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引言
隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，運用電力線作為載體進(jìn)行信號傳輸受到人們越來越多的重視，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電力線是當(dāng)今最普通、覆蓋面最廣的一種物理媒介，由其構(gòu)成的電力網(wǎng)是一個近乎天然的物理網(wǎng)絡(luò)。如何利用電力網(wǎng)的資源潛力，在不影響傳輸電能的前提下，將電力輸送網(wǎng)和通信網(wǎng)合二為一，使之成為繼電信、電話、無線通信、衛(wèi)星通信之后的又一通信網(wǎng)，是多年來國內(nèi)外科技人員技術(shù)攻關(guān)的一個熱點。電力線載波通信就是在這種背景下產(chǎn)生的，它以電力網(wǎng)作為信道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。電力線作為載波信號的傳輸媒介，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。
作為通信技術(shù)的一個新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通信技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為世界關(guān)注。我國從上世紀(jì)50年代開始從事電力線載波通信技術(shù)的研究。90年代以后，電力線載波技術(shù)的需求隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展進(jìn)一步擴大。目前，該技術(shù)開始應(yīng)用于家居自動化、遠(yuǎn)程抄表、寬帶上網(wǎng)等領(lǐng)域。專家介紹，在一些干擾大、布線困難的工業(yè)領(lǐng)域若要實現(xiàn)自動化控制，采用電力載波通信方式能達(dá)到事半功倍的效果，因此，電力網(wǎng)又被喻為“未被挖掘的金山”。
實現(xiàn)電力線載波通信的方法有很多，通常利用一個專用通信芯片實現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)部分，而系統(tǒng)的應(yīng)用部分則使用另一個控制器來完成，這種雙片法是一種不錯的選擇。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，可以合二為一，一個高級的DSP控制器可以實現(xiàn)電力線調(diào)制解調(diào)器的功能。DSP控制器可以在軟件上實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器功能，用片上外設(shè)在電力線上通過模擬終端接口,來實現(xiàn)接收和發(fā)送。
本文敘述的是一個遵從CEA709[1]協(xié)議,使用定點DSP控制器（TMS320LF2812）,從軟件和硬件上來實現(xiàn)電力線調(diào)制解調(diào)器的系統(tǒng)。文中描述了模擬終端具體的設(shè)計方法,而這個終端對穩(wěn)定的收發(fā)運行過程來說是必要的。
1 基于CEA709協(xié)議的系統(tǒng)框架
圖1為ANSI/CEA709協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的物理框圖。該協(xié)議的詳細(xì)說明可見參考文獻(xiàn)[1]。
圖1 CEA709協(xié)議物理層框圖
在軌道交通、網(wǎng)絡(luò)能源管理、智能樓宇、暖通空調(diào)、煤礦安全、能源和環(huán)境管理等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的控制網(wǎng)絡(luò)平臺LonWorks成為中國國家標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)性技術(shù)文件。全球的樓宇、家庭、工業(yè)和運輸自動化業(yè)目前大量采用了基于LonWorks平臺。LonWorks平臺是世界上最大住宅智能電表網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)平臺，被瑞典、荷蘭和澳大利亞等國家的住宅和小型商業(yè)電表的智能表所采用，而運行在此平臺上的協(xié)議是美國控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/CEA709。目前，已有越來越多的中國生產(chǎn)廠和集成商采用了ANSI/CEA709協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，例如在青藏鐵路——世界上最長的高海拔鐵路列車上，利用LonWorks技術(shù)平臺，采用ANSI/CEA709協(xié)議用于技術(shù)監(jiān)測和控制各種系統(tǒng)，包括監(jiān)測最先進(jìn)的旅客用供氧系統(tǒng)。
對于圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來實現(xiàn)CEA709調(diào)制解調(diào)器功能的系統(tǒng)框圖如圖2所示。DSP（TMS320F2812）具有150MIPS的計算能力,信號采集使用一個12位片上模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換速度為12 Msps，DSP提供多PWM來適應(yīng)電力線調(diào)制解調(diào)器。
圖2 系統(tǒng)框圖
2個片上PWM輸出和1個線驅(qū)動器用于實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送功能。一個A/D輸入用來采樣帶通輸入端口信號,以此來實現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的接收功能，帶通濾波器實際上是一個離散濾波器。它們和交流阻塞電容、耦合變壓器一起完成接口的模擬前端設(shè)計。
下面主要介紹模擬前端接口的設(shè)計過程。
2 模擬前端及接口的實現(xiàn)
CEA709通信系統(tǒng)以131.579 kHz載波頻率來定義，每個傳輸數(shù)據(jù)位由載波頻率正弦波上24個周期組成，因此波特率為5.5kbps。每個位段的相位可以設(shè)為0°而使該位置0,也可以設(shè)為180°來使該位置1。
2.1 信號接收
首先去除耦合網(wǎng)絡(luò)中的50/60 Hz電力線電壓,然后再用一個二階有源帶通濾波器濾出信號，可以檢測到131.5kHz的調(diào)頻信號。這個濾波器是通過一個運算放大器來建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個通道采樣，信號采樣序列由FIR濾波器處理，同時,這個濾波器的輸出用來進(jìn)行時鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)檢測。
采樣得到的是115 kHz的接收信號，它是載波頻率的（21/24）倍。這個信號在131.5 kHz至中頻16.5kHz的范圍內(nèi)向下采樣,然后用采樣頻率時鐘與輸入載波正弦信號混合相乘,兩個正弦波相乘的結(jié)果生成兩個正弦波頻率的“和”與“差”的合成信號，如圖3所示。
圖3 采樣后的頻率效應(yīng)
運行時,DSP在每個ADC采樣轉(zhuǎn)換完成后都會產(chǎn)生一個中斷，然后每個采樣信號就和數(shù)字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環(huán))輸出比較,來估計接收到的信號的相位。在頻率5.5kHz下,相位是確定的。如果相位小于±90°,那么就假定接收到的是“0”信號,否則就是“1”信號。
接收的位序列和已知的“位同步”域進(jìn)行比較,當(dāng)位同步數(shù)據(jù)接收到之后,調(diào)制解調(diào)器就開始搜尋“字同步”域。字同步數(shù)據(jù)標(biāo)志著消息數(shù)據(jù)的起始,同時也定義了消息數(shù)據(jù)的極性。當(dāng)包的數(shù)據(jù)確定后, 11位碼字解碼為8位的數(shù)據(jù)字節(jié)，接收字節(jié)的校驗位和通過計算得到的校驗位進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)從物理層傳送到MAC層。然后接收數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗比較,正確數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。
2.2 相位檢測
為了檢測發(fā)送信號的“0”或“1”, 中頻信號16.5kHz的相位是離散的接收信號值的形式。首先需要用接收的采樣信號驅(qū)動一個數(shù)字鎖相環(huán)，當(dāng)這個鎖相環(huán)的輸出被接收的信號同步地鎖住后,鎖相環(huán)和接收信號之間的復(fù)數(shù)相位的估算是由鎖相環(huán)調(diào)制產(chǎn)生的。復(fù)數(shù)相位的實部是余弦和,當(dāng)接收到“0”信號時，它是一個很大的正數(shù)值；相反接收到“1”時,它就是一個大的負(fù)數(shù)。復(fù)數(shù)相位的虛部是正弦和。它代表了相位有偏差,并反饋給鎖相環(huán)來調(diào)整正弦輸出,以跟蹤接收的信號。
圖4 接收信號處理框圖
圖4為完整的接收信號的處理框圖。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,加上了一個自動增益控制模塊(Automatic Gain Control，AGC)。它是通過偵測接收信號的平均大小來接收信號的。
