基于CPLD和電力線載波MODEM芯片實現高壓電力線FSK MODEM的設計

1 國內電力線載波的應用

在電力系統中，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，可節省大量的通道建設投資，再加上電力線載波信息傳輸穩定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時復用遠動信號等特點，使得這種電力系統獨有的通信方式在數字微波、一點多址、光纖、特高頻等通信方式相繼出現的今天仍得到持續的發展。

由于數據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展較早，多家國外公司陸續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芯片是針對本地區電網特性和結構的，且一般是針對家庭內部自動化而設計，因此在國內使用都難盡如人意。

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揮作用。因此有根據特殊應用來開發電力線載波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，而不是用來傳送數據的，所以電力線對數據傳輸有許多限制，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域范圍內傳送。

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電力系統都適用。

④電力線存在脈沖干擾。目前國內使用的交流電頻率為50Hz，周期為20ms。在每一交流周期中，出現兩次峰值。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。為了保證數據傳輸的可靠性，必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內進行數據傳輸的方法，但由于過零點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，現場通信數據幀又比較長，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到幾km。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據傳輸的要求。提高載波信號功率會增加產品成本和體積。

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；但由于現代通信技術的發展，使電力線載波通信已成為可能。

3 系統組成及工作原理

如圖1所示，系統主要由兩部分組成：調制部分和解調部分。

待解調的二進制數據流通過輸入緩沖器后進入調制模塊。調制模塊輸出的FSK方波經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，在輸入到解調模塊解頻之后，經過輸出緩沖器就可以得到二進制數據流。

在下面我們將對這兩部分作詳細進行說明。

3.1 調制部分

調制方式為FSK，數據為‘1‘時，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數據為‘0‘時，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。

輸入的二進制數據流經過緩沖隔離后，由CPLD采樣來判斷當前輸入電平的高低，并在FSK信號輸出端產生相應頻率的方波。表1為二進制數據對應的方波頻率表。

隨著二進制數據的跳變，在FSK信號輸出端產生不同頻率的方波，從而形成了FSK調制波形（方波）。

由于方波是由無窮個逐次倍頻的正弦波組成的，如下式所示：

所以我們可以在CPLD的FSK信號輸出端后，加入一個低通濾波器來濾除方波的高頻諧波分量，濾波器輸出的則是對應于方波的同頻率的正弦信號，經過緩沖放大后即可輸出FSK信號。

3.2 解調部分

FSK信號是通過波形變換電路（由比較電路及緩沖放大電路組成）變換成為同頻同相的方波。CPLD對方波進行頻率識別，并在數據輸出端輸出解頻后的數據流。

3.3 技術指標

載波上限頻率—3260Hz。

載波下限頻率—2460Hz。

載波中心頻率—2860Hz。

波特率—300bps，600bps，1200bps。

調制方式—FSK。數據為‘1‘時，輸出在2860～3260Hz之間的正弦波；數據為‘0‘時，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。

4 硬件設計

4.1 輸入緩沖及輸出緩沖

計算機一般是通過串口傳輸數據，所以要用RS232TTL轉換芯片MAX232來進行電平轉換，同時通過緩沖器CD4050來隔離并驅動后級，如圖2所示。

4.2 輸出濾波器，輸出放大器

因為需要濾掉載波下限頻率的三次倍頻7380Hz（2460Hz×3）以上的頻率，因此該濾波器的截至頻率設計為 4000Hz（》3260Hz）。為了減小體積，這里采用了Maxim公司的開關電容（switched capacitor）濾波器MAX7411。MAX7411是一個五階低通橢圓開關電容濾波器，具有非?？斓南陆刀惹译娐肥趾啙崱D3是由 MAX7411構成的濾波器。

INPUT為輸入頻率fIN，OUTPUT為輸出頻率fout‘CLOCK為截至頻率fc。該濾波器的效果如表2所列。

由表2可見，在1.25fc處信號衰減達到-38.5dB，已經可以忽略了。

我們的截止頻率是4000Hz，即4000=1.25×fC。所以fc=3200Hz。該頻率由CPLD產生。

為了能夠推動后級設備，必須在濾波器之后加上輸出放大器，這里采用FC411。電路為普通的反相放大器電路。

4.3 輸入放大器和波形變換電路

如圖4所示，輸入的FSK和正弦信號經過運放TLE2037放大后，輸入比較器LM311進行過零點檢測。由于在接地處有較強的噪音，因此必須在電路設計上考慮抗干擾的問題，如采取隔離、浮地等措施。LM311是一款高速比較器，比較速度最在為165ns，它的輸出兼容TTL和MOS電路。 LM311通過過零檢測，把FSK波形轉換成方波輸入CPLD，由CPLD進行頻率分析，從而實現解頻的目的。