载波调制解调器的设计毕业设计.docx
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载波调制解调器的设计毕业设计
电力线载波调制解调器的设计
电力线载波调制解调器的设计
摘要
电力线网络的特点是覆盖范围大，电力线通信由于通信线路的特点，它适合“最后一英里”的通信接入。
而调制解调技术决定了电力线通信的传输速率、传输距离和抗干扰能力，它是电力线通信实现的关键。
本次设计主要介绍和分析了电力线载波调制解调器的内容，提出了适合电力线通信的具体实现方案。
并且介绍了基于FSK调制方式的电力线载波调制解调器的硬件设计，设计内容包括电力线耦合接口、调制解调器和控制器的设计等，用来实现以太网与电力线之间的桥接以及在电力线上的数字载波通信。
本次设计同时完成了高速电力线载波通信调制解调器的详细电路原理图设计、制作和部分调试工作，在低压电力线上进行高速的载波通信完全可行，有很广阔的应用前景和现实意义。
关键词：
电力线通信；调制；解调
TheDesignofPowerLineCarrierModulatorandDemodulator
Abstract
Thegreatestadvantageofthepower-linenetworkisthatitcoversaverywiderange.Variousbuildingshavepowerlinesaccess.DifferentfromthecommonInternet,becauseofitscommunicationcharacter,thePLC（Power-linecommunication）isashort-distancecorrespondence,itsuitstothe“lastmile”communicationsaccess.ThetechnologyofmodulationanddemodulationhaveaneffectonthePLC’stransmissionspeeds,transmissiondistanceandanti-jammingcapabilities,ThetechniqueisthekeytorealizePower-linecommunication.
Thedesignmainlyconcernsonthecontentofpowerlinecarriermodulatoranddemodulator,thepaperthroughprimarilyanalyzingthepowerlinechannel,putsforwardthespecificimplementproposalwhichsuitstothepower-linecommunication.ThearticleintroducesthehardwaredesignofpowerlinecarriermodulatoranddemodulatorindetailwhichisbasedonFSKmodulatormode,thedesigncontentincludingthedesignofpower-linecouplinginterface,modemandthecontroller.Throughanalyzinganddebugging,thedesignrealizestherelatedfunctionofpower-lineModem,Varioustechnicalindicatorshavereachedtheinitialdesigntasks.
Keywords:
Power-linecommunication；FrequencyShiftKeying；Modulation，
第一章绪论
1.1课题背景和研究意义
1.1.1电力线载波简介
电力线载波（PLC）通信是利用电力线作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。
电力线在电力载波领域一般分为高中低3类，通常高压电力线指35kV及以上电压等级、中压电力线指10kV电压等级、低压配电线指380/220V用户线。
当前已有多种高速PLC产品及系统在家庭联网、高速Internet接入、智能家居等方面得到了广泛应用。
1.1.2电力线通信的国内外研究现状
上世纪北美的电力公司就开始应用低频率、低速率、异步传输的PLC技术，来实现电力线载波远程控制和语音传输等功能。
近15年中，PLC技术的应用仍集中在电力线自动抄表（AMR）、用电负荷控制和供电管理、设备保护与监控等领域。
近几年，随着使用高频率（3～30MHz）、高速率同步传输的PLC技术的研发，正走向无限广阔的Internet宽带通信的市场。
目前，国外PLC研究的重点主要是以下几个方面：
（1）信道传输特性
（2）信道噪声特性
（3）信道电磁兼容特性
（4）信道调制编码及处理
1.2论文研究的主要内容
从电力线通信硬件设计角度来说，调制解调器的相关设计和滤波、耦合接口的设计是重点之一。
其中调制解调器决定了通信的模式及传输速率，本次设计中选择AM7910芯片为电力线载波通信调制解调器的核心器件，调制方式是FSK；滤波、耦合接口设计关系到通信能否成功以及通信的质量。
本次设计中重点研究一端发射信号、另一端接收信号的低压窄带电力线通信模块。
但在实际设计过程中，是将发射机与接收机集成在一起，工作模式通过硬件转换。
第二章电力线信道分析及调制解调器方案设计
电力线信道分析是电力线通信研究中非常重要的一部分，电力线通信的其他研究都是建立在电力线信道研究的基础上。
通过对电力线信道分析，才能找到适合电力线的最佳调制方式，从而设计出最佳的调制解调方案。
2.1结构安排
本次设计的内容结构安排如下：
第一章主要介绍了电力线载波国内外的研究现状和课题的研究内容。
第二章介绍了本次设计的结构安排，在总结、吸收国内外先进的信道研究、分析、建模的基础上，提出了最优的电力线载波调制解调方案。
第三章详细介绍FSK调制方式的电力线载波通信模块硬件设计。
这章重点是电源电路、耦合电路的设计，以及调制解调器的相关设计。
第四章细介绍电力线载波通信模块调试过程与分析。
2.2低压电力线的传输信道
对于所有的通信信道，阻抗、信号衰减和干扰是决定其性能的基本参数。
电力
线不同于普通的数据通信线路，本是用于传输电能的，当作为一种数据传输的媒介
时，会产生许多新问题，尤其是在220V/380V低压电力线上进行信号传输时，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。
因此，在使用低压电力线作为信号传输媒介之前，
需要对它的信道特性进行分析。
2.2.1输入阻抗及其变化
输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数。
研究输入阻抗，对于提高发
送机的效率，增加网络的输入功率有重大意义。
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。
电力线上的输入阻抗会随着频率的变化而剧烈变化。
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。
为了解释这一问题，可以将电力线看成是一根传输线，上面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。
并会在局部上违反电力线上阻抗随负载增大而降低的一般规律。
同时，正是由于负载会在电力线上随机地连上或断开，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。
2.2.2噪声干扰
对于低压电力网的千扰特性，人们分别对不同的地域（城市、工业区、乡村）
作了大量试验。
根据噪声千扰的不同性质可分为:
A）有色背景噪声干扰，这种干扰主要来源于交直流两用电动机，近似服从高斯分
布，它的功率一般不大;
B）随机脉冲干扰，主要由闪电和负载的开关操作所产生，近似服从泊松分布，这种干扰的功率较大，频率一般为电力系统频率的2倍，而且离接收机越近影响越大;
C）异步脉冲噪声，这类干扰主要是保护开关瞬间开闭产生的脉冲，电晕噪声也归
为该类，这类噪声可以说是电力线通信的最大障碍;
D）周期性同步噪声和周期性异步噪声，前一种是由电压触发的晶闸管整流器产
生，而后一种主要由电视接收机和显示器产生。
这两种噪声的功率很小，一般
不超过一45dBo
2.2.3高频信号的衰减及变化分析
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，高频信号在低压电力线上的传输
必然存在衰减。
电力线上的衰减随着频率的增加而增加，但在某些频率，由于负载产
生的共振现象和传输线效应的影响，衰减会出现突然的迅速增加。
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10dB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
有很大的影响。
2.3扩频通信技术
扩频通信是用高速伪随机序列去扩展所传输信息的带宽，然后进行传输，在接
收端采用发送端相同的同步伪随机序列进行信号的相关解扩，恢复所传输信息的一
种技术。
2.4系统方案的论证设计
2.4.1电力线信道结果分析
根据电力线信道对通信信号的主要影响因数，总结分析结果可得知，室内电力线信道的通信条件较恶劣。
例如：
（1）电力线信道中的噪声情况很复杂，随电力线负载的变化而变化。
这些噪声频率范围广、能量大，对电力线载波通信信号干扰很严重。
因此在接收端必须设计滤波器对接收信号进行滤波，或进行信号处理。
此外，在发射端还应该对发射信号做必要的编码相关处理，以增强信号的抗干扰能力，提高信噪比。
（2）信道衰减是电力线信道的另一个重要特性，从前面的分析可知，电力线信道衰减随通信信号频率和传输距离的增加而增大。
因此电力线通信不适合远距离传输数据，但对室内近距离、窄带通信来说，它的优势明显。
因此对低压窄带电力线通信而言，传输较低速率的数据或控制信号，则要求所选择的调制方式必须满足抗干扰和抗衰落的性能要求。
2.4.2调制方式的选择
在数字调制种中,分别是：
幅度键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）。
下面我们从频带宽度、抗误码率、信道的敏感性等方面来比较一下2ASK、2FSK、2DPSK三种二进制数字调制系统的性能。
（1）频带宽度
当码元宽度为Ts时，2ASK系统和2PSK系统的频带宽度近似为2/Ts,2FSK系统的频带宽度近似为
。
因此，从频带宽度和从频带利用率上看，2FSK系统不可取。
（2）误码率
在抗加性高斯白噪声方面，相干2PSK性能最好，2FSK次之，2ASK最差。
表1二进制数字调制系统误码率公式表
名称
与r的关系
相干2ASK
=
相干2FSK
=
相干2PSK
=
（3）对于对信道特性变化的敏感性
在2FSK系统中，不需要人为地设置判决门限，它是直接比较两路解调输出的大小来作出判断的。
在2PSK系统中，判决器的最佳判决门限电平为零，与接收机输出信号的幅度有关。
因此，它不随信道特性的变化而变化。
这时，接收机容易保持在最佳判决门限状态。
对于2ASK系统，判决器的最佳判决门限为A/2（当
时），它与接收机输入信号的幅度有关。
当信道特性发生变化时，接收机输入信号的幅度A将随着发生变化；相应地，判决器的最佳判决门限电平也将随之改变。
这时，接收机不容易保持在最佳判决门限状态，从而导致误码率增大。
因此，就对信道特性变化的敏感性而言，2ASK性能最差，而2FSK性能最好。
总结:
我们发现在频带利用率和误码率方面2PSK优于2FSK,而在信道的敏感性和设备成本方面考虑.2FSK更好一些.也正是因为FSK对信道的敏感性较高,抗噪声，抗衰减特性比较好，设备实现也不是很复杂,因而本次设计采用了FSK的调制方式。
2.4.3实现调制的方案选择
基于FSK调制解调的Modem实现有多种方式,这里主要介绍其中的两种方案:
一种是依靠单片机通过软件来实现,另一种就是通过专用的集成芯片来实现.
然而要想解决电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用Modem芯片的设计和应用。
国外公司在标准频率范围下，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Modem芯片。
由于国外电力线载波Modem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Modem芯片在一定应用领域可勉强使用。
本次设计采用的是芯片AM7910。
AM7910是美国AMD公司生产的一种性能稳定的调制解调器（Modem）芯片,是公共电话交换网中计算机数据通信的专用Modem芯片,是功能完整可编程异步移频键控（FSK）Modem集成电路。
芯片采用±5V供电，数字输入输出为标准TTL电平，调制输出最高电平在600Ω时为-3dB，解调接收灵敏度最弱信号为-43dB，支持300bit／s，600bit／s，1200bit／s二线半双工和四线全双工。
本次设计采用的这个芯片，主要是芯片的价格与同类芯片相比，价格最为便宜。
芯片的多项指标都能达到设计要求。
第三章电力线调制解调电路设计
采用合理的调制解调方式、恰当的电路设计，在一定距离还是可以达到通信的目的。
比如在要求传输速率不太高、通信距离不太远的前提下，FSK调制方式是一个理想的选择。
下面将介绍基于FSK调制方式的电力线载波通信模块硬件设计。
图1电力线调制解调设计框图
3.1FSK介绍
频移键控（FSK）：
是最常用的一种二元调制方式,即按数字数据的值（0或1）调制载波的频率。
例如对应二进制0的载波频率为F1，而对应二进制1的载波频率为F2。
该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。
在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。
图2FSK信号波形
图3FSK参数说明
其中|F2-F1|=波特率*偏差
中心频率=（F1+F2）/2
波特率=1/元素长度
通常FSK信号可以表示为
（3-1）
其中
和
为振荡器的初相,
和
是FSK的两个频率。
3.2FSK调制电力线通信系统
由于项目设计是采用FSK的调制方式，所以在设计之前先对FSK调制的电力线通信系统性能进行分析。
3.2.1电力线通信系统建模
电力线通信系统的主要组成部分有发射/接收机、电力线以及系统中的电子负载。
由于它们自身的特性，都会对通信造成影响。
一般来说，电力线通信调制解调器都要连接到一个耦合变压器的次级，即通常所说的接口。
图4电力线通信等效电路图
设n表示耦合变压器的转换比率，
和
是等效的阻抗和感抗，他们可以分别写
成：
这里Rs和Rp是变压器次级和主级的直流阻抗；
和
分别是变压器两级的感抗。
图中C1和C2是调制解调器耦合电容，
和
是变压器的等效电路元件，
和
是电力线路的等效元件。
等效电路图中的ABCD参数计算如下：
在（3-10）式中
Zi（s）和Zo（s）分别是等效电力线通信网络的输入和输出阻抗；
是电压传输函数，它可以用来计算源端与负载端之间由电路引入的损失，这种损失可以表示成
、
，这里的
是整个网络在输入端的可用功率，按最大功率转换原则，
可写成：
是消耗在负载阻抗ZL上的功率：
整个网络在输入端与输出端之间的功率损失按（3-14）式计算：
传输函数Av（s）的系数如下：
按照通常的电力线通信调制解调器设计，这里的
可以写成：
3.2.2FSK调制电力线通信系统性能分析
对低压窄带电力线通信，相比采用ASK调制会由于系统引入噪声而影响载波FSK
调制具有一定的抗干扰能力。
连续FSK调制的误码率
表示为：
这里的erfc（）是互补误差函数，Eb/N0可写成：
（3-25）式中的C是载波功率，N是噪声功率，
是接收机噪声带宽，
是波特率。
载波对噪声的比是：
这里的（C/N）t是在信道热噪声下的载波与噪声的比率，（C/I）k是载波与第k个干扰之比。
通常连接到电力线上的用电设备是电力线通信系统主要的干扰源，如日光灯整流器、荧光灯、灯光亮度调节器、电动机、显示器、计算机、电扇等。
常规的通信系统中，
信号幅度都是比较高的，因此热噪声并不会真正使PLC性能下降。
如果忽略FSK
性能分析中的热噪声影响，则可得到：
根据以上分析，给出了采用FSK调制的电力线通信性能分析示意图，说明了误码率与载波频率、通信距离及电力线负载阻抗的关系。
从中我们可以发现误码率随载波频率的增大而升高，随通信距离的增大而加大，随
着负载阻抗的增大而减小。
图5误码率与载波频率关系示意图
图6误码率与通信距离关系示意图
图7误码率与负载阻抗关系示意图
3.3调制解调器电路
3.3.1调制解调器核心器件
设计中选用的调制解调芯片为AM7910，是功能完整可编程异步移频键控（FSK）的Modem集成电路。
图8AM7910芯片原理框图
AM7910采用N沟道MOS工艺制造，输出采用TTL结构，28管脚塑料或陶瓷双列直插式封装，塑料封装总工作电流为80mA，陶瓷封装总工作电流为10mA。
表2AM7910引脚的功能含义
管脚
信号
功能定义
管脚
信号
功能定义
1
RING
振铃信号
13
CTS
清除发送
2
VCC
＋5V电源
14
BCTS
基带清除发送
3
RESET
复位
15
BRXD
基带接收数据
4
VBB
－5V电源
16
DTR
数据终端准备
5
RC
接收载波
17-21
MC0-MC4
工作方式控制位
6
CAP1
外接电阻电容
22
DGND
数字地
7
CAP2
外接电阻电容
23
XTAL2
外接晶体
8
TC
发送载波
24
XTAL1
外接晶体
9
AGND
模拟地
25
CD
载波检测
10
TXD
发送数据
26
RXD
接收数据
11
BRTS
基带请求发送
27
BCD
基带载波检测
12
RTS
请求发送
28
BTXD
基带发送数据
3.3.2工作原理
UART为通用异步接收器/发送器芯片，RC为接收的调制信号，TC为发送的调制信号。
解调过程是调制过程的逆过程,移频键控（FSK）信号常用的解调方法是相干检测法和非相干检测法。
由于AM7910内部具有数字、模拟带通滤波器和其它类型的滤波器,故不需外加滤波电路。
图9AM7910数据接收原理框图
3.3.3由AM7910为主体的调制解调器
AM7910是双列直插式的28脚封装，±5V供电，数字输入输出为标准TTL电平，调制输出最高电平在600Ω时为－3dB，解调接收灵敏度最弱信号为-43dB，支持300bit／s，600bit／s，1200bit／s二线半双工和四线全双工。
（1）发送数据过程
首先终端设备PC机通过RS232的发送数据端TXD向AM7910发送数字信号，当AM7910收到发送来的请求信号后作出响应，同时接受发送来的数字信号。
信号进入主芯片后，经过一系列的运算和处理，输出调制以后的正弦信号。
信号再通过运放加以放大后，经变压器T1发送出去。
（2）接收数据过程
当T2变压器接收到载频信号，打开接收数据口，在收到对方发出的调频信号后，经单运放放大，再由AM7910的内部器件所组成的有源滤波器将无用边带及噪声源扼制掉，有用的调频信号传输到AM7910解调器，经解调后，将数据信号传输串口后，电平提升后经RXD接口至计算机。
图10调制解调电路图
3.4耦合电路
此次设计的Modem是用于电力线上传输数据，而电力线经常出现风雨雷电，所以我们在作设计要做好Modem的保护电路设计。
表3三种防雷管的性能参数
参数
放电管
MOV
TVS
电容
很小
大
较小
残压
高
中
低
通流容量
大
大
小
响应速度
慢
快
很快
在此次设计中是采用不同器件组合成三级避雷器，第一级用放电管作过压保护，中间极用隔离阻抗压敏电阻限流，第三级用TVS瞬态二极管再进行过压保护，这样可以发挥各器件之所长。
图11耦合电路电路图
3.5调制解调器的串口电路
3.5.1串口通信
RS-232常用于连接一个Modem,其他拥有RS-232接口的设备包括打印机、数据采集模块、测试装置和控制回路。
RS-232有几个优点：
（1）RS-232应用广泛，每一台PC都有一个或多个RS-232端口。
（2）在微控制器中，接口芯片使得一个5V串口转换成RS-232变得非常容易。
（3）连接距离可以达到50-100英尺。
（4）对于双向连接，只需要3条导线。
3.5.2RS-232的特性
EIA-RS-232-C对电器特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。
在TXD和RXD上：
（1）逻辑1（MARK）=-3V~-15V
（2）逻辑0（SPACE）=+3V~+15V
表4RS232的机械特性
状态
低电位（LOW）
高电位（HIGH）
电压范围
-3~-15
+3~+15
逻辑
1
0
名称
Mark
Space
在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：
（1）信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V~+15V
（2）信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V~-15V
EIA-RS-232-C与TTL转换：
EIA-RS-232-C用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平来表示逻辑状态的规定不同。
因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA-RS-232-C与TTL电路之间进行电平和逻辑关系变换。
实现这种变换的方法可以是分立元件，也可以是集成电路芯片。
3.5.3调制解调器的串行接口电路的设计
Max202这个IC的内部提供了一组将+5V电源转换成10V的DC-DC电源转换电路，因此外部只需提供+5V电源即可将TTL电平转换成为EIA电平。
MAX202内部一组DC-DC的电源转换电路，只需在外部加上4个电容就能发挥电压转换的功能。
图12调制解调器的
升级会员 