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基于CPLD的高壓電力線FSK MODEM設計
摘要：介紹應用CPLD實現(xiàn)非標準的FSK MODEM的設計方法；探討如何優(yōu)化算法和改良電路來減少系統(tǒng)的誤碼率，并給出應用電路。1 國內(nèi)電力線載波的應用
在電力系統(tǒng)中，由于電力線載波使用堅固可靠的高壓電力線作為信號的傳輸媒介，可節(jié)省大量的通道建設投資，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復用遠動信號等特點，使得這種電力系統(tǒng)獨有的通信方式在數(shù)字微波、一點多址、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)信號的信噪比決定傳輸距離的遠近，因此電力線載波通信的關鍵就是設計出一個功能強大的電力線載波專用MODEM芯片。國外在電力線載波通信技術方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續(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準。由于國外電力線載波MODEM芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性和結構的，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設計，因此在國內(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，對特殊的應用場合就難以發(fā)揮作用。因此有根據(jù)特殊應用來開發(fā)電力線載波MODEM的必要。以下討論的就是一個應用于100kV的高壓電力線FSK MODEM的設計。
2 實現(xiàn)電力線載波通信的難點
由于電力線是給用電設備傳送電能的，而不是用來傳送數(shù)據(jù)的，所以電力線對數(shù)據(jù)傳輸有許多限制，因此電力線通信具有以下特點。
①配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用，所以電力載波信號只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送。
②三相電力線間有很大信號損失（10dB～30dB）。通信距離很近時，不同相間可能會收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。
③不同信號耦合方式對電力載波信號損失不同，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。兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，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。有一種利用波形過零點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒�，但由于過零點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)場通信數(shù)據(jù)幀又比較長，所以難以應用。
⑤電力線對載波信號造成高削減。當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高削減。實際應用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸?shù)綆譳m。但當電力線上負荷很重時，只能傳輸幾十m。因此，只有通過進一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊�。提高載波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積。
因此電力線上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線成為一個不理想的通信媒介；但由于現(xiàn)代通信技術的發(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)的二進制數(shù)據(jù)流通過輸入緩沖器后進入調(diào)制模塊。調(diào)制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過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)過輸出緩沖器就可以得到二進制數(shù)據(jù)流。
在下面我們將對這兩部分作詳細進行說明。
3.1 調(diào)制部分
調(diào)制方式為FSK，數(shù)據(jù)為'1'時，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數(shù)據(jù)為'0'時，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
輸入的二進制數(shù)據(jù)流經(jīng)過緩沖隔離后，由CPLD采樣來判斷當前輸入電平的高低，并在FSK信號輸出端產(chǎn)生相應頻率的方波。表1為二進制數(shù)據(jù)對應的方波頻率表。
表1 調(diào)制規(guī)則表
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