束语 本文设计了一款基于扩频通信的低压电力线载 波调制解调芯片，详细的描述了其工作原理及主要 图6 同步电路的仿真结果 图7 系统整体仿真波形 万方数据 图8 整体仿真局部放大后的电路仿真波形 模块的设计思想，并用V e r i l o g 语言进行了代码设 计。此外，本设计通过了严格的F P G A 验证，验证结 果表明本设计能很好的满足设计要求，因而具有很 高的实用价值。四 参考文献 【I I 韦惠民张邦宁扩频通信技术及应用 M 西安： 西安电子科技大学出版社2 0 0 3 年 f 2 】曾一凡李晖扩频通信原理 M 】北京：机械工业出 版社2 0 0 5 年 【3 】樊昌信张甫翊徐炳祥吴成柯通信原理 M l d 匕 京：国防工业出版社2 0 0 3 【4 】查光明熊贤祚扩频通信【M 】西安：西安电子科技 大学出版社2 0 0 7 年 【5 田E l 才扩频通信【M 】北京：清华大学出版社2 0 0 7 年 【6 】赵刚扩频通信系统实用仿真技术【M 】北京：国防 工业出版社2 0 0 9 年 【7 张容娟张大茂电力线载波扩频通信调制模块的 设计 J 现代电子技术，2 0 1 06 ( 3 ) ：1 1 4 一1 1 8 【8 】杨迪直接扩频接收机的码捕获与跟踪技术研究 D 昆明：昆明理工大学，2 0 0 7 作者简介 荣岳栋，硕士，通信专用集成电路与系统设计 徐东明，教授，硕士，通信专用集成电路与系统设计。 周晓刚，工程师，本科，数字集成电路系统设计及测 试。 P r e m i e rF a r n e I l 亚太区正式更名为e I e m e n t l 4 日前，全球领先的多渠道、提供高品质服务的电子