（通信与信息系统专业论文）基于dsp的电力线载波机调制解调模块的研制.pdf

南京航空航天人学硕士学位论文 摘要 本文研究并开发出一种用于电力线通信领域的电力线载波机调制解调模块。经 过对系统功能原理的分析、几种方案的比较、硬件芯片( 尤其是数字信号处理器与 可编程逻辑器件) 的选择，利用各种芯片的软件开发环境，编写出基于滤波法调制 解调的系统软件程序，使用e d a 软件完成电路原理图并设计出印制板图后，经安 装调试，成功地开发出电力线载波机调制解调模块。该模块主要由数字信号处理器 最小系统、模数转换电路、复杂可编程逻辑器件控制逻辑、看门狗电路、运算放大 器电路和模拟滤波器电路构成。 l 实测和实际运行结果表明，该模块达到了原设计指标，进而提高了原系统的性 能价格比，取得了良好的经济效益和社会效益。过 关键词 电力线载波机；调制，解调，数字信号处理器；复杂可编程逻辑器件；开发环境 基丁d s p 的l u 力线找波机调制解凋模块的研制 a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fam o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n m o d u l eo fp o w e rl i n ec a r r i e r w h i c hi su s e di nt h ea r e ao fp o w e r1 i n ec o m m u n i c a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ep r i n c i p i u mo fs y s t e m sf u n c t i o n ，c o m p a r i n gs e v e r a lp r o j e c t sa n d c h o o s i n g t h e c h i p s ( e s p e c i a l l yd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o ra n dp r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) ，t h es o f t w a r ep r o g r a mb a s e do nt h e m e t h o do ff i l t e ri s d e s i g n e dw i t ht h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n to fc h i p s t h e nt h ec i r c u i td i a g r a mi sf i n i s h e db yt h em e a no f e d as o f t w a r ea n dt h e p r i n t i n g c i r c u i tb o a r di s d e s i g n e d f i n a l l y t h em o d u l ei s a c c o m p l i s h e ds u c c e s s f u l l y a f t e ri n s t a l l a t i o na n dd e b u g g i n g i tm a i n l yc o n s i s t so ft h e m i n i m u ms y s t e mo fd s p , a dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，c p l dc o n t r o ll o g i c ，w a t c h d o gc i r c u i t ， o p a m p l i f i e r a n df i l t e rc i r c u i t t h er e s u l t so fp r a c t i c a lm e a s u r e m e n ta n dr u ns h o wt h a tt h em o d u l em e e t st h e d e s i r a b l er e q u i r e m e n t sa n di m p r o v e st h es y s t e m sr a t eo f p e r f o r m a n c ea n dp r i c e s ot h e s y s t e m h a sg o t t e nw e l le c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d p o w e rl i n e c a r r i e r , m o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t 2 南京航空航大人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电力线载波通信的作用及发展历史 1 1 1 电力线载波通信的作用 电力线载波通信利用高压输电线进行载波通信，是电力系统中特有的一种通信 方式，它不需要单独开设通道，而且高压输电线结构坚固，因此电力线载波通信既 经济又安全可靠。在电力系统中，电力线载波通道主要传输以下信息： ( 1 ) 传送电话信息，为电力调度服务： ( 2 ) 传送远动、数据，对变电站、发电厂实现遥测、遥信、遥控： ( 3 ) 传送远方保护信息，保证电力系统的稳定运行。 1 1 2 电力线载波通信的发展简史 同其它通信设备一样，电力线载波通信设备也经历了电子管、晶体管、集成电 路几代产品为标志的发展历程。 电力线载波通信技术出现于2 0 世纪2 0 年代初期，在我国，4 0 年代已有日本生 产的载波机作为长距离调度的通信手段在东北地区运行。 5 0 年代，东北和华北电网相继形成，为满足生产调度的需要，我国开始引进苏 联和捷克的载波设备。和其它技术一样，以原苏联标准为基准和主要依据开始确立 我国电力线载波的设计、测试的规程、导则等。到了5 0 年代中后期便开始着手研 制、仿造生产载波机。由于经验上、技术上、材料上以及其它原因，虽试制成功了 一些产品，但在运行实践中都没有得到令人满意的结果。直到6 0 年代中期前后， 南京有线电厂才有比较成熟的产品：改进型z d d - - 2 问世。此类产品在某些地区一 直使用到8 0 年代初，产量也较大。 到了7 0 年代，半导体技术迅速普及，在各个电子应用领域已逐渐取代了体积 大、功耗高的电子管，电力线载波机从电子管式向晶体管式转化也势在必行。我国 从7 0 年代初便开始了这项工作，到7 0 年代中期，南京有线电厂和秦川电站仪表厂 ( 西安) 先后推出了电子管晶体管混合式z d d - - 5 型单边带载波机( 后实现全晶 体管化) 、全晶体管式z j 一3 型单边带载波机。几乎与此同时，国内其它厂家也纷 纷推出了自己的产品，如z s 一3 、z d d 一7 、z d d 一8 、z d d 一9 、z d d 一1 0 、z d d 一1 5 、z d d 一1 6 、z d d - - 2 0 等型号的载波机。这其中，z s 一3 ( 电子管双边带) 、 z j 一3 、z d d 一5 曾一度成为国产载波机的主导产品。z d d - - 5 、z j 一3 至今还在少 数地区运行。 壁td s p 的1 u 力线载波机凋制解调模块的研制 从5 0 年代仞到7 0 年代末，可以说是我国电力通信是从有线( 主要是电力线载 波，另外还有明线、电缆等) 起步到发展的一段时期。这段时期，在不少地区电力 线载波通信为主要甚至唯一的通信手段。其通信任务主要是电力调度、生产调度、 部分复用远动及一些行政电话。其它通信手段也有应用，但是主要为模拟微波，仅 在部分电网中开通，而且是刚刚起步。整个电力通信还未形成网络，一些地方很多 通信任务包括一些调度电话仍依赖于邮电公用通信网。 八九十年代是电力通信大发展的时代。早在1 9 7 8 年，我国就根据电力生产的 特殊需要，批准建立电力专用通信网，有关文件也正式明确电力通信电路的建设是 电力系统建设的一个组成部分。作为在电力系统已发展比较成熟的电力线载波通 信，更是进入了大力普及阶段。此时，z d d 一1 2 、z j 一5 等一批性能较高的国产电 力线载波机也陆续问世，z d d - - 2 7 、z d d - - 3 6 、e s b 5 0 0 等具有8 0 年代世界先进水 平的载波机也相继开始研制和开发引进。除原有的些载波机及配套产品生产厂家 外，又出现了许多新的厂家和公司，其中不少产品都有定的特色和创新。在应用 上，上至5 0 0 k v 线路，下至3 5 k v 乃至1 0 k v 线路，都开通了电力线载波机；一些 重大工程中还直接采用了具有同时期国际先进水平的进口机。到“八五”初期，全 国1 1 0 k v 及以上电力线载波话路总长己达2 6 万公里，“九五”初期达6 5 万公里。 电力线载波名副其实地成为电力系统中应用最为广泛的通信手段。 1 2 我国电力线载波通信的现状 进入二十世纪八九十年代以来，我国电力事业和电力系统也以前所未有的速度 迅猛发展。大电站、大机组、超高压输电线路不断增加，电网规模越来越大。电网 的发展必然对电网管理和技术提出更高的要求，这就需要电力系统通信更加完善和 先进。电力线载波由于其固有的弱点：通道干扰大、信息量小，再加上我国设备水 平、管理维护等方面造成的稳定性差、故障率高等不足，已显得不能适应现代电网 对通信多方面、多功能的要求。而与此同时，信息时代的到来，促进了全世界范围 内电信科技的全面的、多维的发展，各种新兴的通信技术不断出现；通信设备性能 越来越先进，价格越来越低廉。于是，数字微波、卫星通信、光纤通信、移动通信、 对流层散射通信、扩展频谱通信、数字程控交换机以及数据网等新兴通信技术在电 力系统中得以逐渐地推广应用。 然而，在以数字微波通信、卫星通信为主干线的覆盖全国的电力通信网络已初 步形成、多种通信手段竞相发展的今天，电力线载波通信仍然是地区网、省网乃至 网局网的主要通信手段之一，仍是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍是电力 通信网的重要的基本通信手段。从理论研究，到运行实践，都取得了可喜的成效。 其优点主要体现在如下几点： 2 南京航空航犬人学硕十学位论文 ( 1 ) 载波通信广泛用于电力系统 电力线载波无论是在所具有的规模范田还是装机数量上，以及从事电力线载波 通信的人员数量上，都是规模空前的。电力线载波通信已成为电力通信网中最为强 大的生力军。 ( 2 ) 电力线载波通信综合业务能力有了很大的发展 电力线载波已由过去单独的调度电话业务发展到开放电话、远动、传真、保护、 计算机信息等综合业务，如葛一沪5 0 0 k v 直流输电系统中，两换流站的运行数据 的控制信息通过长达1 0 5 3 k m 的载波电路传送，实现了两站间的相互自动控制。一 般情况下，远动信息、高频保护信息的传递则较为普遍。 ( 3 ) 载波技术装备水平有了很大的提高 电力线载波通信在我国经过几十年的发展，经历了多次更新换代之后，装备水 平已今非昔比。从主机到辅机、到设备运行环境，较之过去都有了巨大的变化，基 本上实现或部分实现、正逐步实现频谱标准化、产品系列化、功能模块化、器件集 成化、监测微机化即所谓“五化”。在超高压线路上还陆续引进了一些世界著 名公司的具有国际先进水平的载波设备及配套设备，如瑞士a b b 公司的 e t l 2 0 1 0 0 ( t 0 1 ) 型、德国s i e m e n s 公司的e s b 5 0 0 ( 2 0 0 0 ) 型、意大利t e l e t t r a 公司的t e t s 型、挪威e b 公司的z a p 0 1 型及美国g b 公司的c a 0 1 d 型等等， 解决了实际应用中一些国产机暂时无法解决的问题，也为国产机的改进和提高提供 了可贵的借鉴。 ( 4 ) 载波通信理论研究成果丰硕 在理论研究方面，科研院所及设计生产单位不断有新成果问世。如：在频谱管 理上，采用了图论、地图色理论和计算机技术，因地制宜地提出了分段设计、频谱 分组、电网分段或分区、频率重复使用等，并开发出了软件包，可实现用计算机进 行设备管理、频率管理、新通道设计和旧通道改造、插空安排设备等功能。为适应 现代通信技术发展的数字化大趋势，数字式电力线载波机d p l c ( d i g i t a l p o w e rl i n e c a r r i e r ) 的开发研制也取得了实质性的进展。此外，在传输理论、组网技术等方面 的研究也有新的进展。 然而勿庸讳言，目前在电力线载波通信中也存在不少问题，有些甚至比较严 重，这在相当程度上影响制约了电力线载波通信发挥其应有的作用。突出的主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 载波频率分配使用中的问题 在频率的安排上，有些地区安排频率带有很大的随意性，“见缝插针”，没有长 远的计划，没有全局观念、统筹意识，往往就事论事，仅仅就频率考虑频率，以致 于干扰严重，不断改频；有些则只注意本地区频率规划，结果既影响了别人，又影 响了自己。甚至一些上级频率主管部门，对频率的管理也不够重视，在分配频率时 基y - d s p 的l b 力线载波机调制解凋模块的埘j 也没有，“肃认真的科学态度和科学的方法，造成了方面是频率资源的紧张，一方 面又是频率资源的严重浪费。 ( 2 ) 电力线载波机存在的问题 虽然国产载波机无论是在技术性能、工艺结构还是在电路及整机功能上，较之 过去都有很大改进，但同一些先进国家产品相比，仍存在很大的差距，尤其是设备 的可靠性和稳定性方面，国外一些性能优良的载波机平均无故障时间( m t b f ) 可 达几十年，在这点国产机是根本无法相提并论的。即使引进技术的国产化机如 e s b 5 0 0 也不能保证达到甚至接近进口机的水平。 ( 3 ) 配套工程存在的问题 配套工程存在的问题主要有电源的可靠性不高和容量小、防雷技术措施不完 善、仪器仪表配置不完备和落后等问题。这些问题的存在也在相当大的程度上影响 了通信的可靠性。比如，有些地区由于电源引起的故障竞高达总故障次数的三分之 二；雷雨季节由于雷击而导致通信中断的事故也时有发生。至于仪器仪表配置不完 备和落后，更是直接影响了设备正常维护测试的质量和速度。 ( 4 ) 管理运行上的问题 管理运行上的问题是比其它问题更突出的问题。多年来，工作中直不同程度 地存在着重主机轻辅机以及配套设备，重设备轻人员、轻管理、轻完善等现象，很 多必须的工作都开展不力或根本没有开展，造成新设备刚运行一段时间甚至一开始 运行就出问题。旧设备系统、旧通道存在的问题，尤其哪些涉及到多专业的问题， 很多长期得不到解决。如高频通道长期缺乏维护测试，线路阻波器形同虚设甚至与 线路容量不匹配等。许多新技术、科研新成果不能及时得以推广应用，甚至长期搁 置，造成巨大浪费。 1 3 电力线载波通信的意义与发展方向 首先，应看到电力线载波通信确实已远远不能满足现代电力系统运行控制、保 护信息传输的实时性、快速性和可靠性及对其它大量信息传输的要求。为满足现代 电力系统发展的需要，适应全球性通信发展的大趋势，使我国电力通信向高速率、 宽频带、大容量方向发展，提倡大力发展应用更为先进的通信手段。随着现代通信 技术的迅猛发展，各种先进的通信手段如光纤、微波通信等已迅速崛起，呈现出取 而代之的强劲势态，电力线载波通信所占的比重正在下降，各网、各省局在加速地 发展光纤通信。但电力线载波作为电力通信网中强有力的手段，仍有着雄厚的发展 基础和广阔的市场，仍有其生存和发展的环境和空间，它不会简单地消失或停滞不 前。电力线载波通信虽然所占比重正在下降，但还有发展的必要，电力线载波通信 有以下优点： 4 南京航空航火人学颁。 j 。学位论文 ( 1 ) 不管将来如何发展，作为电力部门特有的通信资源，电力线载波通信无 可比拟的优越性是不会动摇的，它在电力生产中所发挥的强大而独特的作用是不可 替代的，尤其在抵御台风、洪涝等自然灾害方面，其传输线路具有机械强度高、不 易受外力破坏的特点，从而具有较高的安全性。这是其它通信手段所无法比拟的。 ( 2 ) 每种通信手段都有其适用的范围和环境，电力线载波适用于县调、地调 等信息需求量小的环境，以及在其它场合作为可靠的备用通信手段。在覆盖范围远 而通道容量需求小的情况下，电力线载波比其它任何传输介质费用都要低。 ( 3 ) 具有等时性。只要高压输电线架通，载波通道就随之开通了。输电线架 设到那里，载波通信线路就可以延伸到那里。 ( 4 ) 电力线载波通信同其它技术样，也是不断发展和完善的。 数字通信是现代通信技术发展的方向，并且在电力系统中的应用越来越广，采 用数字技术来研制开发数字电力线载波机在电力系统中是很有必要的。数字载波机 由于采用语音压缩技术、正交幅度调制、自适应均衡、纠错编码以及回波抵消技术， 除了有模拟载波机的优点外，还有以下的几个优点： ( 1 ) 通话质量得到一定程度的改善。 ( 2 ) 在不增加频带宽度的情况下，话音和数据的传输容量得以提高。 ( 3 ) 易于和标准的6 4 k b s 接口连接，这样可用一条标准的6 4 k b s 通路传输多 路话音、远动信息，使电力通信网的组网更方便，现代通信网络系统选型时，传输 容量、接口的可用性是最重要的考虑因素，数字载波机完全满足各种实用范围内对 传输容量、接口和高速数据传输的要求。 将扩频通信技术应用于电力线载波通信中的研究也越来越受到人们的关注，扩 频通信是将信息所占用的频带展宽进行传输，它是以牺牲带宽为代价来提高信息传 输的抗干扰能力、提高设备的可靠性、减少设备的发信功率，在通道特性恶劣以及 低电压等级的配电网系统中采用扩频技术是一种行之有效的办法，但目前应用予频 谱资源本来就很拥挤的高压输电线载波通信中还有一定困难。 在通信业务曰益增长。载波频段日益拥挤的今天，频谱利用率是一个主要的矛 盾，必须要采用频带利用率高的数字调制技术来有效地解决这个问题。如挪威 a c e 3 2 数字载波机采用6 4 q a m 调制，收发同用一个8 k h z 的频带，可以传输3 2 k b s 的数据速率，可以传输3 路话音，是模拟载波机的3 倍。德国西门子公司e s b 2 0 0 0 i 数字载波机采用多载波调制技术，在8 k h z 内传输的数据速率大于3 2 k b s ，可达到 6 4 k b s ，可以传输9 路话音。美国r f l 公司的r f l 9 5 0 6 d 数字载波机，采用1 2 8 t c m 调制技术，在1 6 k h z 的带宽内传输的数据速度率可达8 1 k b s 。 可以看出，在数字调制技术中，如q p s k 、q a m 、t c m 调制技术是有很高的 频谱利用率，下面简单介绍一下这些调制原理。 ( 1 ) q p s k 5 基 ：d s p 的电力线载波机凋制解调模块的研湘 图1 q p s k 调制原理图 四相相位键控( 见图1 ) ，它是用载波相位来传送数字信息 i 、q 两个信道，因此i 、q 信道的数据速率为输入数据的一半 用的频带为f b 2 ，这样就实现了带宽压缩，提高了频谱利用率。 ( 2 ) q a m 0 p s k 输出 将输入的数据分成 经过调制后，所占 由 并 转 换 出 图2 q a m 原理框图 正交幅度键控( q a m ) 是一种数字信息包含在传送载波的振幅和相位上的数字 调制，是目前通信中大力发展的一种先进技术，具有很高的频谱利用率，以6 4 q a m 为例( 见图2 ) ，其原理如下：输入的数据信息被分为同相与正交两路为3 位二进制 码，经信号映射、滚降滤波成形、正交调制，然后相加得到6 4 q a m 调制，由于输 入数据被分成6 个信道，那么经过q a m 调制后信号所占用的最小带宽为f b 6 。 ( 3 ) t c m t c m 即t r e l l i s c o d em o d u l a t i o n ( 格形编码调制) ，是一种信道编码技术，与 q a m 相结合，可使误码率由q a m 的1 0 “降为1 0 一。 可以通过1 2 8 t c m 来说明采用t c m 方式能提高抗噪声性能这一点，该方式可 用于全数字电力线载波中，保持相同的信道利用率，降低误码率。 t c m 一编码卜二二一信号映射卜一竺= 十 q 6q jq 4q 3q 2q 。q 6q 5q 4q 3y 2r ly o “ 圈3 t c m 方框图 6 南京航空航犬人学硕十学位论文 图3 给出了t c m 流程，其中t c m 编码由图4 描述，信号映射见图5 。t c m 解 调采用维他比检测方式。运用最大似然序列估计的维他比算法，在穿过网络图的两 条途径之间进行判决的准则是选取量度最大的途径。 维他比解码是卷积码最佳解码方式。解调时不只检测本信号点的参数，还要观 测其前面信号所经历的路由。q a m 方式中，若传送1 0 个块有i 块误码，则t c m 传送1 0 ，0 0 0 个块时方有一块误码。若能将方案实现并用于全数字电力线载波中，必 使其性能更为优良。 0 2 0 i t ：延时i 比特单元 图4 v 3 2 卷积编码 调制 信号 y 2 y i y o 图5 信号映射图( 采用q a m 调制方式) 完全有理由相信，随着科学技术的不断发展和应用，随着改革的深化、管理水 平和管理质量的提高，通过广大电力线载波通信人员的共同努力，电力线载波通信 会继续在我国电网现代化进程中发挥重要作用，为我国电力事业的发展做出新的更 大的贡献。 7 基于d s p 的电力线载波机凋制解调模块的研制 第二章电力线载波机的原理与组成 2 1 电力线载波机的原理 为了提高通信线路的利用率，使得一对线路上同时进行多路通信，就要采用载 波通信的方式。为避免各路信号互相混淆，应将相同频率范围的各个话音信号进行 频率变换，把它们搬移到各个不同的频率位置，然后再用同一对线路传输。由于各 路信号的传输频率不同，在同一线路上传输就互不干扰，在接收端可以用滤波器将 不同频率位置的信号区分出来再进行频率变换，还原出原始的各个话音信号。 在一条通信线路上除音频电话外能实现几对用户同时通话的载波设备就叫做 几路载波机，常见的有单路载波机，三路、十二路及更多路数的载波机。在载波通 信中，频率变换及分割是最基本的问题。 2 1 1 音频电话通信 图6 是最简单的音频电话通信电路，a 、b 两台电话机之间用一对导线相连构 成话路。现在使用的电话机其送话器的发送功率只都以1 m w 计算，受话器的灵敏 度只以1 w 计算，所以两台电话机之间的最大允许衰耗： p1 b 允_ 1 0 1 8 号“0 1 9 矗= 3 啪 b 图6 音频电话通信图 为了保证接收端有足够的响度，接收端的最低收信电平，2 1 1 , 1 , = 一3 0 d b 。由于实 际通信中两话机之间还有一些附属设备，所以分配在线路上的允许衰耗为1 2 d b 。对 应于不同的线路就有相应的最大通信距离，例如线距为2 0 0 m m ，直径为4 0 m m 的 架空铜线线路，每公里衰耗为0 0 2 4 d b ，它的最大通信距离为5 0 0 k m ，相同线距和 线径的铜包铜线，最大通信距离只有1 4 0 k m 。 当需要增加通信距离时，除了减少线路本身的衰耗外，还可以在线路中接入放 大器，由于一只放大器只能放大单方向的信号，而电话通信是需要二个方向进行传 输，因此可以用两个放大器按相反方向如图7 连接实现双向放大。但是这种方法有 一个问题，信号不断放大，在受话器中产生啸口q 声造成电话无法通话，这种现象称 8 南京航空航犬人学硕_ ：学位论文 为振呜。为了消除振鸣，在两个放大器和线路的连接处接入差分器，如图8 所示。 差分器是一种由电阻或线圈组成的无源网络，它具有对端传输衰耗很大，邻端传输 衰耗较小的特性。接入差分器以后，在k ，k ：所形成的正反馈环路中增加了两个 差分器的对端衰耗，使环路的总衰耗大于总增益，因此可以防止振鸣现象的产生。 而双向传输信号分别由k 。、k ：进行放大，因而延长了通信距离。 k i 图7 双向放大器的连接 k 1 k 2 图8 音频增音机的连接 将放大器和差分器组合以后，可以补偿音频信号在线路中的传输衰耗增加通信 的距离，因此将它们称为音频增音机。 2 1 2 频率变换 载波通信是通过频率搬移实现多路通信的。频率搬移实际上就是改变原始信号 的频率，在模拟中，它是利用非线性元件的变频作用来实现的。在数字之中，就是 利用乘法来实现的。 实际的电话传输的信号不是一个单一的频率而是覆盖一个频带，因此经过变频 作用后得到的也是相应的频带。如图9 所示，以1 2 k h z 做载频，话音信号的频带为 0 3 3 8 1 k h z ，则经过变频后得到1 2 3 1 5 。8 1 k h z 的上边带和8 1 9 1 1 7 k h z 的下 边带，图中下边带频谱中各频率高低的顺序与原话音频带的频率顺序相反，因此用 倒三角形表示，也称为频谱倒置。上边带频谱中各频率的顺序和话音频带相同，顺 序不变，因此也用正三角形表示。 9 壁td s p 的电力线载波机调制解调模块的 i j l = 相 频率( k h z ) 图9 话音频率的频率变化 变频后的输出信号中产生了上边带和下边带，虽然它们的频率和幅度与变频前 的话音信号不相同，但都是由话音信号和载波信号共同作用而产生的，其频率分别 是载频和话音频率的和与差，因此它们都带有话音信号的特性，可以任选一个边带 进行传输而将另一个边带去除，同样可以完成传送话音信息的任务。这种传输方式 称为单边带传输制，而把载频和上下边带都传输的方式称为双边带传输制。 2 2 电力线载波机的组成 由于电力线载波机种类繁多，而且具体系统很复杂，因此这里就用简单框图给 出两级调制的电力线载波机的组成，如图1 0 所示。 图1 0 单边带电力线载波机的简化框图 下面简单的介绍电力线载波机的各个部分。 ( 1 ) 信号传输系统 载波通信的任务就是进行信号的传输。信号传输系统包括从发送端信号输入起 1 0 南京航空航大人学硕十学位论文 到接收端信号输出止，出各相关部分组成的系统。信号传输系统是载波通信中最主 要、最基本的部分。 ( 2 ) 呼叫系统 在电力线载波机中，虽然在两台载波机之间同时只能有对用户通话，但一般 每台载波机都接有四个用户。在双方通话前，先拿起话机的主叫用户必须选择需要 通话的被叫用户，然后向被叫用户呼叫，使被叫用户知道有人要和他通信，才能拿 起话机构成双方通话的电路。这些选择、呼叫的设备构成了载波机的呼叫系统。由 于现代的通信设备大部分采用电铃作呼叫装置，呼叫的最终结果是向被叫用户的话 机振铃，因此呼叫系统也称为振铃系统。 ( 3 ) 自动电平调节系统 在载波通信系统中，由于线路衰耗的变化、设备的增益及衰耗的变化，往往使 接收端的信号电平很不稳定。对通话电路，就不能使接收到的话音有足够的晌度和 清晰度，对远动、数据等其它电路就将发生失真或错误。为了保证载波机收信支路 各点传输电平的准确稳定，提高信息传输的质量，在载波机中都设有自动电平调节 系统。由于该系统大多是利用导频信号工作的，因此又称为导频系统。 ( 4 ) 电源系统 在载波机的框图中虽然没有画出电源系统，但是任何通信设备的工作都是离不 开电源的，电源是载波电话通信中十分重要的组成部分，电源系统供电的可靠性和 供电质量是通信质量的保证。 丝丁d s p 的电力线载波机渊制解凋模块的研制 第三章调制解调模块的算法研究 3 1 调制算法 本系统是根据某公司提出的技术指标来设计的。 实际上，实现一个频率的搬移，也即模拟上的单边带调制，就能完成这个功能。 模拟的单边带调制有传统的滤波法、哈脱莱法( 移相法) 、韦瓦( w e a v e r ) 法( 移 相滤波法) 。这三种方法都是使用平衡调制器产生抑制载波的双边带信号。如果用 一个高q 值的带通器抑制个边带来产生单边带信号，即滤波法；如果用一对正交 的全通滤波器对音频信号进行正交相移，再与一对正交的载波信号进行平衡调制， 最后用相加或相减的办法抑制一个边带从而产生单边带信号，即移相法；如果选用 一对正交副载波和音频信号进行平衡调制，用一对低通滤波器提取下边带再与一 对正交载波信号进行平衡调制，然后用相加或相减的方法抑制掉无用边带，即移相 滤波法。 采用模拟滤波法，由于滤波器性能不能达到满意的程度，尤其是过渡带可能不 够陡峭，可能会使边带滤波不够彻底，则可采取两次甚至多次调制的办法；而采用 移相法和移相滤波法，由于正交性不好实现，也有一定的难度。 而在数字调制之中，除了移相法中对音频信号进行正交相移有一定的难度外， 其他两种方法均没有什么限制，因此都是可行的。采用滤波法时，可以把滤波器的 性能做到足够好：采用移相滤波法也是相当容易的。当然这其中需要考虑的另一个 问题是时间上的延迟，这在模拟上不需考虑，但是在数字系统就要考虑，而且要控 制时间应该在毫秒级以内。 实际应用方案采用了滤波法来实现。滤波之后所得到的信号，满足系统性能指 标要求，而且时间延迟也控制在毫秒级以内，因此本文提出的设计方案是实用可行 的。同时也介绍w e a v e r 法调制与解调的原理，以比较两个方法的原理与实际实现 上的差别。 3 1 1 滤波法调制 滤波法的调制框图如图l1 所示。 下面对滤波法调制的频谱给予分析 可表示为： n x ( r ) = y , e s i n ( 弛，+ 织) n i 输入三路信号限在4 k h z 以下，输入信号 堕室堕竺堕盔叁兰堡：! 竺垡堡苎 r 。1 1 。1 。，一 业7 霄111 蜢| h p fb 盟， 、r 7 h p f ：高通滤波器 o = 2 , r f 0 ， 为1 2 k h z 图1 1 滤波法调制框图 采用单边带调制，频率取1 2 k h z ，得 e i ( f ) 22 x ( t ) c o s o ) o f 2 善 e s i n ( 国。+ 国。x + 妒。】+ e n s i n ( 国。一0 9 。) f + 缈 经过高通滤波器以后，得 y ( r ) = e e o s i n ( 国。+ 国。弘+ 妒。】 各处的频谱示意图如图1 2 所示。 ( c ) 经滤波器滤除下边带及载频m y ( t ) 频谱 图1 2 各点的频谱图 3 1 2w e a v e r 法调制 下面介绍w e a v e r 法的调制方法，调制框图如图1 3 所示。 fk h z fk h z fk h z ( 2 ) ( 3 ) 1 3 型：里! ! 塑! ! 塑垡垡些塑塑型堑塑塑垫塑塑型 厂9 q 卫警 ，、i 2 s i n ( ) l t 2 s i n ( u j 一1 ) t 叫。产) ! ! 尘， i 器- 回塞器! 丫一 l 叫寺￥迎+ 广面f _ 趔，杰堂! l l p f ：低通滤波器 c o l = 2 矾，z 为2 k i - i z 0 9 。= 2 ，叽，正为1 6 k h z 图1 3w e a v e r 法调制框图 下面对w e a v e r 法调制的频谱给予分析，输入信号限在4 k h z 以下，输入信号可 表示为： x ( f ) 2 e 。s i n ( 国。h 缈。) ( 4 ) 采用信号中间频率为2 k h z 的正交调制将x ( t ) 分成两路，得 e a i ( f ) 22 x ( t ) s i n ( o 5 蕃 一e c o s ( c o 。+ 国。v + 妒。】+ e c o s ( c o 。一国，) f + 妒。 ) ( 5 ) 已i ( f ) = 2 x ( t ) c o s ( o 。 2 善 e 。s i n ( 国。+ 国，) f + p 。 + e n s i n ( 国。一国，弦+ p 。】) ( 6 ) 分别经过相同的两个低通滤波器( 截止频率为2 k h z ) 滤波，得 巴z ( ) 2 善e 。c 。s ( 国。一0 9 。) r + 缈。】 ( 7 ) 已：( f ) 2 e 。s i n ( 。一国，) ，+ 妒。 ( 8 ) 该滤波器用数字滤波实现，阻带防卫度可根据线路要求任意制定，从而弥补了 模拟滤波器不足。 再用另一个载频( 正一2 ) 进行第二次正交调制，得信号已。，( f ) ，已，( f ) ： 南京航空航犬人学硕十学位论文 巴3 ( r ) 22 e 。2 ( t ) s i n ( o ) 。一d o ，) f 2 善 e s l n 【+ 锨一2 鳓) h 够卜e s i n 锄一6 0 ) ，+ 纠) ( 9 ) e 6 3 ( ，) 22 岛2 ( t ) c o s ( o ) o - 国1 ) 2 善 e s l n + o ) c 一2 鳓) h 纠+ 巴s i n 一c o o ) f + 纠) ( 1 0 ) 该两路信号相加，得上边带信号： 川一。e s i n ( 0 9 。+ 缈。一2 0 ) ) c , o 。 该两路信号相减，得下边带信号： y ( ) = 2 善e 。s i n ( 缈。一。) f + 妒。】 ( 1 2 ) 从时域分析可知w e a v e r 法调制可以得到单边带信号，这里取上边带，其频谱 示意图见图1 4 。从频谱图可见，要使无用的边带完全抵消，则要求两条支路完全平 衡，且正交载频必须严格保持9 0 。相移，这对模拟方式来说是困难的，而采用d s p 芯片可以较好地实现。 一9 0 9 0 ” 一9 0 。9 0 * 1 5 基丁d s p 的电力线载波机凋制解调模块的研制 1 2 31 41 5 8 i k l f z 1 2 1 91 41 57k l t z 图中所示0 。，9 0 。，1 8 0 。，一9 0 。，一1 8 0 0 等是该波形相位 x - - x ( f ) 频谱y y ( f ) 频谱 e ，4 l e 口l ( f ) 频谱e b l e b ，( f ) 频谱 b 4 2 一e 0 2 ( f ) 频谱e b 2 一e b 2 ( f ) 频谱 e a 3 一e a 3 ( f ) 频谱e b 3 一e b 3 ( f ) 频谱 图1 4w e a v e r 法调制各点频谱图 由以上分析可知，滤波法调制与w e a v e r 法调制都可以实现单边带调制，而且 在数字上都能得到较好的实现。但从系统的简易程度来看，滤波法比较简单，而且 乘法与滤波器也比较小，则运算量就比较小，所用时间也较少，系统的延时也就随 之降低，同时性能也较为满意，故而本系统选用滤波法调制。 3 2 解调算法 与滤波法调制类似，可知滤波法解调的框图如图1 5 所示。与调制不同之处就是 所选择的滤波器是低通滤波器，得到的是下边带。 2 c d s o t l p f ：低通滤波器 c oo = 2 , r f o ， 为1 2 k h z 图1 5 滤波法的解调框图 下面对滤波法解调的频谱给予分析：输入信号限在1 2 3 k h z 到1 5 8 1 k h z ，输入 1 6 一堕至堕皇堕盔叁兰塑堂堡笙奎 信号可表示为： ( f ) = e , s i n ( 缈，h 缈，) ( 1 3 ) 采用单边带解调，频率取1 2 k h z ，得 e 2 ( ，) 22 r e ( t ) c o s g o o t 2 善 e ，s i n ( 国，+ g o 。p + 缈，1 + e s s i n ( 国，一国。) f + 缈， ) ( 1 4 ) 经过低通滤波器以后，得 n ( ) 2 善e ，s i n ( 国，一国。) f + 妒l 】 ( 1 5 ) 下面介绍w e a v e r 法解调的方法，解调的框图如图1 6 所示。 l p f ：低通滤波器 1 = 2 - f l ，z 为2 k h z 。= 2 矾，丘为1 6 k h z 图1 6w e a v e r 法解调框图 从框图中可知，w e a v e r 法解调与调制类似，只要把调制的两个载频的乘法次序 换一下就是解调。当然输入的信号频率范围为1 2 3 k h z 到1 5 8 l k h z ，其他类同，不 再赘述了。 3 3 滤波器选择的标准 不管是采用滤波法，还是w e a v e r 法，都需要用到滤波器，因此在本系统中滤 波器的选择也是影响性能指标的一个重要因素。 在数字信号处理中，常用的滤波器有有限冲激响应( f i r ) 和无限冲激响应( i i r ) 滤波器，不同的滤波器有各自的特点，不同的场合根据需要，需要选择不同类型的 1 7 基td s p 的电力线载波机凋制解调模块的研制 下面讨论这两种滤波器的特点，然后给出根据系统与实际的需要，本系统选择 滤波器的标准。 f i r 滤波器的差分方程表达式为： y ( ) = q x ( n - i ) ( 1 6 ) f i r 滤波器的最主要的特点是没有反馈支路，因此它是无条件稳定系统。它的 单位冲激响应h ( n ) 是一个有限长序列。如果h ( n ) 是实数，且满足偶对称或奇对称的 条件，即 ( 盯) = h ( n 一卜n ) 或h ( n ) h ( n1 一疗) ，则滤波器具有线性相位特性。 n 阶i i r 滤波器的脉冲传递函数可以表达为： m b 。z 1 h ( z ) = 一0 7 ) 1 一q z l 它的差分方程表达式为： 吖n y ( ) = 6 。x ( n f ) + q y ( n - i ) t = oj ；l ( 1 8 ) m 由式( 1 8 ) 可见，y ( 肝) 由两部分构成：第一部分b , x ( n - i ) 是一个对x ( 疗) 的m 节 1 = 0 延时链结构，每节延时抽头后加权相加，也即是一个横向结构网络。第二部分 q y ( n - i ) 也是一个n 节延时链的横向结构网络，不过它是对y ( n ) 延时，因此是 f ；1 个反馈网络。 若口。= 0 ，就是f i r 滤波器，其脉冲传递函数只有零点，系统总是稳定的，其 单位冲激响应是有限长序列。而i i r 滤波器的脉冲传递函数在z 平面上有极点存在， 其单位冲激响应是无限长序列。 i i r 滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性，所用的存储单元少，运算 次数少，具有经济、高效的特点。但是，在有限精度的运算中，可能出现不稳定现 象。而且，选择性越好，相位的非线性越严重，不象f i r 滤波器可以得到严格的线 性相位。 因此，在相位要求不敏感的场合，如语音通信等，选用i i r 滤波器较为合适； 而对于图像信号处理、数据传输等以波形携带信息的系统，对线性相位要求较高， 在条件许可的情况下，采用f i r 滤波器较好。 l r 南京航空航犬人学顾1 ：学位论文 具体到本系统中，如果只有语音信号的话，那可以采用i i r 滤波器的，但输入 信号是有语音、远动、信令等信号组成，远动是一个数据信号，对相位比较敏感： 另外本系统采用的是定点d s p 芯片，精度有限，对于i i r 滤波器可能会出现不稳定 现象，虽然i i r 滤波器的选择性能比较好，能用较少的阶数完成本系统的要求，但 是由于以上的几个原因，再加上采用f i r 滤波器，虽然运算量较大，资源也占用较 多，时间延时也长，但硬件芯片高性能弥补了一些不足，使得f i r 滤波器也能满足 系统要求，尤其是线性相位的要求，所以在本系统中滤波器是采用f i r 滤波器。 1 9 基t - d s p 的电力线找波机调制解涧模块的研制 第四章调制解调模块的硬件实现 4 1 硬件总体方案 调制解调模块的组成框图如图1 7 所示。 线路入 线路出 图1 7 系统硬件框图 框图说明： ( 1 ) d s p 最小系统 数字处理系统由于其可靠性强、可编程性好、抗干扰能力大等优势在通信、航 天制导、仪器仪表等各个领域正得到越来越广泛的应用。在此调制解调模块中由一 片t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 芯片和一片e p r o m 构成的d s p 最小系统是整个系统的核 心部分。 ( 2 ) c p l d 逻辑控制 现场可编程逻辑门阵列( f p g a ) 和高性能数字信号处理器( d s p ) 是信号处理 领域两大关键器件。f p g a 以其设计灵活性和硬件高密度性广泛应用于辅助控制逻 辑，在信号处理领域与先进的d s p 主芯片相结合构建整个系统核心，显示出越来越 重要的作用。 在实际应用中，f p g a 和d s p 芯片的运算速度及并行处理能力是两个主要指标， 直接影响和制约高速实时信号处理的性能。这里采用a l t c r a 公司出品的m a x 7 0 0 0 系列中的e p m 7 0 3 2 来完成控制逻辑的实现。 ( 3 ) a d 转换 从数据流程上看，接收时首先将从电力线路输入的模拟信号( 包括语音信号， 信令信号等) 通过a ，d 转换成为数字信号传送给d s p 进行数字调制处理，处理完 毕后将已调信号通过d a 转换为模拟信号再由电力线路输出。本系统选择t i 公司 2 0 南京航空魂犬人学硕十学位论文 单片集成双通道a d 和d a 转换的音频模数和数模转换器t l c 3 2 0 a d 7 7 作为a d 转 换器件。 ( 4 ) 运算放大器电路 在本系统中，运算放大器电路的作用在于：输入的信号是单端信号，为了与前 级电路信号相匹配，且需要满足a d 转换差分输入的要求，还需运放电路将单端信 号转换为所要求的差分信号。前级匹配，采用运放t l 0 8 4 构成简单射随器；而单端 到差分的转换，选用了t i 公司的满幅度、低噪声运放t l c 2 2 7 4 来实现。 ( 5 ) 模拟滤波器电路 经过d a 转换后，需要模拟后置滤波器。