电力载波通信电路研究毕业论文

电力载波通信电路 1 目录 第一章 绪论 1 1.1 课题的意义 1 1.2 课题研究的目的 1 1.3 课题研究的技术要求 1 第二章 电力载波通信的基本原理以及发展 2 2.1 传统的电力线载波通信原理 2 2.1.1 传统的低压电力线载波通信分析 2 2.1.2 主要数字调制解调技 术的比较 2 2.2 电力载波通信技术与管理上的问题 3 2.2.1 载波频率分配使用中的问题 3 2.2.2 电力线载波机的问题 3 2.2.3 配套工程存在的问题 3 2.2.4 管理运行上的问题 4 2.3 载波通信技术的发展 4 2.3.1 扩频通信技术的发展 4 2.3.2 扩频通信的原理简介 4 2.3.3 频谱的扩展的实现和直接序列扩频 5 2.3.4 扩频通信的优点 5 第三章 低压电力线传输特性分析 6 3.1 低压电力线系统信道分析 6 3.1.1 低压电力线上输入阻抗的变化特性 6 3.1.2 高频信号的衰减及其变化规律 7 3.2 低压电力线传输干扰特性分析 8 3.2.1 干扰的周期性 8 3.2.2 干扰的随机性 9 3.2.3 干扰的多变性 10 3.3 低压电力线上的噪声特性 10 3.3.1 噪声分类 10 3.3.2 噪声分析 11 第四章 EWB 简介 12 第五章 AGC 电路的设计与仿真 14 5.1 AGC 电路的原理简介 14 5.1.1AGC 电路原理 14 5.1.2 简单的自动增益控制电路 15 5.1.3 AGC 电路的分类 15 5.1.4 AGC 16 5.2 本次设计的 AGC 电路 16 第六章 耦合电路的设计与仿真 21 6.1 电力线信道特性与通信模式 21 6.1.1 电力线的信道特性 21 6.1.2 通信模式和载波接口电路的分析 21 6.2 耦合电路设计的基本要求 22 福州大学本科生毕业设计（论文） 2 6.3 本次设计的耦合电路 22 6.3.1 耦合电路的设计 22 6.3.2 滤波器的设计 23 第七章 发送驱动电路的设计与仿真 25 7.1 国内外电力线载波调制芯片简介 25 7.1.1 我国可使用的电力线载波调制芯片 : 25 7.1.2 本次研究设计的电力载波通信调制芯片 26 7.1.3 PL2101 的工作原理 28 7.2 发送驱动电路的设计 28 7.2.1 接口电路的分析 28 7.2.2 发送电路的分析 29 结论 31 谢辞 32 参考文献 33 附录 34 中文摘要 电力线通信是继电信 ,电话 ,无线通讯 ,卫星通讯之后的又一通信网 电力线载波通信就是以电力网作为信道 ,实现数据传递和信息交换 因为电源线路是每个家庭最为普通也是覆盖最为宽广的一种物理媒介 ,所以利用电力线实现数据通信有着很大的经济效益和应用前景 由于低压范围内电力线网络的非规则性 ,传输距离的随意性 ,以及电力线上负载变化的多样性 ,使得干扰问题成为制约低压电力线载波通信发展和普及的主要障碍 本课题在对 低压电力线的传输特性和接收调制技术进行分析的基础上 ,将对电力载波通信的接收和发送电路进行设计研究 ,主要研究内容如下 : (1)对低压电力线的传输特性进行分析 ,在低压电力线上进行信号的传输 ,突出表现在工作环境恶劣 ,线路阻抗小 ,信号衰减强 ,干扰与时变性大等特点 ,因此 ,对于低压电力线载波信道特性 ,本文将做必要进一步具体分析 : (2)利用仿真软件 EWB,对自行设计的自动增益控制放大电路 (AGC)进行模拟仿真 ,验证其实验结果 其目的是要完成小信号的放大 ,同时保证输入信号幅值过大时 ,放大器不会饱和失真 ,此级具有自动增益控 制能力 (3)设计耦合电路 ,载波调频信号从电力线上可以通过耦合电路进入到解调电路 ,耦合电路是一个带通滤波电路 ,是实现将信号频带外的其他频率滤除的功能电路 耦合电路设计的基本要求包括 :将强电与弱电隔离 ； 通过有用的载波调频信号 ； 滤除带外干扰和噪声 ； 能够双向传输 ,即能收能发 (4)设计发送驱动电路 ,并利用 EWB 仿真软件对其进行仿真验证 调相信号经该级驱动后 ,经电容耦合 ,直接送入耦合电路 电力载波通信电路 3 关键词： 传输特性 ， 接收调制技术 ， 自动增益控制 ， 耦合电路 ， 发送驱动电路 福州大学本科生毕业设计（论文） 4 ELECTRICITY CARRIER COMMUNICATION CIRCUIT Abstract Telecommunication, telephone, wireless conminucatian, satellite communication after another communication network. Electricity network is a power line carrier communication network as access to data transmission and information exchange. Because every family is the most ordinary power lines also is the most broad coverage of a physical media, the use of power lines for data communications have great economic benefits and application prospects. The low voltage power-line network within the rules of non-sexual, transmission distance arbitrariness, and power line load change diversity makes low voltage power line interference issues have become carriers of the main obstacles to development and diffusion of communications. The topic of low-voltage electricity transmission line characteristics and receiving technical analysis prepared on the basis of electricity carrier will receive and send communications circuit design research, the main research reads as follows : (1) Characteristics of low-voltage electricity transmission line analysis, in low voltage electricity transmission line to signal that can be highlighted in the working conditions, small circuit impedance, signal attenuation strong, interference with the characteristics of degenerative large. For low-voltage power lines carrier access, which will be necessary to do further specific analysis. (2) Use simulation software EWB, designed AGC enlarged circuits (AGC) simulation, the certification of its experimental results. The aim is to complete the small signals enlarged, while guaranteeing signal worth importing excessive, the amplifier will not saturation distortion, this class should have AGC. (3) Design coupled circuits, carrier FM signals from the power line can be coupled circuits entered demodulate circuit, coupled with a recovery circuit is a circuit that will be achieved outside the signal band frequency filter out other functional circuits. Coupling circuit design of the basic requirements include : strong will power and weak electricity segregation； FM signals； through useful carrier outside interference and to filter out noise； To two-way transmission, which can be made collect. (4) Sent driven circuit design, and use their simulation EWB simulation software certification. PM signals, viacapacitance coupling, coupled directly into the circuit. Key words: Transmission,Receive,Agc,Drive Circuit,Coupled Circuit 电力载波通信电路 5 第一章 绪论 1.1 课题 的意义 电力线载波通信是电力系统通信专网特有的一种通信方式。它以电力线为信道，以变电站、发电厂为终端，特别适合电力调度通信的需要。而且，电力线载波通信系统具有投资少、施工期短、设备简单、通信安全、实时性好、无中继、距离长等一系列优点，目前我国 110KV以上电力线载波通信电路已超过 65万话路公里。 在以数字微波通信、卫星通信为主干线 而 覆盖全国的电力通信网络已初步形成、多种通信手段竟相发展的今天，电力线载波通信仍然是地区网、省网乃至 全国 网的主要通信手段之一，从理论研究，到运行实践，我们都取得了可喜的成效。 我们 已经看到，电力线载波 通信已经 成为电力系统应用最为广泛的通信手段，当然，其缺点和不足从中也得以充分体现；加之和其它新兴通信手段共存，更显示出了其局限 性 。目前对电力线载波 通信 评价不高似乎已是比较普遍的现象。然而，仔细分析，我们可以发现，其原因也是多方面的：既有技术上的，也有管理上的；既有设备制造、工程设计施工上的，也有运行维护上的；既有客观上的，也有认识上的。 1.2课题研究的目的 随着通信技术的不断发展 ,人们开始考虑使用电力线载波进行通信的方式 ,本 文 将 提出 一种 使用基于 FSK的窄带电力线载波通信方式 . 这次设计 的主要目的 是设计相应的电力线发送驱动电路，接收耦合电路，滤波器以及自动增益控制电路系统。电力线载波通信系统分为接收通道和发送通道两部分。接收通道通过耦合电路，接收来自电力线的载波信号。信号经滤波、放大后，被送到芯片进行解扩频。发送通道则把调相信号（扩频信号）经过驱动放大，送入耦合电路，耦合到电力线上进行传输。 1.3 课题研究的技术要求 随着计算机技术的发展，计算机在科学研究上的应用越来越广泛， Electronics Work bench(简称 EWB)作为科技应用软件可建立各种电路进行仿真实验。电子工作平台 的器件库可为用户提供 350多种常用模拟和数字器件，设计和试验时可任意调用。虚拟器件在仿真时可设定为理想模式和实用模式，有的虚拟器件还可直观显示。这篇论文中，我们将利用EWB这一软件对设计的 AGC电路、发送驱动电路、耦合电路进行模拟仿真来测试验证。 福州大学本科生毕业设计（论文） 6 第二章 电力载波通信的基本原理以及发展 2.1 传统的电力线载波通信原理 2.1.1 传统的低压电力线载波通信分析 传统的低压电力线载波通信一般采用频带传输，即用载波调制的方法将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高频率上，以避开电力线的强噪声干扰。所采用的基本调制 方式有幅移键控（ ASK），相移键控（ PSK），频移键控（ FSK）。在此基础上，又派生出了差分移相键控（ DPSK），最小移频键控（ MSK），四相移相键控（ QPSK），正交幅值调制（ QAM）等。这些调制方法最大的弱点就是去噪声能力不强，随着配电网结构的不断复杂和人们对低压电力线载波通信质量要求的不断提高，传统的载波通信技术已越来越不适应现代高速率、大容量的要求。 电力线通信信道具有衰减和噪声复杂多变的特征，因此要实现可靠、具有较高通信速率的通信系统，数字调制解调的方案应该从多个方面考虑。首先，要有较高的频谱利用率 ，这样才能适应电力线通信信道有效带宽窄的特点；其次，要有较好的功率利用率，能把功率集中在有效的频带内，降低功率损失；另外，对信道的衰减特性和非线性特性要有较好的抵抗性，对噪声干扰要有很强的抑止能力，能在很低的信噪比情况下正常工作。下面，我们分析来比较各种数字调制解调技术和对电力线通信技术要求。 2.1.2 主要数字调制解调技术的比较 目前采用的窄带调制解调技术主要有以下几种 : (1)ASK幅移键控，在该调制技术中，传输信号的幅度随调制数字信号的变化而变化，属于线性调制技术。这种调制方案有较好的频谱效率，但传 输中必须使用功率效率低的 RF放大器，用功率效率高的非线性放大器会导致已滤除的边瓣再生，造成严重的相邻信道干扰，使线性调制得到的频谱效率全部丢失。 (2)PSK相移键控，该方式通过调制载波的相位来传输数据，也是一种线性调制技术，同样存在边瓣再生的问题，特别在发生相位突变时，包络不恒定而导致在通过带限信道后频谱发生扩散。 (3)FSK频移键控，通过两个不同的载波代表二进制数据中的两种状态来完成数据的调制，它属于非线性调制；同时，不管调制信号如何改变，载波的幅度是恒定的，所以它也是一种恒包络调制。这种调制方式，可 以使用功率效率高的 C类放大器，而不会使发送信号占用的频谱增大；带外辐射低，可达 60dB至 70dB；接收机设计简单。不过其占用带宽比线性调制大。 (4)MSK最小频移键控，是一种特殊的连续相位的频移键控，它是恒包络技术的代表，电力载波通信电路 7 不仅具有包络恒定、能量集中等优点，而且具有频谱利用率高、误码率低、自同步等性能。这种调制技术己经在无线领域得到了较好的运用，但其传统的实现方法较为复杂 1。 2.2 电力线载波通信技术与管理上的问题 2.2.1 载波频率分配使用中的问题 我国电力线载波频率使用范围为 40 500KHZ，载波频带带宽为 4KHZ，实际上，在这个频段内的频率，要完全利用 是 非常困难。在低频段 上 ，存在着阻波器制作上的困难；高频段 上 ，易受广播信号的干扰，而且还要考虑线路对信号衰减的不均匀性等因素。而我们在对这有限的频率安排使用上，可以说不少地方做得并不好，造成了一方面是频谱紧张，一方面又浪费频率资源。 (1) 在频率的安排上 ,有些地区安排频率带有很大的随意性，没有长远的计划，以致于干扰严重，不断改频；有些则只注意本地区频率规划，结果即影响了别人，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 配频率时也没有严肃认真的科学态度和科学的方法。 (2) 没有全局观念、统筹意识，往往就事论事，就频率考虑频率。如现在比较普遍的情况是高频保护占据单独一相 (A相 )；如果改为与载波复用，则可节省下保护占用的频带。再有，现在的通信网络结构一般是点对点结构，通道占用多，利用率低，如改组成调度程控交换网，也可节省通道，并能达到灵活、可靠的效果。 2.2.2 电力线载波机的问题 不可否认，国产载波机无论是在技术性能、工艺结构还是在电路上，同国际上一些先进设备相比仍存在有很大的差距，从频谱的利用率、自动增益控制 (AGC)； 范围和灵敏度、载供系统的精度、滤波器的性能，到载波机整个通道频率特性以及工作环境温度范围，都难以达到进口机的水平。实际上，比技术先进更重要的是设备的可靠性和稳定性。国外载波机平均无故障时间 (MTBF)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 ESB500恐怕也不能保证达到甚至接近进口机的水平。 2.2.3 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。无疑，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竟高达三分之二 。 雷雨季节由于雷击而致使通信中断的事件也时有发生。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。 福州大学本科生毕业设计（论文） 8 2.2.4 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，我们的工作中一直不同程度地存在着重主机轻辅机、轻配套 、 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。旧通信系统、旧通道存在的问题，尤其涉及到 很 多专业的问题，很多长期得不 到解决。 (1) 领导重视不够，对通信的重要性认识不足 ； (2) 基础工作不扎实不健全 ； (3) 管理体制等方面上的问题 ； (4) 通信人员待遇低，通信队伍稳定性差 4。 2.3 载波通信技术的发展 随着信息技术的不断发展和人们对通信质量要求的不断提高，通信技术正朝着高速率、宽频带、大容量方向发展，通信理论已从传统的频带传输（幅移键控 ASK；频移键控FSK；相移键控 PSK）发展到扩频通信（ SSC），多载波正交频分多址（ OFDM）以及使用高速光纤的光波分复用（ WDM）技术等。 2.3.1 扩频通信技术的发展 扩频通信的真正全面研究是从 50年代美国麻省理工学院成功研制的 NOMAC系统（ Noise Modulation and Correlation System）开始的。九十年代以来，随着信息技术的不断发展，扩频技术无论在理论上还是在实际应用中都取得了长足的进展。 2.3.2 扩频通信的原理简介 简单的说，扩频通信是用伪随机编码（扩频序列）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再传输，在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理的一种信息传输方法。 除此以外，扩频通信还具有如下特征 : (1)是一种数字传输方式 ； (2)带宽的展宽是利用与被传信息无关的函数 (扩频函数 )对被传信息进行调制实现的； (3)在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。 实现扩频的方法很多，就扩展频谱的方式的不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频，跳频，跳时，线性调频以及上述各种基本扩频方式的组合，如： FH/DS， DS/TH等 。 2.3.3 频谱的扩展的实现和直接序列扩频 频谱的扩展是用数字化方式实现的。在一个二进制码位的时段内用一组新的多位长的电力载波通信电路 9 码型予以置换，新码型的码速率远远高出原码的码速率，由傅立叶分析可知新码型 的带宽远远高出原码的带宽，从而将信号的带宽进行了扩展。这些新的码型也叫伪随机（ PN）码，码位越长系统性能越高。通常，商用扩频系统 PN码码长应不低于 12位，一般取 32位，军用系统可达千位。 目前常见的码型有以下三种： (1)M序列，即最长线性伪随机系列； (2)GOLD序列； (3)WALSH函数正交码。 2.3.4 扩频通信的优点 扩频通信的最主要优点在于其他具有较强干扰能力和抗电力线传输信号时变衰减的能力。它通过扩展信息带宽来换取低误码率，从而通信的抗干扰能力适合在电力线这样恶劣的通信环境下实现可靠的数据 通信。 扩频通信的另一个优点是抗时变衰减能力强，由于低压电力线直接面向用户负荷条件非常的复杂。网络结构变化大，且受随机因数的影响，因此，通信具有很大的时变性。采用扩频通信方式，由于信号频谱被扩展后占有的频率范围较宽，即使是某一频率附近有“传输零点”，其他频率的信号仍能正确的传输，从而提高通信的准确率。 通过以上分析可见，由于扩频通信具有抗干扰能力和抗时变衰减能力强的特点，而低压配电网又是一种通信环境非常恶劣的传输媒介，因此扩频通信技术在低压电力线载波通信中得到广泛的关注 16。 福州大学本科生毕业设计（论文） 10 第三章 低压电力线传输特 性分析 在通信领域，衡量通信信道性能的基本指标是输入阻抗、信号衰减，尤其是高频信号的衰减和抗干扰性能。因此，在用电力线作为通信信道之前，需要对它的特性进行分析。从六七十年代以来，利用中高压电力线作为信号传输通道的电力线载波通信已经获得广泛使用，对高压电力线进行高频信号传输的研究己经非常深入和成熟。但是，在低压电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰与时变性大等特点。因此，对于低压电力线载波信道，有必要进一步具体分析。 3.1 低压电力线系统信 道分析 电力线系统可被化分为三个等级；高压级 (110-380kV )，中压级 (10-38kV )和低级(0.4kV以下 )，每一级的信道特性均不相同。自上世纪六七十年代以来，利用 lOkV以上中高压电力线做为传输通道的电力线载波电话己经获得广泛使用，人们对高压电力线进行高频信号传输的研究己经非常深入和成熟。但是，在 220V/380V低压 电力线上进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶 劣、线路阻抗小、信号衰减强、干扰大且时变性大等特点。尤其低压级的随机性大功率用电设备的接入会对低压电力线 载波通信造成极大干扰。因此，低压电力线载波通信技术一直是困扰人们的一个难题。低压电力线的输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。研究表明低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。 3.1.1 低压电力线上输入阻抗的变化特性 低压电力线的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。在理想情况下，当没有负载时，电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电感和分布电容的影响，输入阻抗会随着频率的增大而减小。当在电力线上有负载时，所有频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型的不同，使不同频率的阻抗变化也不同， 所以实际情况非常复杂，甚至使输入阻抗的变化不可预测。图 3-1用对数图绘出了实测出的输入阻抗与频率的关系数据： 电力载波通信电路 11 图 3-1 输入阻抗 -频率关系图 从上图中可以看出，电力线上的输入阻抗随着频率的变化而剧烈变化，可以从 0.1欧变到大于 100欧，变化范围超过了 1000倍。而且，在实验所测的频率范围内，输入 阻抗随频率的变化并不符合一般想象下的随频率的增大而减小的变化规律，甚至与之相反。这是因为低压电力线上连接有各种复杂的负载。这些负载以及电力线本身组合成许 多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成低阻抗区。因此 ，在输入阻抗一频率关系图上可以看到许多低谷区。同时，由于负载会在电力线上随机的连上或断开，所以在不 同时间，电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变。这令电力线载波发送机功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配。 出于同样的原因，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。在由许多电阻、电容和电感组成的网络中，从不同的位置点计算，输入阻抗显然是不同的。图 3-1的两曲线就是在同一个低压电力线网的不同地点测得的。可以看出，信号输入点的不同对输入阻抗的影响是非常大的。 由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使发送机 功率放大器的输出阻抗和接收机的输入阻抗难以与之保持匹配，因而给电路设计带来很大的困难。 3.1.2 高频信号的衰减及其变化规律 高频信号的衰减是低压电力线载波通信中遇到的另一个实际问题。对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在这根线的任意位置随机地连接或断开。因此，高频信号在电力线上的传输必然存在衰减。显然，这种衰减与通信距离、信号频率等都有密切关系。 总的来说，信号传输的距离越远，信号衰减就越厉害。但是，由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载阻抗也不匹配，所以信号 会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减随距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。对于民用电网，其三相电源所接的负载大小和性质都不福州大学本科生毕业设计（论文） 12 相同，所以同样强度的信号在三相上的衰减也不同。这种现象有时就表现为接收机和发送机的位置不变，接在不同相上，通信的误码率不同。 从以上分析可以看出 :在总体上，电力线上信号的衰减随着频率的增加而增加，但在某些频率范围，由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然增加。同时，信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响， 随着距离的增加，衰减会迅速地增加。在跨相传播时，衰减一般比同相传播要大 10 dB以上，但有时也会有例外。随着工频交流电相位的变化，高频信号的衰减也会出现周期性的变化。在不同的时间段、不同的地点，衰减幅度也不同，有时变化会很大。这种变化对载波通信设备的设计有很大影响 13。 3.2 低压电力线传输干扰特性分析 干扰是影响低压电力线载波通信普及和推广的最大障碍，电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数 据通信有更严重的影响。 为了说明干扰的复杂特性并简化分析，可以近似地将其分成 4类 :周期性的连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下，前两类干扰占主导地位。 3.2.1 干扰的周期性 在以前的研究中发现，谐波噪声以交流电频率 fac的整数倍出现，因此有理由相信干扰也会存在周期性的倾向。图是某一时刻电力线上的干扰波形。图中显示电力线上的主要干扰是周期性出现的，其出现频率为 2fac，而且其幅值比时不变连续干扰大许多。电力线上的干扰波形图见下图 3-2所示。 图 3-2 电力线 上的干扰波形 产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备在工频交流电基波的某个固定相位上释放出干扰。例如，可控整流电源在 AC电源基波正半周和负半周的 45度切换，则在一个工频周期中 AC电源上会出现 2个缺口，从而会以 100 Hz为周期，每周期 2次释放出强烈的干扰，而且这种干扰与 AC电源有着固定的相位关系。每次干扰的持续时间受多种因素的影响，电力载波通信电路 13 如可控整流电源在 AC电源上产生缺口的宽度，电力线对高频干扰的衰减强度等。许多开关电源、逆变器等还可能产生频率高于 100 Hz的周期性干扰。 消除这种干扰的困难有两点 :首先， 由于无法对这种干扰的周期、宽度、强度和发生时间等做出准确的预测，而且这些参数的变化范围可能很大，所以很难有针对性地采取措施抑制这种干扰 :其次，由于这种干扰的频谱非常宽，所以对接收端滤波器的灵敏度有很高的要求。 许多大功率的用电设备如电机等，会在电网上产生很多的高次谐波。这些高次谐波只存在于工频的整数倍的频率内，但是能量较大，且频率有可能延伸到几万赫兹。如果信号频率正好与它们重叠，则对通信的可靠性会产生很大的影响。 在实际情况中，由于大量的用电设备同时释放出干扰，而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大， 各不相同，因此最终会在电力线上产生时不变的连续干扰。这种干扰表现为平均功率较小，但是频谱很宽而且持续存在。由于信号在电力线上传输的衰减非常大并富于变化，而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通信过程中的信噪比可能会变得很低，通信误码率增加。 3.2.2 干扰的随机性 除了上述的周期性干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。这种随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线路上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群，持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。 高压 开关的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲 (脉冲群 )，而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。 雷电会在电力线路上产生能量很大的电流和电压脉冲，电流峰值可达几千安培，电压峰值可达几万伏。这种波形的上升时间很短，通常不大于 5.5 us，下降时间相对较长，但通常也不大于 75us。雷电波沿线路侵入变电站，并通过一、二次系统间的各种耦合或接地网进入二次回路。这样的雷击过电压在低压网络内传播时，遇阻抗不同的节点时将发生反射，产生振荡波，其频率和传播速度与电路内的各种参数有关，最具典型的是上升时 间为0.5 us.振荡频率为 100 kHz的衰减振荡波。显然，这种脉冲会对载波通信产生很大的影响。 另外，低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程、功率因数补偿电容器的切换以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、电流的突变和谐波分量的增加。而在离接收机近距离的范围内，某些中小功率的负载，如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。 上述这些干扰的持续时间较短，从几十微秒到几秒不等，强度大小也不等，出现时间也是随机的，具有很大的不可预测性。如果它们正好发生在数据通信过 程中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干个位甚至整个数据传输过程发生错误。在一个完善的低压电力线载波通信系统中，可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机福州大学本科生毕业设计（论文） 14 制等措施加以克服。 3.2.3 干扰的多变性 与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多变性。这种多变性表现在两个方面。首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同；其次是因地而变，即在不同的低压电网之间，干扰情况各不相同；而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。前者是因为在不同的电网之间，连接的负载、 线路情况、电网结构等都不同，导致电网内的各种参数都不同，则必然会影响干扰的分布。后者是因为干扰在电力线上的传播也要遵循高频信号在电力线上的传播特性，会受到电力线上衰减特性的影响，因而对距离、负载分布等也很敏感。因此，电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载波通信系统也会有很大的影响。 通过以上讨论可以看到，低压电力线上的信号衰减特性和干扰特性非常复杂，而且随机性、时变性大，难以找到一个较为准确的解析式或数学模型加以描述，这也是为什么长期以来对低压电力线高频信号传输特性的分析多以定性分析和实验数据测试分析为 主的原因，而这对低压电力线载波通信设备的设计提出了很高的要求，即要求其有很好的自适应能力。但同时，出于实用的角度，为了获得合理的性价比，又要求其成本要限制在一定的范围内。这些对系统的设计而言是一个很大的挑战。 3.3 低压电力线上的噪声特性 电力线上的噪声源分为非人为噪声和人为噪声。非人为噪声是自然现象所引起，如雷电在电力线上引起的噪声；人为噪声来自各种电器、机电产品和电力线自身引起，电力线的主要噪声并不是加性白高斯噪声，基本特性是极短的时间周期内都可能发生变化。 3.3.1 噪声分类 对于 100 kHz以 上的低压电力线噪声一般划分为 5种类型 (1)有色背景噪声 由电力线上各种噪声源产生的组合干扰，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，其功率谱密度随频率增加而减小。 (2)窄带噪声 这是一种频带很窄的噪声，主要是短波广播在频域上的串扰，其强度在 24小时内变化不定。一般情况下，由于电离层的反射，夜间干扰比较严重，而白天的干扰却较小。 (3)与工频异步的周期性脉冲噪声 通常由大功率电器设备开关的周期性的开闭动作产 生，其功率谱为离散的谱线，重复率在 50-200kHz范围内。 (4)与工频同步的周期性脉冲噪声 主要是电力设 备按 50Hz频率工作产生的脉冲，重复率为 50Hz或 100 Hz，持续时间很短，功率谱幅度随频率增加而减小。 (5)异步脉冲噪声 -主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也可归为此类噪电力载波通信电路 15 声。 此外， Intellon公司的研究发现建筑物内电源线的节点具有半导体效应，在工频半周期内产生非线性感应噪声。部分没有接入电网的设备产生的噪声也通过射频耦合进入电力线。 3.3.2 噪声分析 电力线噪声分布与时间、地点及负载等密切相关，各噪声间相互独立。从整体上，上述的五类噪声可分为背景噪声和脉冲噪声两种。 (1)背景噪声 如上所述，背景噪声包括有色噪声、窄带噪声和与工频异步的周期性脉冲噪声。背景噪声的主要特性是低功率的噪声源，随频率的增大而减小，通常可保持几秒或几分钟，有时甚至几小时不变。其在不同频段的功率诺密度也随一定时间保持稳定。又称为稳态的背景噪声。 (2)脉冲噪声 脉冲噪声是随时间 (以 ms或 us级计 )变化而变化，功率谱密度较高，一般功率谱幅度达到 dB数量级。 在数据传输中出现的比特 (位 )错误和突发错误主要就是由脉冲噪声引起，尤其是异步脉 冲噪声。由于异步脉冲噪声是一随机事件，故其特性可用随机变量来描述。典型的异步脉冲噪声 是因开关瞬态而引起的。这些脉冲的波形类似于衰减正弦波或重叠的衰减正弦波 9。 福州大学本科生毕业设计（论文） 16 第四章 EWB 简介 随着计算机的普及，应用计算机进行的辅助教学业已成为一种潮流。电路仿真系统将实验台“搬到”了计算机屏幕上，通过鼠标或键盘调用元器件和仪器搭接电路，电路的各种参数容易调整，整个教学过程在虚拟实验室进行。应用仿真系统对电子技术相关课程进行教学改革，一改传统教学模式，具有直观而形象的特点，可使实验与理论有机结合，教学方式采用多媒体模式，在教学过程中寓教于乐，轻松教学。 Electronic Workbench(EWB)软件是加拿大在 90年代初推出的专门用于电子电路仿真的“虚拟电子工作台”软件，新版本为 multisim。它是目前全球最直观、最高效的 EDA软件，目前全球有几万所大学、中学正在使用。它的功能非常强大，能够提供电阻、电容、三极管、集成电路等十四大类几千种元件；能够提供示波器、万用表等十几种常用的电子仪器；它具有强大的电路图绘制功能，可绘制出符合标准的电子图纸；它还具有强大的波形显示功能，并且结果可轻松放入各类文档。在加拿大和美国，已有 85%的大学及中学正在把 EWB当作物理、电工及电子学的课程教学和实验的辅助手段 。在国内也得到很好的推广和使用。 在电子电路的教学中引进 EWB软件可以看到电路工作的实际效果，测量电路的有关参数，激发学生的学习兴趣，有利于学生对电路的认识、理解。比如在交流电一节的教学中，掌握交流电的波形是一个重点，这就需要使用示波器观察交流电波形。而示波器的价格相对比较贵，许多学校根本无力大量购买，或者有些学校虽有足够的示波器但害怕学生在使用时可能损害仪器而放在实验室不用，因此这部分的教学往往就是纸上谈兵。我们利用 EWB软件中的双踪示波器就可以解决这个问题。教师可以通过多媒体模式在计算机上利用 EWB软件 对电路进行仿真，也可以让学生自己在计算机上进行 EWB软件的操作，学生在 EWB软件的示波器上能够看到各测试点的波形并可以读出波形的峰值、频率、相位差。这样学生既看到了动态的波形变化，增加了对交流电波形的理解，又掌握示波器的用法、读法。使用EWB软件对学生来说，没有了搞坏仪器的风险，也就没有了做不成功的心理负担，学生就能更大胆的去尝试、去实验，有利于学生更好的去研究问题、探讨问题。 我们在电子电路的教学中经常会假设某个元器件发生短路、断路、漏电等故障，而这些假设由于各种原因不太好做实验，教师只有通过纯理论分析 来讲授。如使用 EWB软件，这个难题就非常好解决，我们可以利用 EWB中提供的元器件故障设置功能将元器件设置好故障，再连接相关的仪器，进行电路仿真后就可以看到元器件发生故障时的现象，还可以从仪器上读出所需要的各个参数。 在进行电路设计教学的时候 EWB软件的作用就更明显了。通常在设计电路时我们需要使用面包板或制成印制电路板来连接元器件，但是学生在电路设计的初期往往由于对电路特性的不太熟悉经常需要更换元器件的参数或更改连线，这就需要我们不断的在面包电力载波通信电路 17 板上或印制电路板上去调换元器件，这个工作非常的繁琐，而且容易 造成元器件的损坏和浪费。而在 EWB软件里随时可以更换元器件或修改元器件的参数，并且仿真以后的效果和实际制成电路的效果几乎一样，学生在进行简易电路设计时就可以先在计算机上用 EWB软件进行设计，仿真成功以后再制成印制电路板做成电路成品，这样既避免了设计中的许多麻烦又节约了设计成本。 EWB在电子电路教学中还有很多用途，电子技术相关课程的教师可以在教学中自行体会 12。 福州大学本科生毕业设计（论文） 18 第五章 AGC 电路的设计与仿真 5.1 AGC 电路的原理简介 自动增益控制电路习惯上称为 AGC。 对于接收机来说 ,收到的外来信号场强并非恒定不变 ,为了保证接收机终端得到相同的电压 ,通常采用改变放大器增益来实现 。 AGC电路就能够在信号场强变化情况下 ,保证接收机的输出电压基本不变 。 5.1.1 AGC 电路原理 能够使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的控制电路，简称为 AGC电路。它常用来使系统的输出电平保持在一定范围内，因而也可以称为自动电平控制。 AGC电路的性能可以用输入 -输出振幅特性和增益控制特性来表示，如图 5-1所示。 图 5-1 电路的输入 -输出振幅特性和增益控制特性 若输入信号振幅 Ui在 Uimin-Uimax之间变化时，输出信号 Uo振幅的变化范围为Uomin-Uomax， Di=Uimax/Uimin是输入信号的动态范围； Do=Uomax/Uomin是输出电平的容许变化范围；比值 R=Di/Do为 AGC电路的增益控制倍数。输入信号的动态范围 Di通常为几十dB，输出电平的容许变化范围 Do决定于放大器的用途和要求，一般为零点几 dB至几 dB. AGC电路工作原理如图 5-2所示。它可以分成增益受控放大电路和控制电压形成电路两部分。 图 5-2 电路工作原理框图 增益 受控放大电路位于正向放大通路，其增益随控制电压 Uc而改变。控制电压形成电路的基本部件是 AGC整流器和低通平滑滤波器，有时也包含门电路和直流放大器等部件。放大电路的输出电压 Uo经检波并经滤波器滤除低频调制分量和噪声后，产生用以控制增益电力载波通信电路 19 受控放大器的电压 Uc。当输入信号 Ui增大时， Uo和 Uc也随之增大。 Uc增大使放大电路的增益下降，从而使输出信号幅度 Uo的变化量小于输入信号幅度 Ui的变化量，达到自动增益控制目的 。 5.1.2 简单的自动增益控制电路 在简单 AGC电路里 ,参考电平 Ur 0。这样 ,只要输入信号振幅 Ui增加 ,AGC的作用就会使增益 Kv减小 ,从而使输出信号振幅 Uo减小。 （ 5-1） mi为 AGC电路限定的输入信号振幅最大值与最小值之比（输入动态范围） ,即 （ 5-2） AGC控制电路的控制方式有两种，一种是正向 AGC，另一种是反向 AGC，正向 AGC的特点是，当输入信号增大时， AGC控制电压也增大，然而它却可使放大器的增益下降，显然，反向 AGC的特点与之相反。 5.1.3 AGC 电路的分类 AGC电路就其工作特性来说可分为简单 AGC和延迟 AGC两大类 (1)简单 AGC电路 只要接收机有外来信号输入 ,中频放大器有信号输出 ,AGC电路就立刻工作 ,产生误差控制电压 Ue控制可控增益放大器 .即相当于比较电压 Ur=0情况 . (2)延迟 AGC电路 延迟 AGC电路有个起控门限 ,即比较器参考电压 Ur,对应输入信号振幅 ,如图 5-3所示。 图 5-3 延迟 AGC电路 福州大学本科生毕业设计（论文） 20 (3)前置 AGC、后置 AGC与基带 AGC 前置 AGC是指 AGC处于解调以前 ,由高频（或中频）信号中提取检测信号 ,通过检波和直流放大 ,控制高频（或中频）放大器的增益。 后置 AGC是从解调后提取检测信号来控制高频（或中频）放大器的增益。 基带 AGC是整个 AGC电路均在解调后的基带进行处理。 5.1.4 AGC 的性能指标 (1)动态范围 AGC电路 动态范围 是利用电压误差信号去消除输出信号振幅与要求输出信号振幅之间电压误差的自动控制电路。 (2)响应时间 AGC电路是通过对可控增益放大器增益的控制 来实现对输出信号振幅变化的限制 ,而增益变化又取决于输入信号振幅的变化 ,所以要求 AGC电路的反应既要能跟得上输入信号振幅的变化速度 ,又不会出现反调制现象 ,这就是响应时间特性。 5.2 本次设计的 AGC 电路 本次设计为了将滤波器输出的 mV级信号放大 40dB左右，需要特别注意的是小信号的不失真放大。由于系统输出的信号为 DPSK调制信号，因此前后码元的相对相位信息不能出错。因此需要保证放大器不会因为饱和失真导致前后码元相对相位错位。 AGC主要完成对小信号的放大，需额外注意电路本身的噪声干扰不能过大。同时为了保证输入 信号幅值过大时，放大器不会饱和失真，此级应该具有自动增益控制能力。 AGC电路如图 5-4所示： 电力载波通信电路 21 图 5-4 自动增益控制放大电路图 其中第二级三极管的 E级为反馈端。当输入信号幅值过大时，该线路可以对输入的信号进行负反馈，起到增益控制的目的。同时为了防止输入信号过大时 AGC失控，其信号输出级 (C端 )加入了一个电容、两个二极管可是完成对于输入信号幅值的变化来进行输出信号幅值的控制，并且可以用于过压限制。经实测，该 AGC电 路对 l0mV的信号增益可达 40dB，对 100mV信号的增益可达 20dB，而对于幅度达 1V的较强输入信号只有约 4dB的增益。很好的完成了自动增益控制的作用。 接下来我们就将实测的信号波形及幅值结果通过示波器显示出来，并对其数据进行分析。以下分别是输入幅值分别为 10mv， 100mv， 1v的信号，我们来针对每个波形图进行数据分析。 图 5-5给出的是输入幅值为 10mv的信号波形（上方通道 A所示的波形），从示波器来观察每一个方格代表 10mv/Div，可以看出输出信号的幅值约为 450mv（下方通道 B所示的波形）示波器每一个方格代表 10mv/Div，并且波形未出现失真，利用增益公式 D=20lgVout/Vin，此时计算得放大增益约为 40dB左右。 福州大学本科生毕业设计（论文） 22 图 5-5 输入信号为 10mv时输出信号波形图 图 5-6给出的是输入幅值为 100mv的信号波形（上方通道 A所示的波形），从示波器来观察每一个方格代表 100mv/Div，可以看出输出信号的幅值约为 0.8v（下方通道 B所示的波形）示波器每一个方格代表 1v/Div，并且波形未出现明显失真，利用增益公式D=20lgVout/Vin，此时计算得放大增益约为 20dB左右。 电力载波通信电路 23 图 5-6 输入信号为 100mv时输出信号波形图 图 5-7给出的是输入幅值为 1v的信号波形（上 方通道 A所示的波形），从示波器来观察每一个方格代表 1v/Div，可以看出输出信号的幅值约为 1.5v(下方通道 B所示的波形 )示波器每一个方格代表 2v/Div，并且波形未出现明显失真，利用增益公式 D=20lgVout/Vin，此时计算得放大增益约为 4dB左右。 福州大学本科生毕业设计（论文） 24 图 5-7 输入信号为 1v时输出信号波形图 以上为对自行设计的 AGC 电路的分析。 电力载波通信电路 25 第六章 耦合电路的设计与仿真 6.1 电力线信道特性与通信模式 6.1.1 电力线的信道特性 要在电力线上实现高质量的数据通信，必须保证调制解调电路和载波接口 电路（载波信号与 220V线路之间的耦合电路）符合低压电力线路的信道特点，而低压电力线路一方面对载波信号有严重的衰减，另一方面在电力线中存在着各种强烈的干扰噪声。 耦合电路的设计目的是 为了利用电力线实现可靠的载波通信， 其 分析与设计是问题的关键。其难点在于：一方面，要求载波信号的加载效率高；另一方面，要求电力网 50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰。设计一个能有效减小低压电力线的低阻抗影响的功率匹配和增益平衡电路，用来将信号耦合到电力线上，其传输频带为0.1MHz-30.0MHz。该设计的首要目的 是实现网络信号的最大功率传输。 该电路在设计须考虑 220V线路侧的阻抗特性， T100为信号耦合变压器， 220V线路侧阻抗一般取 30欧左右。然后确定线圈初级的匝数比或阻抗比。最后设计功率放大器的输出匹配电阻 。 6.1.2 通信模式和载波接口电路的分析 由于低压电力线载波信道条件，目前利用能够电力线进行数字通信的产品中，主要有使用窄带通信方式和宽带扩频通信方式两种。 窄带调频方式比较容易实现，如 LM1893和 ST7536。随着扩频通信的广泛应用，目前的窄带通信主要是窄带扩频通信方式，他们的频带宽度一般在 10KHZ左右，中心频率在 100KHZ至 300KHZ。 采用窄带方式载波通信电路的耦合器与滤波器具有较高的品质因数，因此有较好的电力线耦合性能，当强干扰噪声在通信频带外，其通信效果较好，但窄带方式也存在许多缺点，由于强干扰噪声在电力线载波的通信频带范围内都有出现的概率，所以无论载波中心频率如何选择都存在危险。 宽带扩频通信方式的带宽通常较大（ SSCP300的带宽为近 300KHZ），在强窄带干扰条件下，受干扰的频率范围所占的比例相对较小，噪声仅能影响到一小部分所要传输的信号，而大多数信号能够到达目的地。所以宽带扩频通信 在克服窄带干扰噪声方面有明显优势。但由于通信频带过宽而使得耦合、滤波电路的品质因素较低，结果导致载波通信电路接收灵敏度降低，克服信道衰减能力差。 福州大学本科生毕业设计（论文） 26 6.2 耦合电路设计的基本要求 载波调频信号首先从电力线上通过耦合电路进入到解调电路，耦合电路是一个带通滤波电路，将信号频带外的其他频率滤除，包括工频，这样也可以尽量将带外的干扰噪声排除在信号处理电路之外，同时耦合电路还将载波调频信号耦合到解调电路进行解调。解调电路的功能就是将扩频信号从载波信号中提取出来，这就是能否成功接收数据的关键。信号解扩和信道译码都是在单片 即中通过程序实现的，扩频信号从解调电路输出到单片机，通过程序解扩，之后在进行 CRC校验，确认数据接收无误后就得到了基带信号。 耦合电路设计的基本要求： (1)将强电与弱电隔离； (2)通过有用的载波调频信号； (3)滤除带外干扰和噪声； (4)能够双向传输，即能收能发。 6.3 本次设计的耦合电路 6.3.1 耦合电路的设计 耦合电路是载波信号的输出和输入通路，并起隔离 220v/50Hz的工频的作用。本次设计的耦合电路是根据一般通用的耦合电路进行修改的，其功能的实现是接收时将电力线上传输的载波信号耦合下来送 入解调电路，同时发送时将调相信号通过耦合送入电力线上。 为了防止低压电力线上的雷电和开关瞬态作用对电路元器件造成永久性的损坏，必须采用特殊的保护措施。变压器对于 100KHz-400KHz的扩频载波信号提供了一个线性的传输功能，电容的作用是阻止 50Hz的工频进入变压器 T，限制了变压器电流，以避免变压器铁芯饱和。 输入通道应接一个浪涌保护二极管 5KP18C，经电阻隔离后接二极管箝位电路输出给前级滤波电路。由于电力线上负载发生变化时，电力线会产生较大噪声甚至幅值很大的尖峰脉冲，该脉冲经耦合后，会给后级电路带来较大危 害。因此加入一个浪涌保护二极管后，可以很好的滤除这种噪声，保护后级电路。紧接着是一个两阶的滤波器，完成的功能是滤除带外杂波，保证前后级阻抗匹配。再来是两个二极管用于过压保护。耦合电路如图6-1所示： 电力载波通信电路 27 图 6-1信号耦合电路 6.3.2 滤波器的设计 滤波器通常是一种有“频率选择”作用的装置，它让某些频率的信号通过而 使其他频率的信号受到阻塞或衰减。根据对频率的选择性可分为以下几类 :低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器。按元件特征分为 LC滤波器、晶体滤波器、机械滤波器等。滤波器的应用 十分广泛，如分离信号、抑制干扰、阻抗变换、阻抗匹配及延迟信号等。在设计滤波器时，主要的因素为中心频率、截止频率、带宽和品质因数等。 通常情况下，模拟滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两种。有源滤波器由 RC及运算放大器构成，其特点为滤波器的 Q值可以做的很大。但是当滤波器阶数较高的时候， RC的精度、运算放大器的增益带宽及响应速度对滤波器性能影响很大，实际调试十分困难。而无源滤波器结构简单，价格低廉，调试方便。因此本系统采用无源滤波器作为系统的带通滤波器。 滤波器的功能是将耦合电路送来的载波信号做滤波处理，在滤除带 外杂波信号的同时，保证前后级的阻抗匹配，以达到顺利传递本级信号的目的。由于主晶振的工作频率不同，载频也不同；调制的周波数不同时，带宽也不同。因此设计滤波器的时候，必须考虑系统工作的实际参数。 该滤波器工作时的一些参数计算如下 (设主晶振频率为 Fz): 工作频率 :Fg= Fz/2 载频 :Fc=Fg/32 周波数 :C=1/2/4(可编程 ) 码片速率 :Ms=Fc/C 扩频码长 :L=63 波特率 :B=Ms/L 载波带宽 :Bw=2 X Ms(零功率 ) 福州大学本科生毕业设计（论文） 28 Bw=2X0.8XMs(余弦 ) 相对带宽 :By=Bw/Fc X 100% 扩频增益 :G=10lgL 因此 ,当系统主晶振选择 16MHz时，计算得载频 Fc=16MHz/2/32=250KHz，码片速率Ms=250KHz/4=62.5KHz，载波带宽 Bw=2*0.8*62.5=1OOKHz。 此时数据传输的波特率为 :B=62.5KHz/63 =992bps. 根据以上计算可得，我们即可设计合适的滤波器 17。 电力载波通信电路 29 第七章 发送驱动电路的设计与仿真 7.1 国内外电力线载波调制芯片简介 国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波调制芯片，并制定了电力线载波 适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网(480V/277V,208V/12OVac)的标准频率范围 100KHz-450KHz和针对于欧洲 地区电网(400V/230Vac)的标准频率范围 9KHz-150KHz。各家公司就在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波调制芯片 .由于国外电力线载波调制芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波调制芯片在一定应用领域可勉强使用。 7.1.1 我国可 使用的电力线载波调制芯片 (1)XR2210/XR2206套片或 LM18931Z0 这是比较早的电力线载波调制芯片的应用。 XR2210/XR2206是一组 FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯而设计的，还可用于有线和无线通讯。 LM1893 modem芯片， FSK的调制解调方式，它只是对一般 FSK调制解调芯片的稍微改进。 (2)ST7536 ST7536是 SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的调制芯片。由于它是专用调制芯片，所以除有一般调制芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线 应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。 ST7536也是较早的电力线载波调制芯片，调制解调技术是较落后的 FSK方式，加上三字节容错，它最高波特率只能达到 400bps.另外它无 CSMA(网络载波侦听 )功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域， ST7536是最适合的调制芯片。但它通讯距离不是很理想 ；需要作中继器时，通讯速度太慢 ；它是每位中断一次，按 1200 bps计算，每 833微秒中断一次，对更复杂的应用来讲， 833微秒间隔会短了一点。 (3)SSCP300 SSCP300是 Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波调制芯片。它采用了扩频 (Chirp方式 )调制解调技术、现代 DSP技术、 CSMA技术以及标准的 CEBus协议，可以称为智能调制芯片，体现了调制芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的 ST7536。究其原因， SSCP300是 Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围是 100KHz-400KHz，电网电压是480V/277Vac,208V/120Vac,60Hz.由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以福州大学本科生毕业设计（论文） 30 在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。而国内电力线载波抄表领域主要要求通讯距离。针对中国现状， SSCP300难以胜任电力线载波抄表领域的要求。 (4)PLT-22 PLT-22是 Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计， BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，所以目前在我国应用效果最理想。但它是 Lonworks网络专用，而且价格太高，难以在民用市场领域大规模推广。 (5)SC1128 由北京智源利和公司采用直序扩 频技术设计开发的 SC1128扩频通信芯片，具有 63位伪随机码，该芯片为 QFP-44工业级封装，灵敏度达到 709V，这使民用载波抄表实现准实时，抄到率高，符合产品化和用户要求，是载波扩频通信的一次突破。 7.1.2 本次研究设计的电力载波通信调制芯片 本次设计中 电力线载波发送电路主要由 PL2101和电力线接口（ PLI）组成。 PL2101是专为电力线通讯网络设计的半双工异步调制解调器。它仅由单一的 +5V电源供电，以及一个外部的接口电路与电力线耦合。 PL2101除具备基本的通讯控制功能外，还内置了五种常用的功能电 路：实时钟电路， 32 Bytes SRAM，电压监测，看门狗定时器及复位电路，它们通过标准的 I2C 接口与外部的微处理器相联，其中实时钟与 32 Bytes SRAM在主电源掉电的情况下可由 3V备用电池供电继续保持工作。 由单片机采集的数据就从 PL2101的 28脚送入，经过 FSK调制成 150kHz的 FSK载波信号，送 17脚输出载波信号。 PL2101 是特别针对中国电力网恶劣的环境所研制开发的低压电力线载波通信芯片。由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，并采用大规模数字 /模拟混合 0.5 m CMOS 工艺制作，所以在抗干扰及抗衰落性能以及国内外同类产品性能价格比等方面有着出众的表现。 下面是 PL2101(管脚图 7-1如下 )的主要特点 : (1)直接序列扩频，半双工异步调制解调器； (2)二相相移键控 (BPSK), 120KHz载频，带宽 15KHz，传输速率 500bps； (3)15位伪码长度，可编程同步捕获门限； (4)上电复位、电压监测电路及看门狗定时器； (5)内建高灵敏度放大器及四象限乘法器； (6)10C串行通信接口； (7)可编程实时钟 (秒 /分 /时 /日 /月 /星期 /年 )(掉电后电池 维护 )； (8)32Bytes SRAM(掉电后电池电池维护 )； (9)单十 5V供电， 1/0口带 4000V ESD保护； PL2101的管脚定义图见图 7-1所示。 电力载波通信电路 31 图 7-1 PL2101管 脚 定义图 管脚描述如下表： 表 7-1 PL2101管脚图表 1 VFB 内部限幅放大器反相输入端（外接 0.1uF电容至 GND） 2 FLTi 混频信号输出。内部混频器输出的信号由此管脚输出进入外部陶瓷滤波器 3 Ref2 内部基准电压源自举端（外接 10M电阻至 VDD） 4 Ref1 内部电压比较器调整端 5 Dout 内部限幅放大器输出监测端 6 WDI 看门狗计数器清零输入端。当 WDI 持续 436ms 以上无高低电平变化，将导致看门狗计数器溢出复位 7 SCL I2C串行总线时钟输入端 8 SDA I2C串行总线数据输入 /输出端。 9 /R 半双工收发控制输入端。（高电平收 /低电平发） 10 RXD_TXD 半双工数据收发输入 /输出端 11 HEAD 数据同步端 12 RESET 上电复位及看门狗计数器溢出复位输出端（高电平有效，持续时间 218ms）。当电源电压低于 4.3V 时， RESET 脚持续输出高电平 13/14 XT2o/XT2i 时钟晶体振荡器输入输出端。 XT2o、 XT2i 分别为片内反相放大器的输入端和输出端，外接晶体可以组成晶体振荡器。 PL2101 主振荡器所需时钟频率为 32.768KHz。电路连接如图所示，为使振荡器工作更加可靠，电容 C1 一般用3pF， C2的取值可在 3-6pF之间选择。 15 VBAT 备用电源输入端（可接 3V-3.6V锂电池） 16 VDDD 数字部分电源， +5.0V 福州大学本科生毕业设计（论文） 32 17 PSK_OUT 数字信号发送输出端。（驱动能力大于 16 mA） 18 GNDD 数字地 19/20 XT1o/XT1i 9.6MHz主晶体振荡器输入输出端。 XT1o、 XT1i 分别为片内反相放大器的输入端和输出端，外接晶体可以组成晶体振荡器。 PL2101 主振荡器所需时钟频率为 9.6MHz。电路连接如图所示，为使振荡器工作更加可靠，电容 C1 一般用30pF， C2的取值可在 30-68pF之间选择。若使用外部时钟，可直接从 XT1i 输入 9.6MHz 的时钟信号。 21 CLK600 600KHz本振输出端。该管脚输出 600KHz方波信号，作为外接模拟混频器 MC3357/MC3361的一本振信号，它与 SIGin输入的 120KHz 信号混频出 480KHz 的中频信号以便陶瓷滤波器进行带通滤波（当用户使用内部模拟混频器时，该引脚悬空） 22 GNDA 模拟地 23 SIGin 模拟信号输入， 50mV 800mV（ 120KHz） 24 VDDA 模拟部分电源， +4.8 5.0V 25 VFA 外接 0.1uF电容至 GND 26 PFo 电源掉电指示输出端。 PL2101 除提供内部电源电压监测复位电路外还额外提供一个模拟电压比较器，它的一个输入端接片内的 2.5V 电压基 准源， 另一个输入端即 CMP，它的输出端即 PFo 27 CMP 电源掉电监测外部比较输入端 28 FLTo 滤波信号输入。当混频信号经过带通滤波后由此管脚进入内部限幅放大器 7.1.3 PL2101 的工作原理 PL2101有两种工作模式，即发送 (TXD)和接收 (RXD)模式。在发送模式下 SIR(收发控制输入端 )为低电平，控制器把要发送的数据按照规定的格式封装成为帧，在 HEAD(数据同步端 )下降沿时输入 PL2101的 RXD_TXD脚 (数据收发输入 /输出端 )，上升时锁存，并由 PL2101对数据进行扩频、 调制生成 50K-300KHz的 BPSK调制信号，再经耦合电路耦合到电力线上发送出去；接收模式下 S/R为高电平，同时来自电力线上的经过 BPSK调制的信号通过耦合电路及滤波电路后进入到 PL2101,PL2101对信号进行解扩解调处理后，通过串行口进入控制器。这样就完成数据的接收和发送。 7.2 发送驱动电路的设计 7.2.1 接口电路的分析 在与电力线的接口电路中，使用大功率 稳压 管和电阻组成限幅电路，起保护作用。它能避免系统受到诸如强雷电脉冲等瞬时过电压的干扰。而二极管 T和变压器 TN则组成调谐功率放大电路。在这 里，变压器既耦合了载波信号，又使通信电路完全地隔离电力网工频电力载波通信电路 33 信号。载波信号的发送则经过耦合变压器与电力线相连。三极管 T则用于载波信号的发送功率放大。通过 T的功率放大，载波信号的输出功率能够提高近 10倍。 在接收模式下，外围供电和偏置元件不需要再作改动，为处理方便，一般多在中频进行。即接收到信号通过耦合，滤掉交流部分，经过滤波后的输入信号经限幅及 C滤波后进入调频中频电路，差频出 120kHz的中频信号，使接收到的干扰和噪声经过变频处理，其频谱被大大扩展，留在有效频带内的能量降低，而接收到的载波信号则放大、转化为 信号幅度和频谱特性极好的 120kHz信号。再由自动增益控制放大电路放大，最后进入 PL2101进行解扩解调处理，恢复所传信息。 7.2.2 发送电路的分析 PL2101的 17脚为调相信号 (扩频信号 )输出端。此级功率放大的作用是将该脚的 开漏电压输出转换成功率输出。由于此脚内部为开漏输出，因此该脚输出时应接一个上 拉电阻。为了保证其灌入电流不要超过 4mA，此上拉电阻应不小于 1K，同时保证该脚 有不低于 3V峰峰值的信号电压输出。功率放大器本身工作在开关状态，调相信号经该 级驱动后，经电容耦合，直接送入耦合电路。 发送电路 主要由功率放大器组成。功率放大器的作用是将第 17脚输出的方波信号进行功率放大。为了 提高发送功率，采用输出级为异型复合管单电源准互补乙类推挽电路。其中， PNP型复合管采用 NPN管 2SC2813和 PNP管 9015复合， NPN型复合管采用 NPN管 9014和 PNP管 2SA1013复合，复合管的放大倍数为原来两管放大倍数的乖积，等效 rbe为复合管中第一级三极管的 rbe。电路中，用两个二极管保护 2SA102和 2SC2655；为了保护 9014和 9015不受损坏，在它们的基极和发射极之间接有保 护二极管。以下是发送电路图 7-2： 福州大学本科生毕业设计（论文） 34 图 7-2 发送驱动电路 电力载波通信电路 35 结论 电力线载波通信由于其潜在的巨大经济效益和广阔的应用前景备受工程技术人员的关注，但由于低压电力线传输特性的复杂