基于MFSK的電力線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)(上)

1 電力線通信簡(jiǎn)介
     電力線通信簡(jiǎn)稱(chēng)為PLC，是一種采用電力線傳輸信息的 通信方式。這種通信方式將要發(fā)送的信息調(diào)制到高頻載波信 號(hào)上，然后把經(jīng)過(guò)調(diào)制的高頻載波信號(hào)耦合到電力線上，利 用電力線把信息傳送到接收端。接收端通過(guò)耦合電路將高頻 信號(hào)從電力線上耦合出來(lái)，傳送到解調(diào)器中，解調(diào)器利用特 定的解調(diào)算法把有用信息從高頻載波信號(hào)上面解調(diào)出來(lái)，傳 送到接收設(shè)備，實(shí)現(xiàn)信息的傳送。從通信所用的頻帶寬度的 角度劃分，電力線通信分為寬帶電力線通信和窄帶電力線通 信。當(dāng)前，電力線通信技術(shù)重點(diǎn)應(yīng)用于水電表、煤氣等自動(dòng) 抄表系統(tǒng)，另外該技術(shù)在醫(yī)療監(jiān)護(hù)和自動(dòng)報(bào)警等領(lǐng)域有很大 的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景，將集成電力線芯片的設(shè)備接在插座上， 就可以實(shí)現(xiàn)快捷的信息傳遞。
正交頻分復(fù)用（OFDM）能高效地利用電力線的信道
帶寬和節(jié)約頻譜資源，并且抗干擾、抗噪聲能力強(qiáng)。這些良 好的性能使得OFDM技術(shù)廣泛應(yīng)用在高速率和高可靠性的電 力線通信過(guò)程中。FSK簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)傳輸速率要求不 高的情況下，可以采用FSK調(diào)制方式。目前市場(chǎng)上有成熟的 采用OFDM和FSK調(diào)制方式的電力線通信芯片。

2  FSK調(diào)制解調(diào)原理
數(shù)字信號(hào)的變化，會(huì)導(dǎo)致載波頻率隨著發(fā)生改變，這 種調(diào)制方式就是FSK。FSK是用得比較早的一種調(diào)制方式。 這種調(diào)制方式工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，而且抗信道噪聲和衰減能力 強(qiáng)，其穩(wěn)定性比較可靠，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高時(shí)，F(xiàn)SK 是首選的調(diào)制方式。FSK調(diào)制中，載波的振幅和相位不變， 只 改 變 頻 率 ， 利 用 頻 率 的 改 變 實(shí) 現(xiàn) 數(shù) 字 信 息 的 傳 送 。 在

圖1  2FSK波形  圖2  模擬調(diào)頻產(chǎn)生2FSK原理圖  

圖3   鍵控法產(chǎn)生2FSK信號(hào)

2FSK中，傳送的信號(hào)只有“0”和“1”兩種，相應(yīng)的載波 的頻率也需要兩種，分別為f 1和f 2。表達(dá)式為：

（1）典型波形如圖1所示。

圖4 相干解調(diào)原理示意圖

圖5  非相干解調(diào)原理示意圖

圖6  調(diào)制算法框圖

圖7  接收機(jī)解調(diào)算法框圖
有兩種方法來(lái)產(chǎn)生2FSK信號(hào)。模擬調(diào)頻電路是其中的 一種方法；調(diào)頻法是利用基帶矩形脈沖序列去控制調(diào)頻器， 直接改變單一載波的頻率參數(shù)來(lái)獲得2FSK信號(hào)，模擬調(diào)頻 電路的原理圖如圖2所示。
鍵控法是產(chǎn)生2FSK信號(hào)的另一種方法。鍵控法是通過(guò) 高低電平（1和0）序列使開(kāi)關(guān)電路開(kāi)斷來(lái)選擇不同的振蕩 器，從而在每個(gè)信息的持續(xù)時(shí)間內(nèi)只輸出兩個(gè)振蕩器其中一 路載波，其原理如圖2所示。當(dāng)s(t)為1時(shí)，振蕩器1被打開(kāi)， 輸出頻率為振蕩器1頻率的正弦波，當(dāng)s(t)為0時(shí)，振蕩器2被 打開(kāi)，輸出頻率為振蕩器2頻率的正弦波。
在這兩種方法中，調(diào)頻法的兩個(gè)相鄰碼元之間的載波 相位是連續(xù)的，而鍵控法不一定連續(xù)。
相干解調(diào)和非相干解調(diào)（包絡(luò)檢波）可以從2FSK信號(hào)中 還原出調(diào)制信號(hào)序列。相干解調(diào)中，在接收端產(chǎn)生與載波同 頻同相的信號(hào)，接收端接收到的信號(hào)先通過(guò)通帶頻率為f 1和f 2 的帶通濾波器，然后濾波后的兩路信號(hào)分別與接收端產(chǎn)生的 兩個(gè)信號(hào)相乘，相乘后的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器和抽樣判決器 后得到二進(jìn)制的基帶序列信號(hào)。原理示意圖如圖4所示。
在非相干解調(diào)中，接收端接收到的信號(hào)先通過(guò)通帶頻率為f 1和f 2的帶通濾波器，濾除不需要的信號(hào)，產(chǎn)生兩路分 別含有頻率為和的信號(hào)，然后把這兩路信號(hào)分別送入包絡(luò)檢 波器檢波，得到二進(jìn)制序列的包絡(luò)，最后把兩路包絡(luò)信號(hào)同 時(shí)送入外加抽樣脈沖的抽樣判決器，抽樣判決器的輸出就是 所需要的信號(hào)。其原理示意圖如圖5所示。由于在非相干解 調(diào)中，解調(diào)過(guò)程與相位無(wú)關(guān)，不需要知道接收端接收到信號(hào) 的相位，所以這種解調(diào)方式適合于信道中有衰落和信道參數(shù) 隨機(jī)變化的場(chǎng)合。因?yàn)樾盘?hào)在這樣的信道中傳輸時(shí)其相位和 振幅會(huì)發(fā)生變化。
當(dāng)信道信噪比相同時(shí)，相干解調(diào)比非相干解調(diào)的抗噪 聲性能好，而當(dāng)信道信噪比比較大時(shí)，兩種解調(diào)方式的的抗 噪聲性能差別不大。這時(shí)采用非相干解調(diào)方法較好，因?yàn)椴?需要進(jìn)行相位和頻率檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。

3  濾波器概述
濾 波 器 對(duì) 輸 入 信 號(hào) 進(jìn) 行 處 理 ， 濾 除 不 需 要 的 無(wú) 用 信 號(hào)，減少甚至去除無(wú)用信號(hào)對(duì)有效信號(hào)的干擾。濾波器的應(yīng) 用非常廣泛，很多電子系統(tǒng)都用到了濾波器，而且電子系統(tǒng) 的質(zhì)量好壞很多情況下是由濾波器的性能直接決定的。濾波 器有兩大類(lèi)，分別為模擬濾波器和數(shù)字濾波器。由電阻、電 容、電感、運(yùn)放等元器件組成的為模擬濾波器，它可實(shí)現(xiàn)對(duì) 連續(xù)模擬信號(hào)的濾波處理。離散化的數(shù)字信號(hào)則由軟件或數(shù) 字信號(hào)處理器件對(duì)其進(jìn)行濾波處理，這種處理稱(chēng)為數(shù)字濾 波。(未完待續(xù))