毕业设计――电力载波通信原理与实现

武汉科技大学本科毕业设计 本科毕业设计 题目题目： 电力载波通信原理与实现 学学 院院: : 信息科学与工程学院 专专 业业: : 自 动 化 学学 号号: : 200704134126 学生姓名学生姓名: : 郑 雷 指导教师指导教师: : 王 耀 青 日日 期期: : 二一一年六月 武汉科技大学本科毕业设计 I 摘 要 低压电力线载波通信技术是利用现有的电力线作为信号传输信道来实现一对一、 一 对多或多对多的通信技术。在本设计中主要实现主从通信，为交通信号灯系统进行相关 数据的传送。本设计采用青岛东软的电力线载波扩频通信芯片 PLCI36-III-E 来设计电力 线载波模块。在本设计中，采用的调制方式是二进制频移键控（BFSK）方式，并将调 制后的信号进行直接序列扩频以增强其抗干扰性。本设计还对其他的数字调制方式进行 了简单的介绍，通过比较分析选择 BFSK 和直序扩频方式实现信息的调制。 本设计是基于 PLCI36-III-E 的电力线载波模块，其硬件部分包括载波耦合电路、信 号发送电路（信号功率放大电路和输出功率控制电路） 、滤波接收单元（接收滤波电路 和解调电路）等。在完成本设计硬件部分的理论分析后，进行相关的测试，并对测试结 果做进一步的分析。 关键字：低压电力线载波通信； 二进制频移键控； 直接序列扩频； 电力线载波模块 硬件电路 武汉科技大学本科毕业设计 II Abstract Low-voltage power line carrier communication technology is the use of the existing power line as a signal transmission channel to achieve one to one, many or many to many communication technologies. Achieved in the design of the main master-slave communication, the traffic signal system data transmission. This design uses Power Line Carrier Qingdao Neusoft spread spectrum communication chip PLCI36-III-E to design the power line carrier module. In this design, the use of the modulation is binary frequency shift keying (BFSK) method, and modulated direct sequence spread spectrum signal to enhance its anti-interference. The design also for other digital modulation methods were brief, comparative analysis of selection methods BFSK and direct sequence spread spectrum modulation to achieve information. The design is based on the PLCI36-III-E of the power line carrier module, the hardware including the carrier coupling circuit, the signal transmission circuit (signal power amplifier and output power control circuit), the filter receiving unit (receiving filter circuit and demodulation circuit) and so on. Upon completion of the design of the hardware part of the theory analysis, the relevant tests, and test results for further analysis. Keywords: Low voltage power line carrier communication; Binary frequency shift keying; Direct sequence spread spectrum; Power line carrier module hardware 武汉科技大学本科毕业设计 III 目 录 1 绪论 .1 1.1 电力线载波通信的发展.1 1.1.1 电力线载波通信的现状.1 1.1.2 电力线载波通信的发展历史 .2 1.2 低压电力线载波通信技术.2 1.3 本文概述.3 2 电力线载波通信原理 .5 2.1 电力线载波通信调制技术概述.5 2.2 数字频率调制.6 2.2.1 二进制频移键控（BFSK） .6 2.2.2 最小频移键控（MSK） .10 2.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK） .12 2.3 正交分频复用技术（OFDM）.13 2.3.1 多载波系统.13 2.3.2 正交分频复用技术的基本原理.14 2.3.3 正交分频复用技术的优点.15 2.4 直接序列扩频方式.15 2.4.1 直接序列扩频方式的基本原理.15 2.4.2 扩频通信的理论依据与优点 .16 2.5 本章总结.16 3 电力线载波通信模块的硬件实现.17 3.1 电力线载波通信系统组成.17 3.1.1 载波耦合电路 .17 3.1.2 信号功率放大电路.18 3.1.3 输出功率控制电路.19 3.1.4 接收滤波电路 .20 武汉科技大学本科毕业设计 IV 3.2 解调电路.21 3.2.1 185kHz 信号输出电路 .22 3.2.2 低功耗窄带模拟前端 AFE3361.23 3.3 电力线载波扩频通信芯片 PLCI36-III-E .24 3.3.1 电力线载波扩频通信芯片 PLCI36-III-E 简介.24 3.3.2 PLCI36-III-E 的引脚图及引脚定义.25 3.3.3 PLCI36-III-E 相关电路.26 3.4 本章总结.27 4 电力线载波模块的测试与分析.28 4.1 电力线载波模块的工作原理 .28 4.1.1 载波耦合电路工作原理.28 4.1.2 信号发送电路工作原理.28 4.1.3 接收滤波电路工作原理.28 4.1.4 解调电路工作原理.28 4.2 电力线载波模块的测试与分析.31 4.2.1 模块测试方案概述.31 4.2.2 硬件测试部分 .31 4.2.3 整个通信过程的测试.33 4.3 本章总结.35 5 结束语.36 参考文献 .37 附图一：解调电路硬件实现图.38 附图二：低压电力线载波通信模块的硬件实现图.39 文献综述 .40 武汉科技大学本科毕业设计 1 1 绪论 低压电力线载波通信是利用低压配电线（380/220V 用户线）作为信息传输媒介， 通过载波方式将模拟或数字信号进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。1电力网作 为电能输送的专用网络，是国家基础网络之一。其网络的建设质量、机械强度、安全经 济技术指标等都是经过反复论证合理优化的。它的覆盖面之广、容量之大是任何网络都 不能相比的。因此，电力网是一种优质的不可多得的资源。电力线载波技术在国内已经 发展和应用多年，技术标准和管理规程已经相当的完备和成熟。随着电力线载波技术的 不断发展，低压电力线载波技术也得到了飞速的发展。近几年，国内涌现出许多从事电 力线载波技术研发的企业，如青岛东软、福星晓程、深圳瑞斯康、上海弥亚微等公司。 其载波芯片在自动抄表系统、报警和安全监控系统、家居自动化系统等发面有广泛的应 用。 1.1 电力线载波通信的发展 1.1.1 电力线载波通信的现状 电力线载波通信现状主要反映在载波频率使用、设备技术和维护技术等三个方面。 1.1.1.1 载波频率分配使用中的问题 目前，我国电力线载波频率使用范围为 40500kHz，载波频带带宽为 4kHz，所以 在整个载波频率范围内只能不重复安排 57 套载波机；而我们要使用的载波机数目要远 远大于这个数字。实际上，即使在这个频段内的频率，要完全利用也是非常困难的。在 低频段，存在着阻波器在制作上的困难；在高频段，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有很多地方 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）在载波频率的安排上，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，结果既影响了别 人，又影响了自己。一些频率主管部门对频率的管理也不够重视，没有严肃认真的 科学态度和科学方法。 （2）没有全局观念、统筹意识，往往就事论事。目前，电力线载波通信网络的结 构一般是点对点的形式，通道占用多，利用率低。如果将其改为交换网，可以节省 通道，并能达到灵活、可靠的效果。2 1.1.1.2 设备技术（载波模块）问题 基于模拟信号的载波机在抗干扰能力、可靠性等方面还不够完善。随着电子技术的 发展，基于数字信号的电力线载波模块的更新速度在不断的加快。目前为止，电力线载 波模块的种类非常多。例如，深圳必威尔科技的 BWP10、格力得的 PLC101S-12A 等。 武汉科技大学本科毕业设计 2 这些模块在可靠性和准确性方面都有了很大的进步。 1.1.1.3 维护技术问题 一直以来，电力线载波模块的维护技术是比较落后的。虽然电力线载波模块在不断 地更新，但是其维护方式仍然比较古老，并且在维护过程中使电路中断的时间过长。载 波模块的维护基本是在出现故障后才进行。所以，如果在通信网络中引入冗余的载波模 块并实现其与正在工作的载波模块实时保持同步，以便出现故障后不影响整个系统的运 行。这样整个系统的可靠性就进一步的提高了，而且可以实现载波模块的定期检测与维 护。 1.1.2 电力线载波通信的发展历史 在上世纪四十年代，我国除东北有几条输电线外，其它地区都处于以城市为中心的 孤立系统阶段，调度通信主要依赖明线电话，长距离调度则使用日本生产的电力线载波 机。 到了上世纪五六十年代，我国的用电量出现激增，东北、华北电网相继建成，而公 网通信的落后局面难以满足电力调度的基本需要，以明线电话、电力线载波和电缆通道 为主要方式的电力通信也迅速地发展。此时我国使用的电力线载波机主要是苏联进口， 并开始自己研制开发生产。 上世纪七十年代电力系统开始在一些信息需求量大和重要部门采用微波通信，但进 程缓慢。到七十年代末期，我国电力通信中电力线载波通信占居主导地位，其它有小容 量（120 路以下）FDM 模拟微波、邮电多路载波、电缆及架空明线等，交换机多为小容 量机电式。全国有三十多个十万千瓦以上的电网没有通信干线，只有部分地区开始形成 了各自独立的通信网；华北、东北、华东三大电网每万千瓦容量仅能提供 20 个左右的 话路，与国外差距很大；网调和省调到一些主要厂站的通信不够完善，甚至到（电力 水电）部调度中心也没有自己的通道。通信的落后已成为电力工作的薄弱环节之一。 进入八十年代，我国电力事业和电力系统迅猛发展。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， 这就要求电力系统通信更加完善和先进；与此同时，信息时代的到来，促进了全球范围 内电信科技的全面、多维发展，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。3 进入 21 世纪，低压电力线载波技术的发展速度非常快。特别是在自动抄表系统等 领域的应用十分广泛。并且基于电力线载波技术而设计的载波模块在国内市场已经出现 很多种类。随着低压电力线载波技术的发展，用户级电网的智能化发展会进入一个新的 发展阶段。 1.2 低压电力线载波通信技术 电力线载波通信（PLC）作为一种“无新线”技术，利用现有的电力网作为信道， 武汉科技大学本科毕业设计 3 实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景。其主要应用领域包括：智能小区 系统、自动抄表系统、家居智能化系统等。 1.2.1 低压电力线载波通信技术在智能小区系统中的应用 智能小区系统涉及很多方面，主要有安全自动化、通讯自动化、管理自动化等。 安全自动化包括室内防盗报警系统、煤气泄漏报警系统、室外闭路电视摄像监控系 统等；通讯自动化包括数字信息网络、语言与传真功能、有线电视、公用天线系统等； 管理自动化包括水、电、煤气的远程抄表系统、停车场管理系统、供水供电设备管理系 统、 公共信息显示系统等。 这些系统如果采用网线来实现架线， 其材料成本是非常高的， 并且施工费用也是很高的。而采用现有的电力线来实现这些系统，其施工成本和材料成 本要减少很多。 1.2.2 低压电力线载波通信技术在自动抄表系统中的应用 随着经济的发展，建筑行业的发展迅速。居民数和独立的电能表数量迅速的膨胀， 并且多种电价制度的推行，使得传统的人工抄表方式难以适应现在的抄表工作的要求。 所谓自动抄表系统就是自动采集各种计量表的读数( 如：电表、水表、煤气表、冷 气表等) ，现在采集数据方法有：电话线、无线电、电力线和红外线等等。基于电力线 的数据收集不但有效地降低系统的成本同时可以方便快捷地实现自动化抄表。并且由于 这种系统采用半双工的通信方式，所以它能很容易地做到监控用户用电参数，欠费断电 等其他系统没有的功能。 1.2.3 低压电力线载波通信技术在家居智能化系统中的应用 把电力线通信技术、网络、微控制器相结合，是在现有基础上推进家庭自动化的最 现实最经济的途径，即以电力线为物理媒介，把分布在住宅各个角落的微控制器和家电 PC 机连成一个网络。其优点是：电力线和信号线合一，无须布设信号线；人们原来使 用和维护电器的习惯都不受影响，家电无须增加双绞线、红外等接口，只要在内部配备 电力线载波通信芯片，再更新程序就行了，对老式家电的改造也很容易；家电的信息量 小，电力线载波速度慢的缺点不突出。因此电力线载波通讯技术在家居智能化应用方面 有着广泛的前景，特别是在中速率传输应用方面，因其具有可靠性高、造价低廉优点， 故可以与“蓝牙”相媲美。4 1.3 本文概述 目前国内有许多家企业从事电力线载波模块的研发工作。电力线载波芯片的种类也 非常的多，这些芯片主要采用 FSK（频移键控方式） 。低压电力线载波技术相比通过光 纤和明线实现通信，其成本要低很多。但是，在可靠性和准确性以及抗干扰的能力、接 收灵敏度方面要差很多。因此，在本论文中主要论述的内容如下： 1. 概述低压电力线载波的基本原理。简述在电力线载波领域的几种不同的调制方 武汉科技大学本科毕业设计 4 式，着重介绍BFSK和OFDM载波方式。 2. 低压电力线载波模块的设计原理以及其硬件电路的分析与实现。 重点介绍低压电 力线载波模块的各个部分电路的作用。 3. 低压电力线载波模块通信的测试与分析。 主要包括电力线载波模块的具体工作原 理及其测试方案和测试过程中出现的问题与分析等。 武汉科技大学本科毕业设计 5 2 电力线载波通信原理 电力线载波通信是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高 速传输的技术。在电力线载波通信系统中最基本的一项任务就是根据通信信道的不同选 择不同的调制方式。本章主要介绍电力线载波通信中的数字调制方式，重点介绍本设计 中所采用的二进制频移键控（BFSK）调制方式和直接序列扩频方式。 2.1 电力线载波通信调制技术概述 一般来说，基带信号含有直流分量和频率较低的频率分量，往往不能作为传输信号 在信道中直接传输，因此，必须把基带信号转变为一个相对基带频率而言频率非常高的 带通信号（称为已调信号）以适合于信道传输。 按照调制器输入信号（基带信号，也称为调制信号）的形式，调制可分为模拟调制 （连续调制）和数字调制。模拟调制是利用输入的模拟信号直接调制载波的振幅、频率 或相位，从而得到调幅（AM） 、调频（FM）或调相（PM）信号。数字调制是利用数字 信号来控制载波的振幅、频率或相位从而得到振幅键控（ASK） 、频率键控（FSK）和 相移键控（PSK）信号。与模拟调制相比，数字调制有许多优点，主要包括抗噪声能力 强、对信道扰动的鲁棒性高、容易传输不同形式的信息（如声音、数据和图像） 、安全 性好等。 一个通信系统的质量在很大程度上依赖于所采用的调制方式。调制是为了使信号特 征与信道特性相匹配，因此，调制方式的选择是由系统中的信道特性来决定的。显然不 同类型的信道特性，将相应存在着不同类型的调制方式。 电力线载波通信信道的基本特征是：第一，时变衰减较大。对于一般的居民用户， 我国采用的是 220 V 交流两线供电。由于电网上负载的不断接入和切出，马达的停止和 启动，电器开和关等各种随机事件，使信道特性具有很强的时变性。另外，电力线本身 的阻抗也会产生时变衰减；第二，信号变化复杂。实际测量表明在电力线上不同位置并 联的诸多不同性质的负载对信号的传输影响很大，随着负载在电力线上的连接或断开， 在不同的时刻信号衰减也会表现出不同的特点，即负载的变化是随机的，所以信号衰减 也会随机地发生变化；第三，干扰噪声多样。电力线载波通信的最大干扰是噪声，其主 要来源是电力网上的所有负载、无线电广播和天电等。电力线的噪声在室内和室外有所 不同，但大致可分为五类：有色背景噪声，这类噪声主要来源于交直流两用电动机，其 功率谱密度随着频率的增加而减小，变化缓慢；窄带噪声，主要由电力线的驻波或谐振 和短波广播所致，其功率谱密度在该频段内几乎保持不变；与工频异步的周期性噪声， 来源于电力线上的一些电子设备，主要分布在 50Hz-200Hz；与工频同步的周期性噪声， 一般由工作在电网频率的开关器件造成其噪声频率为工频或其整数倍，持续时间长，频 域覆盖范围广，功率大，功率谱密度随频率上升而减少；突发性噪声，主要由电器突然 武汉科技大学本科毕业设计 6 开关造成，出现的时间是任意的，其噪声功率谱密度高，持续时间短，频谱宽。噪声对 电力线载波通信的影响如图 2.1 所示。 图 2.1 噪声对电力线载波通信的影响示意图 总之，针对电力线载波通信信道的以上特点，已调信号应具有高的频谱利用率、抗 噪声和抗干扰能力强、 适宜于在衰落信道中传输等特点。 高的抗干扰和抗多径衰落性能， 要求在恶劣的信道环境下能很好地工作，经过调制解调后的输出信噪比（S/N）较大或 误码率较低。 2.2 数字频率调制 数字频率调制是基于调节器输入是数字信号的一种调制方式。数字频率调制方式相 对于数字相位调制方式在抗干扰方面好得多，但在实现上相对复杂一些。其主要有二进 制频移键控（BFSK） 、最小频移键控（MSK） 、高斯滤波的最小频移键控（GMSK）等。 这些调制方式都是对频移键控（FSK）调制方式的改进。 2.2.1 二进制频移键控（BFSK） 2.2.1.1 二进制频移键控调制的基本原理 在二进制频移键控（BFSK）中，载波频率随两个可能的信息状态（与二进制数 1 和 0 对应）而变化，1 对应于载波频率 ，0 对应于载波频率 。二进制频移键控已调信 号的时域表达式为： )cos()()cos()()( 2211 2 tnTtgbtnTtgbt n Sn n Sn FSKS （2-1） 其中 11 2 f， 22 2 f， n b是 n b 的反码。 这里，g(t)为宽度为 的矩形脉冲， P P bn -11 0 概率为， 概率为， 设输入到调制器的比特流为 n a ，1 n a，n， 武汉科技大学本科毕业设计 7 即 1, 0 1, 1 n n n a a b ； 则 FSK 已调信号在第 n 个比特区间的时域表达式为 1,)cos( 1,)cos( )( 221 111 2 n n FSK atS atS tS （2-2） 即当输入为传号“+1”时，输出频率为 的正弦波；当输入为空号“-1”时，输出 频率为 的正弦波。其原码序列及相应的波形如图 2.2 所示。 图 2.2 二进制频移键控的二原码序列和相应波形图 由式（2-1）可知，二进制频移键控已调信号可以看成是两个不同载频的振幅键控 （ASK）已调信号之和，因此)( 2 tS FSK 的频带宽度为两倍基带信号带宽与两载波频率的 和，即 |2 212 fffB sFSK （2-3） 式中， s f 是基带信号的带宽。 2.2.1.2 二进制频移键控调制信号的产生 2FSK 信号的产生通常有两种方式：频率选择法，载波调频法。由于频率选择法产 生的 2FSK 信号为两个彼此独立的载波振荡器输出信号之和，在二进制码元状态转换 （01 或 10）时刻，2FSK 信号的相位通常是不连续的，这会不利于已调信号功率谱 旁瓣分量的收敛。载波调频法是在一个直接调频器中产生 2FSK 信号，这时的已调信号 出自同一个振荡器，信号相位在载频变化时始终是连续的，这将有利于已调信号功率谱 旁瓣分量的收敛，使信号功率更集中于信号带宽内。5 （1） 频率选择法 产生频移键控信号的最简单的方法是根据数据比特 0 或 1，在独立的振荡器之间做 通断切换，如图 2.3 所示。通常，这种方式产生的频移键控信号在开关转换时刻，已调 武汉科技大学本科毕业设计 8 信号波形是非连续的，因此常称为“非连续二进制频移键控” 。具体软件仿真及其仿真 结果如图 2.4(a) (b) (c)所示。在图中，信号源 1 是一个频率为 10Hz，占空比为 50%的方 波信号； 信号源 2 是一个振幅为 2， 频率为 40Hz 的正弦信号； 信号源 3 是一个振幅为 2， 频率为 70Hz 的正弦信号；器件 0 是一个模拟选通开关和相加器的模拟比较器。由于这 种频移键控信号相位的非连续性会带来一些问题，例如，频谱扩展和伪发射等，所以在 实际的通信系统中很少被采用。6 图 2.3 非连续的二进制频移键控信号实现原理图 (a) (b) （2） 载波调频法 产生连续的二进制频移键控信号的方法是通过同一个振荡器产生一定频率的信号， 再根据数据比特 0 或 1 经过二分频和四分频产生相应的信号，在这两个信号之间做通断 切换，如图 2.5 所示。 武汉科技大学本科毕业设计 9 (c) 图 2.4 频率选择法的软件模拟图及其结果 图 2.5 连续的二进制频移键控信号实现原理图 具体软件仿真方案及其仿真结果如图 2.6 (a) (b) (c)所示。在图中，信号源 1 是一个 频率为 10Hz，占空比为 50%的方波信号；信号源 2 是一个振幅为 2，频率为 40Hz 的正 弦信号，信号源 3 是一个振幅为 2，频率为 80Hz 的正弦信号，利用信号源 2 和 3 模拟 20Hz 的信号经分频得到的两个信号；器件 0 是一个模拟选通开关和相加器的模拟比较 器。7 (a) 比较图2.4 (c) 和图2.6 (c) 可得出频率选择法和载波调频法的具体不同之处。在图 2.4 (c) 中其调制波形出现不连续的情况， 而在图2.6 (c) 中其调制波形出现的是连续的已 调信号波形。 武汉科技大学本科毕业设计 10 (b) (c) 图 2.6 载波调频法的软件模拟图及其结果 2.2.1.2 二进制频移键控的特点 二进制频移键控调制方式的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现。并 且连续的二进制频移键控调制可以有利于已调信号功率谱旁瓣分量的收敛，使信号功率 更集中于信号带宽内。这在抗干扰方面有很好的优势。 2.2.2 最小频移键控（MSK） 2.2.2.1 最小频移键控的定义 最小频移键控（MSK）是一种线性、连续相位路径，且其频差是满足两个频率相互 正交的最小频差的数字调制技术。 与 FSK 相比， MSK 消除了码元转换时刻的相位突变， 从根本上解决了包络起伏问题，其频谱滚降得到了显著改善。 由以上分析可得，MSK 信号可表示为 cos)( kkdcMSK xtttS = bbk b k c TktkTxt T t) 1(, 2 cos （2-4） 2.2.2.1 MSK 调制的基本原理 将 MSK 信号进行正交展开，则有 bbk b k cMSK TktkTxt T ttS) 1(, 2 cos)( 武汉科技大学本科毕业设计 11 = k b k ck b k c xt T txt T tsin 2 sincoscos 2 coscos k b k ck b k c xt T txt T tsin 2 cossincos 2 sinsin （2-5） 考虑到，则或0, 1 kk x )(tSMSK = k b ck b c x T t tx T t tcos 2 sinsincos 2 coscos ； bb TktkT) 1( （2-6） 令同相分量则正交分量,cos,cos kkkkk xQxI t T t Qt T t ItS c b kc b kMSK sin 2 sincos 2 cos)( ； bb TktkT) 1( （2-7） 由式（2-7）可以看出，MSK 信号可由两个正交的调幅信号合成。只要找到等效数据 k I 和 k Q 与输入序列 k 之间的关系，就可以构成 MSK 调制器。 根据相位约束关系式： kkk kkk kkkk kx x k xx 11 11 11 , , 2 )( ，并考虑到 或0, 1 kk x，可得 2 )(coscos 11 k xxI kkkkk 2 )sin(sin 2 )cos(cos 1111 k x k x kkkkkk （2-8） 因为2, 0, 0sin 11 kkk x，所以0 2 )sin( 1 k kk ，由此可得 2 )cos(cos 11 k xI kkkk 2 )cos(cos 11 k xQ kkkkk 等效数据 和 与原始数据 之间的关系如表 2-1 所示。 表 2-1 MSK 调制等效数据 k I 和 k Q 与原始数据 k 之间的关系 前后码元同极性（ 1 kk ） 前后码元不同极性（ 1 kk ） 等效数据 K为奇数或偶数 K为奇数 K为偶数 k I 1 kk II 1 kk II 1 kk II k Q 1 kk QQ 1 kk QQ 1 kk QQ 武汉科技大学本科毕业设计 12 从 MSK 信号的正交表达式以及等效数据 k I 和 k Q 与原始数据 k 之间的关系可以看 到，只要先将原始数据 k 变换成等效数据 k I 和 k Q ，分别经过加权处理后进行正交调制， 两者的合成即为 MSK 信号。8 2.2.3 高斯滤波的最小频移键控（GMSK） 2.2.3.1 高斯滤波的最小频移键控的定义 GMSK 是使用高斯滤波器（称为预调制滤波器）作为调制前基带滤波器，将基带信 号形成高斯脉冲后再进行 MSK 调制的一种数字调制方式。 2.2.3.2 GMSK 调制基本原理 GMSK 的基本原理是基带信号先经过调制前高斯滤波器成形，再进行 MSK 调制。 由于成形后的高斯脉冲的包络无陡峭边沿，也无拐点，经过调制后的已调波相位路径可 在 MSK 的基础上进一步得到平滑。GMSK 的调制原理图如图 2.7 所示。 图 2.7 GMSK 调制原理框图 为了使输出的频谱密集，预调制滤波器应具有以下特性： （1）窄带和尖锐的截止，以抑制不需要的高频信号分量； （2）脉冲响应过冲量小，防止调制器产生不必要的瞬时频偏； （3）保持滤波器输出脉冲响应曲线下的面积对应于/2 的相移量，使调制指数为 1/2。 为了满足以上特性， “高斯滤波器”的传输函数为 )exp()( 22 fafH （2-9） 其中，a是与滤波器 2dB 带宽 b B 有关的一个系数；其 3dB 带宽 b B 定义为 令2/1)( 2 b BH，即 2/1)2exp( 2 2 b Ba 所以 5887. 0 2 2ln b aB 可见，改变a时，则 b B 也随之改变。 根据传输函数可求出滤波器的冲激响应为 )exp()()( 2 2 2 2 t aa dffHth e ftj （2-10） 对三种数字调制方式进行比较可得：二进制频移键控调制方式是一种比较简单的调 武汉科技大学本科毕业设计 13 制方式。这种调制方式易于实现、转换速度快、波形好、稳定度高，国内许多的电力线 载波芯片都采用这种调制方式。所以本设计选用的载波芯片就是青岛东软的采用 BFSK 调制方式的载波芯片 PLCI36-III-E。 2.3 正交分频复用技术（OFDM） 2.3.1 多载波系统 多载波系统中，首先把一个高速的数据流分解为若干个低速的子数据流（每个子数 据流将具有低得多的比特速率） ，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制 相应的子载波，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。其基本结构如图 2.8 所 示。在单载波系统中，一次衰落或者干扰就可以导致整个传输链路失效；而多载波系统 中，某一时刻只会有少部分的子信道会受到衰落或干扰的影响。因此，多载波系统具有 较高的传输能力以及抗衰落和干扰的能力。9 在多载波传输技术中，对每一路载波频率（子频率）的选取有多种不同的方法，子 载波的不同选取将最终决定已调信号的频谱宽度和形状。目前，子载波的选取有传统的 频分复用、3dB 频分复用、正交频分复用三种方案。 图 2.8 多载波系统的基本结构 2.3.1.1 传统的频分复用 传统的频分复用，如图2.9 (a) 所示。这种方案的优点是实现简单、直接；缺点是其 频谱利用率低，子信道之间要留有保护频带，而且多个滤波器的实现也有不少困难。 2.3.1.2 3dB频分复用 这种方案是采用偏置QAM技术，使得已调信号的频谱部分重叠，其复合谱是平坦 的，如图2.9 (b) 所示。 2.3.1.3 正交分频复用（OFDM） 这种方案中，各子载波的频谱有1/2的重叠，但子载波保持相互正交；在接收端通过 相关解调技术可以实现各子路分离，如图2.9 (c)所示。这种方案的优点是其可以避免使 用滤波器组，同时可提高频谱效率近1倍。 武汉科技大学本科毕业设计 14 (a) 传统的频分复用 (b) 3dB频分复用 (c) OFDM 图2.9 子载波频谱图 2.3.2 正交分频复用技术的基本原理 OFDM的原理框图如图2.10所示。图中输入数据为二进制数字信号，其码元宽度为 b T ，信息速率为 b R 。设串并变换器将N比特串行数据变为N路并行数据，则这N路并行 数据仍为二进制数字信号，但码元宽度为N b T 。 图2.10 OFDM原理框图 在OFDM中，调制器的载波信号互相正交，若图2