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基于CPLD的高壓電力線FSK MODEM設(shè)計(jì)
摘要：介紹應(yīng)用CPLD實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的FSK MODEM的設(shè)計(jì)方法；探討如何優(yōu)化算法和改良電路來(lái)減少系統(tǒng)的誤碼率，并給出應(yīng)用電路。1 國(guó)內(nèi)電力線載波的應(yīng)用
在電力系統(tǒng)中，由于電力線載波使用堅(jiān)固可靠的高壓電力線作為信號(hào)的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設(shè)投資，再加上電力線載波信息傳輸穩(wěn)定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時(shí)復(fù)用遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)等特點(diǎn)，使得這種電力系統(tǒng)獨(dú)有的通信方式在數(shù)字微波、一點(diǎn)多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現(xiàn)的今天仍得到持續(xù)的發(fā)展。
由于數(shù)據(jù)信號(hào)的信噪比決定傳輸距離的遠(yuǎn)近，因此電力線載波通信的關(guān)鍵就是設(shè)計(jì)出一個(gè)功能強(qiáng)大的電力線載波專用MODEM芯片。國(guó)外在電力線載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國(guó)外公司陸續(xù)推出了自己的電力線載波MODEM芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。由于國(guó)外電力線載波MODEM芯片是針對(duì)本地區(qū)電網(wǎng)特性和結(jié)構(gòu)的，且一般是針對(duì)家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，因此在國(guó)內(nèi)使用都難盡如人意。
圖1 FSK MODEM系統(tǒng)組成
電力線載波MODEM芯片雖然容易使用，但它的中心頻率和頻偏比較固定，對(duì)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合就難以發(fā)揮作用。因此有根據(jù)特殊應(yīng)用來(lái)開(kāi)發(fā)電力線載波MODEM的必要。以下討論的就是一個(gè)應(yīng)用于100kV的高壓電力線FSK MODEM的設(shè)計(jì)。
2 實(shí)現(xiàn)電力線載波通信的難點(diǎn)
由于電力線是給用電設(shè)備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對(duì)數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線通信具有以下特點(diǎn)。
①配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用，所以電力載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。
②三相電力線間有很大信號(hào)損失（10dB～30dB）。通信距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì)收到信號(hào)。一般電力載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸。
③不同信號(hào)耦合方式對(duì)電力載波信號(hào)損失不同，耦合方式有線-地耦合和線-中線耦合。與線-中線耦合方式相比，線-地耦合方式電力載波信號(hào)損失十幾dB，但線-地耦合方式不是所有地區(qū)電力系統(tǒng)都適用。
圖2 RS232-TTL轉(zhuǎn)換及緩沖電路
④電力線存在脈沖干擾。目前國(guó)內(nèi)使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值。兩次峰值會(huì)帶來(lái)兩次脈沖干擾，因此電力線上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，必須加以處理。有一種利用波形過(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場(chǎng)通信數(shù)據(jù)幀又比較長(zhǎng)，所以難以應(yīng)用。
⑤電力線對(duì)載波信號(hào)造成高削減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對(duì)載波信號(hào)的高削減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)載波信號(hào)可傳輸?shù)綆譳m。但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十m。因此，只有通過(guò)進(jìn)一步提高載波信號(hào)功率來(lái)滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�。提高載波信號(hào)功率會(huì)增加產(chǎn)品成本和體積。
因此電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個(gè)不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線載波通信已成為可能。
3 系統(tǒng)組成及工作原理
如圖1所示，系統(tǒng)主要由兩部分組成：調(diào)制部分和解調(diào)部分。
待解調(diào)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流通過(guò)輸入緩沖器后進(jìn)入調(diào)制模塊。調(diào)制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過(guò)輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線路上。
待解調(diào)的FSK正弦波通過(guò)輸入放大器，波形變換電路變換成為FSK方波，在輸入到解調(diào)模塊解頻之后，經(jīng)過(guò)輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。
在下面我們將對(duì)這兩部分作詳細(xì)進(jìn)行說(shuō)明。
3.1 調(diào)制部分
調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)緩沖隔離后，由CPLD采樣來(lái)判斷當(dāng)前輸入電平的高低，并在FSK信號(hào)輸出端產(chǎn)生相應(yīng)頻率的方波。表1為二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的方波頻率表。
表1 調(diào)制規(guī)則表
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