基于MFSK的電力線(xiàn)通信系統設計(下)

接上篇
     數 字 濾 波 器 的 基 本 原 理 是 對 輸 入 的 離 散 信 號 進(jìn) 行 運 算，使得信號的頻譜發(fā)生變化，從而實(shí)現對無(wú)用信號的濾除 作用。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，數字濾波器可以由硬件實(shí)現也 可以由軟件實(shí)現。由于數字濾波器的特點(diǎn)和實(shí)現的簡(jiǎn)單性， 數字濾波器被廣泛應用在各種數字信號處理領(lǐng)域。數字濾波 器可以分為兩種，IIR和FIR濾波器，IIR濾波器為無(wú)限長(cháng)沖 擊響應濾波器，FIR濾波器為有限長(cháng)沖擊響應濾波器。兩種 濾波器的系統函數結構不同，從而根本上導致了兩種濾波器 的不同。二者系統函數的特點(diǎn)決定了它們具有不同的實(shí)現結 構和特點(diǎn)：FIR濾波器沒(méi)有輸出對輸入的反饋結構但是具有 很好的線(xiàn)性相位特性，IIR有輸出對輸入的反饋但是相位是 非線(xiàn)性的，而且隨著(zhù)頻率選擇性的提高，非線(xiàn)性的特點(diǎn)表現 得越明顯。
3.1  IIR濾波器的原理

圖8  總體架構圖

圖9  組網(wǎng)測試
IIR濾波器的濾波效率較高，在同樣的幅頻響應下，IIR濾波器的階數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(xiàn)性使得其使用范圍沒(méi)有FIR濾波器大。然而 在不需要線(xiàn)性相位的環(huán)境下，IIR濾波器的性能比FIR濾波器 好得多。IIR濾波器的系統傳遞函數為

(2)
系統的差分方程可以寫(xiě)成
(3)
從系統函數可以看出， IIR濾波器有以下幾個(gè)顯著(zhù)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
濾波器為穩定的系統，需要使系統的極點(diǎn)在單位圓內，也就 是說(shuō)系統的穩定性由系統函數的極點(diǎn)決定。
2)在數字硬件平臺上實(shí)現IIR濾波器，由于存在反饋結
構，因此受限于有限的寄存器長(cháng)度，無(wú)法通過(guò)增加字長(cháng)來(lái)實(shí) 現全精度的濾波器運算，濾波器運算過(guò)程中的有限長(cháng)效應是 工程實(shí)現時(shí)必須考慮的問(wèn)題。
3.2  IIR與FIR濾波器的比較
IIR與FIR濾波器是最常見(jiàn)的數字濾波器，兩者的結構及 分析方法相似。在具體的工程設計中要根據二者的不同更合 理地選擇濾波器種類(lèi)，以更少的資源獲取所需的性能，二者 的性能差異及應用特點(diǎn)如下：
1)通常在具有相同幅頻響應的情況下，FIR濾波器的階
數等于5~10倍IIR濾波器的階數。
2)FIR濾波器具有線(xiàn)性相位特性。 在相同的階數情況 下；IIR濾波器的幅頻特性比FIR濾波器好，但其相位是非線(xiàn) 性的。

圖10 發(fā)送信號

圖11  解調結果

圖12  兩種調制方案電力線(xiàn)信號    

圖13  頻率計上位機測試
3)FIR濾波器的沖擊響應是有限長(cháng)的，由于采用了非遞 歸的結構所以是穩定的系統。而必須用遞歸結構的IIR濾波 器，當其系統函數的極點(diǎn)在單位圓內時(shí)，系統才可以穩定。 這種采用反饋的結構，運算時(shí)進(jìn)行了舍入處理，會(huì )導致振蕩 現象。
4)FI R濾波器可以使用FFT和其他的快速算法來(lái)實(shí)現
卷積運算，運算速度快。IIR濾波器無(wú)法采用類(lèi)似的快速算 法。
5)在兩種濾波器的實(shí)現方法上，IIR濾波器可以采用現
成的設計公式、數據和表格等資料，這些資料在模擬濾波 器中已經(jīng)驗證使用過(guò)。FIR濾波器不可以借助這些資料。由于計算機軟件的發(fā)展，FIR、
IIR濾波器的設計均可以采用 現成的函數，因此在工程設 計中二者的設計難度均已大 大降低。

4 發(fā)射機方案設計
4.1 RS編碼
在電力線(xiàn)傳輸過(guò)程中，由于信道衰落和噪聲的影響， 導致傳輸信息出錯，因此必須引入一種糾錯機制，使信息在 傳輸出錯后，接收端仍然能夠接收到正確的信息，FEC（前 向糾錯）是一種既能發(fā)現錯碼位置、又能糾正錯誤碼的糾錯 機制。RS碼是一種具有很強糾錯能力的多進(jìn)制前向糾錯編碼，RS編碼適合存在突發(fā)型錯誤的通信系統中。
4.2  信號調制
信 號 調 制 采 用 相 位 連 續 的 8 F S K 調 制 方 式 ， FSK的相位連續方式能減小頻率譜擴展，減小帶寬 和干擾。具體實(shí)現方法是，假設碼元長(cháng)度為T(mén)s，則 選擇合適的載波頻率使得在每個(gè)碼元長(cháng)度Ts內有整 數個(gè)完整載波，并且載波的初始相位相同，則可 滿(mǎn)足FSK調制的相位連續性。
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 率與碼元位的對應關(guān)系如表1所示。
因 為 告 警 信 號 需 要 在 0 . 5 m s 內 被 調 制 、 傳 輸 、 解 調 出 來(lái) ， 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 的 幀 長(cháng) 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 ） ， 經(jīng) 過(guò) 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 的 時(shí) 間 t=6/50KBps =0.12ms， 再加一些調制解調的時(shí)間， 能實(shí)現0.5ms內進(jìn)行告警信號傳輸。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(mǎn) 足 相 位 連 續 ， 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，信號的產(chǎn)生 由DDS完成。調制算法框圖如圖6所示。
5 接收機方案設計
耦合電路得到的信號經(jīng)AD采樣后，首先經(jīng)過(guò)數字下變 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(guò)8路解調器，每路解調器對信號進(jìn)行相干解 調，本設計中，采用每路解調器的信號同時(shí)分別乘以正弦和 余弦波的方式來(lái)實(shí)現相干解調，而不是通過(guò)相位同步的方 式，從而可以簡(jiǎn)化方案，并且可以準確解調。相干解調后的信號通過(guò)截止頻率為50kHz的IIR低通濾波器后，平方求和開(kāi)方，得到解調信號。然后8路解調器解調出的信號送入抽樣 判決器從而得到信號幀。然后通過(guò)RS解碼得到告警信號和 設備地址。接收機解調算法框圖如圖7所示。

6  系統總體架構
當 有 告 警 信 號 （ 一 個(gè) 開(kāi) 關(guān) 量 ） 產(chǎn) 生 時(shí) ， 告 警 信 號 加上設備地址信息進(jìn)行組幀，一幀二進(jìn)制信號經(jīng)過(guò)RS編碼，8FSK調制，調制后的載波經(jīng)過(guò)DA轉換后，通過(guò)耦合電路耦 合到直流電力線(xiàn)上進(jìn)行傳輸。接收端一直檢測電力線(xiàn)上的信號，該信號經(jīng)電力線(xiàn)耦 合電路耦合出來(lái)以后，進(jìn)行AD轉換，數字下變頻和IIR濾 波，然后通過(guò)8路解調器，每路解調器的信號分別乘以正余 弦載波，并通過(guò)IIR低通濾波器后，平方求和開(kāi)方，然后8路 解調器解調出的信號送入抽樣判決器從而得到信號幀，然后 通過(guò)RS解碼得到告警信號和設備地址，將此信息傳遞給后 續模塊進(jìn)行處理，以告知是哪個(gè)節點(diǎn)出現了問(wèn)題。系統整體 架構如圖8所示。

7  系統實(shí)現
系統測試環(huán)境如圖9所示。 該系統和網(wǎng)絡(luò )中另外存在的 電力線(xiàn)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(xiàn)載波芯片（基于OFDM）和本系統（基于FSK）的誤碼率。
7.1 信號調制到電力線(xiàn)上
測試方法：將示波器探頭放在發(fā)送端檢測發(fā)送信號。測試結果：發(fā)送端發(fā)送報警信號，地址信號為3bit，由開(kāi)關(guān)量觸發(fā)，發(fā)射端檢測到開(kāi)關(guān)量變化后采用FSK將信號調 制到電力線(xiàn)上。發(fā)送端調制到電力線(xiàn)上的模擬信號如圖10所 示。
7.2 通過(guò)邏輯或模擬電路將電力線(xiàn)上信息解調出狀態(tài)信息
測試方法：將邏輯分析儀探頭放在接收端檢測解調出 來(lái)的地址信息位和告警信息位。
測試結果：接收端接收到信號后對調制的信號進(jìn)行解 調，由此解調出報警設備地址和開(kāi)關(guān)量狀態(tài)信號。
接收端解調出信號如圖11所示。圖示地址信號線(xiàn)從高
到低依次為3、2、1，4為告警信號位（解調），0為告警信 號觸發(fā)位。
7.3  誤碼率測試
測 試 方 法 ： 對 被 驗 收 模 塊 發(fā) 送 端 提 供 P W M 信 號
（1kHz，50%占空比），觀(guān)察被驗收模塊接收端輸出電平信 號是否也為同頻PWM信號，且占空比變化偏差不超過(guò)20%， 測試時(shí)間1小時(shí)。
測試結果： 經(jīng)組網(wǎng)測試表明， 測試時(shí)間1小時(shí)， 均正 常，無(wú)丟失。