（通信与信息系统专业论文）数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现.pdf

摘要 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 通信是电力系统特有的通信方式，它是以电 力线为信道，具有投资小、设备简单等优点。近年来，随着我国电力通信的发展， 传统的模拟电力线载波通信系统已经无法满足目前需要。但大量的数字器件的不 断涌现，同时语音压缩、数字复接、v 3 4 协议等技术的应用使得电力线通信系统 满足了高质量、高可靠性的通信要求。 首先文中论述了电力线载波通信技术的发展过程和应用情况，然后本文设计 了电力线载波机中应用的基于f p g a 的音频数字化硬件平台，使得模拟电力载波机 变成数字化的电力载波机；同时作者在对语音压缩、数字复接、v 3 4 协议等关键技 术做了大量研究的基础上，结合已实现的基于f p g a 的音频数字化电力线载波机设 计了一种基于f p g a 的多路数字复接器的实现方案，并对方案中的语音接口模块、 语音压缩模块、远动m o d e m 模块、v 3 4m o d e m 模块进行了硬件实现和调试，进而 设计了一种多路电力线载波通信系统的解决方案。 关键词：电力线载波通信音频数字化语音压缩数字复接多路复接v 3 4 协议 a b s 仃a c t p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n , h a v i n ga d v a n t a g e so fl o wi n v e s t m e n ta n d s i m p l ee q u i p m e n t , i sc h a r a c t e r i s t i co fc o m m u n i c a t i o n si np o w e rs y s t e m , w h e r ep o w e r l i n es e lv e sa st h ec o m m u n i c a t i o nc h a n n e l r e c e n t l y , t r a d i t i o n a la n a l o gp o w e rl i n e c a r r i e rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a n n om o r e m e e tt h ed e m a n do f e v e r - d e v e l o p i n gp o w e r c o m m u n i c a t i o ni nc h i n a h o w e v e r , b ye q u i p p i n gn e w l yd e v e l o p e dd i g i t a ld e v i c e si n t h e p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n da p p l y i n gt e c h n o l o g i e sl i k es p e e c h c o m p r e s s i o n , d i g i t a lm u l t i p l e x ，v 3 4p r o t o c o l ，h i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yf o r c o m m u n i c a t i o n si np o w e rs y s t e mc a l lb ep r o v i d e d t h i st h e s i sf i r s ts h o w sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s o fp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n , a n dt h e np r e s e n t st h ed e s i g no faf p g a - b a s e d a u d i od i g i t a lh a r d w a r ep l a t f o r m ，w i t hw h i c ha na n a l o gp o w e rl i n ec a r r i e rm a c h i n ec a n b et r a n s f o r m e di n t oad i g i t a lo n e i nt h em e a nt i m e ，t h i st h e s i sg i v e sad e t a i l e da n a l y s i s o i lk e yt e c h n o l o g i e s i n c l u d i n gs p e e c hc o m p r e s s i o n , d i g i t a lm u l t i p l e x ，a n dv 3 4 p r o t o c o l ，o nt h eb a s i so fw h i c ha ni m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo ft h ef p g a b a s e d m u l t i - c h a n n e l d i g i t a lm u l t i p l e x e r i sd e v i s e di n c o n j u n c t i o n 、析t l l t h ee x i s t e d f p g a b a s e da u d i od i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e rm a c h i n e m o r e o v e r , t h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o n a n dd e b u g g i n go fs p e e c hi n t e r f a c e m o d u l e ，s p e e c hc o m p r e s s i o n m o d u l e ，t e l e c o n t r o lm o d e mm o d u l ea n dv 3 4m o d e mm o d u l eo ft h ep r o p o s e ds c h e m e a r ep e r f o r m e d f i n a l l y , as o l u t i o nf o rm u l t i c h a n n e lp o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sd e v e l o p e d k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o n a u d i od i 醉t a l s p e e c h c o m p r e s s i o nd i g i t a lm u l t i p l e x i n g m u l t i c h a n n e lm u l t i p l e x e rv 3 4 p r o t o c o l 第一章绪论 第一章绪论 电力线载波( p o w e rl i n ec a r r i e r ) 通信是电力系统特有的通信方式【l 】，它是以 电力线为信道，以变电站、发电厂为终端，来满足电力调度通信的需要。由于电 力线的导线面积大、传输衰耗小、杆塔坚固、绝缘良好、受外界影响较小、所以 在采用了可靠的电力线载波通信设备后，基本上只有电力设备上的缺陷，才有可 能引起通信故障。尤其是电力线高频通道研究取得的骄人成果，使得电力线载波 通信和电缆通信已经具有相同的可靠性。同时，采用这种通方式，不需要线路的 基建投资和日常的维护费用，更具有一定的经济可靠性。在电力系统通信网的规 划建设中，高压电力线载波通信是利用高压输电线传送4 0 - - - 5 0 0 k 的电信号，主 要传输话音、远动、保护等信息。 目前，电力线载波通信正在面临着严峻的挑战，原因是随着现代通信技术的 发展，卫星通信、扩频通信、数字微波通信、光纤通信等更为先进的通信手段在 电力系统通信中占有越来越重要的地位，电力线载波通信正在面临着严峻的挑战。 但是，由于我国地域广阔，电网结构存在差异，电力线载波通信仍然是地区网、 省网等主要通信手段之一，仍然是电力系统应用区域最广泛的通信方式，仍然是 电力通信网的重要的基本通信手段【2 】。 1 1 课题研究的背景和意义 电力线载波通信是电力系统可靠运行、管理和控制的重要工具之一。电力线 作为一种不用重新布线的基础设施，过去仅仅用于远程抄表、家居自动化，传输 速率很低，不适合高速信息传输。随着网络技术和信息技术迅猛发展，国内外开 展利用高速电力线载波技术，该技术在现有电力线上实现数据，语音等多业务的 承载。但目前的电力线主要用来传输电能，在线路上负载多变、电流大、电压高、 噪声大，要在电力线上传输信号，就是对电力线载波设备抗干扰性和稳定性提出 很大的挑战。 在电力通信系统中，通信的双方需要传输的信息主要有以下几种 3 1 1 4 1 ： ( 1 ) 远方保护和数据信号，发跳闸命令，保证系统安全运行，同时对发电厂、 变电站等无人值守的场所可以实现遥测、遥信、遥控等。 ( 2 ) 语音信号，两个终端之间相互通话，为电力系统之间的调度服务。 由此可知，电力线载波通信是确保电网安全、优质、经济运行，实现管理现 代化和调度自动化的重要通信方式之一。它具有以下一些重要特点： 2 数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 ( 1 ) 以单路载波为主 电力系统从调度通信的需要出发，往往要依靠发电厂、变电所同母线上不同 走向的电力线开设载波来组织各方向的通信。由于能使用频谱的限制、通信方向 的分散以及组网灵活性的考虑，电力线通信大量采用单路载波设备。 ( 2 ) 线路存在强大的电磁干扰。 ( 3 ) 独特的耦合设备。 ( 4 ) 线路频谱安排的特殊性。 。 目前，随着高速数字通信的发展，特别是卫星通信、3 g 无线通信、光纤通信 等的发展，逐渐吞并着其它的通信方式，同样，电力线载波通信已从原来的主导 地位变为辅助的备用通信方式，但是由于我国各地方经济的发展不平衡，同时电 力通信标准也要求变电站必须具备两条以上的通信方式互相作为备用的通信信 道，因此在主要干线上，也会作为光纤、卫星等大容量通信的备用方式而存在。 电力线载波通信尽管作为电力通信的辅助通信方式，但随着现代数字通信技术以 及大规模集成电路的广泛应用，电力线载波通信在不断注入新鲜的血液，以克服 它的局限性，发挥它的优势。因此，电力线载波通信依然有着巨大的市场需求。 1 2 国内外电力线载波通信技术的发展状况和发展方向 电力线载波通信技术的发展经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波通 信技术出现于一九一几年，当时它主要用于电网调度通信、高频保护和远方跳闸 信号等。到一九四几年时，在我国已有日本生产的载波机在东北运行，作为长距 离电力调度的通信手段【5 儿6 。 九五几年时，我国研制出来自己的电力线载波机，它的呼叫方式采用脉冲 制式，有4 门用户、两级调幅、同时具有自动增益控制电路和音频转接接口。我 们可将在此阶段的载波机称为第一代载波机。 一九八几年时，电力载波技术开始引入单片机和集成化技术，产生了体积较 小而功能较强的载波机。此时，主要的技术进步为：单片机、集成电路的调制器、 压扩器、滤波器和a g e 放大器，c m o s 、y m o s 高频大功率器和a g e 放大器在 功放电路中的应用等。在这一阶段的载波机可称之为第二代载波机。 一九九几年时，国内首次采用数字信号处理( d s p ) 技术，将载波机音频至中频 部分的信号处理使用d s p 器件来完成，实现了软件调制、滤波、限幅和自动增益 控制。这类载波机可称之为数字化电力线载波机，划为第三代。 等到一九九八年，采用新西兰生产的m 3 4 0 数据复接器，结合电力线载波机 的高频部分为一体的全数字多路复接的载波机问世。这一成果提高了载波机的通 信容量，初步解决了载波机通信容量小的技术“瓶颈 问题，从而为电力线载波 第一章绪论 3 市场带来了空前的机遇。从市场看，数字化和全数字载波机已占高压电力线载波 机产品的大部分市场，模拟电力线载波机销售量已开始萎缩，除了特殊的应用场 合外将趋于淘汰。 随着数字通信技术的发展和应用，已经成功解决了电力线载波机通信容量仅 限于单路的问题，如目前采用的数字调制方式，经前端压缩、复接、t c m 调制后， 在4 k h z 频带中传输速率可达到3 3 6 k b p s ，可实现多路话音、远动信号的传输， 从而不再限于点对点的独立运行。 结合当代电力系统调度自动化对信息传输容量、速度及可靠性等方面的要求， 借鉴国外采用的新技术，可以得出新型全数字载波机在数字信号处理技术方面已 经取得如下突破： 。 ( 1 ) 采用高效的语音编码压缩技术和数字复用技术，在一定信噪比和标准频带 内实现多路话音、多路数据信号的传输。目前，实现线路复用的方法主要有两种， 即频分复用和时分复用。传统的模拟载波机在每个4 k 子频带内采用的是频分复用 方式，最多可实现一话一数的传输。而压缩技术结合时分复用可实现十几路信号 的传输。 ( 2 ) 采用自适应均衡技术，以手动、定时、预置或自动方式，补偿由于电力线 、载波高频通道受天气、电网结构、断路器、隔离开关位置、相邻通道载波设备等 变化引起传输信号产生的失真和畸变，尽可能地减少码间串扰。 ( 3 ) 采用新兴的高频调制解调技术，提高频谱利用率，在给定标准频带内( 如 4 k ，8 k h z 或更宽) ，实现数字信号高速可靠传输。在高压电力线载波通信中，国 内外较多采用了网格编码调制( t c m ) ，并取得许多成功的运行经验。如今，把 o f d m 调制方式引入载波通信中提高数据传输率成为最新热点。 ( 4 ) 利用数字信号的特点，可以在信号中加入纠错位，采用先进的纠错编码技 术，提高信号的可靠性，即使在电力系统载波通道各种干扰信号( 如脉冲噪声、电 晕放电噪声等) 严重存在的情况下，依然能可靠传送较低误码率的各种信号。 ( 5 ) 自动增益控制。由于电力线信道具有高衰减的特性，所以载波机自动增益 控制功能的范围和精度直接影响整机的性能，对一些较差的信道环境要给予充分 考虑。数字电力线载波机可以较好的做到这一点。 ( 6 ) 同步方式。模拟载波机通常利用部分抑制载波频率，呼叫频率等做同步信 号；而数字载波机有更为严格的载波同步，符号同步，帧同步等机制，同步性能 好。 新型的全数字电力线载波机和其他类型的电力线载波机相比，无论是原理构 成、硬件电路组成或技术性能、功能等方面都有很大的不同。并且采用了许多现 代数字通信新技术，如语音编码压缩技术、数字复接技术、自适应均衡、纠错编 码技术、系统锁相同步传输技术等，对今后的高压数字载波机的技术性能和发展 4数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 趋势起着决定性作用。由于电力载波通道存在干扰严重、频带窄且拥挤、信号传 输可靠要求高等特点，在采用这些新技术进行设计时，需要进行严格、认真地计 算和优化。 1 3 电力线载波通信的原理 1 3 1 电力线载波通信原理 电力线载波通信系统与一般的通信系统在模型上大致是相同的，区别只在于 传输介质不同，前者是高压电力线，而后者是光纤、同轴线等。基本结构和各部 分的功能是相似的。 一般通信系统的简化模型1 7 1 如下图1 1 ： 图1 1 通信系统简化模型 电力线载波通信系统与其他通信系统最大的区别就是它 f j - - 者的传输介质不 同，前者是电力线，一般是高压电力线， 波通信系统模型如图1 2 所示。 耦合装置 而后者则是同轴线、光纤等。电力线载 耦合装置 图1 2 电力线载波通信系统模型 电力线载波通信系统主要由电力线载波机、电力线路和耦合设备构成，如图 1 2 。其中耦合装置包括线路阻波器g z 、耦合电容器c 、结合滤波器几( 又称结 第一章绪论 合设备) 和高频电缆h f c ，与电力线路一起组成电力线高频通道。 ( 1 ) 电力载波机：是电力线载波通信系统的主要组成部分，主要实现调制和 解调，即在发端将音频搬移到高频段电力线载波通信频率，完成频率搬移，载波 机性能好坏直接影响电力线载波通信系统的质量。 ( 2 ) 线路阻波器g z ，作用是通过电力电流、阻止高频载波信号漏到变压器和 电力线分支线路等电力设备，以减小变电站和分支线路对高频信号的介入损耗及 同一母线不同电力线路上高频通道。 ( 3 ) 耦合电容c 和结合滤波器儿组成一个带通滤波器，其作用是通过高频载 波信号，并阻止电力线上的工频高压和工频电流进入载波设备，确保人身、设备 安全。 ( 4 ) 结合设备连接载波机与输电线，它包括高频电缆，作用是提供高频信号 通路。 ( 5 ) 输电线既传输电能又传输高频信号。 1 3 2 电力线载波机的数字化思想 目前在我国使用的很多载波机还是传统的模拟载波机，它是最早出现的一种 通信方式，它采用模拟调制方式( 如s s b ) 将频率搬移到线路频带进行传输，虽然 它能够在电力线上实现通信，但是它的抗干扰能力差，传输速率低，存在许多问 题，主要如下： 1 、模拟载波机频率资源利用率低，话音、远动、导频相互之间串扰严重，这 是由于l c 滤波器选择性能的限制而产生的。 2 、体积庞大，制造工艺复杂。模拟器件构成的各种话音、远动、导频、中频 滤波器，一直是制约载波机技术性能和生产制造成本的关健因素，也是国内电力 载波机用来传输远动、继电保护信号一直存在的问题： 3 、模拟调制解调器、放大器温度漂移大、技术指标低、调整不方便。 4 、生产周期长，现场不能变更载波频率。 5 、电力系统通信设备监控及运行管理不方便。 高压电力线载波机的数字化，不但能使机器小型化，同时提高传输容量、加 快传输速率、增强抗干扰性能、加大可靠性，更重要的是提供了更强的功能，更 简易的操作，更方便的升级。本论文设计并实现了融合f p g a 、低频a d 、r o m 、 单端放大器、差分放大器、电源管理系统等结构的电力线载波机中应用的基于 f p g a 音频数字化的硬件平台。本平台具有很强的灵活性和开放性，通过软件的 改造和升级，以满足电力线通信系统进一步发展需要。 6 数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 1 3 3 电力线载波通信的多路复接技术 传统的电力线载波机只能传输一路语音和一路远动信号( 亦称一话一数) ，而 无法实现多路信号的传输，要想在0 4 k h z 的基本带宽内实现多路语音信息和多 路数据信息的传输，则必须要采用多路复接技术，即采用语音压缩技术、数字复 接技术及v 3 4m o d e m 等技术来实现，这样在具有多路复接技术的电力线载波通 信系统中最多可实现4 路语音信息和2 路数据信息的传输，且最高数据速率可达 3 3 6 k b i t s 。多路电力线载波通信系统的基本原理是，本端多路语音信号数字化后 经过语音压缩，与多路数字化的远动信号进行同步的数字复接，经过v 3 4 m o d e m 调制，送入载波机进行s s b 调制后，则成为载波频带模拟信号，经过耦合设备送 到电力线路上进行传输；当信号传输到对端时，对端的电力线载波机通过耦合设 备接收下来，首先将接收信号进行s s b 解调后变成合路数字信号，进而进行 v 3 4 m o d e m 解调然后进行分接，恢复出各支路信号，再经过解压等处理，最终恢 复出原来的语音及远动信号。 1 4 本文的主要研究工作 本文首先阐述了电力线载波通信研究的背景和意义，通过对国内外电力线载 波通信系统的研究，设计并实现了电力线载波机中应用的基于f p g a 的音频数字 化硬件平台，同时为了提高载波机的通信容量，解决载波机通信容量小的技术“瓶 颈”问题在已经实现的基于f p g a 的音频数字化电力线载波机的基础上设计了一 种以f p g a 为处理器的多路复接器， 主要工作如下t 1 在查阅、研究了大量的国内外电力线载波通信文献且刻苦钻研f p g a 、 a d 、d a 、r o m 等数字器件和放大器、滤波器等模拟器件的基础上设计和实现 了电力载波机中应用的基于f p g a 音频数字化硬件平台，使得模拟电力载波机变 成数字化的电力载波机；并在此基础上设计并实现了多路电力线载波通信系统， 同时完成了部分硬件调试；通过测试满足设计的要求。 2 设计了以f p g a 为处理器的多路电力线载波通信复接器，并实现了远动低 速m o d e m 模块、语音模块、v 3 4 m o d e m 模块；同时对v 3 4 标准中的关键技术进 行了深入细致的研究。 3 完成基于f p g a 的音频数字化电力载波机系统的软硬件联合调试，测试了 这种通信系统各项技术指标，且达到了国家标准。 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设计与实现 7 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设 计和实现 数字化电力线载波通信系统是电力线载波通信从模拟时代进入到全数字时代 的一个过渡阶段，因此其在电力线载波通信的发展中有着不可替代的作用。结合 目前我国的电力线通信现状，本章设计的电力线载波机中基于f p g a 的音频数字 化平台，使原来的模拟电力线载波机变成数字化电力载波机。虽然其调制、解调 仍然是模拟的单边带二次调制、解调，但它起着由模拟向数字化以及全数字化过 渡的纽带作用，与此同时，它表现出来的优越的性能是模拟电力线载波机难以比 拟的。本章将对电力载波机中基于f p g a 的音频数字化硬件平台结构设计和硬件 实现的设计给出详尽的论证。 2 1 电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的总体方案 本文所研究的电力载波机中基于f p g a 的音频数字化平台总体结构可由信号 叠加模块、信号分离模块和控制模块等部分构成。 2 1 1 信号叠加模块 信号叠加模块中：来自f x o ( f o r e i g ne x c h a n g eo f f i c e ) f x s ( f o r e i g n e x c h a n g es t a t i o n ) 的话音信号转化为3 0 0 1 7 0 0 h z 的模拟信号，终端p c 机发出 的远动信号，通过m o d e m 转化为18 5 0 3 6 0 0 h z 的模拟信号。这两路模拟信号各 自经过两级运放组成的前级信号调理电路，进入a d 后转换为数字信号，所得的 两路数字信号送给处理器f p g a ，与其产生的导频f s k 信号进行叠加，经过f p g a 的信号处理后变成一路信号然后经过d a ，信号从前面这些单元组成的信号叠加 模块出去后再经过两次单边带调制后，进入由放大器组成的后级信号调理电路进 行预放大，通过5 0 0 k h z 的低通滤波器，进入功率放大器进行功率大器后送给发 送方向滤波器，经过差阶网络然后入耦合装置后输入专用的电力线线路传输。信 号叠加模块的框图如图2 1 所示； 由上图可以看出，这种基于f p g a 的音频数字化电力线载波机它的调制方式 还是采用以前一直沿用的模拟方式：不过在进入信号叠加电路后，经a d 转换入 f p g a 做数字方式处理，即把数字化数字化的远动信号、导频信号、语音信号进 行叠加处理。 8数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 信号叠模拟调钡及后 竺竺7 0 霉罢；= 1f p g a 加电路 级处理皂路 怪h 重薹p 语矧 b f p r u 土 i 器一 ，：、旧 h ：二 i 一 囱、 l 前级 网 远k信号吐d ib p f 广一 动1 调理 一 电路 力线 图2 1 信号叠加模块框图 类比其他典型的通信系统，然后结合电力线载波通信系统的特点：在设计信 号叠加模块时需要注意两个方面：一方面是尽量避免内部噪声的产生，为d a 变 换后进行的两次单边带调制信号获得较高的s n r 提供了重要保证；另一方面是音 频数字化的信号进行d a 变换过程中要避免引入新的噪声，从而减轻了功放的压 力。 一 2 1 2 信号分离模块 对于我们的基于f p g a 的音频数字化平台，要想应用它的电力线通信系统正 常通信，信号叠加模块与信号分离模块缺一不可。 嵩毫露砸毛露一 0 17 0 0 i - i zf p g a 压u 霸茎h 讽 网 l 首 幽 电路 - _ i _ _ _ _ 一 i 篓 一 d 6 0 0 l - - i z f l 袱 _ _ i 竺匕i l 二i 信号分离模块框图 叠加模块处理后的信号送给调制模块调制后能够借助高压电力线向 对端，在接收端，接收的调制端的高频调制信号先通耦合装置进入差阶网络 后过滤波器、衰耗器，然后通过模二次单边带解调，将3003600hz范围的 一路模拟信号从高频信号上搬下来后送给信号分离模块，在分离模块中：该 信号da转换为一路数字信号进而进入处理器fpga；然后同时经过语音 bp远动bpf、导频bpf，分别得到话音音信号、远动信号、导频信号；将语 音信远动信号分别经过ad转换为模拟话音信号、模拟远动信号；而模拟的 话音通过fxofxs口传输给话机，模拟的远动信号通过modem传输给pc 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设计与实现 9 机；导频信号不需要传输到外部端口，传输导频信号的真正用意是为了对接收端 接收的解调信号进行a g c 调整。防止接收的信号过大。信号分离模块框图流程 如图2 2 所示。 同样，类比其他典型的通信系统，然后结合电力线载波通信系统的特点；在 设计信号分离模块时需要注意两个方面：一方面是尽量避免待解调的高频信号引 入很大的噪声，这就使得接收端的接收滤波器达到较高的性能指标；另外一方面 是为了使得解调信号获得很好信噪比，则需要在接收端进行a g c 调制。 上面对电力载波机中的基于f p g a 的音频数字化平台信号叠加、信号分离模 块分别作了详细说明，基于f p g a 的音频数字化电力线载波机就是说明该种载波 机的音频侧是采用数字化的方式，剩下的调制、解调模块用的还是以前的两次单 边带调制、解调。 2 1 3 控制模块 信号叠加、信号分离模块对于应用我们基于f p g a 的音频数字化平台的电力 载波机而言，是必不可少的；但是完善的控制模块也是不可或缺的，那是因为一 个完善的控制系统既保证了该通信系统的稳定可靠运行，也给电力载波机的用户 带来人性化服务。 ， 控制模块的重要性是不言自明的，它联系着到整个系统的各个部分；为此， 在本系统中控制模块主要用于本系统的系统的逻辑控制、人工手动控制及通信状 态显示，它为通信系统的正常运行提供了可靠的保证。 可将控制模块按功能划分为：状态指示、人工控制两部分。控制模块的具体 结构如图2 3 所示。 图2 3 控制模块 下面就对所设计的数字化电力线载波通信系统的控制模块进行详细的论述。 l 、状态显示 l o 数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 ( 1 ) 电源工作指示：用来指示该系统的各种电压的指示灯。 ( 2 ) r u n 指示：系统运行指示。 ( 3 ) e 信令指示：对端发送的导频，在本端经过f p g a 解调出来，则灯亮。 ( 4 ) m 信令指示：本端发给的导频，由f p g a 调制发送给对端 ( 5 ) a g c 指示：等待解调的高频信号需要a g c 调整时，指示灯亮，分为三档： 5 d b 、l o d b 、2 0 d b 。 ( 6 ) a g c 报警指示：当输入电平小于既定的门槛时，默认为没有信号，指示 灯亮。 ， ( 7 ) 信噪比指示：显示解调输入信号的信噪比，四个灯对应着四个档： 9 d b 、 1 5 d b 、2 0 d b 、2 5 d b 。 ( 8 ) 信噪比告警指示：解调输入信号的s n r 低于9 d b ，指示灯亮。 2 、人工控制 ( 1 ) 导频控制：控制导频是否产生。 ( 2 ) 导频模式控制：控制产生不同频率的导频。 ( 3 ) 模式设置：a i c l 0 的工作模式有主、从模式。 ( 4 ) 限幅投退设置：控制限幅的投入和退出。 ( 5 ) a l c 投退设置：控制a l c 的投入和退出。 ( 6 ) 0 d b 点写入控制：控制0 d b 点写入e e p r o m 。 ( 7 ) 0 d b 点读出控制：控制0 d b 点从e e p r o m 读出作为使用的0 d b 。 ( 8 ) 滤波器带宽设置：设置不同带宽的滤波器。 2 1 2 电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的硬件设计及实现 本平台是基于f p g a 的硬件平台，其中使用a l t e r a 公司的e p l c l 2 q 2 4 0 这款 f p g a 作为主处理器和控制器。该硬件平台集成了音频单端放大器和差动放大器、 音频差分放大器、音频d a 和a d 芯片、电源转换芯片，i i c 总线芯片及f p g a 配置芯片等。本硬件平台在多次的实验后进行了改进；同时也逐步完善了e m c 和电源的设计。通过了大量的现场联合调试实验，发现目前的硬件平台技术指标， 完全可以满足电力线载波通信系统的设计要求。下面将对该硬件平台的各个模块 的设计给出详细的论述。 2 2 1 处理器f p g a 一、f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列， 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设计与实现 1 1 它是在p a l 、g a l 、c p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。f p g a 技 术广泛应用于通讯、视频、信息处理等特定领域。f p g a 主要生产厂商有a l t e r a 、 x i l i n x 、a c t e l 和l a t t i c e ，对比不同的f p g a 编程技术特点，综合各个厂家不同系 列器件的技术优势、逻辑资源、器件功耗、供电方式、芯片速度、供货、价格和 系统要求等诸多因素考虑，我们设计的电力线载波通信系统选用了a l t e r a 8 】公司 推出的基于s r a m 架构c y c l o n e 系列的f p g a 器件e p l c l 2 q 2 4 0 1 7 n 。c y c l o n e 器 件是业界性价比比较高的f p g a 。 二、c y c l o n e 系列的f p g a 器件的功能模块 ( 1 ) a l t e r a 的f p g a 最基本的资源是l e ，通过查看c y c l o n e 系列f p g a 手 册可以看到，一个l e 主要包括了一个四输入查找表，也就是l u t ，l u t 本质上 就是一个r a m 。目前c y c l o n e 系列使用4 输入的l u t ，所以每一个l u t 可以看 成一个有4 位地址线的1 6 x l 的r a m 。除了一个四输入查找表以外，还有一个可 编程寄存器，至于为什么说可编程，是因为可以通过程序来配置为异步或者同步 触发器，具体的结构可以看c y c l o n e 系列的芯片手册。我们通常看a l t e r a 的f p g a 资源大小，就是看他有多少个l e 。c y c l o n e 系列芯片里面1 6 个l e 组成一个l a b ， 而每个l a b 都有l a b 控制信号，按照顺序排列在f p g a 内部，每个l a b 内部 之间的l e 数据通信通过r e g i s t e rc h a i n 传输，每个l a b 之间的通过行或者列互联 信号通信，相连的l a b ，或者l a b 周围的r a m ，乘法器，p l l 都可以通过互联 线号驱动其周围的l a b 。 ( 2 ) c y c l o n e 系列的f p g a 有内部的r a m ，起初c y c l o n e 和c y c l o n e i i 系列 的r a m 采用的m 4 k ，也就是说一个r a m 块有4 k 个位，如果包括校验位，那 么有4 6 0 8 位，可以配置为不同模式不同位宽的r a m 或者r o m ，而c y c l o n e l i i 和c y c l o n e l v 系列的f p g a 的r a m 采用m 9 k ，也就是每一块有9 k 数据，其实 只有8 1 9 2 位，加上校验位的话为9 2 1 6 位，所以，一个m 9 k 可以配置的r a m 最 大数据宽度为8 1 9 2 ，当然，不管m 4 k 还是m 9 k ，都可以配置为不同模式的r a m 或者r o m 。这里的r o m 数据，实际上是最后写到编译后的文件s o f 文件或者 p o f 文件里面去的，如果只是要修改r o m 数据，可以通过指令直接修改s o f 文 件或者p o f 文件。而不需要再重新编译。 ( 3 ) c y c l o n e 系列f p g a 还有硬件乘法器，1 8 1 8 的乘法器，可以配置为2 个9 * 9 的乘法器，当数据宽度大于1 8 时候，采用多个乘法器合并实现，我们在 v h d l 或者v e r i l o g 里面的乘号，a l t e r a 的在f p g a 软件综合自动采用乘法器替代。 ( 4 ) 除此之外，c y c l o n e 系列f p g a 还有内部p l l ，在c y c l o n e i v 之前的 c y c l o n e 系列的p l l ，基本上都是通用的p l l ，也就是说，可以对时钟进行倍频、 分频或者移相，也可以将p l l 时钟输出到专用的p l l 输出管脚上，通常s d r a m 的时钟都是由这些专用时钟驱动，但是注意，输入时钟是有范围的，具体可以见 1 2 数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 手册。而c y c l o n e l v 的g x 系列f p g a 内部集成收发器，每个收发器都有专用的 p l l 。从c y c l o n e l i i 开始内部的p l l 支持实时动态重配，具体的动态重配方法可 以通过a l t e r a 的a l t p l lr e c o n f i g 核来实现。无论是a l t e r a 还是x i l i n x ，都 会在f p g a 设计上面重点提到全局时钟等概念。 ( 5 ) 除了以上资源外，还有就是i o 口资源，f p g a 的i o 口资源相当丰富， f p g a 的i o 可以根据r e f 电平不同接收或输出不同的电平标准的信号，如3 3 v l v t t l ，如2 5 v 的l v d s ，l v p e c l 或者s s t l 2 等，并且可以通过程序来设置 驱动电流强弱，片内o t c ，差分匹配，d d r 输出等。 三、c y c l o n e 系列f p g a 的配置方式 ( 1 ) 配置芯片的主动串行( a s ) 配置 在a s 配置模式中，利用了新型低成本器件( 如e p c s l 、e p c s 4 ) ，这种专 用配置芯片是带有永久性存储器和四个引脚简单接口的串行配置器件，由于它的 成本较低，可以解决配置器件成本高的问题。串行配置芯片提供一个串行接口去 存取数据。在配置期间，c y c l o n ef p g a 通过串行接口读取数据，如果有需要的话， 对数据进行解压以及配置f p g a 的s r a m 单元。此模式是由f p g a 去控制配置接 口的，这种方案称为主动串行配置，简称a s 配置如图2 4 ； 图2 4a s 配置方式 ( 2 ) j t a g 配置方式 j t a g 接口是一个业界标准接口，主要用于芯片测试等功能，如图2 5 。a l t e r a 的f p g a 基本上都可以支持j t a g 命令来配置f p g a 的方式，而且j t a g 方式比 任何一种配置方式的优先级都要高。j t a g 接口由四个必要的信号t d i 、t d o 、 t m s 和t c k ，以及1 个可选的信号t r s t 构成。 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设计与实现 1 3 图2 5j t a g 配置方式 2 2 2 音频单端和差动运算放大器模块 通常我们所说的运算放大器一般指的是集成运算放大器，它是目前各种电路， 中应用最广泛的一种器件，我们电力载波机基于f p g a 的音频数字化平台中，有 十二个运算放大器，即6 个单端放大放大器，3 个差动放大器，3 个差分放大器。 下面我们详细地来说说放大器。 一、运算放大器简介 集成运放是一种多级放大电路，性能理想的运放应该具有电压增益高、输入 电阻大、输出电阻小、工作点漂移小等特点。与此同时，在电路的选择及构成形 式上又要受到集成工艺条件的严格制约。因此，集成运放在电路设计上具有许 多特点，主要有： ( 1 ) 级间采用直接耦合方式。 ( 2 ) 尽可能用有源器件代替无源元件。 ( 3 ) 利用对称结构改善电路性能。 集成运放电路形式多样，各具特色。但从电路的组成结构看，一般是由输入 级、中间放大级、输出级和电流源四部分组成，如图2 6 所示 图2 6 集成运算放大器组成框图 二、集成运算放大器的主要参数【9 】 1 4数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 集成运放的参数总体可以分为极限参数、直流参数、交流参数；先分别介绍 如下： l 、极限参数 ( 1 ) 最高电源电压 加到集成运放上的最大允许的安全电源电压称为最高电源电压。 ( 2 ) 功耗 器件在规定的温度范围内工作时，可以安全耗散的功率称为功耗。 ( 3 ) 工作温度 能保证器件在额定参数下工作的温度范围称为工作温度。 ( 4 ) 差动输入电压 能安全加在两输入端之间的最大电压称为差动输入电压。 ( 5 ) 共模输入电压 将两个输入端短接时，能安全加在短路线上与放大器地线间的最大电压称为共模 电压。 2 、直流参数 ( 1 ) 输入偏置电流( i b ) 该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流 ( 2 ) 输入偏置电流温漂( t c i b ) 该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。通常以p a 。c 为单位表示。 ( 3 ) 输入失调电流( 1 0 s ) 该参数是指流入两个输入端的电流之差。 ( 4 ) 输入失调电流温漂( t c i o s ) 该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。t c i o s 通常以p a d 。c 为单 位表示。 ( 5 ) 输入失调电压( v o s ) 该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。 ( 6 ) 输入失调电压温漂( t c v o s ) 该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以v o c 为单位表示。 ( 7 ) 共模输入电阻( r i n c m ) 该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流 的变化量之比。 ( 8 ) 直流共模抑, i j ( c m r d c ) 该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。 ( 9 ) 差模输入电阻( 砌m 该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电 第二章电力线载波机中基于f p g a 的音频数字化平台的设计与实现 1 5 流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。 ， ( 1 0 ) 输出阻抗( z o ) 该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。 ( 1 1 ) 输出电压摆幅o ) 该参数是指输出信号不发生筘位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰峰值，v o 一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。 ( 1 2 ) 电源抑钼jl l ( p s r r ) 该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输 出不变的能力，p s r r 通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表 示。 ( 1 3 ) 输入电压范围( v i n ) 该参数指运算放大器正常工作( 可获得预期结果) 时，所允许的输入电压的范围， v i n 通常定义在指定的电源电压下。 3 、交流参数 ( 1 ) 转换速率压摆率( s r ) 该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。s r 通常以 w s 为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。 ( 2 ) 增益带宽积( g b w ) - ， 增益带宽积a o l ，是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以 2 0 d b 十倍频程滚降的区域。 ( 3 ) 单位增益带宽( b 该参数指开环增益大于l 时运算放大器的最大工作频率。 ( 4 ) 交流共模抑制( c m r a c ) c m r a c 用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力， 是差模开环增益除以共模开环增益的函数。 三、选择运算放大器 集成运算放大器是目前各种电路中应用最广泛的一种器件。在由运算放大器 组成的各种系统中，由于应用要求不一样，对运算放大器的性能要求也不一样， 因此选择合适的运算放大器就显得十分重要。 1 、选择运放时的注意事项【1 0 l 实际选择集成运放时，应当考虑的因素： ( 1 ) 供电电压范围。 ( 2 ) 供电方式。 ( 3 ) 信号源的性质，是电压源还是电流源。 ( 4 ) 负载的性质。 ( 5 ) 封装选择。 1 6 数字化电力线载波通信系统的硬件设计与实现 ( 6 ) 运放噪声。 ( 7 ) 运放静态功耗，即i c c 电流大小选择。 ( 8 ) 运放输入阻抗。 ( 9 ) 运放输出驱动能力。 ( 1 0 ) 压摆率大小，这决定全功率信号带宽。 ( 1 1 ) o f f s e t 电压和o f f s e t 电流选择。 ( 1 2 ) o f f s e t 电