DSP控制的電力線通信模擬前端接口設(shè)計(jì)

　　隨著電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用電力線作為載體進(jìn)行信號(hào)傳輸受到人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?，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(gè)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(gè)熱點(diǎn)。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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換。電力線作為載波信號(hào)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(gè)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(chǎng)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(jì)的發(fā)展進(jìn)一步擴(kuò)大。目前，該技術(shù)開始應(yīng)用于家居自動(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)電力線載波通信的方法有很多，通常利用一個(gè)專用通信芯片實(shí)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(gè)控制器來完成，這種雙片法是一種不錯(cuò)的選擇。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，可以合二為一，一個(gè)高級(jí)的DSP控制器可以實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送。

　　本文敘述的是一個(gè)遵從CEA709[1]協(xié)議,使用定點(diǎn)DSP控制器（TMS320LF2812）,從軟件和硬件上來實(shí)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(jì)方法,而這個(gè)終端對(duì)穩(wěn)定的收發(fā)運(yùn)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(tái)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(yùn)輸自動(dòng)化業(yè)目前大量采用了基于LonWorks平臺(tái)。LonWorks平臺(tái)是世界上最大住宅智能電表網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)平臺(tái)，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(yùn)行在此平臺(tái)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(tái)，采用ANSI/CEA709協(xié)議用于技術(shù)監(jiān)測(cè)和控制各種系統(tǒng)，包括監(jiān)測(cè)最先進(jìn)的旅客用供氧系統(tǒng)。

　　對(duì)于圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來實(shí)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(jì)算能力,信號(hào)采集使用一個(gè)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(gè)片上PWM輸出和1個(gè)線驅(qū)動(dòng)器用于實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的發(fā)送功能。一個(gè)A/D輸入用來采樣帶通輸入端口信號(hào),以此來實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)器的接收功能，帶通濾波器實(shí)際上是一個(gè)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(jì)。

　　下面主要介紹模擬前端接口的設(shè)計(jì)過程。

　　2 模擬前端及接口的實(shí)現(xiàn)

　　CEA709通信系統(tǒng)以131.579 kHz載波頻率來定義，每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)位由載波頻率正弦波上24個(gè)周期組成，因此波特率為5.5kbps。每個(gè)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(hào)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(gè)二階有源帶通濾波器濾出信號(hào)，可以檢測(cè)到131.5kHz的調(diào)頻信號(hào)。這個(gè)濾波器是通過一個(gè)運(yùn)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(gè)通道采樣，信號(hào)采樣序列由FIR濾波器處理，同時(shí),這個(gè)濾波器的輸出用來進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)檢測(cè)。

　　采樣得到的是115 kHz的接收信號(hào)，它是載波頻率的（21/24）倍。這個(gè)信號(hào)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(shí)鐘與輸入載波正弦信號(hào)混合相乘,兩個(gè)正弦波相乘的結(jié)果生成兩個(gè)正弦波頻率的“和”與“差”的合成信號(hào)，如圖3所示。

圖3 采樣后的頻率效應(yīng)

　　運(yùn)行時(shí),DSP在每個(gè)ADC采樣轉(zhuǎn)換完成后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后每個(gè)采樣信號(hào)就和數(shù)字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環(huán))輸出比較,來估計(jì)接收到的信號(hào)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(hào),否則就是“1”信號(hào)。

　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(shí)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(yàn)位和通過計(jì)算得到的校驗(yàn)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(yàn)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(cè)

　　為了檢測(cè)發(fā)送信號(hào)的“0”或“1”, 中頻信號(hào)16.5kHz的相位是離散的接收信號(hào)值的形式。首先需要用接收的采樣信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，當(dāng)這個(gè)鎖相環(huán)的輸出被接收的信號(hào)同步地鎖住后,鎖相環(huán)和接收信號(hào)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(shí)部是余弦和,當(dāng)接收到“0”信號(hào)時(shí)，它是一個(gè)很大的正數(shù)值；相反接收到“1”時(shí),它就是一個(gè)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(hào)。

圖4 接收信號(hào)處理框圖

　　圖4為完整的接收信號(hào)的處理框圖。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,加上了一個(gè)自動(dòng)增益控制模塊(Automatic Gain Control，AGC)。它是通過偵測(cè)接收信號(hào)的平均大小來接收信號(hào)的。

　　2.3 信號(hào)發(fā)送

　　在該應(yīng)用中,發(fā)送信號(hào)通過DSP控制器的片上PWM（脈寬調(diào)制模塊）直接生成。每一位定義有24個(gè)周期，因此PWM控制器允許運(yùn)行24個(gè)周期；而后,根據(jù)下一個(gè)發(fā)送位的極性,通過一個(gè)中斷來重新給PWM輸出賦值。欲發(fā)送的消息數(shù)據(jù)從應(yīng)用層依次輸送到會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層,然后到達(dá)物理層,形成發(fā)送波形。在數(shù)據(jù)鏈路層時(shí),消息數(shù)據(jù)的CRC字經(jīng)計(jì)算后附加給數(shù)據(jù)，物理層確定信道是否可用，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　2.4 PWM生成發(fā)送波形

　　三級(jí)信號(hào)波形是通過把DSP控制器的兩個(gè)PWM輸出相加得到的，然后該波形由低通濾波器產(chǎn)生一個(gè)正弦波。與標(biāo)準(zhǔn)的二級(jí)方波相比,三級(jí)波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈沖寬度會(huì)產(chǎn)生不同的諧波頻率。為了將濾波器需要清除的諧波減到最小,需要確定最佳的脈沖寬度。從下式對(duì)稱脈沖的傅里葉級(jí)數(shù)公式,可以找到這個(gè)寬度。式（1）中T代表基波頻率周期,ω代表脈沖寬度。

　　那么，總的諧波失真THD可用下式表達(dá)：

　　對(duì)式（2）求最小的總諧波失真,則最佳脈寬大約是周期T的37%；然而,這還沒有考慮到低通濾波產(chǎn)生的影響。如果用二階低通濾波器,將會(huì)得到不同的結(jié)果。在模擬時(shí)，二階低通濾波器的Q設(shè)置為2.3。如果Q很大,THD會(huì)更好,但是會(huì)造成碼間干擾，因此,最好是把正負(fù)數(shù)字脈寬設(shè)為脈沖周期的1/3長,將低通濾波器角頻率和數(shù)字脈沖序列的頻率設(shè)為相同。1/3脈寬可以通過使用12倍于發(fā)送波形頻率的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)來獲得，如圖5所示。通過使用1個(gè)模擬電路,將2個(gè)數(shù)字信號(hào)相加,而后低通濾波器濾掉諧波,就可以從PWM輸出獲得正弦波。

圖5 三級(jí)波形結(jié)構(gòu)

　　2.5 發(fā)送放大器設(shè)計(jì)

　　發(fā)送放大器由SallenKey濾波器決定，發(fā)送低通濾波放大器如圖6所示。這個(gè)電路的傳輸函數(shù)如下：

圖6 發(fā)送低通濾波放大器

　　這里，R1=kR,R2=R,C1=C,C2=aC。假設(shè)放大器增益為2,則vout可以表示如下：

　　Q最大時(shí)濾波器的峰值最大，而當(dāng)商數(shù)k/(1+k)為1時(shí)Q最大。

　　因此圖6中SallenKey濾波器中的電阻R1和R2一般相等，Q根據(jù)電容的比值來確定。發(fā)送放大器有2個(gè)輸入端，2個(gè)輸入信號(hào)是從處理器的PWM輸出端中的信號(hào)過濾而來。放大器發(fā)送頻率的峰值越大,諧波頻率中的相對(duì)衰減也越大，因此，希望電阻R1、R2、R3的并聯(lián)組合與R4電阻相等,以此來獲得一個(gè)較大的Q值。

　　若定義R4=R，則：

　　此外,定義衰減因素k為：

　　然后,能根據(jù)R和k來定義電阻值：

　　定義電容為C1=C,C2=aC,根據(jù)A、k、a、R和C，發(fā)送放大器的傳輸函數(shù)如下：

　　其中：

　　給定Q,電容比率為：

　　若放大器增益A=2,且取a的較小解,則

　　最后,s=0,傳輸函數(shù)增益為：

　　這樣,就求得了所有定義發(fā)送放大器部件的參數(shù)，通過以上的參數(shù)可以開發(fā)調(diào)制解調(diào)器模擬終端。

　　3 結(jié)論

　　本文只對(duì)電力線調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了描述，軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)CEA709協(xié)議的要求通過DSP來完成的。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中還有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需解決，因篇幅所限未作詳細(xì)說明。這個(gè)基于單一定點(diǎn)DSP控制的調(diào)制解調(diào)器硬件系統(tǒng)在各種電力條件下進(jìn)行檢測(cè)，其功能較穩(wěn)定和可靠，正應(yīng)用于智能家居的系統(tǒng)中。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] ANSI/EIA/CEA709.1B2000 Control Network Protocol Specification[OL]. [20070512].http://www.lonmark.org/products/guides.htm#lontalk.

　　[2] Warren Webb. Thinking inside the box: Buildings get a brain[J]. EDN,2005(7):49-57.

　　[3] Texas Instruments TMS320F2812 Data Manual[OL].[20070810].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f2812.pdf.

　　[4] Digital Addressable Lighting InteRFace Activity Group (DALI AG) of ZVEI, Division Luminaires Stresemannallee 19, D60596 Frankfurt am Main, Germany[OL].[20071020]. http://www.daliag.org/.

　　[5] MATLAB is a product of The MathWorks[OL]. [20071020].http://www.mathworks.com/.

　　[6] 宦若虹，金向東. 基于OFDM的電力線通信系統(tǒng)的Matlab仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2006,29(1):129-131.

　　[7] Zimmermann M,Dostert K. A Multipath Model for the Power Line Channel[J]. IEEE Trans.Commun.2002,50(4):553-559.

　　[8] Zimmermann M,Dostert K.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broadband Power Line Communications[J]. IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility,2002,44(1):249-258.