基于MFSK的電力線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)(下)

接上篇
     數(shù) 字 濾 波 器 的 基 本 原 理 是 對(duì) 輸 入 的 離 散 信 號(hào) 進(jìn) 行 運(yùn) 算，使得信號(hào)的頻譜發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)無用信號(hào)的濾除 作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字濾波器可以由硬件實(shí)現(xiàn)也 可以由軟件實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)字濾波器的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)的簡單性， 數(shù)字濾波器被廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。數(shù)字濾波 器可以分為兩種，IIR和FIR濾波器，IIR濾波器為無限長沖 擊響應(yīng)濾波器，F(xiàn)IR濾波器為有限長沖擊響應(yīng)濾波器。兩種 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)不同，從而根本上導(dǎo)致了兩種濾波器 的不同。二者系統(tǒng)函數(shù)的特點(diǎn)決定了它們具有不同的實(shí)現(xiàn)結(jié) 構(gòu)和特點(diǎn)：FIR濾波器沒有輸出對(duì)輸入的反饋結(jié)構(gòu)但是具有 很好的線性相位特性，IIR有輸出對(duì)輸入的反饋但是相位是 非線性的，而且隨著頻率選擇性的提高，非線性的特點(diǎn)表現(xiàn) 得越明顯。
3.1  IIR濾波器的原理

圖8  總體架構(gòu)圖

圖9  組網(wǎng)測試
IIR濾波器的濾波效率較高，在同樣的幅頻響應(yīng)下，IIR濾波器的階數(shù)和所需要的硬件資源都比FIR濾波器少。IIR濾 波器相位的非線性使得其使用范圍沒有FIR濾波器大。然而 在不需要線性相位的環(huán)境下，IIR濾波器的性能比FIR濾波器 好得多。IIR濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(2)
系統(tǒng)的差分方程可以寫成
(3)
從系統(tǒng)函數(shù)可以看出， IIR濾波器有以下幾個(gè)顯著特 性。
1)不為零的極點(diǎn)和零點(diǎn)在IIR濾波器同時(shí)存在。要保證
濾波器為穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要使系統(tǒng)的極點(diǎn)在單位圓內(nèi)，也就 是說系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)決定。
2)在數(shù)字硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)IIR濾波器，由于存在反饋結(jié)
構(gòu)，因此受限于有限的寄存器長度，無法通過增加字長來實(shí) 現(xiàn)全精度的濾波器運(yùn)算，濾波器運(yùn)算過程中的有限長效應(yīng)是 工程實(shí)現(xiàn)時(shí)必須考慮的問題。
3.2  IIR與FIR濾波器的比較
IIR與FIR濾波器是最常見的數(shù)字濾波器，兩者的結(jié)構(gòu)及 分析方法相似。在具體的工程設(shè)計(jì)中要根據(jù)二者的不同更合 理地選擇濾波器種類，以更少的資源獲取所需的性能，二者 的性能差異及應(yīng)用特點(diǎn)如下：
1)通常在具有相同幅頻響應(yīng)的情況下，F(xiàn)IR濾波器的階
數(shù)等于5~10倍IIR濾波器的階數(shù)。
2)FIR濾波器具有線性相位特性。 在相同的階數(shù)情況 下；IIR濾波器的幅頻特性比FIR濾波器好，但其相位是非線 性的。

圖10 發(fā)送信號(hào)

圖11  解調(diào)結(jié)果

圖12  兩種調(diào)制方案電力線信號(hào)    

圖13  頻率計(jì)上位機(jī)測試
3)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)是有限長的，由于采用了非遞 歸的結(jié)構(gòu)所以是穩(wěn)定的系統(tǒng)。而必須用遞歸結(jié)構(gòu)的IIR濾波 器，當(dāng)其系統(tǒng)函數(shù)的極點(diǎn)在單位圓內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)才可以穩(wěn)定。 這種采用反饋的結(jié)構(gòu)，運(yùn)算時(shí)進(jìn)行了舍入處理，會(huì)導(dǎo)致振蕩 現(xiàn)象。
4)FI R濾波器可以使用FFT和其他的快速算法來實(shí)現(xiàn)
卷積運(yùn)算，運(yùn)算速度快。IIR濾波器無法采用類似的快速算 法。
5)在兩種濾波器的實(shí)現(xiàn)方法上，IIR濾波器可以采用現(xiàn)
成的設(shè)計(jì)公式、數(shù)據(jù)和表格等資料，這些資料在模擬濾波 器中已經(jīng)驗(yàn)證使用過。FIR濾波器不可以借助這些資料。由于計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，F(xiàn)IR、
IIR濾波器的設(shè)計(jì)均可以采用 現(xiàn)成的函數(shù)，因此在工程設(shè) 計(jì)中二者的設(shè)計(jì)難度均已大 大降低。

4 發(fā)射機(jī)方案設(shè)計(jì)
4.1 RS編碼
在電力線傳輸過程中，由于信道衰落和噪聲的影響， 導(dǎo)致傳輸信息出錯(cuò)，因此必須引入一種糾錯(cuò)機(jī)制，使信息在 傳輸出錯(cuò)后，接收端仍然能夠接收到正確的信息，F(xiàn)EC（前 向糾錯(cuò)）是一種既能發(fā)現(xiàn)錯(cuò)碼位置、又能糾正錯(cuò)誤碼的糾錯(cuò) 機(jī)制。RS碼是一種具有很強(qiáng)糾錯(cuò)能力的多進(jìn)制前向糾錯(cuò)編碼，RS編碼適合存在突發(fā)型錯(cuò)誤的通信系統(tǒng)中。
4.2  信號(hào)調(diào)制
信 號(hào) 調(diào) 制 采 用 相 位 連 續(xù) 的 8 F S K 調(diào) 制 方 式 ， FSK的相位連續(xù)方式能減小頻率譜擴(kuò)展，減小帶寬 和干擾。具體實(shí)現(xiàn)方法是，假設(shè)碼元長度為Ts，則 選擇合適的載波頻率使得在每個(gè)碼元長度Ts內(nèi)有整 數(shù)個(gè)完整載波，并且載波的初始相位相同，則可 滿足FSK調(diào)制的相位連續(xù)性。
8進(jìn)制頻移鍵控中采用8個(gè)不同的頻率分別表
示8進(jìn)制的碼元，每個(gè)碼元含有3bit的信息，載波頻 率與碼元位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。
因 為 告 警 信 號(hào) 需 要 在 0 . 5 m s 內(nèi) 被 調(diào) 制 、 傳 輸 、 解 調(diào) 出 來 ， 我 們 選 擇 碼 元 Ts = 2 0 u s ， 通 信 波 特 率 為 1 / Ts = 5 0 K Bp s 。 告 警 信 號(hào) 的 幀 長 度 為 6 b i t
（ 3 b i t 地 址 ， 2 b i t 命 令 ， 1 b i t 告 警 信 號(hào) ） ， 經(jīng) 過 R S（ 6,2） 編碼后為6個(gè)碼元， 每個(gè)碼元包括3bit信息。 傳 輸 6 個(gè) 碼 元 需 要 6 個(gè) 載 波 頻 率 。 傳 輸 一 幀 告 警 信 號(hào) 的 時(shí) 間 t=6/50KBps =0.12ms， 再加一些調(diào)制解調(diào)的時(shí)間， 能實(shí)現(xiàn)0.5ms內(nèi)進(jìn)行告警信號(hào)傳輸。A D C 的 最 高 采 樣 速 率 為 5 0 M Hz ， 我 們 選 擇 的 碼 元 時(shí) 間 Ts = 2 0 u s ， 要 滿 足 相 位 連 續(xù) ， 所 以 我 們 選 擇 基 波 頻 率 為15MHz， 8個(gè)頻偏分別是100kHz， 200kHz， 300kHz，400kHz，500kHz，600kHz，700kHz，800kHz，信號(hào)的產(chǎn)生 由DDS完成。調(diào)制算法框圖如圖6所示。
5 接收機(jī)方案設(shè)計(jì)
耦合電路得到的信號(hào)經(jīng)AD采樣后，首先經(jīng)過數(shù)字下變 頻，截止頻率為5MHz的IIR低通濾波器去掉頻率為15MHz的 基波。然后通過8路解調(diào)器，每路解調(diào)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行相干解 調(diào)，本設(shè)計(jì)中，采用每路解調(diào)器的信號(hào)同時(shí)分別乘以正弦和 余弦波的方式來實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，而不是通過相位同步的方 式，從而可以簡化方案，并且可以準(zhǔn)確解調(diào)。相干解調(diào)后的信號(hào)通過截止頻率為50kHz的IIR低通濾波器后，平方求和開方，得到解調(diào)信號(hào)。然后8路解調(diào)器解調(diào)出的信號(hào)送入抽樣 判決器從而得到信號(hào)幀。然后通過RS解碼得到告警信號(hào)和 設(shè)備地址。接收機(jī)解調(diào)算法框圖如圖7所示。

6  系統(tǒng)總體架構(gòu)
當(dāng) 有 告 警 信 號(hào) （ 一 個(gè) 開 關(guān) 量 ） 產(chǎn) 生 時(shí) ， 告 警 信 號(hào) 加上設(shè)備地址信息進(jìn)行組幀，一幀二進(jìn)制信號(hào)經(jīng)過RS編碼，8FSK調(diào)制，調(diào)制后的載波經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后，通過耦合電路耦 合到直流電力線上進(jìn)行傳輸。接收端一直檢測電力線上的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電力線耦 合電路耦合出來以后，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字下變頻和IIR濾 波，然后通過8路解調(diào)器，每路解調(diào)器的信號(hào)分別乘以正余 弦載波，并通過IIR低通濾波器后，平方求和開方，然后8路 解調(diào)器解調(diào)出的信號(hào)送入抽樣判決器從而得到信號(hào)幀，然后 通過RS解碼得到告警信號(hào)和設(shè)備地址，將此信息傳遞給后 續(xù)模塊進(jìn)行處理，以告知是哪個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了問題。系統(tǒng)整體 架構(gòu)如圖8所示。

7  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)測試環(huán)境如圖9所示。 該系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中另外存在的 電力線載波芯片同時(shí)通信，兩個(gè)通信芯片互不影響。組網(wǎng) 測試1小時(shí)，測試電力線載波芯片（基于OFDM）和本系統(tǒng)（基于FSK）的誤碼率。
7.1 信號(hào)調(diào)制到電力線上
測試方法：將示波器探頭放在發(fā)送端檢測發(fā)送信號(hào)。測試結(jié)果：發(fā)送端發(fā)送報(bào)警信號(hào)，地址信號(hào)為3bit，由開關(guān)量觸發(fā)，發(fā)射端檢測到開關(guān)量變化后采用FSK將信號(hào)調(diào) 制到電力線上。發(fā)送端調(diào)制到電力線上的模擬信號(hào)如圖10所 示。
7.2 通過邏輯或模擬電路將電力線上信息解調(diào)出狀態(tài)信息
測試方法：將邏輯分析儀探頭放在接收端檢測解調(diào)出 來的地址信息位和告警信息位。
測試結(jié)果：接收端接收到信號(hào)后對(duì)調(diào)制的信號(hào)進(jìn)行解 調(diào)，由此解調(diào)出報(bào)警設(shè)備地址和開關(guān)量狀態(tài)信號(hào)。
接收端解調(diào)出信號(hào)如圖11所示。圖示地址信號(hào)線從高
到低依次為3、2、1，4為告警信號(hào)位（解調(diào)），0為告警信 號(hào)觸發(fā)位。
7.3  誤碼率測試
測 試 方 法 ： 對(duì) 被 驗(yàn) 收 模 塊 發(fā) 送 端 提 供 P W M 信 號(hào)
（1kHz，50%占空比），觀察被驗(yàn)收模塊接收端輸出電平信 號(hào)是否也為同頻PWM信號(hào)，且占空比變化偏差不超過20%， 測試時(shí)間1小時(shí)。
測試結(jié)果： 經(jīng)組網(wǎng)測試表明， 測試時(shí)間1小時(shí)， 均正 常，無丟失。