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基于CPLD的高壓電力線(xiàn)FSK MODEM設計
摘要：介紹應用CPLD實(shí)現非標準的FSK MODEM的設計方法；探討如何優(yōu)化算法和改良電路來(lái)減少系統的誤碼率，并給出應用電路。1 國內電力線(xiàn)載波的應用
在電力系統中，由于電力線(xiàn)載波使用堅固可靠的高壓電力線(xiàn)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(xiàn)載波信息傳輸穩定可靠、路由合理、安全保密以及能夠同時(shí)復用遠動(dòng)信號等特點(diǎn)，使得這種電力系統獨有的通信方式在數字微波、一點(diǎn)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(fā)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(xiàn)載波通信的關(guān)鍵就是設計出一個(gè)功能強大的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用MODEM芯片。國外在電力線(xiàn)載波通信技術(shù)方面發(fā)展較早，多家國外公司陸續推出了自己的電力線(xiàn)載波MODEM芯片，并制定了電力線(xiàn)載波適用頻率范圍的標準。由于國外電力線(xiàn)載波MODEM芯片是針對本地區電網(wǎng)特性和結構的，且一般是針對家庭內部自動(dòng)化而設計，因此在國內使用都難盡如人意。
圖1 FSK MODEM系統組成
電力線(xiàn)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(chǎng)合就難以發(fā)揮作用。因此有根據特殊應用來(lái)開(kāi)發(fā)電力線(xiàn)載波MODEM的必要。以下討論的就是一個(gè)應用于100kV的高壓電力線(xiàn)FSK MODEM的設計。
2 實(shí)現電力線(xiàn)載波通信的難點(diǎn)
由于電力線(xiàn)是給用電設備傳送電能的，而不是用來(lái)傳送數據的，所以電力線(xiàn)對數據傳輸有許多限制，因此電力線(xiàn)通信具有以下特點(diǎn)。
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(gè)配電變壓器區域范圍內傳送。
②三相電力線(xiàn)間有很大信號損失（10dB～30dB）。通信距離很近時(shí)，不同相間可能會(huì )收到信號。一般電力載波信號只能在單相電力線(xiàn)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(xiàn)-地耦合和線(xiàn)-中線(xiàn)耦合。與線(xiàn)-中線(xiàn)耦合方式相比，線(xiàn)-地耦合方式電力載波信號損失十幾dB，但線(xiàn)-地耦合方式不是所有地區電力系統都適用。
圖2 RS232-TTL轉換及緩沖電路
④電力線(xiàn)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(huì )帶來(lái)兩次脈沖干擾，因此電力線(xiàn)上存在固定的100Hz脈沖干擾，干擾時(shí)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(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內進(jìn)行數據傳輸的方法，但由于過(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應用與交流波形同步不好控制，現場(chǎng)通信數據幀又比較長(cháng)，所以難以應用。
⑤電力線(xiàn)對載波信號造成高削減。當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高削減。實(shí)際應用中，當電力線(xiàn)空載時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸到幾km。但當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，只能傳輸幾十m。因此，只有通過(guò)進(jìn)一步提高載波信號功率來(lái)滿(mǎn)足數據傳輸的要求。提高載波信號功率會(huì )增加產(chǎn)品成本和體積。
因此電力線(xiàn)上的高削減、高噪聲、高變形，使電力線(xiàn)成為一個(gè)不理想的通信媒介；但由于現代通信技術(shù)的發(fā)展，使電力線(xiàn)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(jìn)制數據流通過(guò)輸入緩沖器后進(jìn)入調制模塊。調制模塊輸出的FSK方波經(jīng)過(guò)輸出濾波器和輸出放大器后，變成FSK正弦波耦合到線(xiàn)路上。
待解調的FSK正弦波通過(guò)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(jīng)過(guò)輸出緩沖器就可以得到二進(jìn)制數據流。
在下面我們將對這兩部分作詳細進(jìn)行說(shuō)明。
3.1 調制部分
調制方式為FSK，數據為'1'時(shí)，輸出在2860～3260Hz之間正弦波；數據為'0'時(shí)，輸出在2460～2860Hz之間的正弦波。
輸入的二進(jìn)制數據流經(jīng)過(guò)緩沖隔離后，由CPLD采樣來(lái)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(jìn)制數據對應的方波頻率表。
表1 調制規則表
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