（通信与信息系统专业论文）电力载波modem的开发及电力载波扩频数传机性能研究.pdf

电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t p o w e rl i n ei st h em o s ti m p o r t a n ta n dt h el a s tp a r to ft h ep o w e r - s y s t e m w i t ht h e d e v e l o p m e n to f a u t o m a t i z a t i o no f p o w e rl i n e ，t h er e q u i r e m e n to f u s i n gt h ep o w e r l i n e a sac o m m u n i c a t i o nc h a n n e lt ot r a n s f e rt h e c o n t r o l s i g n a la n dd a t ab e c o m e s m o r ea n d m o r eu r g e n t a tt h es a m e t i m e ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tr e q u i r e sm o r eb a n d w i d t h u p d a t i n g t h ep o w e rl i n et ot h eb r o a d b a n dn e t w o r kh a san u m b e ro f a d v a n t a g e s a sa s p e c i a ln e t w o r k , i t sh o s t i l ec h a n n e lp r o p e r t i e ss u c ha sc o m p l e xt o p o l o g y , v e r yl o w i m p e n d e n c e ，s t r o n g n o i s e p o l l u t i o n , a t t e n u a t i o n a n dt i m e - v a r i a n c em u s t b e c o n s i d e r e d i nt h i sp a p e r , w e m a i n l yf o c u so n t h ed e v e l o p m e n to fap o w e rl i n e p r o d u c ta n d a d e s i g no fap o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o no l c ) s y s t e m s t h ef i r s t p a r to ft h ep a p e r i n t r o d u c e st h ep r o d u c tf o rp l c ，ap o w e rl i n ec a r r i e rf s k - m o d e mb a s i n g0 ni t s s p e c i a ld e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o d ，t h i sm o d e m i si n t r o d u c e df r o mi t ss o f t w a r e d e s i g n t h es e c o n dp a r ts h o w sas p r e a ds p e c t r u mt r a n s m i t t e rf o rp l c i nt h i sp a r t ， d e p e n d i n go nt h em u l t i p a t hs i g n a lp r o p a g a t i o nm o d e lf o rt h ep o w e rl i n ec h a n n e li n t h eh i g hf r e q u e n c yr a n g e ，w h i c hw a s b r o u g h tf o r w a r db yz i m m e r m a n nm & d o s t e r t k w er e s e a r c ht h em a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gs y s t e m sp e r f o r m a n c e s u c ha ss y s t e m s a m p l er a t e ，a d a p t i v ef i b b e r , m a t c h e d 此e r ，s h a p i n gf i l t e ra n d s oo n i nc h a p t e ro n ew ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do f p l c c h a p t e rt w os h o w st h e d e t a i l so ft h es y s t e m s s t r u c t u r e , r e a l i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e - a n a l y s i so ft h ep l c f s k - m o d e m i nc h a p t e rt h r e et h es t r u c t u r eo f s p r e a ds p e c t r u mt r a n s m i t t e rf o rp l c ， r e a l i z a t i o na n dt h ec h a r a c t e r sd f p o w e rl i n ec h a n n e la r ei n t r o d u c e d a sw e l la st h e a n 由s e so fs y s t e mp e r f o r m a n c eg r o u n d i n go nt h es i m u l a t i o n s k e yw o r d s ：f s km c up o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n s ( p l c ) s p r e a d s p e c t r u m 2 电子科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 对中低压配电网应用技术研究的意义 有关中低压配电网( 即中低压电力线网络) 作为通信与自动化信息传输介质 的研究意义主要表现在以下两个大的方面： 首先，8 0 年代以来，我国的电力工业得到了快速发展，9 0 年代中后期，电 力工业的发展重点由增加装机容量转变为加强电网建设。电力工业发展的这种特 殊性，使得我国适合采用更先进的技术，从高起点进行电网改造。目前在我国 2 2 0 k v 及以上系统中运行的微机超过一万台，有1 0 0 0 多个基于分布式网络的综 合自动化变电站投入运行。这些技术以其良好的可靠性、灵活性和可扩展性为电 力系统广大用户所接受。在信息时代来临的今天，我国正在进行大规模的配电网 改造建设，一批城乡电网改造工程正在兴建，现代化社会和经济的快速发展，用 电负荷增加都会对供电质量、供电可靠性、供电自动化程度等提出更高要求。可 以预见，基于信息技术的配电网自动化将会得到广泛推广并发挥巨大作用。 配电网长期以来只能采用手工操作进行控制，自9 0 年代开始逐步发展实现 了一批功能独立的孤岛自动化，今后的发展趋势必然走向基于先进通信技术的网 络自动化。配电网自动化主要包括馈线自动化、自动制图设备管理地理信息系 统及配电网分析软件，它是配电自动化的基础部分。与传统的孤岛自动化相比， 基于信息技术的配电网自动化的特点在于以下3 点：大量的智能终端、通信技术 和丰富的后台软件。 其次，i n t e r n e t 的突破进展带来了更大带宽的需求，若能够把配电网升级 为宽带接入网，将具有巨大的应用前景这就是p l c 技术。p l c 是电力线通信 技术( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 的简称，也被称为p l t ，是指 从中低压配电网( 3 5 k v 以下) 至用户室内电源插座2 2 0 v 电力线上实现高速数据 和话音通信的技术。 在中高压电力线网络( 3 5 k v 以上) 利用电力线作为通信介质进行数据和语 音的传输已经有几十年的历史。近年来随着i n t e r n e t 技术的飞速发展，用户终 端的宽带接入技术成为了i n t e r n e t 普及的瓶颈之一，这就是所谓的“最后一百 米”问题。而配电网是目前覆盖范围最广的网络，因此基于配电网的接入技术成 为目前解决i n t e r n e t 普及瓶颈的最具竞争的技术之一。 电子科技大学硕士论文 1 2 国内外研究现状 从配电网自动化方面来看，西方国家开始较早，发展也较快，其发展大致可 以分为3 个阶段。第一阶段大约在7 0 年代，该阶段主要目标是在重要线路实现 故障自动隔离，进行自动抄表，并结合配电网改造的过程开展配电网自动化的试 点工作。第二阶段约在8 0 年代初期，配电自动化大量投入，营业自动化、负荷 控制开始发展。由于当时计算机技术条件的限制，故无法形成完整的计算机网络 控制系统，大部分为单项自动控制系统。第三阶段约在8 0 年代后期，由于微机 和各种通信技术的发展，分布式实时网络的出现，从而可以将配电网中单项自动 化功能的装置通过微机网络连接起来，使配电网综合自动化成为可能。而在国内， 虽然配电网自动化的观点很早就提出来了，但是由于种种原因其进展缓慢。目前， 仅在电网实时监控及数据采集和变电站自动化等有限的几个方面有了一些实质 上的发展。 就p l c 技术而言，若干年前国际上提出并进行了相应的研究，尤其在德国、 美国等一些国家，该技术都已近于实用。同时国际上对p l c 专用芯片的研制也取 得了突飞猛进的发展。美国的i n t e r l l o n 公司的1 4 m b i t s 芯片已经达到实用水 平，明年将推出l o o m b i t s 的芯片。同时为了推进p l c 的标准化工作，国际上成 立了一些p l c 组织，但是至今没有统一的国际标准。我国研究p l c 技术起步较晚， 但是发展较快。中国电力科学院、深圳国电科技有限公司、福建省电力公司、清 华大学等一些企业和单位都对该技术进行过研究。但总的说来，这些研究离实用 还有一定距离。 1 3 本文研究的具体内容、意义和课题来源 有关于电力线网络特性和基于该网络的应用技术的研究是一个范围很大的 领域。本文第一部分介绍了一款为公司开发的电力载波m o d e m ，这是对电力线网 络实用技术的初步尝试。该m o d e m 的设计以降低成本为先导，在实现多功能的同 时也实现了最大程度上的软件化。目前我们研制的该款m o d e m 已经有了两个版 本，其中一个版本在南京做应用性测试，另一个版本已转让给绵阳一家公司，其 实用化产品将于年底推出。 本文第二部分的研究来源于横向预研项目“电力线扩频数传系统”。由于多 2 电子科技大学硕士论文 1 2 国内外研究现状 从配电网自动化方面来看，西方国家开始较早，发展也较快，其发展大致可 以分为3 个阶段。第一阶段大约在7 0 年代，该阶段主要目标是在重要线路实现 故障自动隔离，进行自动抄表，并结合配电网改造的过程开展配电网自动化的试 点工作。第二阶段约在8 0 年代初期，配电自动化大量投入，营业自动化、负荷 控制开始发展。由于当时计算机技术条件的限制，故无法形成完整的计算机网络 控制系统，大部分为单项自动控制系统。第三阶段约在8 0 年代后期，由于微机 和各种通信技术的发展，分布式实时网络的出现，从而可以将配电网中单项自动 化功能的装置通过微机网络连接起来，使配电网综合自动化成为可能。而在国内， 虽然配电网自动化的观点很早就提出来了，但是由于种种原因其进展缓慢。目前， 仅在电网实时监控及数据采集和变电站自动化等有限的几个方面有了一些实质 上的发展。 就p l c 技术而言，若干年前国际上提出并进行了相应的研究，尤其在德国、 美国等一些国家，该技术都已近于实用。同时国际上对p l c 专用芯片的研制也取 得了突飞猛进的发展。美国的i n t e r l l o n 公司的1 4 m b i t s 芯片已经达到实用水 平，明年将推出l o o m b i t s 的芯片。同时为了推进p l c 的标准化工作，国际上成 立了一些p l c 组织，但是至今没有统一的国际标准。我国研究p l c 技术起步较晚， 但是发展较快。中国电力科学院、深圳国电科技有限公司、福建省电力公司、清 华大学等一些企业和单位都对该技术进行过研究。但总的说来，这些研究离实用 还有一定距离。 1 3 本文研究的具体内容、意义和课题来源 有关于电力线网络特性和基于该网络的应用技术的研究是一个范围很大的 领域。本文第一部分介绍了一款为公司开发的电力载波m o d e m ，这是对电力线网 络实用技术的初步尝试。该m o d e m 的设计以降低成本为先导，在实现多功能的同 时也实现了最大程度上的软件化。目前我们研制的该款m o d e m 已经有了两个版 本，其中一个版本在南京做应用性测试，另一个版本已转让给绵阳一家公司，其 实用化产品将于年底推出。 本文第二部分的研究来源于横向预研项目“电力线扩频数传系统”。由于多 2 电子科技大学硕士论文 方面的原因，运用于中压配电网的传输系统目前还处于研究阶段，离实际应用尚 有一定距离。在已经提出了多种解决方案中，受到广泛关注的关键技术之一就是 扩频技术。然而，国内外有关于该项技术在电力线信道上的具体应用性能的分析 做得很少。“电力线扩频数传系统”的前期工作的重点就是对扩频技术运用于电 力线信道的情况进行初步的模拟和研究。利用仿真工具，本文对该扩频数传系统 的特点和性能做了理论上的定性和定量的分析。通过观察和分析仿真结果，我们 基本上掌握了该系统适应配电网络环境的情况和系统不同参数的选取对系统性 能的影响。 电子科技大学硕士论文 第二章电力载波f s k 软件m o d e m 2 1 系统设计要求 2 1 1 系统概述 本系统是为了适应电力系统调度自动化数据传输的多功能调制解调器，适用 于电力载波通道、微波通道、光纤通道、音频电缆及专用通道上的同步或异步数 据传输。该款m o d e m 采用f s k 数字调制解调软件实现的方式，其功能完善、使用 灵活、适应性强、稳定可靠性较高、升级和修改容易。 频移键控( f s k ) 是数字通信中一种常见的调制方式，由于它解调延时短， 电路设计简单，易于实现，而且具有较强的抗干扰和抗衰落的能力，因而广泛地 应用于电力载波通信及公用交换网上的数据通信等中低速远程数据通信中。在常 见的f s k 调制解调器中，通常采用集成电路构成的硬件方式实现，其缺点是电路 相对复杂、不易调试，且系统的可扩展性较差。我们结合常见的f s k 调制解调方 法，用m c s 5 1 系列的高速单片机设计实现了一个应用于电力载波通信的 f s k - m o d e m 系统。由于系统采用了软件实现的方式，使得系统的电路简单实效， 设置扩展灵活( 按用户需求实现了4 0 对载频，3 种波特率的不同设置) ，同时整 套系统的成本得到大幅度的降低( 市价与元器件成本比达到1 2 比1 ) 。该系统运 用于高扰的电力载波环境中，从实际工作效果来看，系统工作稳定，能在较恶劣 的环境下完成可靠的同步、异步数据传输。 2 1 2 系统技术性能要求 调制方式采用2 f s k 调制，相位连续 传输数率3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 b i t s 可选 通信方式具有b e l l ( 1 0 3 2 0 2 ) 、c c i t t ( v 2 3 v 2 1 ) 、上音频复用方式及其 它通信方式 传输方式采用4 线全双工通信方式 发送：同时向主备两个通道发送调制信号，阻抗为平衡6 0 0 q 接收：主备通道自动控制接收和切换或手动设置固定通道接 收，阻抗为平衡6 0 0 q 数字接口标准r s 2 3 2 c 4 电子科技大学硕士论文 第二章电力载波f s k 软件m o d e m 2 1 系统设计要求 2 1 1 系统概述 本系统是为了适应电力系统调度自动化数据传输的多功能调制解调器，适用 于电力载波通道、微波通道、光纤通道、音频电缆及专用通道上的同步或异步数 据传输。该款m o d e m 采用f s k 数字调制解调软件实现的方式，其功能完善、使用 灵活、适应性强、稳定可靠性较高、升级和修改容易。 频移键控( f s k ) 是数字通信中一种常见的调制方式，由于它解调延时短， 电路设计简单，易于实现，而且具有较强的抗干扰和抗衰落的能力，因而广泛地 应用于电力载波通信及公用交换网上的数据通信等中低速远程数据通信中。在常 见的f s k 调制解调器中，通常采用集成电路构成的硬件方式实现，其缺点是电路 相对复杂、不易调试，且系统的可扩展性较差。我们结合常见的f s k 调制解调方 法，用m c s 5 1 系列的高速单片机设计实现了一个应用于电力载波通信的 f s k - m o d e m 系统。由于系统采用了软件实现的方式，使得系统的电路简单实效， 设置扩展灵活( 按用户需求实现了4 0 对载频，3 种波特率的不同设置) ，同时整 套系统的成本得到大幅度的降低( 市价与元器件成本比达到1 2 比1 ) 。该系统运 用于高扰的电力载波环境中，从实际工作效果来看，系统工作稳定，能在较恶劣 的环境下完成可靠的同步、异步数据传输。 2 1 2 系统技术性能要求 调制方式采用2 f s k 调制，相位连续 传输数率3 0 0 、6 0 0 、1 2 0 0 b i t s 可选 通信方式具有b e l l ( 1 0 3 2 0 2 ) 、c c i t t ( v 2 3 v 2 1 ) 、上音频复用方式及其 它通信方式 传输方式采用4 线全双工通信方式 发送：同时向主备两个通道发送调制信号，阻抗为平衡6 0 0 q 接收：主备通道自动控制接收和切换或手动设置固定通道接 收，阻抗为平衡6 0 0 q 数字接口标准r s 2 3 2 c 4 电子科技大学硕士论文 发送电平o 一2 0 d b m 6 0 0q 连续可调 接收电平耋一4 0 d b m 6 0 0q 频率偏差发送调制端主1 8 h z 接收解调端三2 0 h z 误码率 信噪比至1 7 d b 时，对5 伪随机码的误码率p e 耋l 1 0 1 告警门限信号电平三一3 5 d b m 6 0 0 q ，c d 告警灯亮。( 如果是自动控制切 换工作方式，能自动完成通道切换) 工作温度o 4 0 电源要求使用d c - i - 1 2 v 或使用d c - i - 1 2 v 和d c 5 v 传输协议 透明数据传输，无任何传输协议和差错控制 2 1 2 系统工作过程 开机后，m o d e m 根据拨动开关和跳线的设置完成m o d e m 软件的内部设置，借 此来控制载频对、传输数率，然后m o d e m 进入待机状态，循环检测线路上的载波 信息并根据数字口的输入进行数字信号调制和发送，一旦监测到有载波到来将立 即启动解调模块，随后系统进入循环工作状态。 电子科技大学硕士论文 发送电平o 一2 0 d b m 6 0 0q 连续可调 接收电平耋一4 0 d b m 6 0 0q 频率偏差发送调制端主1 8 h z 接收解调端三2 0 h z 误码率 信噪比至1 7 d b 时，对5 伪随机码的误码率p e 耋l 1 0 1 告警门限信号电平三一3 5 d b m 6 0 0 q ，c d 告警灯亮。( 如果是自动控制切 换工作方式，能自动完成通道切换) 工作温度o 4 0 电源要求使用d c - i - 1 2 v 或使用d c - i - 1 2 v 和d c 5 v 传输协议 透明数据传输，无任何传输协议和差错控制 2 1 2 系统工作过程 开机后，m o d e m 根据拨动开关和跳线的设置完成m o d e m 软件的内部设置，借 此来控制载频对、传输数率，然后m o d e m 进入待机状态，循环检测线路上的载波 信息并根据数字口的输入进行数字信号调制和发送，一旦监测到有载波到来将立 即启动解调模块，随后系统进入循环工作状态。 电子科技大学硕士论文 2 2 系统工作原理简介和总体结构图 2 2 1 系统工作原理简介 调制原理： 软件化和低成本化贯穿整个系统的设计，调制部分d a 芯片的高价格促使我 们没有采用常用的d a 变换方式来实现f s k 信号的调制。我们利用如图2 - i 所示 的充电网络，让p l 口各管脚轮流有效，由于8 个数字口所配对的电阻值不一样， 在a 点产生的电压值将不一样，这样将在a 点产生如图所示阶梯型f s k 信号，再 经过外围电路滤波平滑f s k 信号的阶梯，得到的就是所需要的f s k 信号。图中所 示9 个电阻值的选取参考了文献 2 1 中相应的结果，r o r 8 分别为5 1 k 、1 8 k 、 1 2 k 、l o k 、1 0 k 、1 2 k 、1 8 k 、5 1 k 、4 7 k ，电容c 为6 8 0 0 p 。 p 10蛰 p 1 1 p 1 _ 2b 2 c = = ) p i3 ：= p 14_ b 生l ：= 3 一 p 1 5墨c = = p 1 6越亡) p 1 7且2 = 一 8 9 c 5 2 圈2 - 1 调制原理 解调原理： f s k 信号的解调几乎完全由软件实现，外围电路只对接收到的f s k 信号做简 单处理，其解调算法完全由我们自己设计提出。 如图2 2 所示，m c u 外围电路将接收到的正弦型f s k 信号滤波、放大、削波 变成较稳定的方波，可以将其视为保留了相同频率信息的f s k 方波。然后将此信 号直接送入到单片机的外中断口( i n t o ) 对f s k 方波的周期进行适时的采样，获 得f s k 信号的周期变化信息，最后单片机软件利用采样信息进行适时的解调处理 并存储和发送解调结果。 关于调制和解调的具体实现将在后面几部分详细介绍。 6 电子科技大学硕士论文 2 2 系统工作原理简介和总体结构图 2 2 1 系统工作原理简介 调制原理： 软件化和低成本化贯穿整个系统的设计，调制部分d a 芯片的高价格促使我 们没有采用常用的d a 变换方式来实现f s k 信号的调制。我们利用如图2 - i 所示 的充电网络，让p l 口各管脚轮流有效，由于8 个数字口所配对的电阻值不一样， 在a 点产生的电压值将不一样，这样将在a 点产生如图所示阶梯型f s k 信号，再 经过外围电路滤波平滑f s k 信号的阶梯，得到的就是所需要的f s k 信号。图中所 示9 个电阻值的选取参考了文献 2 1 中相应的结果，r o r 8 分别为5 1 k 、1 8 k 、 1 2 k 、l o k 、1 0 k 、1 2 k 、1 8 k 、5 1 k 、4 7 k ，电容c 为6 8 0 0 p 。 p 10蛰 p 1 1 p 1 _ 2b 2 c = = ) p i3 ：= p 14_ b 生l ：= 3 一 p 1 5墨c = = p 1 6越亡) p 1 7且2 = 一 8 9 c 5 2 圈2 - 1 调制原理 解调原理： f s k 信号的解调几乎完全由软件实现，外围电路只对接收到的f s k 信号做简 单处理，其解调算法完全由我们自己设计提出。 如图2 2 所示，m c u 外围电路将接收到的正弦型f s k 信号滤波、放大、削波 变成较稳定的方波，可以将其视为保留了相同频率信息的f s k 方波。然后将此信 号直接送入到单片机的外中断口( i n t o ) 对f s k 方波的周期进行适时的采样，获 得f s k 信号的周期变化信息，最后单片机软件利用采样信息进行适时的解调处理 并存储和发送解调结果。 关于调制和解调的具体实现将在后面几部分详细介绍。 6 f s k 信号 信号a 信号b 电子科技大学硕士论文 2 - 2 外匿电路对f s k 信号的简单处理 2 2 2 系统总体结构图 根据以上所述的f s k 调制解调实现的基本原理，系统的总体结构框图如图 2 3 。 工 p op l 爿画匠h 亏竺烹慧h 亘三歪 叫腿信号接口斟 拟 作 口 模 p 3 5 至至i i i i 一li ! 塞享里塑l 式 设 ( f c = 5 0 0 0 h z ) l ( f c = l s o h z ) 置 i n t o m c u 数 p 2 一= la s z s z 电平转换仁。 字 t x i ) 呦 口 图2 - 3 系统框留 7 f s k 信号 信号a 信号b 电子科技大学硕士论文 2 - 2 外匿电路对f s k 信号的简单处理 2 2 2 系统总体结构图 根据以上所述的f s k 调制解调实现的基本原理，系统的总体结构框图如图 2 3 。 工 p op l 爿画匠h 亏竺烹慧h 亘三歪 叫腿信号接口斟 拟 作 口 模 p 3 5 至至i i i i 一li ! 塞享里塑l 式 设 ( f c = 5 0 0 0 h z ) l ( f c = l s o h z ) 置 i n t o m c u 数 p 2 一= la s z s z 电平转换仁。 字 t x i ) 呦 口 图2 - 3 系统框留 7 电子科技大学硕士论文 2 2 3 外围电路简介 从图2 - 3 可以看出，m c u 外围电路所完成的只是一些较为简单的处理，基本 上有关于调制解调的工作都是由m c u 内部软件实现的。这在一方面大大降低了硬 件成本，同时也在另一方面对内部软件的执行效率和m c u 的处理能力提出了苛刻 的要求。经过反复比较和参照优化后程序的执行情况，我们选用了w i n b o n d 公司 的5 2 系列单片机7 8 e 5 2 b ，其4 0 m 的外频( 内频1 2 分频为3 3 3 m ) 可以较好地满 足系统的运行要求，同时其零售市价大致与常用的a t m e l 公司的5 l 系列单片机 持平。 硬件系统的难点在于模拟滤波器部分。在输出通路上，由于电阻网络形成的 阶梯波高频成分较多，为保证输出的正弦波有较平滑的波形，我们选用了三阶有 源低通滤波电路，并把截止频点放在了离信号带宽比较近的5 k h z 左右，这样既 保证了输出的波形质量，也使f s k 信号的高频分量不丢失太多。 在输入通路上，考虑到本系统主要用于电力通信方面，而电力线上s o h z 及 其谐波的干扰特别厉害，严重时将对本系统的解调性能产生很大的影响，因而必 须将其滤出。由于本解调方式是对f s k 信号的过零点进行处理，因此在设计滤波 器时，必须考虑其相频特性，否则可能出现f s k 两频点群时延相差太大从而导致 解调误差严重。例如，我们最初设计了一个巴特沃斯二阶高通，截止频点为 3 0 0 h z ，通过e w b ( e l e c t r o n i cw o r k b e n c h 电子工作室) 仿真得到其幅频特 性和相频特性如图2 - 4 。 1 0 豇 ；2 。 掣；二丰；| ： l l l l i|l 一 ，l i ： ： ； 丰雾 = ：= ：”尝“ = 毒 18 ：i l2 4 0 03 2 0 04 0 f r e q u e n c y 营 ： 鲞 2 0 0 l 如 l j 0 0 t | l ； 毕： # = = ；= 斟 k ” ”卜 j 卜 j ；o ；0 ； t8 31 6 0 i2 4 3 如04 0 f r e q u e n c y 圈2 - 4 2 阶高通滤波器幅频相频特性图 从图2 4 可见，由于本解调方式对两频点间的幅度差不敏感，所以这个滤波 器的幅频特性在话音带宽内的平坦度足够满足本系统的设计需要。然而其相频特 电子科技大学硕士论文 性的平坦度却不能令人满意。我们给这个滤波器输入1 5 0 波特率、1 2 0 0 2 4 0 0 h z 的f s k 信号，得到如图2 - 5 的软件仿真波形图。 嚣 o 4 扎 ： 藉甜鬟缳 j 憾，专、 十 |彳7 孤力尹、 l ；吣 i i1 、n 移 i 孝 v ， ；1 k入 。翟7 k r l、_ l牝r 嚣 墙 警 - 2 4 o j j o d 0 9 6 2 400 0 6 2 跖2 90 0 0 鲫b ，00 嘶6 6 6 4 0 醅x 0 7 0 蚯500 0 7 2 3 6 5 00 0 7 掰6 珏n e 矗e c 砖j 图2 - 5 游波器输入输出波形对比 由图2 - 5 可见，由于该滤波器对1 2 0 0 h z 和2 4 0 0 h z 的相移相差较大，因而在 f s k 信号频点变化的地方不可避免地会出现波形的挤压或拉伸，这种挤压或拉伸 将导致f s k 波形的失真，特别是相位信息的失真( at i n 和at o u t ) ，给解调带 来很大误差。在波特率较高、两频点相差较大的应用情况下，这种波形挤压或拉 伸的程度和频率都更剧烈，因而将严重影响软件的解调。解决这个问题的有两种 途径：一是选用相频特性更平坦的滤波电路类型，如切比雪夫类型( 将损失一定 的幅频平坦度) ：二是提高滤波器的阶数，降低截止频点以改善相频特性。我们 采用了后者，我们将滤波器改为了三阶，并相应把截止频点降到1 5 0 h z ，这样较 好的改善了相频的平坦度，虽然还存在相位失真，但己将这种失真降到了较低的 程度，并可以通过软件的容错处理来纠正。同时，修改后的滤波电路通带和5 0 h z 处的增益比达到了2 8 d b ，可以满足我们的滤波要求。 在高通滤波之后，信号进入低通滤波。这部分主要作用是滤出波形中的毛刺 和高频干扰，避免因毛刺而出现波形频繁过零的现象。由于该滤波器的截止频点 离信号带宽较远，其信号带宽内的幅频相频特性都较好，所以滤波器到来的相位 失真基本可以忽略。 滤波后的f s k 信号经限幅放大以后一路送给带施密特电路的反相器进行脉 冲整形，一路送给电平检测电路以获得信号的电平信息，电平检测门限为一3 5 d b m 。 整个放大、滤波电路可由一块四运放的i c 外加少量电容电阻元件完成，因 而整个系统的硬件电路比较简洁实效。 电子科技大学硕士论文 2 3 系统软件工作原理详述 2 3 1 软件总体简介 前面已经对整个系统做了一些介绍，软件实现调制解调的原理也有了简要的 描述，这里将再做一些说明。 系统的主要功能都由软件实现，按照应用要求用户可选的载频有4 0 对，波 特率有3 种，这样软件要根据拨动开关和跳线设置完成多达1 2 0 种组合的f s k 信号的调制解调工作；同时系统的适时性和应用环境( 电力载波线上的高扰环境) 也对软件的工作效率、可靠性及适应性等提出了苛刻的要求。 软件采用模块化设计，考虑到执行效率等因素，全部采用汇编语言编写。软 件部分由4 个大模块组成：三个中断程序和主程序。外围电路将f s k 信号放大限 幅变为f s k 方波来触发单片机的i n t o 中断，该中断将配合主程序完成解调的工 作；计数器t 1 产生的中断单独完成调制的工作；最后一个中断是计数器t 2 产生， 完成系统输出时钟的产生和解调数字信号的送出；而主程序则完成解调判决、时 钟恢复和跟踪、载波检测等其它所有功能。下面将从各模块的角度对算法实现原 理进行详细说明。 2 3 2 调制模块( 1 1 溢出中断模块) 前面已经有了对调制原理的介绍，这里直接给出本模块的流程图( 图2 6 ) 团 图2 - 6 t 1 中断模块 1 0 电子科技大学硕士论文 2 3 系统软件工作原理详述 2 3 1 软件总体简介 前面已经对整个系统做了一些介绍，软件实现调制解调的原理也有了简要的 描述，这里将再做一些说明。 系统的主要功能都由软件实现，按照应用要求用户可选的载频有4 0 对，波 特率有3 种，这样软件要根据拨动开关和跳线设置完成多达1 2 0 种组合的f s k 信号的调制解调工作；同时系统的适时性和应用环境( 电力载波线上的高扰环境) 也对软件的工作效率、可靠性及适应性等提出了苛刻的要求。 软件采用模块化设计，考虑到执行效率等因素，全部采用汇编语言编写。软 件部分由4 个大模块组成：三个中断程序和主程序。外围电路将f s k 信号放大限 幅变为f s k 方波来触发单片机的i n t o 中断，该中断将配合主程序完成解调的工 作；计数器t 1 产生的中断单独完成调制的工作；最后一个中断是计数器t 2 产生， 完成系统输出时钟的产生和解调数字信号的送出；而主程序则完成解调判决、时 钟恢复和跟踪、载波检测等其它所有功能。下面将从各模块的角度对算法实现原 理进行详细说明。 2 3 2 调制模块( 1 1 溢出中断模块) 前面已经有了对调制原理的介绍，这里直接给出本模块的流程图( 图2 6 ) 团 图2 - 6 t 1 中断模块 1 0 电子科技大学硕士论文 调制输出就是由相对独立的t 1 计数器中断完成。我们采用了t l 的自动重装 计数功能，这样可以严格的保证图2 - 1 中阶梯波台阶的宽度( 保证了调制波频率 的准确度) 。同时，通过调整t l 计数器的计数初值( 就是调整t h l 的值) 达到了 控制阶梯波台阶宽的目的，这样就等于控制了f s k 信号的频率( 按照这种控制机 理，该系统可按跳线设置实现4 0 对载频的调制) 。而在每次中断到来时改变p 1 输出有效的管脚，则可以产生不同幅值的电压最终形成阶梯。 要注意的是，这种利用台阶成形的方式有自己的固有频率误差来源于台 阶宽度的计算方式。假设载频是f 。= 2 0 0 0 h z ( 代表码元1 ) 和f 2 = 1 4 0 0 h z ( 代表 码元o ) 、内部时钟2 删z ，码元速率b p s = 6 0 0 b p s ，这样在理论上内部时钟对一 个码元宽度和两个载频计数的点数分别是3 3 3 3 、1 0 0 0 和1 4 2 8 。这样一个l 码 元将由3 3 3 个1 码元载波( f 1 ) 组成，个0 码元由2 3 3 个0 码元载波( f 2 ) 组成。一个1 码元载频宽度为1 0 0 0 个系统时钟( 也即单指令周期) ，用1 6 段台 阶来模拟的话每段台阶宽度将会是：1 0 0 0 1 6 - - - - 6 2 5 个时钟，由于单片机本身在 浮点运算方面的缺陷，我们不得不用四舍五入的方式来处理除法结果，这样得到 的台阶宽度是6 3 ，这也就是t 1 中断的中断间隔和t l 的自动重装寄存器t h l 中 的数值。而这样处理得到的实际f 。的宽度是：6 3 1 6 - - - - 1 0 0 8 个时钟，即2 0 1 6 h z ， 其理论误差是+ 1 6 h z 、1 6 。显然，系统内部时钟越高这种残余误差将会越小。 此外，从调制波形成形的好坏来看，一个周期内的台阶数目越多最终模拟出 的正弦信号的波形越准确。但同时台阶数的增多这也会导致t l 中断的平凡发生 和系统开销的急剧增加。而按照实时处理的最低要求，一个码元时间内系统必须 要能完成一次最大周期的循环。在上面的例子中，也就是说，系统软件的最大周 期循环的指令数不能超过3 3 3 3 条单周期指令。再假设t l 中断程序本身有5 0 条 单周期语句，如果一个正弦波用1 6 段阶梯来模拟，那么在一个l 码元周期内将 会有1 6 3 3 3 - - - - 5 3 次t l 中断，它们占用的单周期语句数是5 3 5 0 - - - - 2 6 5 0 条! 可见对于有限的系统资源而言，精简中断程序的语旬是非常重要的。 从上面的分析看出，选择内频更高的m c u 和努力精简中断程序是提高系统性 能的关键。在实际实现时，从系统开销和调制波形成形效果出发，我们最终选择 了“1 6 段阶梯载波周期”的方式，在外围滤波电路的配合下最终得到的s i n 信 电子科技大学硕士论文 号( f s k 信号) 的波形是令人满意的。 2 3 3 时钟输出及解调码元发送模块( t 2 溢出中断模块) 该模块的功能较为简单，就是输出系统恢复的数字时钟和给出解调码元发送 标志( 出程序的码元发送模块读取到该标志有效后将其复位并发送码元) 。本模 块的功能在理论上可以放到调制模块中完成，但是从精简t l 中断程序的角度出 发将该项功能独立了出来。同时码元发送本来也可以放到t 2 中断中，但是从尽 量精简中断程序减少系统负荷的角度出发也将该项功能放到了主程序中完成。模 块流程图如图2 - 7 。 困 图2 7 t 2 中断模块 从流程图可以看出，发送的解调码元是时钟下降沿有效的，同时这种码元 发送方式可以保证解调码元输出的占空比基本为5 0 ( 理论上约为4 8 5 l ) ，这取决于中断程序给出标志位到主程序发送模块读取到该标志之间的延迟， 从理论上的计算和观察实际效果来看这种延迟没有对解调码元的占空比造成太 大影响。此外，需要说明的是计数器t 2 也被设定在了自动重装的方式，数字信 号时钟的调整是通过在主程序中动态的修改t 2 的自动重装寄存器r c a p 2 h 和 r c a p 2 l 的值来实现的。时钟的恢复、跟踪和调整将在介绍主程序时详细介绍。 1 2 电子科技大学硕士论文 号( f s k 信号) 的波形是令人满意的。 2 3 3 时钟输出及解调码元发送模块( t 2 溢出中断模块) 该模块的功能较为简单，就是输出系统恢复的数字时钟和给出解调码元发送 标志( 出程序的码元发送模块读取到该标志有效后将其复位并发送码元) 。本模 块的功能在理论上可以放到调制模块中完成，但是从精简t l 中断程序的角度出 发将该项功能独立了出来。同时码元发送本来也可以放到t 2 中断中，但是从尽 量精简中断程序减少系统负荷的角度出发也将该项功能放到了主程序中完成。模 块流程图如图2 - 7 。 困 图2 7 t 2 中断模块 从流程图可以看出，发送的解调码元是时钟下降沿有效的，同时这种码元 发送方式可以保证解调码元输出的占空比基本为5 0 ( 理论上约为4 8 5 l ) ，这取决于中断程序给出标志位到主程序发送模块读取到该标志之间的延迟， 从理论上的计算和观察实际效果来看这种延迟没有对解调码元的占空比造成太 大影响。此外，需要说明的是计数器t 2 也被设定在了自动重装的方式，数字信 号时钟的调整是通过在主程序中动态的修改t 2 的自动重装寄存器r c a p 2 h 和 r c a p 2 l 的值来实现的。时钟的恢复、跟踪和调整将在介绍主程序时详细介绍。 1 2 电子科技大学硕士论文 2 3 4 解调输入端中断模块( 1 n t o 中断模块) 解调的基本思想是利用解调中断模块中记录下的f s k 信号的周期宽度信息 来进行解调判决，而记录信号的宽度信息就是解调输入端中断模块( 流程图见图 2 - 9 ) 所要完成的工作。 将f s k 方波送入单片机i n t o 中断口，利用方波的下降沿触发中断，在中断 程序中启动计数器t o 计数，然后等待下一次i n t o 中断的触发，当下次中断来临 后停止t 0 计数，保存下t o 的计数值。这样得到的计数值就相当于是以m c u 内部 时钟为单位对f s k 方波的某一个周期的度量，也即方波某个周期的宽度，此采 样值将被用于主程序中的f s k 解调判决模块。 需要说明的是，理论上我们可以直接使用每次的采样值来做解调处理，但实 际上于扰的存在使得我们必须加上保护措旅。干扰表现为正弦波过零点有较多的 毛刺，它们经过运放放大后在方波过零处可能会出现反复过零的现象( 如图 + 载频f 1 产k 洲l f洲 4n 几i | 几f l ol| u | i u i | l ；彤嘎留 5 9 i 富厂一、 一 一 关中断、停止t 0 计数，入栈 图2 8 f s k 方波的毛刺 。= = w 登型! 竺 击 ， i 启动t o 计教( 初信诒索佃“- l | 启动t o 计数、出栈，开中断 l 本次采样值i ) 、出栈，开中断 l 电子科技大学硕士论文 对反复过零的现象，可以设定一个抖动门限加以解决。当在中断程序中得到 一个f s k 信号的周期采样值后先和门限比较，超过门限即认为是有效采样、稳定 过零，保存下周期宽度信息，重启t 0 时t o 初值设定为停止t o 到启动t o 的间隔 时间数；否则，如果周期采样值小于门限，认为是毛刺干扰，不保存采样值，而 t 0 的重启初值设定为时间间隔数加上本次的采样值( 这样做即是将毛刺划归到 了后个周期) 。 2 3 5 主程序 总的说来主程序要完成的工作有：码元解调判决及存储、时钟提取和跟踪、 通道切换选择、载波检测以及给出各种控制信号等。主程序工作流程图如图 2 一l o 。 图2 1 0 主程序流程图 如图2 一l o 所示，主程序是线性循环执行的，但是注意到图中的虚线部分， 这是载波检测模块中的判决引起的，其详细情况在后面描述。从解释系统核心工 作原理角度出发，下面先介绍解调判决及存储模块。 1 4 电子科技大学硕士论文 对反复过零的现象，可以设定一个抖动门限加以解决。当在中断程序中得到 一个f s k 信号的周期采样值后先和门限比较，超过门限即认为是有效采样、稳定 过零，保存下周期宽度信息，重启t 0 时t o 初值设定为停止t o 到启动t o 的间隔 时间数；否则，如果周期采样值小于门限，认为是毛刺干扰，不保存采样值，而 t 0 的重启初值设定为时间间隔数加上本次的采样值( 这样做即是将毛刺划归到 了后个周期) 。 2 3 5 主程序 总的说来主程序要完成的工作有：码元解调判决及存