引言
隨著電子技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,，運用電力線作為載體進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用。電力線是當今最普通,、覆蓋面最廣的一種物理媒介,，由其構成的電力網(wǎng)是一個近乎天然的物理網(wǎng)絡。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),，是多年來國內外科技人員技術攻關的一個熱點,。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,。
作為通信技術的一個新興應用領域,，電力載波通信技術以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為世界關注。我國從上世紀50年代開始從事電力線載波通信技術的研究,。90年代以后,，電力線載波技術的需求隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展進一步擴大。目前,，該技術開始應用于家居自動化,、遠程抄表、寬帶上網(wǎng)等領域,。專家介紹,，在一些干擾大、布線困難的工業(yè)領域若要實現(xiàn)自動化控制,，采用電力載波通信方式能達到事半功倍的效果,，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)的調制解調部分，而系統(tǒng)的應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)電力線調制解調器的功能,。DSP控制器可以在軟件上實現(xiàn)調制解調器功能，用片上外設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)電力線調制解調器的系統(tǒng),。文中描述了模擬終端具體的設計方法,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)議標準的物理框圖,。該協(xié)議的詳細說明可見參考文獻[1],。
圖1 CEA709協(xié)議物理層框圖
在軌道交通、網(wǎng)絡能源管理,、智能樓宇,、暖通空調、煤礦安全、能源和環(huán)境管理等領域應用廣泛的控制網(wǎng)絡平臺LonWorks成為中國國家標準指導性技術文件,。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)絡的核心技術平臺,，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)絡標準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)議標準,，例如在青藏鐵路——世界上最長的高海拔鐵路列車上,，利用LonWorks技術平臺，采用ANSI/CEA709協(xié)議用于技術監(jiān)測和控制各種系統(tǒng),，包括監(jiān)測最先進的旅客用供氧系統(tǒng),。
對于圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來實現(xiàn)CEA709調制解調器功能的系統(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)轉換器,其轉換速度為12 Msps,，DSP提供多PWM來適應電力線調制解調器。
圖2 系統(tǒng)框圖
2個片上PWM輸出和1個線驅動器用于實現(xiàn)調制解調器的發(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)調制解調器的接收功能,，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計,。
下面主要介紹模擬前端接口的設計過程。
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為0°而使該位置0,也可以設為180°來使該位置1,。
2.1 信號接收
首先去除耦合網(wǎng)絡中的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行時鐘恢復和數(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
運行時,DSP在每個ADC采樣轉換完成后都會產(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”域進行比較,當位同步數(shù)據(jù)接收到之后,調制解調器就開始搜尋“字同步”域。字同步數(shù)據(jù)標志著消息數(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動一個數(shù)字鎖相環(huán),，當這個鎖相環(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數(shù)相位的估算是由鎖相環(huán)調制產(chǎn)生的。復數(shù)相位的實部是余弦和,當接收到“0”信號時,，它是一個很大的正數(shù)值,；相反接收到“1”時,它就是一個大的負數(shù)。復數(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。
2.3 信號發(fā)送
在該應用中,發(fā)送信號通過DSP控制器的片上PWM（脈寬調制模塊）直接生成,。每一位定義有24個周期,，因此PWM控制器允許運行24個周期；而后,根據(jù)下一個發(fā)送位的極性,通過一個中斷來重新給PWM輸出賦值,。欲發(fā)送的消息數(shù)據(jù)從應用層依次輸送到會話層,、傳輸層、網(wǎng)絡層,、數(shù)據(jù)鏈路層,然后到達物理層,形成發(fā)送波形,。在數(shù)據(jù)鏈路層時,消息數(shù)據(jù)的CRC字經(jīng)計算后附加給數(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
三級信號波形是通過把DSP控制器的兩個PWM輸出相加得到的，然后該波形由低通濾波器產(chǎn)生一個正弦波,。與標準的二級方波相比,三級波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈沖寬度會產(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。從下式對稱脈沖的傅里葉級數(shù)公式,可以找到這個寬度,。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：
對式（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,將會得到不同的結果,。在模擬時，二階低通濾波器的Q設置為2.3,。如果Q很大,THD會更好,但是會造成碼間干擾,，因此,最好是把正負數(shù)字脈寬設為脈沖周期的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)送波形頻率的定時時鐘信號來獲得,，如圖5所示,。通過使用1個模擬電路,將2個數(shù)字信號相加,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 三級波形結構
2.5 發(fā)送放大器設計
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,。假設放大器增益為2,則vout可以表示如下：
Q最大時濾波器的峰值最大,，而當商數(shù)k/(1+k)為1時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個輸入端，2個輸入信號是從處理器的PWM輸出端中的信號過濾而來,。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,以此來獲得一個較大的Q值。
3 結論
本文只對電力線調制解調器的硬件設計過程進行了描述,，軟件設計主要是根據(jù)CEA709協(xié)議的要求通過DSP來完成的,。在設計和實現(xiàn)中還有許多關鍵技術問題需解決，因篇幅所限未作詳細說明,。這個基于單一定點DSP控制的調制解調器硬件系統(tǒng)在各種電力條件下進行檢測,，其功能較穩(wěn)定和可靠，正應用于智能家居的系統(tǒng)中,。