（通信与信息系统专业论文）9600速率调制解调器在电力负荷管理系统中应用的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着无线数传电台在公用网络和专用网络中的应用越来越广泛，对作为无线数 传电台主要模块的无线数传m o d e m 的要求也越来越高。m o d e m 要有更高的速率和可 靠性。 本文主要介绍了传输速率为9 6 0 0 b p s 的无线数传m o d e m 的调制解调原理和硬件 设计。本文所设计的m o d e m 使用了c m l 公司生产的f x 9 0 9 芯片作为m o d e m 的调制解 调芯片，f x 9 0 9 使用高斯最小频移键控调制( g m s k ) ，有自动协议处理功能 位和帧同 步，数据块的格式化，c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c y c h e c k ，循还冗余检验) 和 f e c ( f o r w a r de i t o r c o r r e c t i o n ，前向纠错) ，交织和扰码1 。f x 9 0 9 为半双工工作方式， 传输速率4 0 0 0 b p s 一1 9 2 0 0 b p s 。它的功耗较低，信道利用率高，对软件要求较低。 f x 9 0 9 和控制芯片之间的通信通过8 位双向并行接口来实现。此外还对设计过程中 碰到的一些问题给出了较为切实可行的解决方案。 关键词：电力负荷管理系统9 6 0 0 速率调制解调器g m s kf x 9 0 9 f p g a v a b s t i 认c t f l o w i n gt h ew i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns t a t i o ni sw i l d l yb e i n gu s e d n l es p e c i f i c a t i o n s t ot h em o d e mh a sb e e nm o r eh i g h e r i tm u s th a v em o r eh i g h e rs p e e da n dm o r eh i g h e r r e l i a b i l i t y t h eh a r d w a r ed e s i g na n dm o d u l a t i o nt h e o r yo ft h ew i r e l e s sm o d e mw a si n t r o d u c e di nt h i s p a p e r w el l s ef x 9 0 9 酗t h em o d e r nc h i pw h i c h i sc m ls e m i c o n d u c t o rp r o d u c t s t h ef e a t u r e s o ff x 9 0 9a r e a u t o m a t i c p r o t o c o lh a n d i n g 【b i ta n df r a m es y n e ，b l o c kf o m a t t i n g ，c r c ( c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ) a n df e c ( f o r w a n d e r r o rc o n r r e c t i o n ) ，i n t e r l e a v i n ga n ds c r a m b i n g 】 h a l f - d u p l e xo p e r a t i o n a t4 0 0 0t o19 2 0 0 b s g a u s s i a nm i n i m u ms h i f tk e y i n g ( g m s k )m o d u l a t i o n l o w - p o w e r8 - p a r a l l e l i - t c o n t r o l l e ri n t e r f a c e r e d u c e sh o s tp r o c e s s i n gl o a d s i m p l es o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o n f x 9 0 9a n dm c uc o m m u n i c a t i o n sr e a l i z e st h r o u g h8 b i tb i d i r e c t i o n a lp a r a l l e li n t e r f a c e i na d d i t i o n ，s o m ep r o b l e m sw h i c he n c o u n t e r e di nt h ed e s i g np r o c e s sh a v eg i v e nam o r e p r a c t i c a la n df e a s i b l es o l u t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rl o a dm a n a g e m e n ts y s t e m 9 6 0 0 b p s m o d e mg m s kf x 9 0 9f p g a 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了 文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过 的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑丞日期：逊：玉：! ! 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论 文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：乏艮导师签名：牲期： u 础岁疋， 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 电力负荷管理系统在发展了1 0 多年后各地的远方终端( r t u ) 设备使用量越来越大， 我国在全球的经济地位不断攀升，能源消耗剧增，国家一方面增加能源生产，一方面 鼓励各个产业、行业提高单位能源的使用效率，但是这些都不是能一蹴而就的。目前 和将来很长时间我国能源供给均会出现短缺现象。如何合理、节约并充分利用能源在 电力系统中的反应是负荷管理终端的需求激增，面对不断增加的r t u 终端的需求，各 地面临无线频点几乎用完，负荷管理系统的通信容量都趋于饱和，加之2 0 0 4 年修订了 新的电力负荷管理系统规约，数据传输量更大，使原有的系统负担更重。虽然可以用 公用网络进行数据采集和交换，但是由于它发展和更新速度太快，其服务的主体不是 工业，并不能符合稳定、实时、可靠的长期需求，因此在立足专网的前提下如何提高 数据传输速率以更有效地发挥现有系统自身潜力是当务之急。 专网的通信速率从最早的6 0 0 b p s 、1 2 k b p s 到9 6 年推出的2 4 k b p s ，已经有了相 当的基础，而今2 4 k b p s 的通信速率也已不能满足数据传输的需求。基于上述原因，国 内各电力负控设备供应商都致力于自主开发或寻找专业通信设备制造商合作开发适应 主流电台的中高速无线调制解调器。多数厂家将9 6 0 0 波特率定为中高速无线调制解调 器的首选主要是因为它易于实现及性价比较高。 1 2 论文的主要内容 论文的第一章通过介绍我国电力负荷管理系统无线资源的现状，引入了电力负荷 管理系统的概念，并提出了研究和开发9 6 0 0 b p s 无线调制解调器的背景和意义 第二章介绍电力负荷管理系统的发展史及现状。第三章介绍了9 6 0 0 b p s 无线调制 解调器的研制。第四章讨论了本次研制过程中遇到的技术难点、提出解决方案。作者 从2 0 0 6 年开始负责9 6 0 0 b p s 无线电力控制系统的研制工作，主要内容如下： 1 参与了整个项目的系统分析和方案设计。 2 在前期做了大量的调研工作，对多套解决方案进行了可行性的论证，提出 了最终方案。 3 根据产品的技术要求，完成9 6 0 0 b p s 无线调制解调器的硬件框架设计。 上海大学硕士学位论文 第二章电力负荷管理系统 2 1 电力负荷管理系统概述 2 1 1 电力负荷管理概念 电力负荷控制是习惯提法，准确地称为电力负荷管理n 1 。其主要目标是改善电网负 荷曲线形状，使其在负荷曲线上的反映更为均衡，简单地说就是削峰填谷，以达到电 网运行的经济性、安全性和高效性，使电力的使用更科学合理。 电力负荷管理技术是实现计划用电，节约用电和安全用电的技术手段，也是配网 自动化、用电管理自动化的一个重要组成部分。 电力负荷控制可以采用经济手段，按用户用电的最大需求量收费，或对峰谷的时 段电量按不同电价收费，来刺激用户削峰填谷；也可采用技术手段，在高峰用电时， 断开一部分可间断供电的负荷，以减少对电网的压力，可以将各用户的负荷按照改善 负荷曲线的总要求，通过某种与用户联系的信道和装在用户处的终端装置，对用户的 可间断负荷以实时方式进行集中控制，达到控制到户，实现限电不拉路的目标。从而 确保用电的平衡，保障电网安全经济地运行，落实计划用电政策，合理地分配、调度 电力和科学地管理电力，为计量监测、营业抄收、线损管理等工作提供丰富的电网和 用电参数。 2 1 2 国外负荷控制技术的发展简史 对用电负荷进行控制的想法，是伴随着电力工业的产生和发展而出现的。1 8 9 7 年， 约瑟夫若丁取得了一项英国专利，用不同电价鼓励用户均衡用电。1 9 1 3 年，都德尔等 三人提出了把2 0 0 h z 1 0 v 的电压叠加在供电网络上去控制路灯和热水器的方案，这是 最早的音频控制方法。1 9 3 1 年，韦伯提出了用单一频率编码的专利，这是现在广泛采 用的脉冲时间间隔码的先导。 自4 0 年代起，欧洲大陆各国已广泛地发展和应用了集中音频控制技术。日本6 0 年代 开始注意研究负荷控制技术，从欧洲引进制造技术，到7 0 年代已广泛安装使用了音频 脉冲控制装置。而美国，由于资源较丰富，开始并不重视负荷控制问题。后来在石油 危机的冲击下，才认识到充分利用能源的重要性，开始大力研究负荷控制技术，在7 0 年代中期，先引进了瑞士的音频脉冲控制装置，后来又开发了无线电负荷控制，配电 载波负荷控制和工频电压波形畸变控制等多种方式，至1 j1 9 8 0 年美国已经装备了1 7 0 多个 负荷控制系统。 到9 0 年代初期，世界上已有几十个国家使用了各种电力负荷控制系统，先后安装的 各类终端设备己达数千万台，可控负荷覆盖面占全世界发电总装机容量的1 0 以上。 2 上海大学硕士学位论文 2 1 3 我国负荷控制技术的发展情况 在我国，电力负荷控制技术起步较晚。以前，传统的电力负荷方法是采用行政、经 济手段进行间接控制，这是针对我国缺电较严重的情况提出的，是用来解决供需矛盾， 调整负荷曲线，保证电网安全经济运行的有效措施。但是，由于缺乏必要的技术手段， 很多地方计划用电的政策得不到有力的贯彻与落实。出现了有电大家抢着用，一用就 超，一超就拉路，由于拉路频繁，严重影响了工农业的正常生产和人民群众的日常生 活。况且，缺乏技术手段的单纯间接控制，不能实现实时控制；不能实现微观控制用 户用电，宏观拉平负荷曲线，所以由实时电力负荷波动带来的一系列问题依然存在。 为此，必须用科学的技术手段，采用先进的负荷控制装置去装备供电系统，在计划用 电过程中综合运用行政、经济和技术手段，才能使现有的发供电设备发挥更大的经济 效益。 在计划用电和电力供需矛盾十分突出的情况下，在我国，电力负荷控制技术的研究 和应用的问题开始引起重视。1 9 7 7 年底，我国开始了电力负荷控制技术的研究和应用 工作，这过程大致可分为三个阶段。由1 9 7 7 年1 9 8 6 年为探索阶段：研究了国外电力负 荷控制技术所采用的各种方法，并自行研制了音频、工频波形畸变、电力线载波和无 线电控制等多种装置。同时由国外引进一批音频控制设备，安装在北京、上海、沈阳 等地。由1 9 8 7 年至1 9 8 9 年是有组织的试点阶段：主要试点开发国产的音频和无线电负 荷控制系统，分别在济南、石家庄和南通、郑州安装使用，都获得了成功。在试点成 功的基础上，1 9 8 9 年底在郑州召开了全国计划用电会议，要求首先在全国直辖市省会 城市和主要开放城市重点推广应用，然后在所有地( 市) 级城市中全面推广。从1 9 9 0 年 开始进入了全面推广应用电力负荷控制系统阶段，至1 9 9 6 年上半年，全国已有约1 8 0 个 地( 市) 级城市供电系统规模不等地装备了负荷控制系统，还有少数县级城市也开展 了这项工作。9 6 版电力负荷管理系统通信规约的颁布，标志着“电力负荷管理系统 的初步形成。经过数年的开发与应用，系统的技术突出了负荷管理的地位与作用，实 用化的程度进一步提高，功能的拓展始终围绕电力企业经济效益的提高而展开。一般 的系统都具有较好的开放性和可扩充性。由于系统本身是根据我国国情自主开发研制 的，具有完善的“三遥功能和“当地控制 功能，微机化的终端具有强大的数据采 样和通信功能，微机网络技术的发展和应用，使负荷管理系统很方便地与其它电力自 动化系统联网，实现数据的共享，因此该系统的软、硬件配置依然保持着较好的可扩 充性。实践证明，在市场经济条件下，随着电力行业的改革不断深化，电力负荷管理 系统的系统功能的进一步扩大应用对提升用电管理水平和营销管理水平起到积极推动 作用。 1 9 9 6 年7 月1 9 日，重庆市经过三年多的努力，首先实现了负荷控制系统实用化达标， 由电力部正式验收：1 2 月烟台和郑州两市也通过了电力部的正式验收，标志着我国负 荷控制的推广应用工作进入了一个新的阶段。目前，许多负荷控制与管理系统已通过 实用化考核和电力部、电力网、及省局的实用化验收，正在向县级电力部门推广。 无线电信道传输控制信号具有投资少、见效快、实时性强和安装调试方便等特点， 加之我国的电网管理体制和负荷管理的现状，我国绝大部分系统采用无线电作为组网 信道构成集中控制的系统。虽然无线亦有其固有的缺点，如超短波频率传输路线是直 线的，易受高山或高大建筑物的阻挡，但这个特点可以通过信道的精心设计、选择合 适的架设地点、适当的天线高度和设立中继站等办法来解决，无线电信道还存在一个 易受电磁波干扰的问题，但是随着无线数传通信技术、计算机技术和信息处理技术的 发展，很多可采用的抗干扰措施，足以弥补这项缺点，保障无线电力负荷管理系统的 上海大学硕士学位论文 各项功能不受影响。 2 1 4 负荷管理技术在我国的现状 电力负荷与电量综合管理系统涵盖了变电站、用户、台变、居民集抄，核心是负荷 与电量管理，较为符合电力企业市场发展及经营管理的需要。随着电力事业的发展和 工农业生产的宏观调控，我国的电力供需矛盾逐渐缓解，需要在电力负荷控制系统的 基础上扩展功能，使之在用电管理方面发挥出更重要的作用。把这些扩展的功能和负 荷控制综合在一起，就成了负荷管理系统。它是实现用电管理现代化的重要手段，这 些扩展的功能主要包括： ( 1 ) 为电能管理服务： 通过r t u 的4 8 5 接口实现管理中心的集中抄表；管理中心与电费结算系统联网；通过 管理中心下达购电指标给r t u ，实施预购电制；利用系统定量控制功能，实施催交电费 性限电；监测电流电压为用电监察服务。 ( 2 ) 为广大电力用户提供信息，更好地为用户服务： 管理中心可发布电力系统检修停电、电力预测等供电信息，由r t u 以汉字方式显示 和语音提示。 ( 3 ) 有效控制地方的上网电厂： 在地方上网电厂装备双向r t u 对其监控，使之按电网系统要求发电，使电网发挥更 大的经济效能，减少环境污染。 ( 4 ) 为配网自动化服务： 利用无线电力负荷管理系统无线信道和网架结构，传输配网自动化系统数据信息， 以免重复投资。 ( 5 ) 管理中心计算机网络具有与调度监控与数据获取( s c a d a ) 系统、管理信息系统 ( m i s ) 、省局、经委管理部门等的联网或通信功能，实现数据共享。 ( 6 ) 实现地区、县、大用户的分级管理及联网功能，将负荷集中管理与用户内部管理 相结合，在管理中心优先监控下，用户利用r t u 实现内部的能量管理，使负荷管理成 为用户侧管理的有效手段之一。 电力负荷管理系统的应用面和规模不断扩大，系统的功能和质量都有了很大的改进 和提高，电力负荷管理技术正向更高层次发展，其主要表现在： ( 1 ) 功能扩展：为用电管理服务； ( 2 ) 提高系统实时性：多频道同时工作( 一般一个频道的r t u 不超过6 0 0 个) ，从软件 上实现一台前置机控制多个频道同时巡测，缩短了系统巡测时间；提高数据传输速率， 从6 0 0 b p s 提高到1 2 0 0 b p s ，必要时可达2 4 0 0 b p s 甚至更高；减少信道建立时间，适度压 缩巡测数据内容； ( 3 ) 系统信道多样化：无线电信道，微波信道，一点多址微波信道、扩频信道、有线 信道均可单独使用或综合使用；对地形复杂的地区可架设智能化无线中继，也可用微 波中继、扩频中继、一点多址微波中继、电话或专线中继，还可采用光纤或分组交换 网x 2 5 专线信道；对个别地形较差的点可采用终端转发技术； ( 4 ) 终端技术发展：终端除具有常规功能外，还扩展了抄表功能、语言提示、报警功 能、汉字显示功能，可显示用电信息； ( 5 ) 产品可靠性提高：系统的可靠性和设备的环境适应性、电磁兼容性、安全性、维 修性均不断提高。可靠性( 包括软、硬件) 在设计上、生产上、安装调试和使用维修 上给予可靠保障，使双向终端的平均无故障时间( m t b f ) 实际可达5 万小时以上。 4 上海大学硕士学位论文 2 2 系统组成 无线电力负荷管理系统是一种集中控制系统，一般由一个管理中心和几百个以至 几千个远方终端( r t u ) 所组成，它实际上是一个规模较大的监控系统，即s c a d a 系统。 系统的特点是远方终端数量特别多，但每个终端的实时信息量并不大，而对实时性的 要求也比电力调度的s c a d a 要低些。但因其数量多、分布广、且直接管理着用户动力， 所以它的可靠性要求很高，只有实用可靠、操作简便，才可能广泛推广，这也是我们 研究开发和推广应用的基本出发点之一。由一个管理中心和若干个远方终端就可以组 成一个最基本的电力负荷管理系统。但由于地理环境，用电管理和行政管理的情况各 不相同，因此，各个系统的组成不尽相同。下面简要介绍一个典型系统，如图2 1 所 示。 无吐它f 讳精 l 图2 1 电力负荷管理系统框图 电力负荷管理系统由简单到复杂的结构大致可分为以下几种： ( 1 ) 基本系统 一个管理中心和若干个远方终端就可以组成一个基本的无线电力负荷管理系统， 一般采用一组负荷管理专用双工频率，按国家无委会规定，管理中心的无线电频率 采用高发低收。这种系统一般适用于平原地带、控制范围不太大、终端数量比较少的 地方。 ( 2 ) 多频道系统 当远方终端的数量很多，如果只用一组双工频率，则由于巡测时间长，将影响系 统的实时性。为了减少巡测时间，应采用几组专用双工频率( 几组频率之间应无三阶 互调存在) 组成多频道系统，同时工作，每组双工频率所监控的远方终端减少，则系 统的巡测时间可缩短，实时性增强。 ( 3 ) 具有中继站的系统 在某些地区，由于管理范围较大，或受地形条件限制，需增设中继站，才能满足 覆盖范围的要求。有些地区，一级中继站还不能满足系统的要求，可以建立二级中继 站以延伸控制范围。为某些少量的终端，建一个中继站来覆盖，经济上不合算，则可 r )0旷围业蝠哲一甾 上海大学硕士学位论文 采用终端转发技术，即可利用它们附近的一个终端来兼中继功能，解决那些少量的终 端的覆盖问题。至于无线通信条件极差的个别点则可采用有线通信的方式来解决。 由管理中心、中继站和远方终端组成系统，中继站的站址选择要合适。管理中心 至中继站之间的通信，可以用负控专用频率，也可采用供电部门的微波，一点多址微 波、载波、光纤等信道。中继站设置的数量视各地区的具体情况而定，如郑州市系统 只设一个中继站，而兰州市系统就设立了八个中继站( 含二级中继站) ( 4 ) 多分中心系统 由于各地供电部门的管理体制不尽相同，有些地方果用分级管理模式，地区级管 理中心与县市级分控中心分别管理各自管辖的用户终端，在必要时管理中心可通过分 控中心或通过中继站方式直接监测分控中心下属的用户终端。因此，管理中心与分控 中心之间的数据交换可以用微波、光纤、电话线以及负控专用频率的通道来联成网络。 在系统中某些大用户有多个变电站，这些用户可以将本身的终端构成一个子系统， 一方面它可以响应管理中心的监测，又可归纳本身的用电情况进行分析、处理、实施 用户管理。 2 3 系统的发展方向 每项技术都需要居安思危，不断地寻找使自己进步的发展方向，随着电力部门的 分割与改革，原先的许多操作模式与职能分配将发生较大的变化，电力负荷管理系统 在未来之路如何走是每个从事这个行业的人应不断思考的事。在下列这些方面是未来 系统的发展方向： ( 1 ) 通信组网技术的多样化： 系统每台终端明天也许都有热备份的两套信道，一套是无线或光缆的专用信道， 另一套是6 p r s 或载波的公用信道。 ( 2 ) 故障诊断与维护自动化： 终端通过远程网络技术的连接、终端应用可擦除内存以及开发自诊断软件，实现 故障自诊断并通过远方下载实现维护自动化。 ( 3 ) 服务性系统： 通过终端对用户进行多方位服务，不但可实现对用户的各项人性化服务，还能针 对每天分时电价的不同与用户具体用电特性制定最佳用电曲线并监视执行，为用户节 约成本、创造效益。 ( 4 ) 用电企业的最佳助手： 随着用电公司的独立运作，系统将作为用电公司的主要技术支持，利用软硬件技 术的快速发展，将负荷预测、线损分析、谐波检测、营业运作、多媒体信息查询等功 能不断完善，使系统成为每个用电公司、每个用电用户必备设备。 ( 5 ) 终端多样化： 开发多种终端，也许将来每个家庭用户的家里都有一台人性化的微型服务终端。 2 4 无线数传电台 无线数传电台是无线电力负荷管理系统数据传输的信道。数传电台是由电台、接 6 上海大学硕士学位论文 口电路( 包括耳o m o d e m 和基带处理) 、电源等部分组成。通常电台处于接收状态，发射 处于等待状态。收发状态转换由接口电路送出的控收、控发信号转换电平来完成的。 数传电台除主要用作数据传输外，还可以兼作通话，数话转换由主控电路送出允许通 话信号，经接口电路处理后输出信号控制。 信号从天线端口进入电台先经过收发转换开关，由于平时电台处于接收状态，所以 从天线来的高频信号无需控制直接进入到电台的接收电路。经过预选滤波器、高频放 大器、二次混频( 或三次混频) 、中频放大、鉴频器等电路将数据信号的两个特征频 率信号或语音信号检测出来，分别送解调器电路恢复数据输出，或者送音频放大器进行 功率放大，通过喇叭放音。 当需发送数据信号时，先由终端主控电路通过通信口发出准备发送信号( r t s ，低 电平有效) ，在接口电路中将低电平的r t s 转换为有驱动能力的高电平控发信号( 适用 于国产电台) ，同时将控收信号转换为低电平，用以打开发射机，关闭接收机。为了 保证接收数据信号字头的完整，主控电路请求发送信号r t s 发出后，要经过1 0 0 毫秒左 右时间再送出数据信号t d ，t d 信号经接口电路进行极性处理，送调制器产生f s k 信号。 数据“l ( t t l 电平为+ 5 v ) 时，产生1 3 0 0 h z 或1 2 0 0 h z 音频；数据“0 ( t t l 电平为 o v ) 时，产生2 1 0 0 h z 或2 4 0 0 h z 音频。再送发射机调制级，调制到主振频率上产生f m 信 号。经过缓冲放大、倍频放大( 适用于国产电台，进口电台调制信号送v c o 电路产生f m 信号) 、激励级、功率放大电路、低通滤波、收发开关经天线发送出去。话音的发送， 要经话音开关、话音前置放大器、送发射机主振级调制，其他过程和数据发送时一样。 发射单元、接收单元和天线插座之间，接有收、发转换开关，收发开关依据入4 匹配线基本原理，发射时，把发射输出和天线接通，关闭接收输入端口，否则平时都 打开接收端口，关闭发射端口。 接口电路的主要作用是电台和主控电路板之间输入输出信号电平、极性调整和匹 配，还有数传请求信号r t s 和通话请求信号p t t 合成控发t x 的门电路，控制发射时间的 限时电路，及数话转换控制信号和输出电路，再有表示设备状态的指示电路等。 用进口电台时，数据调制用专用集成电路完成。m o d e m 电路则设计在接口电路板上。 目前，由于进口电台载波输出功率稳定，灵敏度高，可靠性好，且采用了先进的频率 合成技术，频率设置简单方便，频率稳定度高，因而近年来用进口电台作为射频平台 配上自主开发的调制解调器的无线数传电台被越来越广泛地运用到电力负荷监控系统 的各种设备中去。 进口电台在下列指标上有着巨大的优势， 信号对剩余输出功率比优于4 5 d b ： 参考灵敏度优于0 4 u v ； 调制接收带宽大于7 5 k h z ： 邻道选择性优于7 0 d b ： 互调抗扰性优于6 5 d b ； 频率稳定度优于3 p p m ； 其中调制接收带宽的提高决定了可以采用更高的通信速率，邻道选择性的提高， 保证了抗干扰能力，为高速数传提供了低误码的基本保障。 在电台提供了更高的能力后，空中传输速率的提高主要取决于m o d e m 的传输速率， 再众多调制方式中我们选择了既实用又低成本的调制方式q m s k ，它在带宽允许的条 件下最高速率可以达到3 8 4 k b p s ，而基于现在电台指标，我们发现在符合管理系统中 9 6 k b p s 有着最佳的效费比，因此9 6 0 0 b p s 的m o d e m 在这种要求下诞生了。 7 上海大学硕士学位论文 第三章9 6 k 速率无线调制解调器的研制 3 ig m s k 调制方式 随着因特网的全球化、信息高速公路的发展，各种信息机、移动电话、移动办公 等日益普及，无线通信的飞速发展，通信业务量的增加，频谱资源日趋紧张，为了提 高容量，信道间隔己由最初的i o o k h z 减小到2 5 k h z ，并有进一步减小到1 2 5 k h z 、6 5 k h z 的趋势。由于数字通信有建网灵活、易采用数字差错控制、数字加密等特点，便于集 成。因此目前系统中多采用数字调制技术，一般的数字调制如p s k 、f s k 因其带宽利用 率较低而无法满足受限带宽内传送高数据率的通信要求，为此专门研究出了一种抗干 扰强、误码性能好、频谱利用率高和单位频率内有较高的传输数据的比特率的调制方 式g m s k ( g a u s s i a nf i l t e r e dm i n i m u ms h i f tk e y i n g ) 。2 。5 1 g m s k 这种调制方式在世界上已被广泛的应用，g s m ( g l o b a ls p e c i a l em o b i l e ) 、 d e c t ( d i g i t a le u r o p e a nc o r d l e s st e l e p h o n e ) 、c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) 、 d c s l 8 0 0 ( d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n ss y s t e mi nt h e1 8 0 0 删zb a n d ) 、p c s l 9 0 0 ( p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n ss e r v i c e si nt h e1 9 0 0 i m - l zb a n d ) 等都采用g m s k 作为它们的调制方 式。 无线数字传输中g m s k 是一种简单而有效的数字调制技术，g m s k 的优点是占用带宽 小，在9 6 k b p s 时大约是7 k h z 带宽，而现有的电台带宽正好为7 5 k h z ，因此我们以 如何采用g m s k 调制模式完成9 6 k b p s 无线调制解调器为主要研究方向。为了更好地理 解g m s k 调制技术，我们回顾一下m s k 和g m s k ，以及g m s k 如何实现。 3 1 1 调制技术 g s m k 源于m s k ，从时域上看m s k 是一种相位连续调制方式，调制后的信号载波没 有相位突变，原因是过零点时频率发生变化，因此相位连续，没有突变。m s k 的独特性 表现在逻辑0 和逻辑1 的频率之间的联系即逻辑0 和逻辑1 的频率的差值总是等于数 据速率的一半。换句话说，m s k 的调制指数是为0 5 ，由以下公式确定。 m = t 其中a f = l 厂1 0 9 捌一厂i o g 缸o it = 素切 例如，1 2 0 0 b p s 的m s k 基带数据信号能由分别为1 2 0 0 h z 和1 8 0 0 h z 代表逻辑1 和 逻辑0 。 基带m s k 如图3 1 所示，是一种在窄带无线系统中有效传送数据的 上海大学硕士学位论文 ( b ) 1 0 1 1 a ) 反相不归零数据信号，b ) m s k 信号 图3 11 2 0 0 波特m s k 数据信号 方法。能产生g m s k 调制的一种可选择方法是将反向不归零数据直接注入调制指数为0 5 频率调制器中，如图3 2 t e lo 这种方法本质上相当于基带m s k 。在这种方法中v c o 是r f i f 部件的一部分，而在基带m s k 中电压到频率的转化是在基带产生。 调制指数= 0 5 图3 2m s k 直接调制 从频域上看m s k 的根本问题是频谱不够紧凑，不能在传送较高的数据速率时充分利 用r f 信道的带宽。m s k 的频谱显示边带的扩展大大的超过了数据速率。对那些需要更 有效地使用信道带宽的无线数据传输系统来说，减少m s k 边带的能量是必须的。早期 我们规定了减少这部份能量的简单方法是在数据流进入调制器前先通过一个低通滤波 器( 预调制滤波) 。预调制低通滤波器必须是窄带的、有一个理想的过渡带，其冲击响 应中有很小的过调量。这些正是高斯滤波器的典型特征。 调制前经高斯滤波的最小频移键控简称g m s k ，基本的工作原理是将基带信号先经 过高斯滤波器成形，再进行最小频移键控( m s k ) 调制( 图3 3 ) 。由于成形后的高斯脉冲 包络无陡峭边沿，亦无拐点，因此频谱特性优于m s k 信号的频谱特性。【7 月3 图3 3g m s k 调制 9 上海大学硕士学位论文 高斯滤波器的频率传输函数为： = 唧( - a 2 ，2 ) 式中口是与滤波器3 d b 带宽b 有关的一个系数，其冲激响应为： 川= 辱唧悖2 ) 4 4 。 j 3 - 1 3 - 2 1 假设输入数据流为二进制非归零信号，传输速率为n = 亍。7 - 为码元宽度，其数 学表示式为： 口e ) = 口。9 0 一刀力 式中： g ( 0 - 三耀2 而。+ 1 或一1 ，其概率分别为0 5 。g m s k 是角度调制信号，已调信号为： s ) ta c o s ( 2 v s + 砷) ) 3 4 式中砷) i2 玻l 陬f ) 砸) p ( f ) j i ( f ) “f ) 表示 ( f ) 和嘶) 的卷积。 3 5 g m s k 信号的瞬时频率为： 1 c f ) 一五+ k c ( t ) 口母) 3 - 6 为调制灵敏度，由下式决定： m a x i 七o k f ) 郇) l l 厂 4 3 7 i 实际上上式是使调制指数为2 的最大频偏与传信速率的约束关系。 双极性码元通过高斯滤波器产生拖尾现象，所以相邻脉冲之间有重迭。对应某一 码元，g m s k 信号的频偏不仅和该码元有关，而且和相邻码元有关。也就是说在不同的 码流图案下，相同码元( 比如同为“+ 1 或“一l ) 的频偏是不同的。 相邻码元之间的相互影响程度和高斯滤波器的参数口有关，也就是说和高斯滤波器 的3 d b 带宽b 有关。通常将高斯滤波器的3 d b 带宽b 和输入码元宽度t 的乘积b t 值作 为设计高斯滤波器的一个主要参数。 b 丁= 告 b t 值越小，相邻码元之间的相互影响越大。理论分析和计算机模拟结果表明。b t 值越小，g m s k 信号功率频谱密度的高额分量衰减越快。主瓣越小，信号所占用的频带 l o 上海大学硕士学位论文 越窄，带外能量的辐射越小，邻道干扰也越小。对9 6 k b p s 的数据速率和b t = o 3 ，滤 波器的3 d bf - j 限截止频率是2 8 8 0 h z 。 高斯滤波器的冲击响应表现了典型高斯分配的特性。 1 o 9 o 8 o 7 o 6 g ( t ) o 5 o 4 o 3 o 2 o 1 o 图3 4b t = o 3 和b t = o 5 时高斯滤波器响应 仍旧参看图3 4 ，b t = o 3 时1 个比特大约扩展3 比特周期。b t = o 5 时1 比特扩展 2 比特周期。这所产生的现象称为码间干扰( i s i ) 。b t = o 3 时的码间干扰大大超过 b t = o 5 时的。b t = o o 的g m s k 相当于m s k 。或者说，m s k 没有i s i 。大的码间干扰使频谱 变得更紧密，解调更困难。因此在从m s k 到高斯预调制滤波m s k 变化中频谱的紧密性 是主要的。图3 5 展示了m s k 、g m s k 归一化的频谱密度。注意g m s k 减小了边沿能量， 这意味着在相同的邻道干扰下g m s k 的信道间隔比m s k 更紧密。 3 1 2 性能测量 g m s k 的性能一般由误码率和信噪比确定。信噪比与e 。n 0 有关 s = 信号功率 r = 数据速率 n o = 噪声功率频谱密度( w h z ) e b = 每比特的功率 上海大学硕士学位论文 频 谱 密 度 d b f r e q u e n c y b i tr a t e 图3 5m s k 和g m s k 的频谱密度 b 。xn 0 - n = 噪声功率 b 。= 中频滤波器的噪声带宽 3 1 3 设计要点 设计一个g m s k 的调制解调器看似是一项简单的任务，大量的文献提供了高斯滤波 器和v c o 的连接，然而在实际应用中通常并非如此，典型的无线电通信设备中许多部 件诸如合成器、中频滤波器、功率放大器等都与书本上描述的理想特性有相当大的差 距。例如合成器就给g m s k 调制器带来一个特有的问题：在数据结构中含有许多由连续 o 或1 构成的信号，这种信号有接近于直流的频谱响应，大多数频率合成器不会响应这 个低频信号( 一个典型的合成器特性相当于一个高通滤波器) 。可弥补频率合成器非理 想特性的两种最普通也最有用的调制方法，是两点调制和积分调制。m s k 和g m s k 都具 有恒包络、相位连续、带外辐射小等优点，而g m s k 较m s k 更具有带宽利用率高的特点。 3 1 4 解调 g m s k 信号是在牺牲了部分误码性能( 码间干扰) 而换来较高的带宽利用率和较快 的传输速率，因此在进行解调时要注意弥补低信噪比时码间干扰所带来的误码率的下 降。解决这个问题可从两方面入手：提高解调信号的信噪比，采用扰码、赴纠错和 实时误码率预测的解调手段。 g m s k 的解调可采用正交相干解调，也可采用非相干解调。由于种种原因( 如多径 干扰、深度瑞利衰落) ，引起接收机电平变化显著，因此要准确稳定地恢复载波有一定 的困难，即要进行相干解调比较困难，当使用非相干检测时可避免载波恢复所带来的 复杂问题。 g m s k 信号的解调要求尽量不失真还原调制波形。因此高斯型预调制滤波器的选择 1 2 0 如 加 们 一 一 一 一 一 一 上海大学硕士学位论文 取决于三条主要因素： 1 ) 带宽窄和理想的滚降边沿； 2 ) 较低的过调响应； 3 ) 滤波器输出脉冲的保存。 3 29 6 k 速率调制解调器设计方案及组成 3 2 1 设计方案 9 6 k b p s 速率调制解调器主要完成模拟信号与数字信号的相互转换，实现远方终端 与主站之间的数据交换。该调制解调器由2 3 2 接口模块、逻辑控制模块、调制解调模 块、信号处理模块和电台接口模块等几部分组成，其中最主要的就是逻辑控制模块和 调制解调模块。 由于在调制和解调时需要实时地进行编解码，本研究中逻辑控制模块采用f p g a ， 以类似硬件电路完成控制和编解码的功能，实现对收发信号的功能控制，并对数据进 行编解码及纠错处理。 调制和解调是无线系统中的关键环节，选用不同的调制方式、调制指数和解调器 形式，对系统的带宽要求有决定作用。目前所研制的调频通信系统中，数字通信多半 还是采用频移键控方式工作，而在低速系统中多采用的是2 f s k ，当速率大于2 4 0 0 b p s 后，普通的2 f s k 方式因为频谱的急速增宽不能满足无线信道的带宽和间隔限制，而 m s k 、s f s k 、g m s k 等均是2 f s k 的改进，其中m s k 信号相位是连续变化的，其频 谱衰减速度较快，但相位在符号转换时刻将产生一个突变，此时刻的相位是不连续的， 进而影响了频谱的衰减速度，g m s k 是在进行m s k 调制前加上高斯滤波器使基带信号 形成高斯形脉冲。由于成形后的高斯脉冲包络无陡峭沿，亦无拐点，因此相位过渡平 滑，同时频谱在主瓣以外衰减得更快。g m s k 信号的频谱特性也优于m s k 和s f s k 。由 于g m s k 调制方式存在码间干扰，因此其误码特性比m s k 差，可通过软件加入纠错 编码改善其性能，但传输开销会增大。 本论文工作选用f x 9 0 9 9 】作为m o d e m 的调制、解调芯片，除了因为f x 9 0 9 芯片的 调制方式是g m s k 之外，还有如下原因： 首先由于传输速率较高，无线调制解调器须要对接收信号进行高速探测，而f x 9 0 9 允许对接收信号进行高速探测，并同时实现信号范围内的自动跟踪。f x 9 0 9 内部的锁 相环带宽和接收信号电平的测试电路也会随程序自动反应 其次f x 9 0 9 提供了循还冗余检验和基本的前向纠错等功能，采用同步串行传输模 式，极限速率可达3 8 4 k b p s ，超低功耗4 m a ，能够根据不同的电台进行半双工或单工 工作。 再次f x 9 0 9 输出到电台将发射的信号和从电台接收来的信号都是模拟的，这有利 与电台鉴频器和调制器的连接。 预设参数存放在外部e e p r o m 中，这些参数可以根据不同的环境要求在现场进行 修改。这些预设参数包括基础的发射控制的前、后沿的延时，当然还有本地终端的逻 辑地址等数据包信息和其它物理参数。 电源采用单独的1 3 8 v 进行变换，产生系统需要的5 v 、3 3 v 和1 2 v ，并根据不同 电路的特性配合电容电感网络做电源滤波，使数字和模拟电路不会产生相互干扰。 其它电路采用模拟开关4 0 6 6 做信号切换、7 4 h c 0 4 0 0 做对外接口、三极管做电平 上海大学硕士学位论文 变换和输出驱动、2 2 7 2 运放作为音频信号的输入输出滤波放大、另外增加对外接口的 静电疏导保护电路。 3 2 2 各模块的基本原理及性能 调制解调器硬件由五个部分构成，下面将进行详细介绍： 2 3 2 接口模块 该模块完成与p c 间的数据交换，将负逻辑信号转换成正逻辑信号。主要由一 块2 3 2 电平转换芯片及几个滤波电容组成。 逻辑控制模块 该模块主要完成r e 、t d 、r t s 、c t s 等信号的逻辑运算处理，安排各信号的 时序，根据其产生的控发信号启动发射信号预处理模块和电台的发射，由c d 信号 控制r e ) 的发送、启动接收信号处理模块。并对数据信号进行冗余编码、解码、纠 错等处理。 当终端计算机要向m o d e m 发送数据信号时，首先进行握手，终端会先发一个 r t s 信号给m o d e m 板上的控制芯片。控制芯片n 羽响应该信号，并向终端发出响应 信号c t s 。终端接受到c t s 信号后向t d 线发送数据信号。数据信号经t d 线被送到 f p g a 。根据编码冗余计算产生t x d ，由f p g a 的输出到单片机的r x d 脚。再经控制 芯片和f x 9 0 9 处理、调制后送电台发射。 当m o d e m 向终端计算机发送数据信号时，控制芯片将已解调的信号由单片机 的t x d 脚输出到f p g a 的r x d 脚，根据解码计算后产生r d ，送给终端计算机。其中 采用了r d = r x d + c d 的逻辑是为了在载波无效时封闭r d 。即在c d = o 时无论r x d 如 何变化r d 都为“l ”。 调制解调模块 调制解调模块将经过处理的数据信号进行调制或将接收到的信号解调成数据 信号。 f x 9 0 9 是c m l 公司一种用于g m s k 调制解调的芯片，内部包括一个高斯滤波器， 整形电路及其它附属电路。高斯滤波器的b t 值为0 3 。传输速率为4 k b p s 3 8 4 k b p s 。图3 6 是f x 9 0 9 的功能示意。 外时钟 ( 偏霞) v b 吣 接收信号 位反馈 发送滤波嚣 发送数据 发送时钟 分频电路 ab 接收滤波器 图3 6f x 9 0 9 功能 1 4 接收效挺输h 接收s 刷捡劂 接收忙同步输出 接收电平测最 蝴 撇十 撇攀1 上海大学硕士学位论文 利用f x 9 0 9 实现g m s k 信号的调制解调见图3 7 。 v 图3 7 用f x 9 0 9 实现g m s k 信号的调制解调 其中： 1 ) 电阻r 1 ，r 2 和r