数字信号在电源供电线路上的载波传输电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)

数字信号在电源供电线路上的载波传输电路设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

的叠加， 因此， 在产生 2FSK 信号时可以采用模拟调频电路来实现。 FSK 解调器将接收到的 FSK 信号解调并且以原来的二进制的格式进行存贮。 一般来讲，可以附加带通滤波器用来抑制带外噪声，降低 FSK 发送器的谐波。 167。 相移键控方式 河南科技大学本科毕业设计（论文） 10 相移键控是用离散的基带数据信号去控制载波信号的相位变化， 即数据信号的信息载荷 在载波的相位变化上，利用载波相位的变化来传递信息。 通过数据信号控制开关得以选取与数据信号相对相位的数字移相信号。 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。 在发生相位突变时，由于包络不恒定会导致在通过带限信道后频谱发生扩散。 PSK 是用载波的两种不同相位表示信号“ 0”和“ 1， 可取 0 和 π 两种取值，其时域表达式为： 式中： an =  出现以概率 出现以概率 P11 P1； c 为载波角频率。 产生 PSK 信号一般有以下两种方法： 1. 调相法：将基带数字信号(双极性 )与载波信号直接相乘的方法； 2. 选择法：用数字基带信号去对相位相差 180度的两个载波进行选择。 在 PSK 系统中，由于发送端是以某一个相位做基准的，因而在接收系统中也必须有对应的基准相位作参考，如果基准相位发生变化就会造成误码。 考虑到实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的且不易被发觉， 由这种因素导致的现象称为 PSK 方式的“倒现象”或“反向工作”现象，所以在实际 应用中必须尽量避免这种现象发生。 在大信噪比条件下， PSK 的误码率比 FSK 要好。 167。 扩频通信方式 扩频通信，即扩展频谱通信 (Spread Spectrum Communication)，是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽。 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关。 在接收端则用同样的码进行相关同步接收、 解扩及恢复所传信息数据。 它是将待传送的信息数据用伪随机码 (PN 码 )调制，实现河南科技大学本科毕业设计（论文） 11 频谱扩展后再传输，接收端 则采用同样的 PN 码进行相关处理及解调，恢复原始信息数据。 扩频通信在一定程度上可以提高频带内抗干扰的能力， 但是当载波信号由于阻抗不匹配而引起信号跌落时，扩频通信也无能为力。 扩展频谱通信系统是对信息数据频谱扩展的一种通信系统。 要对信息数据的频谱进行扩展，其扩频所采用的伪随机码须有极宽且均匀的频谱特性。 这种伪随机码就叫做扩频序列。 扩频系统的性能同扩频码的性能有很大关系。 对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列； 扩频码应具有双 值自相关函数和良好的互相关特性，以有利于接收时的截获和跟踪，以及多用户应用。 从理论上说，用纯随机序列去扩展信号频谱是最理想的。 但在接收机中为了解扩应当有一个同发送端扩谱码同步的副本。 因此，实际工程中，我们只能用伪随机或伪噪声（ PN）序列作为扩频码。 伪随机序列具有貌似噪声的性质，但它又是周期性的有规律的，既容易产生，又可以加工和复制的序 列。 扩频通信要求扩频序列具有较好的自相关特性和互相关特性， 属伪随机序列（ Pseudo Noise Sequence，即 PN 序列）。 其中最常用的有 m 序列（即最大长度线性反馈 移位积存器序列） 、 Gold 序列、 M 序列（结构型非线性移位寄存器序列）等。 扩频的主要特点就是发射机和接收机必须预先知道一个预置的扩频码或密钥，扩频码必须足够长，尽量接近类似于噪声的随机数字序列。 但是，在任何情况下，他们必须保持可恢复性。 否则，接收机将不能提取发射信息。 因此，这序列是近似随机的，扩频码通常称为伪随机码 (PRN)或伪随机序列。 通常采用反馈型移位寄存器产生伪随机序列。 目前实现扩频有三种方式：直接序列扩频、跳频扩频和脉冲线性扩频 （ ChirpSS)。 扩频技术具有伪随机码调制和相关处理两大特点。 正是 这两大特点，使扩频通信有许多优良特性， 如抗干扰性强、 抗多径干扰、 可以实现码分多址等。 采用该技术，能在很大程度上克服电力线的大衰减、强干扰的缺陷，提高了通信系统的能力。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 12 167。 正交频分复用 正交频分复用是一种多载波调制技术。 主要是把高速传输的数据流分解成若干个子比特流，每个子比特流具有较低的传输速率，并用低速数据流调制若干子载波。 它把有效的频谱分成许多小的信道。 它们相互重叠，并且在空间上彼此正交。 重叠越大，分成的信道数也就越多。 每个信道提供一个低的数据速率，众多信道加在一起就可以获得较高的数 据速率和更有效的频谱利用率。 它具有频谱利用率高，信号调制解调易于实现等优点，同时可以较好地解决电力线通信信道的多径衰落和频率选择性衰落，已广泛地应用于电力线通信、无线局域网（ WLAN）等技术领域。 由于 OFDM 技术可以选用 IFFT/FFT 方法来实现各个子信道的调制和解调，因此随着大规模集成电路技术和数字信号处理技术的飞速发展， OFDM 技术的实现变得极为容易。 目前常采用 DSP 实现调制和解调，这种调制技术具有抗噪声、抗多径干扰、抗衰落等优点。 扩频和 OFDM 都具有抗干扰能力强、通信速率高等特点，但是 因为它们的调制原理不同，所以在实际应用中有一定的差异。 主要体现在发射功率、调制效率、抗干扰性能、抗多径能力等方面。 由于 FSK 传输速率相对较低，频带利用率不高，但其实现简单，甚至可以用软件实现，因此仍得到了广泛应用。 将 FSK 应用到 PLC 中时，对其具体实现进行设计，使之能够与 PLC 的信道特点相适应，以达到较好的传输性能。 综合考虑到以上几种调制解调方式的优缺点以及实际情况，我们选择 FSK作为调制解调模式。 167。 电力线载波 河南科技大学本科毕业设计（论文） 13 图 21 电力线原理框图 如图 21 所示为实现电力线载波通信的原理框图。 图中 A 端为发电厂、B 端为变电所，发电厂产生的 50Hz 电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后供给用户。 利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线上。 常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。 它由耦合电容 C 和结合滤波器 F 组成。 耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。 而对 50Hz 电流具有极大的衰减，防止 50Hz 电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安 全的目的。 图中电力线上很高的 50Hz 电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全的。 阻波器 T 是一个调谐电路，其电感线圈时能通过很大 50Hz 电流的强流线圈，保证 50Hz 电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信号通过，起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。 总之，利用这些线路设备，耦合问题得到了解决。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 14 图 22 电力线载波设备框图 电力线载波通信在两个方向采 用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上来回传送，是双频带二线制双向通信。 其具体过程为： A 端的语音信号 (O． 3— 3． 4kHz)经差接系统，与频率为斤的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为 f+(O． 3～ 3． 4)kHz 的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器 Fl、耦合电容器 C1 送到电力线的耦合相线上。 由于阻波器 Tl 的存在，高频信号沿电力线传输到 B 端，再经过 B 端的 C F2 送入 B 端载波设备。 中心频率为 f1 的收信带通滤波器滤出斤 +(0． 3— 3． 4)kHz 的高频信号，经过放大、 解调以后得到 A 端的语音信号。 按照相同的方式，将 B 端的语音信号通过厶 +(0． 3～ 3． 4)kHz 的高频信号传输到 A 端，这样就可以实现双向电力线载波通信。 电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。 但电力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。 实际上，线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。 图 中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。 它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。 使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距河南科技大学本科毕业设计（论文） 15 离受到限制；而 使用频率太低，将受到 50Hz 工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。 国际电工委员会 (IEC)建议使用频带一般为 30～ 500kHz。 在实际选择频带时，必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。 国内统一的使用频带为 40～ 500kHz。 电力线载波通信在充分利 40～ 500kHz之间的 460kHz频带时，和通信线载波通信在充分利用线路频带有着明显的不同。 通信线是专门为开设载波通信而架设的，为了充分利用这条线路，根据其传输特性的限制，在其可使用的频带内开 设多路通信，达到全频带都能合理的利用。 电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。 同一发电厂、变电所种不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。 这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。 由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每条电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用，使得同母线的各条电力线上只能限制在共同使用的 40～ 500kHz 的频带。 此外，在同一个电 力系统中电力线是相互连接的，要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。 这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比40～ 500kHz 窄 167。 实现电力线载波通信的难点 由于电力线是给用电设备传送电能的，而不是用来传送数据的，所以电力线对数据传输有许多限制，因此电力线通信具有以下特点。 ① 配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。 ② 三相电力线间有很大信 号损失（ 10dB～ 30dB）。 通信距离很近时，不同相间可能会收到信号。 一般电力载波信号只 能在单相电力线上传输。 ③ 不同信号耦合方式对电力载波信号损失不同，耦合方式有线 地耦合和线 中线耦合。 与线 中线耦合方式相比，线 地耦合方式电力载波信号损失十几dB，但线 地耦合方式不是所有地区电力系统都适用。 ④ 电力线存在脉冲干扰。 河南科技大学本科毕业设计（论文） 16 目前国内使用的交流电频率为 50Hz，周期为 20ms。 在每一交流周期中，出现两次峰值。 两次峰值会带来两次脉冲干扰，因此电力线上存在固定的 100Hz脉冲干扰，干扰时间约 2ms。 为了保证数据传输的可靠性，必须加以处理。 有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短， 实际应用与交流波形同步不好控制，现场通信数据帧又比较长，所以难以应用。 ⑤ 电力线对载波信号造成高削减。 当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 1Ω 以下，造成对载波信号的高削减。 实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几 km。 但当电力线上负荷很重时，只能传输几十 m。 因此，只有通过进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。 提高载波信号功率会增加产品成本和体积。 因此电力线上的高削减、高噪声、高变形，使电力线成为一个不理想的通信媒介；但由于现代通信技术的发展，使电力线载波通信已成为可能。 167。 系统总体 设计方案的构成 根据 FSK 电力线载波通信系统基本硬件功能模块和设计的要求，完成主要有串口通信模块，微控制器模块、 FSK 调制解调器 模块、电力线耦合 模块和其他外围模块组成。 167。 串口通信模块 设计方案的确定 串口通信模块是实现单片机 PC 机 通信 的核心模块 ,主要用来通过与 PC机互联通信下载程序到微控制器芯片 STC12C5A60S2以达到对 FSK调制解调模块的控制。 方案：该模块主要使用 MAX232 芯片，下面对该芯片做简单介绍： MAX232 是一种双组驱动器 /接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在 单 5V电源供电时提供 EIA/TIA232E 电平。 每个接收器 EIA/TIA232E电平输入转换为 5V TTL/CMOS 电平。 这些接收器具有 的典型门限值 的典型迟滞，而且可以接收177。 30V 的输入。 每个驱动器将 TTL/CMOS 输入电平转换为 EIA/TIA232E 电平。 所有的驱动器、接收器及电压发生器都可以在河南科技大学本科毕业设计（论文） 17 德州仪器公司的 LinASICTM 元件库中得到标准单元。 MAX232 的工作温度范围为 0℃至 70℃， MAX232I 的工作温度范围为 40℃至 85℃。 芯片特点：。