低压电力线载波通信系统的研究与设计王旭-低压电力线的载波通信
毕 业 论 文
题 目： 低压电力线载波通信系统的研究与设计
院： 电气信息学院 专业： 电子信息工程 班级： 0701 学号 200701030102 学生姓名： 王 旭 导师姓名： 浣 喜 明 完成日期： 2011年6月
诚 信 声 明
本人声明：
1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；
2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；
3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。
作者签名： 日期： 年 月 日
毕业设计（论文）任务书
姓名 王旭 学院 电气信息学院 专业 电子信息工程 班级 0701 学号 200701030102 指导老师 浣喜明 职称 副教授 教研室主任 刘望军 一、基本任务及要求： 利用电力网作为信息传输的物理网络来建成电力线通信网，不需另外布线，可节省大量的信道建设费用，是目前唯一不需线路建设投资的有线通信方式。
本课题研制一个低压电力线载波通信系统。要求：通信速率不低于400kBPS，主要应用于固定小区域范围内的数字通信（可实现居民小区楼宇间的自动照明控制、防盗防火报警、自动抄表以及数据监控等功能；载波频率30MHZ；调制方式选用nBFM或扩频；传输距离不小于1Km；分析低压电力线载波信号的衰减特性、干扰特性和输入阻抗特性；设计一套简单、实用的方案。 二、进度安排及完成时间： （1）第一周至第三周：查阅资料、撰写文献综述和开题报告； （2）第四周至第六周：总体方案的确定；
题目： 低压电力线载波通信系统的研究与设计
（3）第七周至第九周：主电路设计与控制电路设计；
（4）第十周至十二周：参数计算、元器件的选择；
（5）第十三周至第十五周：撰写设计说明书；
（6）第十六周：毕业设计答辩
目录
摘要................................................................................................................................ I Abstract ......................................................................................................................... II 第1章 绪论............................................................................................................ 1
1.1 课题研究的背景.......................................................................................... 1 1.2 课题任务...................................................................................................... 3 第2章 低压电力线信道特性................................................................................ 3
2.1 阻抗特性分析.............................................................................................. 3 2.2 衰减特性分析.............................................................................................. 4 2.3 噪声特性分析.............................................................................................. 5 2.4 系统干扰特性分析...................................................................................... 7 第3章 扩频通信的相关研究................................................................................ 8
3.1 扩频通信基本原理...................................................................................... 8 3.2 扩频通信系统分类...................................................................................... 9 3.3 直接序列扩频系统.................................................................................... 10
3.3.1 直接序列扩频信号的产生................................................................ 10 3.3.2 伪随机信号的调制与混频................................................................ 11 3.4 扩频系统中的伪随机序列........................................................................ 13
3.4.1 扩频码简介........................................................................................ 13 3.4.2 伪随机（Pn）序列产生 .................................................................. 14 3.5 扩频系统的调制、解扩和解调................................................................ 15
3.5.1 扩频频谱信号的2DPSK调制 ......................................................... 15 3.5.2 扩展频谱信号的相关解扩................................................................ 17 3.5.3 扩展频谱信号的解调........................................................................ 18
第4章 电力线载波MoDEM ................................................................................... 19
4.1 电力线载波专用MoDEM的原理与应用 .............................................. 19
4.4.1 Sc1128芯片的逻辑框图和主要引脚说明 ...................................... 20 4.1.2 Sc1128芯片参数的设置 .................................................................. 23
第5章 系统具体组成.......................................................................................... 25
5.1 系统设计及组成........................................................................................ 25 5.2 具体模块电路............................................................................................ 26 第6章 软件设计方案.......................................................................................... 33 第7章 直接序列扩频系统的抗干扰性仿真...................................................... 34
7.1 仿真软件System View简介 .................................................................... 34 7.2 直接序列扩频系统仿真............................................................................ 34 结束语.......................................................................................................................... 38 参考文献...................................................................................................................... 39 致谢.............................................................................................................................. 40 附录.............................................................................................................................. 41
低压电力线载波通信系统 低压电力线载波通信系统的研究与设计
摘要：随着电子技术和网络技术的发展，运用电力线作为载体进行信号传输受到人们越来越多的重视，国内的电力线通信技术也有了比较大的发展。
在电力线通信中信号干扰和衰减是影响信号的重要的原因。本文简要的分析了信号的衰减特性、抗干扰性和输入阻抗特性。描述了电力线通信的一些技术难点。论文采用了扩频通信，调制方式采用2DPSK，芯片采用了Sc1128。论文具体讲述了扩频载波通信的基本原理，并以直接序列扩展频谱为列，这属于中高速载波通信方式。基本代表了目前低压电力线通信技术发展的方向。论文对低压电力线信道及信道模型问题进行了探讨；介绍了电力线调制解调芯片的基本结构、特性及功能，设计了芯片的外围电路，绘制了相应电路图。并且采用了单片机对通信芯片进行控制，完成数据的收发等操作。
关键词：电力线载波，信号衰减，抗干扰性，扩频技术，Sc1128
I
低压电力线载波通信系统 Research and Design for Low Voltage Power Line
carrier communication System
Abstract：As the electronic technology and network technology development, using power lines as a carrier signal transmission by the people more and more attention, china’s Power Line communicatin technology also has achieveed great development.
In the power line communication signal interference and attenuation of signal transmission has a significant impact on signal.This paper analyzes of the signal attenuation,interference immunity and input impedance. Describes some technical problems of the PLc. This paper adopts the spread spectrum communication for communication, modulation by 2DPSK, use the chip of Sc1128b. Papers specific tells the spread spectrum communication principle, and use the direct sequence spread spectrum as column. This technolog belongs to high-speed carrier communication mode. Represents the current low voltage electric communication technology and its development direction.What’s more this papers discussed the problem of the Low voltage power lines of channel and channel model,; Introduces the basic power demodulation chip structure, characteristic and function, design the external circuit of the chips,draw the corresponding circuit diagram. This system is control by microcontroller chip to complete the operation and send data.
Keywords: power line carrier, signal attenuation,anti-jamming，and spread spectrum technology, Sc1128
II
低压电力线载波通信系统 第1章 绪论
1.1 课题研究的背景
PLc作为电力系统传输信息的一种基本手段，在电力系统通信和远动控制中得到广泛应用，经历了从分立到集成，从功能单一到微机自动控制，从模拟到数字的发展历程，PLc中的核心——电力线载波机历经了模拟电力线载波机、准数字电力线载波机、全数字电力线载波机三个阶段。
目前PLc已经发展到第三代——全数字PLc。在全数字PLc中可以采用当前先进的数字信号处理技术，因此大大提高了PLc的容量和质量，使得PLc作为最后一公里解决方案成为可能。在最后一公里的解决方案中，比较成熟的有ISDn、XDSL等。但是PLc能够充分利用现有的低压配电网络，无需任何布线，是一种“no newWires”技术，和其他接入方式相比有很多优势。为了克服低压网上传输数据的困难，人们正试图将先进的数字信号处理技术引入到PLc中。在全数字PLc中，可以采用当前流行的语音压缩编码技术，如码本激励线性预测编码（cELP）技术、矢量和激励线性预测编码（VSELP）技术、多带激励（MBE）等，对语音信号经过压缩编码，降低输入信号的冗余，提高了频带利用率；然后与数据信号进行数字复接。可以采用自适应回波抵消技术实现双向通信；可以采用自适应信道均衡技术减小信道对通信造成的影响，提高可靠性。目前采用传统的频带传输（幅移键控ASK，频移键控FSK，相移键控PSK）的PLc日趋成熟，研究的热点是三种具有高抗干扰性的数字调制技术：多维网格编码技术、扩频通信技术（Sc）和正交频分复用（oFDM）等。在传统的数字通信系统中，纠错编码和调制是独立进行设计的。纠错编码增加了冗余度，编码增益是通过降低信息传输速率获得，因此传统的纠错编码方法很难进一步提高通信系统的性能。解决可靠性和有效性更有效的方法是将编码和调制技术有机结合。接联系的调制信号的参数扩展中，例如信号空间矢量点或信号星座数的扩展中，这就是网格编码调制（TcM）思想的基本出发点。最佳的编码调制系统应按编码序列的欧氏距离为调制设计的量度，这就要求必须将编码器和调制器当作一个整体进行综合设计，使得编码器和调制器级联后产生的编码信息具有最大的欧氏距离。1982年Ungerboeck提出了基于“集分割”原理的编码和调制相结合的网格编码TcM技
1
低压电力线载波通信系统 术，通过扩展信号星座的大小，在不扩展带宽，不降低信息传输速率的条件下，可以获得3～6dB的增益。1984年，LEE－FAnGWei提出了克服相位模糊的相位旋转不变网格码，并被国际电信联盟ITU－T采纳为PSTn上高速调制解调器的建议。多维网格编码不但采用了子集分割的思想，还通过维数的扩展减小需要存储的星座点的数量，获得更好的映射增益和编码增益，具有很好抗干扰性能，因此特别适合电力线这样干扰大的信号。目前很多国内厂家采用的就是用于PSTn上的高速调制解调器方案移植到PLc中，它的核心就是多维网格编码调制技术，目前研究的还是四维的情况。
扩频通信是用伪随机编码（扩频序列：Sc）将待传送的信息数据进行调制，实现频谱扩展后再进行传输；在接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理。扩频通信技术以牺牲频带为代价，降低了信噪比，可以在极低信噪比的情况下实现可靠的通信服务。扩频通信的良好抗干扰性能使得它特别适合在低压电力线这样恶劣的信道环境下提供可靠的数据服务。而且扩频通信可以实现码分多址技术，实现不同低压配电网上不同用户的同时通信。扩频通信技术主要有直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及上述各种基本方式的组合。目前扩频通信在低压配电网上的研究已经取得初步成功，2000年Intellon公司推出了用于低压配电网的扩频芯片，而我国清华大学也研制成功基于扩频技术的低压配电网实验平台，可以通过220V低压电力线实现两台计算机之间的文件或数据的传输，传输速率可以达到10kb／s。正交频分复用（oFDM）技术在频域把信道分成许多正交子信道，各子信道的载波间保持正交，频谱相互重叠，这样减小了子信道间的相互干扰，提高了频谱利用率。同时在每个子信道上信号带宽远小于信道带宽，因此每个子信道是相对平坦的，大大减小了符号间的干扰，这也使得信道均衡可以得到简化。oFDM具有抗多径干扰能力强、频谱利用率高的优点，因此受到广泛关注，目前在有线和无线领域的研究都很多，在ADSL中采用的离散多音调制DMT实际上就是oFDM技术。目前oFDM在全数字电力载波通信中的研究也方兴未艾，2000年4月，Intellon公司基于oFDM的PLc研究取得突破性进展，它的组网试验的数据传输速率可达14Mbps（频带：4．3MHz～20．9MHz，84路载波）。研究oFDM的重点主要是如何分配子信道的数目和如何保持子载波间的正交性。保持子载波间的正交性对oFDM性能至关重要，因此在接收机中同步问题尤为重要。
2
低压电力线载波通信系统 1.2 课题任务
本课题研制一个低压电力线载波通信系统。要求：通信速率不低于400kBPS,主要应用于固定小区范围内的数字通信。可实现居民小区楼宇间的自动照明控制、防盗防火报警、自动抄表以及数据监控等功能；载波功率30MHz；调制方式选用nBFM或扩频；传输距离不小于1Km；分析低压电力线载波信号的衰减特性、干扰特性和输入阻抗特性；设计一套简单实用的方案。
第2章 低压电力线信道特性
低压电力线并不是专门用来传输通信数据的，它的拓扑结构和物理特性都与传统的通信传输介质（双绞线、同轴电缆、光纤等）不同。它在传输通信信号时信道特性相当复杂，又有自己的特点，负载多，噪声干扰强，信道衰减大，信道延时，通信环境相当恶劣。因此必须对它的信道特性进行分析，并据此提出解决方案，以实现高品质的通信数据传输。
2.1 阻抗特性分析
输入阻抗是表征低压电力线的重要参数。研究输入阻抗，对于提高发送机的效率、增强网络的输入功率有重大意义。在理想情况下，没有负载时电力线相当于一根均匀分布的传输线。由于分布电容和分布电感的影响，输入阻抗随着频率的增大而减小。当电力线上有负载时，所以频率的输入阻抗都会减小。但是，由于负载类型不同不同类型的阻抗变化不同，所以实际情况非常复杂。因此实际情况下阻抗变化并不符合通常认为的随频率的增高而减小的规律，又是甚至与之相反，这是因为电力线上连接有各种复杂的负载，这些负载与电力线本身组成许多共振电路，在共振频率及其附近频率上形成的低阻抗区。造成阻抗低谷区的谐振一般由容性负载引起。同时由于负载会在电力线上随机的接上或断开，所以在不同时间电力线的输入阻抗也会发生较大幅度的改变，通常白天的阻抗较低，夜晚的阻抗较高。同样，电力线上不同位置的输入阻抗也会不同。配电变压器的二次侧的低压电力线上连接的负载多种多样，主要包括电阻性（R）、电容性（c）、电感性（L）三类负载。根据负载的随机接入和撤出，R、L、c的瞬时相对份额
3
低压电力线载波通信系统 以及频率参数变化，其阻抗特性难以准确描述，但在一定的频率范围内时，特性阻抗的变化范围一定。一般情况下，电力线负载从20欧姆到190欧姆动态变化，很难做到输入阻抗的匹配，给电路设计带来很大的困难、
2.2 衰减特性分析
信号在电力线上传输中的衰减是低压电力线载波通信的一大难点，研究证明其主要包括耦合衰减和线路衰减。耦合衰减是由于信号发送电路输出阻抗与电力线输入阻抗不匹配造成的。线路衰减是指传输信号的能量在电力线上的损耗，其产生原因是多方面的包括电力线网络复杂，接入点多以及信道存在许多阻抗不匹配的节点等，从而使电力线信道具有多径信道的特征，必然造成信号的多径传播从而造成衰减。
（1） 经过测量分析和总结前人的研究成果发现电力线信道衰减特性主要如下：总的来说，信号传输的距离越远，信道衰减特性就越厉害。但是由于电力线是非均匀不平衡的传输线，接在上面的负载阻抗也不匹配，所以信号会遇到反射、驻波等复杂现象。这些复杂现象的组合，使信号的衰减距离的变化关系变得非常复杂，有可能出现近距离点的衰减比远距离点还大的现象。电力线信道衰减一般很大，除非在很短的距离上传输，否则信号衰减一般都达到20db以上。因为考虑到辐射干扰和成本问题，发射机信号功率不可能无限增大，而是有一定的上限，所以通信距离是有限的。因此电力线通信的距离相对于其他的有线通信要小得多。
（2）电力线上并联着的许多负载对信号衰减衰减影响很大。尤其是那些用于调整电网功率因数的大电容，对几百Khz的载波通信信号来说，相当于短路另外，当负载阻抗很小时，发送耦合电路的内阻也不可忽略。
（3）由于电力线阻抗的时变性，电力线信道衰减特性也同样表现出强的时变性，不同时刻的测量值超过20DB，白天和晚上表现出很大是差异。在工厂办公室内白天的衰减比晚上打，而在居民小区，晚上6到10点反而是衰减最大的时候，因为这段时间是居民用电即负载最重的时候。在设计通信方案时要充分考虑到这些因素。
（4）电力线衰减在频域上呈现出强烈的变化，从总的趋势上来说随着频率的升高衰减越来越多，单远非单调递增，而是表现为剧烈的波动，在幅频曲线上产
4
低压电力线载波通信系统 生大大小小的下陷。当电力线里有大的电容时，在某些特定的频点上会造成谐振，此时负载会近似为短路。造成接收信号急速降低，形成窄带衰减。在选用通信频率时应该尽量避开这些频点。
（5）一般同相衰减小于垮相衰减，单在一定频率点上可能会例外，这可能是电阻负载、反射、多径传播或驻波等现象造成的影响。
（6）高频信号在低压电力线上传输时，还有一个显著的现象去其衰减随工频电源的相位而变化，有时高频信号在工频电源的某个相位范围内会产生较大的衰减变化。产生这种现象的原因，可能是因为一些工作于开关状态的设备，如开关电源灯在工频交流电的一定相位时打开开关器件，于是就将电力线接到了后面的电路上。这些电路上通常含有大量的电容器或大功率的负载，所以引起高频信号衰减的剧烈变化。除此之外，开关电源会向电力线上释放大量的高频干扰，从而影响通信系统的工作。随着负载的在电力线上的连接或者断开，在不同的时刻，信号衰减都会表现出不同的特点。有时这种变化的程度会很大。由于负载的变化是随机的，所以信号衰减也会随机的发生变化。但是，从统计上看，这种变化还是有一定的规律可寻的。另外，接收机所处的位置不同，信号的衰减不同。在某些负载如彩色电视机、计算机等的旁边，高频信号的衰减往往会增大许多。
2.3 噪声特性分析
噪声特性是电力线的又一重要特性，电力线屏蔽性差，易引起外界的干扰，用电器种类又繁多，因此室内电力线上存在许多强时变性的噪声干扰。 （1）从时域上看，室内电力线上的噪声表现出一定的周期性，主要频率为电力系统频率的两倍，这是与工频有关的可控硅的工作造成的。从频域上看，一般而言，噪声的功率谱随频率的升高而降低，但有时又有很多的变化，存在许多突变。
（2）电力线上的噪声也表现出很明显的时变性，在不同的时刻，噪声干扰的频率和强度都不相同，但想要了解某个环境中电力线噪声特性就要多次测量不同时刻的频率谱曲线，再研究统计平均后的频率谱密度曲线。
（3）噪声的强度还依赖于噪声源离接收机的远近，因为噪声在电力线上的传输也会像通信信号一样被衰减，传输距离越远衰减越大。若在接收机附近有一强的噪声源，且其功率谱密度在通信所有的频带范围内较强，则最有可能影响通信
5
低压电力线载波通信系统 信号的正确传输，这种情况应是电力线通信所极力避免的。
（4）因为电力线上存在多种性质各异的噪声，要想减小噪声，降低通信误码率就需要对这些噪声的性质、来源、频谱特性进行研究。低压电力线的传输环境不同于其他信道，它的结构复杂，连接的负载众多且经常发生变化，因此作用于它的噪声不能简单的归结为加性高斯白噪声，而应根据不同噪声源进行具体分析。通常将电力线的噪声分为5类。各类噪声的特性参数见下图：
psd psd psd f 有色背景噪声 psd 窄带噪声 f 与工频异步的 周期性脉冲噪声 psd f f 与工频同步的 周期性脉冲噪声 图2-1 各类噪声特性图
异步脉冲噪声 f
（1）有色背景噪声：这种噪声随频率而发生变化，具有相对低的频率谱密度（PSD）。它主要是由各种低压功率的噪声源产生的，它的功率谱密度随时间的变化而发生简单的变化。
（2）窄带噪声：一般由中、短波广播所引发，它随时间而发生变化。 （3）与工频异步的周期性脉冲噪声：这种噪声的重复频率一般为50-200Hz，由电视机或电脑显示器干扰所造成，它的重复频率与电视屏幕或电脑显示器的扫描频率同步。
（4）与工频同步的噪声周期性脉冲噪声：脉冲的重复频率为工频或工频的整数倍。脉冲的持续时间很短，频率覆盖范围大，功率大，功率谱密度随频率的升高而下降。它的主要作用是由可控硅整流器件造成的。
（5）异步脉冲噪声：闪电或网络上负载（如电容器组，自动调温器，冰箱，空气调节器等）的开关操作会产生脉冲噪声，每个脉冲噪声都会影响很宽的频带。它的到达时间是随机的，持续时间从几?s到几ms。脉冲噪声的功率谱密度有时
6
低压电力线载波通信系统 会比背景噪声高出50db。这类噪声是电力线的最大障碍。
通常，前三类噪声随时间变化缓慢，常归结为背景噪声。后两种噪声的时变性强，当出现这些噪声时，功率谱密度会突然上升，数据传输会造成很大的差异。噪声很难直接定量的表示，但也有一定的规律性，比如噪声随频率的增高有下降的趋势，并且无论噪声所复杂，都是由各种特定性质的噪声源叠加而成。
2.4 系统干扰特性分析
在低压电力线上进行数据通信时的另一个需要研究的重要问题是电力线上干扰特性性质。电力线上的干扰可分为非人为干扰和人为干扰。非人为干扰指的是一些自然现象，如雷电在电力线上引起的干扰。人为干扰则是由连接在电力线上的用电设备产生的，并对数据通信有更严重的影响。为了表示这种干扰的复杂特性并简化分析，我们可以近似的将其分为4类：周期性连续干扰、周期性的脉冲干扰、时不变的连续干扰和随机产生的突发性干扰。通常情况下，前两类干扰占主导地位。
(1)低压电力线上干扰的周期性。
产生这种周期性干扰的原因是由于许多用电设备会在工频交流电击波的某个固定相位上释放出干扰。在实际情况中，由于有大量的用电设备同时释放干扰，而这些干扰的瞬时功率、周期、相位等又变化很大，各不相同，因此最终会在电力线上产生时不变的连续干扰。由于信号在电力线上传输的衰减非常大且富于变化，而且干扰频谱有可能部分或完全覆盖信号频谱，因此，在通信过程中的信噪比可能会变的很低，通信误码率增加。 (2)低压电力线上干扰的随机性。
除了上述的周期性和连续性的干扰外，电力线上还存在许多随机发生的干扰。这些种随机干扰通常是由于高压开关的操作、雷电、较大的负荷变化、电力线上的短路故障等引起的，往往是能量很大的脉冲干扰或脉冲干扰群持续时间较短，但能量很集中，频谱也很宽。高压的断开和闭合在电力线路上导致的暂态过程会产生一系列的电磁脉冲（脉冲群），而这一暂态过程受多种因素影响，分散性极大。另外，低压电力线路上的各种大功率负载的突然开关、大功率电机的启停过程、功率因数补偿电容器的投切以及短路、故障切除和重合闸等都会引起电压、电流的突变和和频谱分量的增加。而在离接收机近距离的范围内，某些中小
7
低压电力线载波通信系统 功率的负载，如日光灯、计算机等的开关也会产生较大的突发脉冲干扰而影响通信。通信过程中，由于其高能量、宽频谱的特性，通常会使所传数据的若干各位甚至整个数据传输过程发生错误。在一个完善的低压电力线载波通信系统中，可以通过前向纠错码、自动重发机制、数据预取机制等措施加以克服。 (3)低压电力线上干扰的多变性
出于与信号衰减多变性同样的原因，低压电力线上的干扰也存在多样性。这种多样性表现在两个方面。首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都各不相同。其次是因地而变，即在不同的低压电力网之间，干扰的情况各不相同；而在同一个低压电网之内，不同地点的干扰情况也不相同。电力线上干扰的因地而变的特性对低压电力线载波通信系统也会产生很大的影响。
第3章 扩频通信的相关研究
3.1 扩频通信基本原理
随着人们的需求以及通信技术不断的发展，通信正朝着高速率、宽频带、大容量方向发展。就理论研究而言，低压电力线载波通信已从传统的频带传输（幅频键控ASK，频移键控 FSK，相移键控 PSK）发展到扩频通信（SSc）技术、多载波正交频分多址（oFDM）技术以及使用高速光纤的光波分复用（WDM）技术等。
所谓扩展频谱通信，可简单表述如下：“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据”。其基本原理如下图所示：
8
低压电力线载波通信系统 信源 信息接收 数据调制 数据解调 扩频调制 传输媒介 扩频解调 扩频编码发生扩频解调发生器 同步电路 图3-1 扩频通信基本原理图
香农公式c=Wlog2(1?P/n) (c为信道容量，W为频带宽度，P/n为信噪比)指出在信道容量c一定的情况下，频带宽度W和信噪比P/n是可以互换的，这意味着如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比下用相同的信息率以任意小的差错频率来传输信息。这就是用扩频通信的核心好处。
3.2 扩频通信系统分类
就扩展频谱的不同，扩展通信系统可分为：直接序列扩频，调频，跳时，线性调频以及以上各种基本方式的组合。
(1) 直接序列扩频（DS），简称直扩，即采用高码速率的直接序列伪随机码在发端扩展信号频谱，在收端采用相同的伪码进行相关解扩，得到原始信息数据。 （2）跳频扩频系统（FH），即采用跳频方式进行扩频，相当于采用特定伪随机码控制的多频率移频键控。在发送端，采用一组高速变化的伪随机码控制载波频率的变化，在接收端，接收机的频率合成器也受伪随机码的控制，并保持与发送端一致的变化规律，使其输出的跳频信号能够在混频器中与接收到的跳频信号差频出一个固定的中频信号，经解调在输出端恢复出原信号。根据跳频速率的快慢，又可把跳频系统分为快跳频和慢跳频。快跳频是指一次发射信号期间有不止一个频率跳变，即跳频速率大与信息速率；反之称为慢跳频。
（3）跳时扩频系统（TH），即采用跳时方式进行扩频，就是把传输一个原始信息位的 时间分成许多片段，在哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制，相当于采用特定伪码控制的多时片时移键控。由于采用了比原始信息位所占时间
9
低压电力线载波通信系统 窄的多的时片发送信号，所以信号的频谱展宽了。
（4）线性跳频系统（cHIRP），其发射信号的载波频率在信息脉冲持续周期内做线性变化，由于这种线性调频信号占用的频带宽度与大于信息宽度，所以这种通信系统也是一种扩频调制系统。
（5）混合系统即为上述几种基本的扩频方式组合而构成的扩频系统，如直扩，跳扩和时扩三种方式的组合即DS/FH/TH混合系统。混合扩频方式实现比较复杂，但它能融合几种方式的优点，可以满足更高要求的抗干扰指标。
3.3 直接序列扩频系统
直接序列扩频系统又称“平均”系统或伪噪声系统，它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。
3.3.1 直接序列扩频信号的产生
直接序列扩频就是用高速率的伪随机码序列与信息码序列模二加后（波形相乘）的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号。一般情况下均采用PSK信号，而较少采用FSK或ooK。由通信原理可知，在PSK、FSK、ooK三种调制中，FSK信号是最佳调制信号，所谓最佳是指在其他条件相同的情况下，PSK误码率最小，为了节省发射功率和提高发射机工作功率，通常使用抑制载波的双相平衡机制。
下图为直接系统扩频的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间Ta的信息流，伪随机码产生器生产的伪随机码c(t)，每一伪随机码码元宽度或切普（chip）宽度为Tc。将码元a(t)与伪随机码c(t)进行模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用扩频序列去调制载波，这样就得到已扩频调制的射频信号。在接收端，接收到的扩频信号经高放和混频后，用与发射端同步的伪随机序列对中频的扩频调制信号相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a(t)的频带，即为中频调制信号。然后再进行解调，恢复出所传送的信息a(t)，从而完成信息的传输。对于干扰信号和噪声而言，由于与伪随机序列不相关，在相关解扩器的作用下，相当于进行了一次扩频。干扰信号和噪声频谱被扩展后，其频谱密度降低，这样就大大降低了进入信号通频带内的干扰功率，使解调器的
10
低压电力线载波通信系统 输入信噪比和信干比提高，从而提高了系统的抗干扰能力。
a(t) 信源 c(t) Pn码 （a）发射 振荡器 扩频 d(t) 调制 fo s(t) r1(t) 高 放 混 频 解 扩 c’(t) Pn码 （b）接受 r1’(t) 解 调 a’(t) fL 本 振 同 步
图 3-2 直扩系统组成框图
3.3.2 伪随机信号的调制与混频
扩频频谱系统信息的传输，是把信号调制在伪随机码序列中再通过伪码序列对载波调制后来实现传输的。因此在扩频通信中，常常需要对伪随机码进行调制、变频等各种处理，因此，有必要对这些问题作简要的概述。
设载波为Acos?0t，伪随机信号为c(u,t)，则平衡调制波为
f(t)?Ac(u,t)cos?0t 式中：A为载波幅度； ?0是载波的角频率。
如果作二相移键控调制时，则调相波可为
f(t)?Acos[?0t??c(u,t)]
式中?c(u,t)是已调相位变化，?是调制指数（即对应载波的最大相位偏移）。
11
低压电力线载波通信系统 在二相调制中?=?c(u,t)是二进制伪码序列。若规定二进制序列中去“0”码时，
?c(u,t)= ??0=0; 取“1”码时，?c(u,t)= ?，则有
f(t)?Acos?0t 当c(u,t)取“0”时
f(t)??Acos?0t 当c(u,t)取“1”时
显然，这样一个调制信号可等效为一个只取±1的二值波形对载波进行的抑制载波双边振幅调制信号，也就是平衡调制信号
f(t)?Ac(u,t)cos?0t
式中 c(u,t)=1 当二进制序列取“1”时 c(u,t)=-1 当二进制序列取“0”时
实际上直接序列调制产生的2PSK信号就是f(t)?Ac(u,t)cos?0t的模式，只要c(u,t)本身不含有直流分量。平衡调制抑制了载波，但对这种信号，接收端为了从收到的已调波中恢复调制信号必须能准确的恢复载波分量。此外，载波频率必须远高于调制信号中有用信号的最高频率，否则，就发生频谱交叉，不易分出调制信号的频谱分量，因而产生折叠噪声。
下面来考虑接收端混频的情况，也就是讨论用伪随机码作调制信号的已调波的混频问题。混频是两个信号相乘的过程。如果两个信号是A1c1(u,t)cos(?1t??1)与A2cr(u,t)cos(?2t??2)相乘，并设和频项被滤除，则有
1A1A2c1(u,t)cr(u,t)cos(?I??)?Ac1(u,t)cr(u,t)cos(?I??) 21式中：A=A1A2, ?I??2??1； ???2??1；
2c1(u,t)是发端的伪随机码； cr(u,t)是本地的伪随机码；
?2和?1分别为本地载波和发端载波初相。
当两个二进制伪码波形c1(u,t)和cr(u,t)完全相同，及c1(u,t)与cr(u,t)具有相同的周期（即码长相等）和码元同步，它们的相位就完全重合时，我们有
12
低压电力线载波通信系统 c1(u,t)cr(u,t)=1
此时，混频器的输出信号就被解扩，但是在扩展频谱系统中，输入已调波信号f1(t)?A1c1(u,t)cos?1t中伪随机码已经和待传信息码实现了波形相乘，它载有传送信息，而本地的伪码cr(u,t)无信息，因此它们之间有相移。两个周期相同，码位同步的调相信号混频的结果，伪码调制被解扩，而把由信息码确定的相移仍保留在中频信号中，混频器的输出仍为已调相波。所以在分析混频时，需要注意相位。混频的作用不仅仅是两个输入载波相乘进行外差，而且还是两个调制波
c1(u,t)和cr(u,t)的相乘。由于c1(u,t)和cr(u,t)只取“-1”或“1”，他们相乘等效于c1(u)和cr(u)（指序列，它们均取值“1”和“0”）的模二加法。
3.4 扩频系统中的伪随机序列
3.4.1 扩频码简介
在扩频系统中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能和扩频码的性能有很大的关系。对扩频码通常提出下列要求：易于产生；具有随机性；扩频码应具有尽可能长的周期；应具有双值自相关函数和良好的互相关特性。
从理论上说，用伪随机序列去扩展信号频谱是最理想的。但实际上我们只能用伪随机或伪噪声序列作为扩频码。随机序列应该同时具有如下的性质：随机序列中0和1的个数接近相等；随机序列中长度为n的游程约占游程总数的1/2的n次方；在同长度的游程中，0游程和1游程数大致相等；随机序列的自相关函数具有类似白噪声自相关函数的性质。伪随机序列具有类似于随机序列的性质，但它的结构或者形式是预先可以确定的，并且可以重复产生和复制。它分为狭义伪随机序列和广义伪随机序列。狭义伪随机序列定义为自相关函数具有如下形式的序列：
13
低压电力线载波通信系统 1p2?xi?1 pi?1j=0 Rx(j)= 1pxi*xi?j ?pi?1j≠0
广义伪随机序列定义为自相关函数具有下列形式的序列：
Rx(j)= 1p2xi?1 ?pi?11pxi*xi?j ?pi?1j=0 j≠0
这里xi定义在二元域上，只有+1和-1两个值，p为码序列周期。扩频码中应用最广泛的是m序列，即最大长度序列，其它还有L序列和霍尔序列等。编码理论的数学基础是抽象代数的有限域理论。
3.4.2 伪随机（Pn）序列产生
伪随机序列可由移位寄存器网络产生，由移位寄存器生成的序列大致分为两类。一类为非最大长度序列，另一类为非最大长度序列。M序列是由多级移位寄存器或其它延迟元器件通过线性反馈产生的最大长度序列。在二进制移位寄存器发生器中，若n为寄存器级数，则所产生的最大长度序列的周期为2n?1，也就是说周期为2n?1的移位寄存器序列是最大长度序列，即M序列。
M序列为同样级数的线性移位寄存器所产生的最大长度序列，它具有极高的效率，良好的相关特性，并且容易产生和复制，因此在扩频通信中最早获得广泛的应用，M序列的生成可用移位寄存器的特征多项式确定，一个特征多项式对应一个最大长度序列，也就是对应一个M序列。若M序列由一个n级移位寄
14
低压电力线载波通信系统 存器产生的，则该M序列的特征多项式可以表示为：
f(x)?c0?c1x?c2x2?.........?cnxn
其中，c0?1,........,cn?1，特征多项式中的xi（i=0,1,2，……，n）与移位寄存器的第i个寄存器相对应，反映了线性反馈特性。下图为简单的针对23本原多项式的4位移位寄存器：
X1 X2 X3 X4
图3-3 f(x)?x4?x?1的m序列发生器
要构造一个产生M序列的线性移位寄存器，首先要确定生产多项式，确定生产多项式方法是先得到所有的n次既约多项式，再计算各个既约多项式周期，周期为2n?1的多项式即为生成多项式。当n很大时，若想生成多项式十分困难。通过理论分析和计算机模拟计算，人们已经得到了级数从1到168的M序列生成多项式的系数，并已造表以供差用，实际应用时只需查表即可。
3.5 扩频系统的调制、解扩和解调
由通信原理可知，在PSK、FSK、ooK三种调制中，PSK信号是最佳调制信号，所以在设计中我们采用的是2PSK调制方式。而接收端扩展频谱信号分两步解调，首先是对扩展频谱信号进行解扩；其次，对剩下的载有信息的信号进行解调，对DSSS系统，扩展频谱信号的解扩是通过与一个本地参考信号相乘来完成的，而这个本地参考信号在结构上与发射端的信号相同，在时间和相位上与由发射端传输和接收端的有用信号同步。我们这里假定接收到的有用信号与本地参考信号是同步的。
3.5.1 扩频频谱信号的2DPSK调制
二进制移相键控（2PSK）方式是受键控的载波相位按基带脉冲而改变的一种数字调制方式。2PSK的信号在其一码元程序时间Ts内为：
15
低压电力线载波通信系统 coswct e0(t)? ?coswct
即发送二进制符号0时e0(t)取0相位；发送二进制符号1时e0(t)取?相位。这种以载波的不同相位直接去表示相应数字信息的相位键控，通常称为绝对移相方式。
但是，如果采用绝对移相方式，由于发送端是以某一个相位作为基准的，因而在接收系统中必须有这样一个固定基准相位作参考。如果这个参考相位发生变化，则恢复的数字信息就会发送0的1变化，从而造成错误的恢复。考虑待实际通信时参考基准相位的随机跳变是可能的，而且在通信过程中不容易被发现，这样，采用2PSK方式就会在接收端发生错误的恢复。这种现象，常称为2PSK方式的“倒?”现象或“反向工作”现象。为此，实际中一般不采用2PSK方式，而采用一种所谓的相对移相（2DPSK）方式。
2DPSK方式即是利用前后相邻码元的相对载波相位值去表示数字信息的一种方式。列如，假设相位值用相位偏移??表示，其中??定义为本码元初相与前一码元初相之差，并设
????，表示数字信息“1” ???0，表示数字信息“0” 则数字信息序列与2DPSK信号的码元相位关系可举例表示如下： 数字信息： 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 2DPSK信号相位：0 0 0 ? 0 ? ? ? 0 0 ? 按照前面的规定画出的2PSK及2DPSK信号的波形如下图所示
16
低压电力线载波通信系统
图3-4 2PSK及2DPSK信号的波形
3.5.2 扩展频谱信号的相关解扩
扩频系统中，常用信号的相关性来检测淹没在噪声中的有用信号。所谓相关性，就是信号的某个特定标识（通常指相位）在时间坐标上有规定的时间关系，具有这种性质的信号称为相干信号。列如，系统的振荡器的输出信号相位是稳定的，或者在有调制的（PSK）情况下，相位作为时间的既定函数而变化，这个振荡信号就具备了相关性。相关处理，就是要把有用的宽带信号变换为窄带信号，并把无用信号（干扰）变成宽带信号（干扰与本地扩频码相乘，或在频域内求卷积积分），从而降低了干扰信号的功率谱密度，提高了窄带滤波器（基带滤波器）输出端的信噪比，而获得系统的处理增益。扩频信号的解扩相关器一般有两种形式，即“直接式”和“外差式”。
直接式相关解扩是在接收端，把接收到的信号与发射端调制码相同的本地参考码相乘，其效果与发射调制互补。这种方法的优点是结构简单，缺点是对于干扰信号有直通和码速率泄露现象。
外差式相关器是一种相关输出信号与输入信号中心频率不同的相关器。在相关解扩的过程中，载有信息的信号被变化到了一个新中心频率上（即某个中频），这样就避免了泄漏的可能性，同时也简化了接收机的设计，是外差式相关器后面的电路在较低的频率下工作，性能也较为稳定。下图为直接序列外差式相关器，相关器中产生一个本地参考信号，它是与所接的DS信号有一个频差的复本，即差一个中频fIF，与发射端信号的区别仅仅在于本地参考信号是没有被信息码调制的。下图本地参考信号是用与发射信号完全相同的办法来产生的。
17
低压电力线载波通信系统 接受到的相移 键控调制信号 双边带平衡混频器 f(c)g(m) 恢复的载波 (f0?fIF)g(m) 双边带平衡混频器 f(c)?fIFk(s) 本地振荡器 f(c)?f0k(s) f0?fIF 调制码 f0：输出中心频率 k(s)：基带
图3-5 DS外差式相关器
相关过程就是本地参考信号与输入信号进行频率的卷积运算，在时域里是一一对应地进行逐比特的码元比较。
3.5.3 扩展频谱信号的解调
扩频信号经解扩后，剩下的问题就是从已解扩了的带有信息的中频信号中，检测出发射端发送的基带数字信号。直接序列扩频系统接收机中恢复过程是一个相关过程。因为接收机和本地参考信号的准确估计，还因为相干检测器比别的类型的检测器有优良的特性，所以直接序列扩频系统中使用相干检测器。
输出到锁相环解调器a点的信号Acos??it??(t)?，与经过锁相环锁定且同步了的压控振荡器（Voc）的输出(Bcos?it)相乘，滤波器输出为ABcos?(t)。在二进制移相键控信号中，当?(t)?0时，符号检测器输出为“1”码，当?(t)??时，符号的检测输出“0”码，这样就把基带数字信号恢复出来了。
18
低压电力线载波通信系统 a 相位检测 ABcos?(t) 带通 滤波器 符号 检测器 c 带通 输出 Bcos?it Voc b 取样脉冲 图3-6 锁相环解调器
第4章 电力线载波MoDEM
本课题中载波通信系统的组成主要采用电力线载波专用MoDEM Sc1128和Pc机以及单片机结构。其中Sc1128完成数据的调制和解调功能，Pc机完成人机界面设计，而单片机与MoDEM的通信用软件模拟I2c总线来完成。
4.1 电力线载波专用MoDEM的原理与应用
在电力线载波通信系统的设计中，数据信号的信噪比决定传输距离的远近，因此电力线载波通讯的关键就是设计出一个功能强大的电力线载波专用modem芯片。由于国外电力线modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，因此在国内适应都难尽人意。
Sc1128 MoDEn芯片是面向国内电力线载波通信市场而开发研制的专用扩频调制解调电路。由于采取了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。Sc1128芯片内部集成了扩频/解扩、调制/解调、D/A和A/D转换、内置电子表、输出驱动、输出信号放大、看门狗、工作电压检测以及与单片机(McU)串口通信等功能。该芯片在小型多功能应用系统中可以降低系统成本并提高系统功能的作用。
Sc1128芯片采用cMoS技术设计的数模混合电路。其功能特点： （1）直接序列扩频技术，抗干扰能力强；
19
低压电力线载波通信系统 （2）发射信号分为两种形式输出：一种是经D/A转换器后正弦缓冲器输出，谐波成分少；另一种以高压开漏缓冲器输出，应用成本低； （3）输出信号放大器，对输入信号进行前置放大； （4）内置看门狗电路，监视系统程序工作状态；
（5）内置电压检测器，监视电源电压的变化，并及时向向系统发出报警信号； （6）内置电子表电路（24小时制），满足对不同时间段计费率的要求（支持掉电工作）；
（7）内置串行半双工同步传输通信接口，方便与McU之间的控制命令和数据交换；
（8）内置64?8SRAM存储器（支持掉电工作），为系统提供数据暂存； （9）提供QFP-44线封装形式（LQFP-44PIn）； （10）单+5伏电压工作；
4.1.1 Sc1128芯片的逻辑框图和主要引脚说明
Sc1128的内部逻辑如图4-1所示
图4-1 Sc1128的内部逻辑框图
其电特性指标（VDD=5V,TA=工作环境温度）如表4-1所示，主要管脚说明
20
低压电力线载波通信系统 如表4-2所示
表4-1 Sc1128电特性指标 名称 输出高电平 符号 条件 （?20?TA?85?c） 规范值 最小 4.8 最大 - 单位 IoH??20?A VIH?3.15V VIL?0.8V VoH IoH??4.0mA VIH?3.15V VIL?0.8V 输出低电平 4.2 - V IoH?20?A VIH?3.15VVIL?0.8V - - 3.15 - - 5 5 3 0.2 0.45 - 0.8 ±2.0 50 15 10 VoL IoH?4.0mA VIH?3.15VVIL?0.8V 输入高电平 输入低电平 输入漏电流 静态电源电流2 输出驱动电流 静态电源电流1 输入电容 输出电容 VIH VoUT?0.45V或4.2V VoUT?0.45V或4.2V VI?VDo或GnD 电子表工作电流 SInoUT输出端 VIL II IDoT IDRV ?A MA VI?VDo或GnD Io?10?A IDo cI D- - 10 10 PA co DTA?25?c 21
低压电力线载波通信系统 工作频率 F? 外接晶体 表4-2 主要管脚说明 8 36 MHz 序号 1 6 10 12 13 14 15 16 17 18 20 21 24 25 26 29 34 符号 简单说明 cP32 GnD GnDA 内置电子表晶体振荡器输入端（32768HZ） 数据地 模拟地 一级放大器输入V?端 一级放大器输入V?端 一级放大器VoUT输出端 二级放大器输入端 二级放大器输出端 三级放大器输入端 三级放大输出端 滤波输出 模拟电源 发射输出（数字）。高压开漏输出。 发射输出驱动器电源 滤波输入 数字电源 V? V? VoUT Vi1 V01 Vi2 V02 FIRoU VDDA SEnD VDDP FIRIn VDD DoGoU 看门狗输出端，与SPLDoG端输入配合，正常时，输出为低电平。否则 35 PoWAL 电源报警输出端。当电源监测输入端测到的电源信号低于监测值时 36 37 38 39 SR SYn TX LInE 发射/接收控制端。0为接收，1为发射。 发射/接收同步端。发射或接收同步后产生同步脉冲 发射/接收数据端（双向端口） 设置数据及状态的输入/输出端（双向端口） 22
低压电力线载波通信系统 40 41 42 43 44 SETcL cS nc VDDT cP320 同步设置时钟输入端（McU对本电路设置） 设置片选输入端（McU对本电路设置） 无连接。在使用中要保持浮空状态。 内置电子表电源输入端 内置电子表晶体振荡器输出端（32768HZ） 4.1.2 Sc1128芯片参数的设置
（1）McU(Microcontroller——单片机)对芯片的设置（读/写）
McU对Sc1128芯片的设置是通过cS，SETcLK和LInE三端进行的。其中cS为片选输入端，SETcLK为设置时钟输入端，LInE为串行数据输入或输出端（双向端口）。McU对Sc1128芯片的设置（读或写）有统一的数据格式即每次读或写都是由两个字节（控制字和数据位）完成的，其格式说明如图4-2：
A5 A4 A3 A2 A1 Ac R/W noP D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 地址5-0 空操作 读（0）/写(1) 数据D7-D0
图4-2 McU电路的设置示意图
McU对电路设置（读或写）时要向电路的cS端给出低电压，再向电路发出同步脉冲SETcLK，在同步脉冲的控制下首先向LInK端串行给出8位位控制字，即先由高到低分别给出六位（A5～A0）地址，再给出读/写控制位（第七位）和空操作（第八位）；然后给出8位数据。特别要注意的是LInE端为双向端口，当McU给出的8位控制字中的第七位（读/写控制位）为0（读操作）时，电路将在SETcLK的第七个脉冲的下跳沿把LInE端由输入状态变为输出状态，因此McU在对电路进行读操作时一定要在SETcLK的第七个脉冲的下跳沿之前将McU端的输出（与电路的LInE相对应的端子）状态改为输入状态。 （2）McU对SRAM的读/写
由于控制字的地址为A5～A0只有六位，因此可寻址范围是26?64。电路内部实际上只有60×8位SRAM，其地址范围为000000～111011.另四个字节分别
23
低压电力线载波通信系统 是保留寄存器、工作寄存器、内部电子表的低八位和高八位。因此，对电路内部60×8位SRAM的读写操作同样是按图4-2的格式先给出地址再给出读或写操作位和空操作，最后给出写入SRAM的数据或读出SRAM内的数据。SRAM支持掉电工作方式，若系统出现掉电情况则在VDDT电源端（43脚）的维持下可以保持SRAM内的数据不丢失。因此可为小型应用系统提供数据暂存避免系统突然掉电而丢失一些关键数据。 （3）McU对工作状态寄存器读/写
工作状态寄存器（地址：111101）的每一位分别控制真电路不同的工作状态，具体格式如图4-3： —— S1 S0 D4 D3 D2 D1 D0 捕获门限值设置 保留位 周波选择 周波选择
图4-3工作状态寄存器示意图
对工作状态寄存器的设置可以得到多种工作状态。如通信速率快慢和捕获门限的大小。工作状态寄存器的S1和S0是控制通信速率快慢的，由这两位可以选择三种通信速率值。表4-3：
表4-3通信速率的设置 S1 0 0 1
工作状态寄存器的的。D4～D0是控制捕获门限设置在使用中可根据通信环境的实际情况来选择不同的捕获门限值以达到比较好的通信效果。在设置捕获门限值时要特别注意与通信速率值的配合，否则将无法同步的结果。
捕获门限值共有32个基本数值可以选择，捕获门限值设置值与捕获门限的具体对应的数字见表4-4，内部寄存器地址见表4-5.
表4-4捕获门限值设置（D4～D0） S0 0 1 0 通信速率（Pn码63位） 6K 3K 1.5K 周波 单周波 双周波 四周波 设置值（D4～门限数值（十进制） 设置值（D4～门限数值（十进制） D0） D0） 24
低压电力线载波通信系统 00000 （00H） 00000 (01H) 00010 (02H) 00011 (03H) 00100 (04H) 00101 (05H) 00110 (06H) 00111 (07H) 01000 (08H) 01001 (09H) 01010 (0AH) 01011 (0BH) 01100 (0cH) 01101 (0DH) 01110 (0EH) 01111 (0FH) 200 256 290 360 396 496 596 710 793 992 1190 1400 1580 1980 2380 2850 10000 (10H) 10001 (11H) 10010 (12H) 10011 (13H) 10100 (14H) 10101 (15H) 10110 (16H) 10111 (17H) 11000 (18H) 11001 (19H) 11010 (1AH) 11100 (1BH) 11100 (1cH) 11101 (1DH) 11110 (1EH) 11111 (1FH) 450 550 660 750 890 1128 1300 1490 1780 2180 2680 3100 3710 4510 5320 6290 表4-5内部寄存器地址（A5～A0） 地址（A5～A0） 000000～111011 111100 111101 111110 111111 说明 SRAM 1～60字节 保留位 状态寄存器 电子表低八位 电子表高八位 第5章 系统具体组成
5.1 系统设计及组成
本课题采用Pc机和ATMEL公司的AT89c2051单片机作为核心控制器，采
用调制解调专用芯片Sc1128，实现两台Pc机间的电力线载波通信。系统的设计构成如下所述。
25
低压电力线载波通信系统 本系统的硬件部分主要包括Sc1128收发电路及外围电路、由RS232相连的Pc机和AT89c2051单片机、耦合变压器、电力线等组成。信号由电力线经耦合器、带通滤波器和前级放大器（可选）进入Sc1128芯片。经过处理后供微处理器处理。数据由微处理器发送至Sc1128芯片，经过处理后通过功率放大器和耦合器发送至电力线上，完成电力线上的发送和接收。各部分结构和功能如下所述：
系统的控制部分由Pc机与单片机共同完成，他们之间用RS-232串口接口，其中单片机采用ATMEL公司的AT89c2051，它是一款带有2KB Flash可编程、可檫除只读存储器（E2PRoM）的低压、高性能8位cMoS微型计算机，它采用了ATMEL公司的高密度非易失存储技术制造，并和工业标准McS-51指令集和引脚结构兼容。它通过RS232口与Pc机相连，其中Pc机完成总体控制功能，AT89c2051完成与调制解调芯片、Pc机的接口和数据处理功能。系统总体硬件框图如图5-1所示：
功率放大器 Sc1128 微处理器 电力线耦合电路 图5-1 系统硬件框图
5.2 具体模块电路
(1)电源模块
借鉴参考资料里的相关电路，电源模块的组成如图5-2所示，其中变压器输入端金额220V/50Hz工频交流电，经过整流桥输出后经由滤波电容滤波。滤波电容的输出端接+5V输出的三端稳压器，再经过滤波电容后可得到单片机和Sc1128所需的工作电源（芯片供电电压为5V）。
带通滤波器 前级放大器 RS232 Pc机 26
低压电力线载波通信系统
图5-2 电源模块
调制解调芯片Sc1128为减少电路自身的互相干扰，采用供电电源分别引入的工作方式，并各自使用独立的接地线。相关引脚如下：
20脚VDDA：运算放大器电源+5V； 10脚GnDA：模拟地。 29脚VDD：+5V：电源 6脚GnD：数字地。
25脚VDDP：功率放大器电源+5V； 22脚GnDP：功率放大器地。
43脚VDDT：内置电子表及数据存储器后备电源+3~5V，可外接锂电池。 （2）Sc1128收发电路及外围电路
如图5-3所示，1为耦合线圈，它可将框三中发射的信号耦合到电力线；又可将电力线上接受的信号耦合到2。2为前级接收通道，它将接受的信号经放大、滤波，送入Sc1128的一级运算放大器处理；3为功率放大器输出，它将Sc1128发出的调相信号进行功率放大，经耦合线圈耦合送入电力线；4为Sc1128模拟信号处理电路。接收通道包含三级运算放大器，其中一级运放的增益可调。
27
低压电力线载波通信系统 3 功率放大器 4 Sc1128 调相输出 Sc1128 放大器 1 2 滤波 耦合 滤波器 放大器 解扩输出 220Ac
图5-3 Sc1128外围电路 （3）耦合电路
耦合电路是载波信号的输出和输入通路，并起隔离220V/50Hz的工频作用。该电路在设计时需考虑220V线路侧的阻抗特性，T1为信号耦合变压器，220V线路侧阻抗阻抗一般取3~30?.。然后确定线圈初次级的匝数比或阻抗比。最后设计功率放大器的输出匹配电阻。输入通道接一个浪涌保护二极管，经电阻隔离后接二极管箝位电路输出给前缀滤波电路。耦合电路的结构如图5-4所示。
图5-4 耦合电路
本论文初次级的匝数比取12:21，输出端接一个浪涌保护二极管TVS，经电阻隔离后，接二极管箝拉电路输出给接收电路部分的前级滤波器。图5-4变压器T1实现了高压与低压的隔离，因为载波的频率比较高，远远大于电网的频率，这样就使载波信号畅通无阻，而能够隔离高压，电容c0阻断低频高压，阻止变压器饱和，电阻R1取值100千欧，起作用是离线时使电容放电，防止在设备插
28
低压电力线载波通信系统 头的两端出现高压。TVS是瞬变抑制二极管。它可以避免后面的电路被高压击穿。D1，D2也为防止高压击穿放大电路而设计的。电力线上的设备接入或断开，都可能引起尖峰脉冲，并导致收发电路的永久破坏。刚刚接入时会产生瞬时脉冲，这种脉冲破坏力很大。它的电流很大，但能量却不是很大。瞬时抑制二极管1.5KE6.8cA响应时间是5ns，能够吸收200A电流，瞬时功率可达1500W，可以简单的把它看作是一个具有强大吸收电流能力的稳压二极管，但它的动态电阻比较大，所以还需要D1和D2这两个肖特基二极管进一步把电压钳位在电源电压左右。
（4）输入通道滤波器
该输入通道滤波器为带通滤波器。其作用一方面滤除带外杂波。另一方面保证前后级之间的阻抗匹配，以达到顺利传递信号的目的。由于主晶振的工作频率不同。载频也不同；调制周波数和数据传输速率不同，带宽也不同，因此，滤波器的参数在主晶振频率不同时也将有所变化。本系统设计通信系统速率为400kbps，载波频率为30MHz。调制周波数c选4，芯片伪随机码位数L=63，根据相关公式求系统参数：
工作频率：Fg?Fc?32=20×30=600MHz； 晶振频率：Fz?Fc?32?600?32?19200MHz； 码片速率：Ms?Fc?c?30?4?7.5MHz； 带通滤波器带宽：Bw?Ms?2?0.8?12MHz； 具体电路参照参考文献可得如下电路图：
图5-5 带通滤波器 （5）前级放大器
本级放大的目的是将滤波后的信号不失真的放大同时要求小信号的不失真，
29
低压电力线载波通信系统 将信号不失真的放大75倍以上，以达到本级增益30dB以上的要求。在该电路里应该特别注意小信号失真的问题，它主要是完成小信号的放大，且电路本身的噪声不能过大。经该级放大后直接接入Sc1128片内运算放大器继续将信号放大。本电路部分借鉴文献资料中成熟电路。该前级放大器的构成如图5-6所示。
图5-6 前级放大器 （6）功率放大器
此级功率放大器是将Sc1128第24脚的高压开漏输出转换成功率输出，该脚输出时外接一个不小于1K的上拉电阻，且灌入电流不超过4mA，并有不低于3V峰值的信号电压输出。功率放大器本身工作在开关状态，正常发射时间很短。本系统中部分电路借鉴文献资料里中成熟电路。结构图如图5-7所示。
图5-7 功率放大器
30
低压电力线载波通信系统 （7）单片机与Sc1128的接口及单片机外围电路的组成
Sc1128第28脚为电路工作主时钟的二分之一的晶振输出（其峰值约为4V，作为单片机的工作晶振），近似正弦波；32脚电压检测端；33脚看门狗输入端，正常工作时应该在768mS内产生一次高低电位变化；34脚看门狗输出端，与33脚配合，正常时输出低电平，否则输出三分之一占空比的复位脉冲；35脚与32脚配合，当电源信号低于监测值时，输出低电平，当高于监测值，则输出高电平；36脚收发控制端，0为接收，1为发射；37脚在发射和接收同步后产生同步脉冲信号，频率随工作主时钟的变化而变化；38管脚为输出发送和接收数据；39管脚为设置数据及状态的的输入输出端；40脚为同步设置时钟输入端；41脚外片选输入端。该部分的结构图如图5-8（a）所示。
图5-8（a） 单片机与1128的连接
图5-8（b）单片机的外围电路及与Sc1128的连接
31
低压电力线载波通信系统 其数据收发流程如下：
当发射状态时，单片机将SR端（36脚）置高，1128芯片发出同步脉冲信号（37脚），单片机通过TX端（38脚）同步发送数据。
当接收状态时，单片机将SR端（36脚）置底，1128芯片若接收到数据，则产生同步脉冲信号，通过TX端（38脚）将数据同步发送到单片机。
单片机系统的外围电路如图5-9（b）所示，除了与Sc1128连接外，其本身工作的晶振也由Sc1128的第28脚提供，另外，复位电路接Sc1128的看门狗输出端为了随时能够检测系统的工作状态。还在单片机的P3.4和P3.5脚接上了两个备用LED，他们可由软件自由设置其功能。 （8）输出通道的组成
输出通道由Sc1128的第24脚的oc门输出、功率放大器和耦合变压器组成，如图5-9所示。
图5-9信号输出通道
输出端是经过Sc1128芯片处理后的脉冲输出。此输出为oc门输出，因此应接上拉电阻，本电路上拉电阻的值为2K。功率放大器由12V直流供电。由于Sc1128第24脚输出为方波，故电路工作在开关状态，因此经耦合变压器
32
低压电力线载波通信系统 滤波后应为10V左右的近似方波，在实际使用中，Sc1128的第24脚需要接一个1K以上的上拉电阻，上拉电阻可以接在5V或12V的电源均可，无论接入哪个电源，其最大灌入电流不应超过4mA。上拉电阻大小还要保证24脚的输出电压幅值能使功率放大器正常工作（本系统中其峰峰值不低于3.0V）。
第6章 软件设计方案
该部分主要完成单片机和Sc1128的初始化，通信协议，数据的接收和发送（部分程序见附录）。Sc1128初始化主要包括的内容：
（1）工作状态寄存器的设置：在这部分主要是用来控制接收和发送的通信速率，及接收的门限值，在设置时要注意对Sc1128读写时序的配合。
（2）接收状态的设置：在Sc1128通信时，要工作在接收状态中即SR=0，当要发送数据时再将SR=1，发送结束时再将其置回接收状态。
（3）在进行通信时要先设置通信状态，再开放相应的中断。同时要让接收一方工作之后再让发送一方发送数据这样就可以不丢失数据。
发送、接收及中断程序的流程图如图5-11所示。
发送测试程序 开始 发送中断服务程接收中断程序 发送一位 n 接收一位 n 发送结束 Y Sc1128初始化 Y 发送结束 开放中断 设置Sc1128为接收状态 接收完毕 循环等待 中断返回 中断返回 6-1 程序流程图
33