基于PL3200的CDMA擴頻電力線(xiàn)載波通信系統設計

2CDMA擴頻通信

CDMA(碼分多址)包含二個(gè)基本技術(shù)：一個(gè)是碼分技術(shù)，另一個(gè)是多址技術(shù)。

2.1CDMA中的碼分技術(shù)

碼分技術(shù)的基礎是擴頻技術(shù)，其目的是解決強干擾下的通信。由香農定理可知，在信號傳輸速率一定的前提下，增加帶寬可以降低對信噪比的要求。擴頻通信正是利用這一原理，用寬帶傳輸技術(shù)來(lái)獲得低的信噪比。擴頻通信系統的帶寬比常規通信系統大幾百倍，在相同信噪比的條件下，擴頻系統具有很強的抗干擾能力。CDMA中最常用的擴頻形式是用一個(gè)偽隨機碼序列與窄帶：PSK信號相乘。這樣，有用信號經(jīng)擴頻處理后，頻譜被展寬了。

2.2CDMA中的多址技術(shù)

所謂碼分多址，是指利用擴頻時(shí)使用的一組正交(或準正交)的偽隨機碼序列(地址碼)來(lái)實(shí)現多個(gè)信號同時(shí)入網(wǎng)接續的要求。在接收端，利用偽隨機碼的相關(guān)性進(jìn)行解擴，有用信號被恢復至窄帶譜。寬帶無(wú)用信號與本地偽隨機碼不相關(guān)，不能解擴，仍為寬帶譜；窄帶無(wú)用信號被本地偽隨機碼擴展成寬帶譜。這樣，只有有用信號才被壓縮、識別和提取出來(lái)。

在本系統中，通過(guò)采用PL3200型SoC。將CDMA擴頻通信應用到電力線(xiàn)載波通信系統。

3 PL3200型單片系統

3.1PL3200的結構

PL3200是福星曉程公司開(kāi)發(fā)的單芯片系統(SoC)。該系統采用5V單電源供電，內嵌8051型增強性高速微處理器及直序擴頻碼分多址載波通信模塊．具有成本低、功能強等特點(diǎn)，能夠高效地應用于電力線(xiàn)通信領(lǐng)域。圖1示出PL3200的內部結構框圖。

PL3200內嵌8／16位高性能、低功耗微處理器兼容內核ALU，同等主頻情況下，8倍速于標準8051型微處理器．數據處理能力強。配置了256B+1KBSRAM(靜態(tài)隨機存儲器)、16KB。E2PROM(電可擦除／可編程存儲器)及3個(gè)外部中斷，為用戶(hù)提供豐富的嵌入式資源和理想的應用開(kāi)發(fā)平臺。另外，該系統還具有二個(gè)全雙工UART(通用異步收發(fā)器)，一個(gè)可配置為38kHz的紅外通信模式，另一個(gè)可配置為RS-485通信模式。

針對智能儀表的應用要求，PL3200內置高精度電能計量電路、LCD/LED顯示控制／驅動(dòng)電路、實(shí)時(shí)鐘及溫度傳感器。內置串行程序存儲器編程接口，支持在系統編程(ISP)。同時(shí)集成了完善的電壓監測，上電、掉電復位和看門(mén)狗電路，確保工業(yè)環(huán)境下運行時(shí)系統的可靠性。

3.2通信模塊的工作原理

PL3200的載波通信模塊采用直接序列擴頻通信方式，采用多地址通信技術(shù)將要發(fā)送的信息用偽隨機碼序列擴展到較寬的頻帶上。PL3200對擴頻數據采用QPSK調制方式，其載波中心頻率為120kHz。由于該系統采用Gold／Kasami序列，從而實(shí)現了碼分多址，其地址數目最多可達40個(gè)，其中有32個(gè)Gold序列。8個(gè)Kasami序列。

PL3200在接收端用同樣的偽碼序列來(lái)恢復信息。接收過(guò)程包括載波信號的捕獲和同步。捕獲是接收模塊在擴頻序列精確同步前搜索接收信號，使接收信號的擴頻序列與本地擴頻序列在相位上進(jìn)入可同步保持的范圍，即二者的相位在一個(gè)擴頻序列碼元之內。捕獲完成后進(jìn)入跟蹤階段，使本地偽碼能夠自動(dòng)接收到信號的偽隨機碼保持精確同步。跟蹤電路采用全數字基帶延遲鎖定環(huán)。

PL3200載波通信單元的具體設定是通過(guò)對載波通信寄存器組不同地址的寄存器寫(xiě)入對應的控制字來(lái)實(shí)現的。在載波通信寄存器組中，00H的寄存器用來(lái)指示載波通信單元處于收態(tài)還是發(fā)態(tài)，以及數據和幀頭的接收發(fā)送標志；02H、03H的寄存器可設置選擇偽碼的種類(lèi)、地址選擇位和速率等；04H的寄存器用來(lái)設置本地與接收到的偽碼序列相位同步的捕獲門(mén)限值；05H的寄存器用于設定本地與發(fā)送端偽碼序列相位同步的精確同步門(mén)限值。

4CDMA擴頻載波通信系統

4.1通信系統的組成本文基于PL3200設計了CDMA擴頻電力線(xiàn)載波通信系統，具體組成如圖2所示。

數據由主機A(或主機B)的串口RS-232發(fā)出，通過(guò)PC接口電路進(jìn)行電平轉換后送入PL3200。在PL3200中，先由擴展串口UART(通用異步收發(fā)器)接收數據，經(jīng)內嵌8051型微處理器控制處理，再送入載波通信單元，對數據進(jìn)行CDMA直接序列擴頻．擴頻后的信號經(jīng)120kHz的載波頻率調制后輸出。此信號通過(guò)電力線(xiàn)接口電路進(jìn)行功率放大、濾波并耦合到低壓電力線(xiàn)上，實(shí)現電力線(xiàn)載波通信。在接收端．經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)接口電路將電力線(xiàn)上的信號耦合出來(lái)并對信號進(jìn)行濾波限幅。限幅后的信號送入PL3200進(jìn)行捕獲、同步及解擴處理，經(jīng)由內嵌8051處理．由PL3200的UART串口發(fā)送數據。數據經(jīng)PC接口電路進(jìn)行電平轉換后，由PC的RS-232接口送到主機B(或主機A)。

4.2PC接口電路

本文主機A、B都采用PC。PL3200帶有1個(gè)RS-485串行口，而PC一般只有2個(gè)RS-232串行口。為了實(shí)現普通PC與PL3200的連接，本文設計了一個(gè)接口電路，如圖3所示。圖中，MAX232是+5V電源的收發(fā)器，與計算機串口連接，實(shí)現RS-232接口信號和TTL，信號的電平轉換。MAX485用來(lái)實(shí)現TTL與RS-485的電平轉換。也可以采用工業(yè)控制計算機作為主機。工業(yè)控制計算機本身帶有RS-485接口，可直接與PL3200連接，但工業(yè)控制計算機的價(jià)格要比普通PC高得多。

4.3電力線(xiàn)載波接口電路

實(shí)現優(yōu)質(zhì)高效電力線(xiàn)載波通信的關(guān)鍵，除了所選用的載波調制解調器外，還有相應的電力線(xiàn)載波接口電路。本文電力線(xiàn)載波接口電路將PL3200的載波調制解調與電力線(xiàn)耦合，實(shí)現載波信號在電力線(xiàn)上的傳輸。電力線(xiàn)接口電路包括發(fā)送部分、載波耦合部分和接收部分，如圖4所示。

(1)發(fā)送部分

發(fā)送部分對PL3200輸出的載波調制信號進(jìn)行功率放大，濾除摻雜在信號中的噪聲和偽信號，從而將處理后的信號以較高的效率傳輸到低壓電力線(xiàn)上。圖4中，T1、T2構成NPN型復合管，T3、T4構成PNP型復合管，從而組成互補對稱(chēng)功率放大電路。其中，T2、T4采用同一型號的大功率管，以實(shí)現二者的特性曲線(xiàn)對稱(chēng)。PL3200產(chǎn)生的載波信號由P1.7輸出，經(jīng)功率放大電路放大后，含有諧波。系統主要的傳輸干擾頻率是發(fā)送信號的二次諧波和三次諧波(PL3200的載波中心頻率為120kHz，二次諧波和三次諧波分別為240k。Hz和360kHz)，為了減少對電網(wǎng)的諧波污染，需進(jìn)行濾波整形。電容器C4和電感器L2組成的帶通濾波電路對發(fā)送的載波信號進(jìn)行整形濾波。

(2)載波耦合部分

當PL3200處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，載波耦合部分將PL3200產(chǎn)生的擴頻調制信號耦合到低壓電力線(xiàn)上：當PL3200處于接收狀態(tài)時(shí)，載波耦合部分將低壓電力線(xiàn)上的載波信號耦合過(guò)來(lái)，由SICIN腳送入PL3200。載波耦合部分由變壓器T、電容器C5和電感器L3組成。變壓器T選用1：1的隔離變壓器。電容器C5將變壓器與電力線(xiàn)隔離．過(guò)濾電力線(xiàn)上的50Hz的信號，這樣就會(huì )阻止低頻信號進(jìn)入電路而使某些高頻信號通過(guò)。萬(wàn)一電容器C5因短路而失去過(guò)濾50Hz信號的能力，接口電路就會(huì )被損壞。故C5要選用具有短路保護功能的X2型電容器。電容器C5和電感器L3還組成帶通濾波器，對載波信號進(jìn)一步濾波。

(3)接收部分

接收電路濾除來(lái)自電網(wǎng)中的噪聲，這些噪聲會(huì )降低PL3200的解調功能。對于接收電路，選用無(wú)源濾波器要優(yōu)于有源濾波器，這是因為有源濾波器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與接收信號相當的白噪聲。本系統選用無(wú)源帶通濾波器(由C3、L1和R7組成)，采用并聯(lián)諧振回路形式。并聯(lián)回路的中心頻率由電容器C3和電感器L1的值決定，設計為120kHz。

為了避免低壓電力線(xiàn)上的尖峰信號對接口電路的破壞，可用雙向穩壓管保護。當接收信號電壓值等于或大于穩壓管的穩壓值時(shí)，穩壓管將接收信號的電位箝制在穩壓值，從而保證接口電路不會(huì )被燒壞。一般，火線(xiàn)與零線(xiàn)問(wèn)的干擾為差模干擾；火線(xiàn)與地線(xiàn)。零線(xiàn)與地線(xiàn)間的干擾為共模干擾。采用一個(gè)雙向穩壓管只對差模尖峰信號起作用而對共模尖峰信號不起作用；當出現共模尖峰信號時(shí)就會(huì )對電路造成損壞。本系統采用3個(gè)二極管D3、D4和D5連成星形結構，如圖4所示。對于差模尖峰信號，D3和D4構成一個(gè)雙向穩壓管；對于共模尖峰信號，這種星形結構相當于2個(gè)雙向穩壓管（D3和D5，D4和D5)。

5載波通信系統的軟件設計

本系統的載波通信為總線(xiàn)方式通信，載波單元的常態(tài)必須設置為接收態(tài)，對不同的載波模塊可分配不同的通信地址。模塊接收到校驗正確的命令后，只有地址相同的模塊才允許按規約進(jìn)行應答。載波通信速率相對于主頻低很多，為了提高CPU效率，數據的接收和發(fā)送均設計為中斷方式處理，每次進(jìn)入中斷，完成對數據接收或發(fā)送的操作。系統主程序流程如圖5所示。

6結束語(yǔ)

筆者設計的CDMA擴頻電力線(xiàn)載波通信系統，由于選用PL3200充當通信電路，因而具有很好的抗干擾性能。在對接口電路的設計中，根據實(shí)際線(xiàn)路的情況，選擇合適的電容器和電感等元件，選用性能更佳的功率放大電路。便可達到低成本、遠距離、高質(zhì)量的通信效果。