数字式电力线载波机的FPGA设计与实现.pdf

《数字式电力线载波机的FPGA设计与实现.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数字式电力线载波机的FPGA设计与实现.pdf（62页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。本人签名：日期力，2。)一7西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在

2、校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期孤7 z 。l，日期2 纠乙、弓、。劬一-l苯一彩l、驰坶、摘要摘要电力线载波通信作为电力系统传统的特有的通信手段，为全国各地电网安全经济运行发挥了重要的作用。尽管现代通信技术不断发展，使电力系统专用网不断引入新的通信方式，但电

3、力线载波通信作为电力线通信网特有的通信方式，由于其独特的传输媒介，仍然不可替代。本文在传统模拟电力线载波机的基础上，采用F P G A、A D D A 等高性能的数字化器件对电力线载波机的调制前端和解调后端的模拟信号进行数字化的处理，以提高系统的整体性能。这里主要讲述了限幅器、压扩器、A G C、F I R 滤波器和基于F S K 的E M 信令的调制与解调等多种功能在F P G A 中的设计与实现。同时本文还对多路数字复接器的中的关键技术进行了研究，主要讨论了包括数字复接、帧同步，并且给出了帧同步器的设计与仿真波形图，最后给出了多路数字复接器的设计方案。本文所设计的数字式电力线载波机通过与相

4、关单位的系统的联合调试与测试，已经达到了设计的指标要求。关键词：电力线载波通信压扩F l R 滤波器多路数字复接F P G AA b s t r a c tA st h et r a d i t i o n a la n dc h a r a c t e r i s t i cc o m m u n i c a t i o nm e a r l _ so ft h ep o w e rs y s t e m,t h ep o w e rl i n ec a r t i e rc o m m u n i c a t i o nh a sp l a y e da ni m p o r t a n

5、tr o l ei nt h ep o w e rg r i d ss y s t e ma l li nO U I c o u n t r yr u n n i n gs a f ea n de c o n o m i c A l t h o u g hm o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gr a p i d l y,m o r ea n dm o r en e wc o m m u n i c a t i o nm o d eh a sb e e ni n t r o d u c e

6、dt ot h ee l e c t r i c a ls y s t e m，b u tb e c a u s eo fi t su n i q u et r a n s m i s s i o nm e d i u m，t h ep o w e rl i n ec a r r i e rc o m m u n i c a t i o ni np o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ks t i l lc a n n o tb er e p l a c e d I nt h ep a p e r,ad i g i t i z

7、a t i o np o w e rl i n ec a r r i e r，w h i c hb a s e do nt h et r a d i t i o n a la n a l o gp o w e rl i n ec a r r i e r,h a sb e e nd e s i g na n dr e a l i z a t i o nb yu s i n gd i g i t a ld e v i c e，s u c ha sF P G A，A D D A I nt h i ss y s t e m，i t st e c h n i q u e so fm o d u l a

8、t i o na n dd e m o d u l a t i o ns t i l li sa n a l o gs i g l es i d e b a n d T h i sp a p e rf o c u s e so nc o n v e r t i n gt h ea n a l o gs i g n a lt od i g i t a l，w h i c hb e f o r et h ea n a l o gm o d u l a t i o na n da f t e rt h ea n a l o gd e m o d u l a t i o n T h e np r o

9、c e s s e st h i sd i g i t a ls i g n a li no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e m H e r em a i n l yn a r r a t e dm a n yf u n c t i o n sd e s i g na n dr e a l i z a t i o no nF P G A,s u c ha st h ea m p l i t u d el i m i t e r,t h ec o m p m s sa n de x p a

10、n d e r,t h eA G C，t h eF I Rf i l t e ra n dt h em o d u l a t i o n，d e m o d u l a t i o no ft h eE Ms i g n a l i n gt h a tb a s e do nt h eF S Ka n dS Oo n T h eK e yt e c h n o l o g i e so ft h em u l t i c h a n n e lm u l t i p l e x e rh a v ea l s ob e e nd i s c u s s e di nt h ep a p e

11、 r,i n c l u d i n gt h ed i g i t a lm u l t i p l e x i n g，t h ef r a m es y n c l l r o m z a f i o n A tl a s tt h i sp a p e rh a sg i v e nt h ed e s i g np r o p o s a lo ft h eM u l t i c h a n n e lm u l t i p l e x e r T h ed i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e rm a c h i n ed e s i g

12、n e di nt h i sp a p e rt h r o u g hd e b u g sw i t ht h ec o m p a n ys y s t e m r e l a t e du n i o na n dt e s t s，h a sa l r e a d ym e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s K e y w o r d s：P o w e rL i n eC a r r i e rC o m m u n i c a t i o nF I Rf i l t e rm u l t i-c h a n n e lm u l

13、t i p l e x e rV 3 4 M o d e mF P G A目录目录第一章绪论。11 1 电力线载波通信概述11 2 电力线载波通信的发展与现状21 2 1 电力线载波通信的发展历程21 2 2 我国电力线载波通信的发展现状31 3 电力线载波机通信技术的原理41 3 1 电力线载波通信原理：41 3 2 电力线载波机的数字化51 3 3 电力线载波通信的多路复接51 4 本文的主要研究工作6第二章电力线载波通信系统的主要硬件平台92 1 电力线载波系统的主要硬件结构。92 1 1 数字式电力线载波机发信端的设计92 1 2 数字式电力线载波机收信端的设计92 2 电力线载波机信

14、号处理模块的主要芯片介绍1 02 2 1F P G A 芯片概述1 02 2 2T L V 3 2 0 A I C l 0 芯片概述1 12 3 语音接口F X O F X S 口概述1 32 3 1F X S 接口概述1 32 3 2F X O 接口概述。1 32 4 远动m o d e m 的概述1 4第三章数字式电力线载波机功能的原理与设计实现1 53 1 数字限幅器的原理与设计实现1 53 1 1 数字限幅器的原理与作用1 53 1 2 限幅器在F P G A 中的设计与实现1 63 1 3 数字限幅器与模拟限幅器的区别与优势1 63 2 数字压扩器的原理与设计实现1 73 2 1 压

15、缩器、扩张器的作用原理1 73 2 2 压缩、扩张器的特性1 83 2 2 压扩器在F P G A 中的设计与实现。2 13 3 自动增益调整系统的设计实现2 23 4F I R 滤波器的原理与设计实现。2 4数字式电力线载波机的F P G A 设计与实现3 4 1 滤波器的种类2 53 4 2F I R 滤波器的基本理论2 53 4 3F I R 滤波器在F P G A 中的设计与实现2 63 5 基于F S K 的E M 信令的调制与解调2 93 5 1E M 信令的介绍及其作用3 03 5 2D D S 的基本原理。3 03 5 3F S K 调制在F P G A 中的设计与实现3 23

16、 5 4F S K 解调在F P G A 中的设计与实现3 3第四章数字式电力线载波机的性能测试与结果分析3 54 1 测试指标要求3 54 2 测试环境与方案3 54 3 测试结果3 6第五章多路数字复接器研究与设计4 15 1 数字复接的原理4 15 1 1 数字复接的概念。4 15 1 2 帧同步的原理及在F P G A 中的设计4 25 2 数字复接器的总体设计方案4 4第六章结束语4 7致谢4 9参考文献5 1作者在攻读硕士期间完成的工作5 3第一章绪论第一章绪论弟一早瑁V 匕近年来，随着国家电力制度改革的逐步深入，电力系统两网改造工作的逐渐推进，“一户一表，抄表到户及“城乡同网同价

17、”等政策的贯彻实施，电力用户数量急剧膨胀，用电网络日益庞大，配电自动化系统将在国内得到越来越广泛的应用。在集计算机、通信、信息处理等技术于一身的配电网自动化系统中，通信技术占有重要的位置。目前国内所采用的通信方式主要有高压电力线载波、无线通信、电话线、光纤、电缆、微波等，而这些通信方式中无线通信可靠性差，不适合在市区及多山地区使用；光纤可靠性高，但成本过高、安装施工不便，目前尚不能广泛应用；而电力线载波通信技术以电力线本身作为通信媒介，不需另设通信通道，因而受到广泛关注。本文下面将围绕电力线载波通信系统展开论述。1 1 电力线载波通信概述电力线载波通信(P o w e rL i n eC a

18、r d e rC o m m u n i c a t i o n，P L C C)1】是电力系统特有的通信方式，是指利用高压电力线(3 5 k V 及以上电压等级)、中压电力线(1 0 k V电压等级)或低压配电线(3 8 0 V 2 2 0 V)作为传输信息的媒介，进行语音、远动数据传输的一种特殊通信方式。它是利用现有的电力线网络作为通信网络，通过载波方式将信号传输到变电站、发电厂以及个人用户终端，是电力系统运行维护、管理控制的一种重要的通信技术【2】。电力线载波通信方式具有可靠性高、抗干扰能力强、投资费用低、不需要架设专用线路等优点。无论是在城镇、乡村，还是在偏远落后地区，电力线随处可见。

19、目前，我国已在长达6 7 0 0 0 0 k m 的3 5 k V 以上电压等级的输电线路上多数已开通了电力线载波通道，形成了庞大的电力线载波通信刚引。该网络主要用于地、市级或以下供电部门构成面向终端变电站及大用户的调度通信、远动及综合自动化通道使用。电力线载波通信是以电力线为信道，根据频谱搬移、频带分割原理，将原始信号进行一次或多次调制，搬移到特定的频带内，以利于其在信道内进行传输。它以发电厂、变电站为终端，以电力线为信道，进行信息传输，以满足电力调度通信的需要，是电力系统可靠运行、控制和管理的重要工具之一。在电力系统中，高压电力线载波通信传输的信息主要有以下几种：语音信息，为电力系统调度服

20、务；远动数据信息，对发电厂、变电站实现遥测、遥信、遥控；远方保护信息，保证电力系统稳定运行。由此可知，电力线载波通信是确保电网安全、优质、经济运行，实现调度自动化和管理现代化的重要通信手段之一。它具有以下一些重要特点【4 i l：2数字式电力线载波机的F P G A 设计与实现 高压载波路由合理，通道建设投资相对较低；传输频带受限，传输容量相对较小；可靠性要求高；线路噪声大；线路阻抗变化大；线路衰减大具有时变性；对外界的干扰；网络应用要求更高。由此可见，电力线载波通信具有它自身的优势和生命力，同时也有其局限性。目前，随着高速数字通信的发展，特别是光纤通信，卫星通信的发展，逐渐吞并其它的通信方式

21、，电力线载波通信已从主导地位变为辅助的备用通信方式，但由于我国经济发展不平衡，同时电力通信规程要求变电站必须具有两条以上不同通信方式的互为备用的通信信道，因此在主要干线上，也会作为光纤、微波等大容量通信的备用方式存在。电力线载波通信尽管作为电力通信的辅助通信方式，但是，由于光纤成本过高、安装施工不便，目前尚不能广泛应用，所以电力线载波机在全国仍然存在较大的市场需求。但随着现代数字通信技术以及大规模集成电路的广泛应用，电力线载波通信在不断注入新鲜的血液，以克服它的局限性，发挥它的优势。如何利用新技术促进电力线载波通信系统的更新换代，近年来已经成为热门的研究课题。国家电网公司颁布的国家电网公司“十

22、一五”通信规划中，也已将电力线载波通信技术的研究列入了重大研究课题中【5】。不仅表明了我国在最近和将来所执行的电力通信建设和技术发展政策的取向，而且反映了电力行业对电力线载波技术和设备发展的需求和要求I 刀1 2 电力线载波通信的发展与现状1 2 1 电力线载波通信的发展历程电力线载波通信在发展历程上与其他通信技术类似，也经历了从模拟到数字的发展过程。电力线载波通信出现于2 0 世纪2 0 年代初期，与一般的电子产品一样，其通信设备从最初的电子管、晶体管等分立元器件，到中小规模集成电路，再到中大规模集成电路。随着高性能数字信号处理器(D S P)，大规模逻辑器件(如F P G A)，高精度数模

23、(A D)及模数(D A)转换器的出现及其广泛应用，电力线载波通信已经基本进入数字化时代。目前，在技术实现上，普遍基于软件无线电的思想，利用各种先进的数字信号处理技术，来实现新的功能和技术指标的突破；同时，由于高集成度的元器件的采用，通信设备的体积大大缩小，抗干扰性和可靠性也得到大幅提升。按照从模拟到数字，以及通信体制的发展过程，可以将电第一章绪论3力线载波机划分为三代3 J 6 1 7 1：第一代为模拟电力线载波机，其特点是采用频分复用(F D M)的方式实现语音和低速数据的传输，信道部分采用单边带模拟调制(S S B)方式。国外从2 0 世纪6 0 年代开始生产模拟电力线载波机，而我国于2

24、 0 世纪5 0 7 0 年代，研制出较成熟的模拟电力线载波机，并得到了广泛应用。第二代为数字化电力线载波机，其特点是仍然采用模拟体制，但关键技术采用数字化方式实现。2 0 世纪9 0 年代，随着数字信号处理器(D S P)、高性能模数及数模转换器件、大规模可编程逻辑器件(如F P G A)的广泛应用，电力线载波机也出现新的发展，调制解调、滤波、A G C 等均采用数字化方式实现。由于数字信号处理技术及其他高性能数字器件的应用，数字化电力线载波机的技术指标和稳定性得到大幅提升，同时还增加了多项控制功能，如：技术人员可以使用计算机通过串口对D S P 及控制器进行编程，对系统参数进行设置和更改。

25、第三代为全数字电力线载波机，其特点是完全采用数字体制。全数字电力线载波机采用语音压缩、数字复接、信源编码、多电平基带调制、回波抵消等数字技术，不仅可以实现多路信号的传输，从而提高频带利用率，还可以获得更好的系统指标和性能。全数字电力线载波机通信容量大、接口灵活、组网方便、网管监控齐全，提高了电力线载波通信系统的有效性和可靠性，是模拟电力线载波机更新换代的理想产品，也是电力线载波机的发展趋势。1 2 2 我国电力线载波通信的发展现状我国的电力线载波通信技术基本上与国外是同时起步的，但后来在数字化和全数字发展进程上却落后于国外水平。2 0 世纪8 0 9 0 年代以来，我国的电力事业迅猛发展，大型

26、发电站、大机组、超高压输电线路不断增加，电网规模越来越大，电网的调度通信和管理也有了更高的要求，这则需要更为先进和完善的电力通信系统来完成。如何开发研制出传输容量大、频带利用率高、抗干扰能力强、可靠性高、网管监控齐全的全数字电力线载波机，已成为国内外的热门研究课题及载波机生产方共同关注的发展战略目标。因此，可以说，新型数字载波机有着广阔的发展前景和市场需求，不论从理论研究还是实际需要出发，都具有重大意义。目前国内的电力线载波通信主要存在问题主要是如下两个方面 8 1 9 1：1、传输速度慢，信息量小。目前电力线载波通信占用频段为4 0-1,5 0 0 k H z，而每一个标称频带只有4 k H

27、 z。2、技术发展慢，性能和可靠性不高。这是由于电力系统在我国还处于垄断地位，新的技术被引进比较慢，员工的专业技术水平也需要进一步的提高。新型的数字化和全数字电力线载波系统的设计要从提高传输容量、加快传输1 3 电力线载波机通信技术的原理1 3 1 电力线载波通信原理电力线载波通信系统与典型的通信系统在模型上基本是一致的，最大的区别就是它们二者的传输介质不同，前者是高压电力线，而后者则是同轴线、光纤等。但是它们的功能都是为了传输信息，基本结构和各部分的功能是相似的。在此给出的模拟通信系统和数字通信系统的简化模型【1 1】如下图1 1 和1 2 所示。图1 1 模拟通信系统模型图1 2 数孚通信

28、系统模型为了提高通信线路的信道利用率，使得一对线路上同时进行多路信息，就要采用载波通信的方式。为避免各路信号互相混淆，就要采用频分复用(F D M)将相同频率范围的各个语音信号进行频率变换，把它们搬移到各个不同的频率位置，然后再用同一对线路传输。由于各路信号的传输频率不同，在同一线路上的传输就互不干扰，在接收端可以用滤波器将不同频率段的信号区分出来再进行频率变换，还原出原始的各个语音信号。在电力系统通信网的规划建设中，高压电力线载波通信的可用频带为4 0 5 0 0 k H z，其所要传输的信号的基本带宽为4 k H z，因此理论上一路高压电力线路可以同时传输1 1 5 路载波信号。在发送端信

29、号(语音、远动、导频)是按照频分复用(F D M)方式传输来传输，其具体信息包括：语音(3 0 0-1 7 0 0 H Z)、远动(1 8 5 03 5 0 0 H Z)及呼叫导频F S K(3 6 5 0 3 0 H Z)；经过S S B 调制后再将高频调制信号耦第一章绪论5合到高压电力线上进行传输。解调即调制的逆过程。在接收端解调出0 4 K H z 的低频信号后，分别通过语音数字带通滤波器、远动数字带通滤波器及呼叫导频数字带通滤波器最后得到数字语音、数字远动及数字呼叫导频；再将数字语音和数字远动经过D A 变换获得模拟的语音、远动信号。1 3 2 电力线载波机的数字化随着数字信号处理技术

30、的飞速发展和大量的数字器件的不断涌现，其为数字通信发展带来了更为广阔的发展空间；也为电力线载波通信由模拟向数字化过渡铺平了道路，同时在技术上实现更高的指标要求。而本文所设计的基于F P G A 的数字式高压电力线载波通信，其可以实现高指标，功能比较强大，控制相对灵活，体积小。要实现数字式的电力线载波机，首先在设计上就要考虑如何将模拟信号数字化和怎样进行数字化处理，这是设计数字化电力线载波机的关键所在。由于通过电力线传输的语音信号是模拟的，因此要对语音信号数字化并且进行数字化处理，就必须使用A D、D A 转换器以及数字处理器(D S P、F P G A 等)来完成。本文设计的数字式电力线载波机

31、考虑到了要与目前国内运行的模拟电力线载波机相兼容，并可以通过软件逐步升级的需要。设计时仍采用传统的模拟单边带(s s B)调制解调技术，只是对调制前端的信号采用F P G A 进行处理：语音信号的限幅、压缩及滤波，远动数据的滤波与自动电平(A L C)调整，导频信号采用D D S方式产生之后三路信号叠加，然后经过D A 芯片转化为模拟信号进行模拟调制；而解调端是对解调之后的信号进行滤波得到语音、远动及导频信号，其中的导频信号作为A G C 调整的基准信号和呼叫导频使用，不输出；语音信号进行扩张处理，然后语音和远动信号经过D A 芯片转化为模拟信号输出，从而实现语音、远动信号的传输。与模拟电力线

32、载波机相比，本文设计的电力线载波机的信号处理模块采用了数字技术对信号进行了处理，并采用高精度的低频A D、D A 芯片，很好的地提升了性能指标及可靠性。1 3 3 电力线载波通信的多路复接传统的电力线载波机只能传输一路语音和一路远动信号(亦称一话一数)，而无法实现多路信号的传输，为了使电力线载波机在固定的频带内能够传输更多的业务，多数电力部门使用复接器对模拟载波机进行扩容或者安装多路电力线载波机，电力线载波通信的网络结构【1 0 1 如图2 1 所示。6数字式电力线载波机的F P G A 设计与实现图2 1 电力线载波通信网示意图为了在0 4 K H z 的基本带宽内实现多路语音信息和多路数据

33、信息的传输，这里采用了多路复接器，即采用语音压缩技术、数字复接技术及V 3 4M o d e m 等技术来实现。这样可实现4 路语音信息和2 路数据信息的传输，最高数据速率可达3 3 6 k b i t s。多路电力线载波通信系统的基本原理是，本端多路语音信号数字化后经过语音压缩，与多路数字化的远动信号进行数字复接，然后经过一系列调制(S S B 调制，V 3 4 M o d e m 调制等)，则成为载波频带模拟信号，送到电力线路上进行传输；当信号传输到对端时，首先将接收信号分级解调为合路数字信号，然后进行分接，恢复出各支路信号，再经过解压等处理，最终恢复出原语音及远动信号。1 4 本文的主要

34、研究工作本文通过对多路电力线载波通信系统原理的研究，在已实现的数字式S S B 电力线载波机的基础上，提出一种基于F P G A 实现的多路复接器，进而提出多路电力线载波通信系统的解决方案。文中主要讨论了数字式电力线载波系统设计与硬件实现，基于F P G A 的数字式单边带电力线载波机功能的设计与原理，最后完成了软硬件的联合调试与各项技术指标的测试。具体安排如下：第一章为绪论，论述了电力线载波通信技术的发展与现状，讨论了传统型和多路电力线载波通信系统的系统模型及其通信原理。第二章讲述了数字式电力线载波通信系统的主要硬件平台。第三章重点讨论了数字式单边带电力线载波机功能的设计与原理，包括数字限幅

35、器、数字压扩器、自动增益调整系统、F I R 滤波器、E M 信令的调制与解调等在F P G A 中的设计与实现。第四章在各项功能已经设计并实现的基础上讲述了对数字式单边带电力线载第一章绪论7波机在系统上的测试情况。第五章介绍了采用A l t e r a 的F P G A 来设计的多路复接器，并且对多路复接器中各单元的实现原理进行介绍，讨论了帧同步器，并给出了设计方案。第六章为结束语，对本文所做工作进行了总结，并对后续工作进行了展望。第二章电力线载波通信系统的主要硬件平台9第二章电力线载波通信系统的主要硬件平台本文基于F P G A 的硬件平台设计的数字式电力线载波机的信号处理部分，采用了数字

36、化的方法来处理模拟信号，因此硬件平台的设计中不可避免的要用到处理数字信号的F P G A 芯片、A D 和D A 芯片，此外为了使A D 变换之前的信号足够的大，则需要的在A D 前加上放大器，同样在D A 之后也加放大器，以保证模拟信号足够的大。这里面主要讲述了电力线载波机的主要硬件结构、话音接口以及传输远动数据的m o d e m。2 1 电力线载波系统的主要硬件结构2 1 1 数字式电力线载波机发信端的设计在本系统中发送端主要有信号处理模块、调制模块、方向滤波器模块、功放模块组成。其中信号处理模块是对发送端的模拟信号采用数字方法进行处理；调制模块是为了使基带信号能够远距离传输，而将低频信

37、号调制到高频(4 0 k H z“5 0 0 k H z)上；方向滤波器模块主要是将功放的输出端与高频差接网络的发送侧的输入端连接起来，以防止同相并机的发送功率和线路上的有害脉冲倒灌到放大器内，同时也用于抑制发送支路本身乱真输出。而本文主要讲述的是调制前端的信号处理模块部分，后面章节将会详细介绍。数字式高压电力线载波通信的发送端框图如图2 1 所示。E P l C l 2 Q 2 4 0 1 7图2 1 数字式高压电力线载波系统发送端框图2 1 2 数字式电力线载波机收信端的设计线在接收端主要有接收滤波模块、衰耗板模块、解调模块、信号处理模块组成。接受滤波器主要是滤除高频信号经过传输之后线路上

38、带来的带外噪声；A G C 衰耗板主要是用作自动增益控制(A u t o m a t i cG a i nC o n t r o l，A G C)，保证接收前的信号1 0数字式电力线载波机的F P G A 设计与实现电平不超过A D 芯片的幅度范围；解调模块主要是经过频谱搬移将高频信号还原为调制前的基带信号；而本文主要讲述的是解调后端的信号处理模块部分，后面章节将会详细介绍。数字式高压电力线载波通信的接收端框图如图2 2 所示。E P l C l 2 0 2 4 0 I7图2 2 数字式高压电力线载波系统接收端框图2 2 电力线载波机信号处理模块的主要芯片介绍本系统中调制前端和解调后端的信号都

39、是采用数字的方法进行处理，采用的一些数字器件为数字式高压电力线载波机成功地采用各种先进的数字信号处理技术和算法、完成各种功能、保证高技术指标的突破，进行紧凑设计缩小“数字信号流 行程和提高抗干扰和可靠性等，奠定了良好产品技术基础。2 2 1F P G A 芯片概述F P G A 是英文F i e l dP r o g r a m m a b l eG a t e A r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列。它是作为专用集成电路(A S I C)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在P

40、C B 完成以后，还可以利用F P G A 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用F P G A 来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少P C B 面积，提高系统的可靠性l l 引。本系统中我们选用的是A l t e r a 公司C y c l o n e 系列的E P l C l 2 Q 2 4 0 1 7 这一款芯片，用它作为主处理器，相关的功能和对信号的处理通过它来完成。它是A l t e m公司的一款低成本的F P G A，由逻辑单元、I O 单元和互连三部分组成。集成逻辑单元1 2 0 6 0 个，两个锁相环，共有六个输出和层次化的时钟结构，为复杂设计提供了强大的时

41、钟管理电路。它基于S R A M 编程工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电时，F P G A 将外部存储器中的数据读入片内R A M，完成配置后，进入工作状态；掉电后，F P G A 恢复为白片，内部逻辑消失。这样，F P G A 不仅能反复使用，还无需专门的F P G A 编程器，只需通用的E P R O M、P R O M编程器即可【M J。第二章电力线载波通信系统的主要硬件平台l lF P G A 有如下几种配置模式：并行主模式为一片F P G A 加一片E P R O M 的方式；主从模式可以支持一片P R O M 编程多片F P G A；串行模式可以采用串行P R

42、O M 编程F P G A：外设模式可以将F P G A 作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。2 2 2 3 2 0 m C l O 芯片概述T L V 3 2 0 A I C l 0 是T I 公司推出的一款低功耗型1 6-b i t 双通道A D、D A 音频编解码器，可工作于3 3 -5 V 的数字或模拟电压下。其内部功能结构如图2 3所示。在本系统中，我们选用A I C l 0 作为信号处理模块部分的语音和远动信号的A D、D A 转换器。l_ I卜、：抽取滤波器!lll土。I N P、抗混移卜!。lS i n cL。IF I Rl；。I N M hM U)(k叠滤A D CF i

43、 l t e rF i l t e roLr波器数字回路I 一一A D R E F P1_JJlr-A D R E F M接广-A口r r J lv M m、卜1 V r e f I电1，rr o“。L 二婴J路l-D A R E F Pr r l 模拟回路I：-lD A R E F M _ 一1仉一 I r ，E _ nr内插滤波器一fp 4 l1 民1 盥l1 工一o U T M I衬滤波*L S i n c叫怒h1r L，器D A C _ 一 F i l t e rM 01，1且图2 3 A I C I O 内部功能结构1 T【3 2 0 A I C l O 的主要特点A I C l 0

44、 芯片采用过采样-技术，包含一对1 6-b i t 的同步串行转换通道，可以实现高精度的A D、D A 转换；可支持最多8 个芯片及联，可自动级联检测(A C D，a u t o m a t i cc a s c a d i n gd e t e c t i o n)使级联操作简单化；工作模式、采样率、输入输出增益、F I R 滤波器的使能与旁路等都可以编程；A D C 通道的前端置有抗混叠滤波器及F I R 抽取滤波器，D A C 通道的后端置有F I R 内插滤波器及低通滤波器；当使用片内F I R 滤波器时，采样速率可达2 2 k s p s，当旁路片内F I R 滤波器采样速率时可达8

45、 8 k s p s；芯片配置十分方便，包括直接配置模式和二次通信配置模式；芯片低功耗工作。鉴于这些特点，A I C I O 被广泛应用于有线调制解调器以及低码率、高质量的语音压缩、语音增强和语音识别与合成。数字式电力线载波机的F P G A 设计与实现2 T L V 3 2 0 A I C l 0 的初始化本系统中使用A I C l 0 时，为主模式(M S 为高)，F S 模式为帧模式(M 1 M 0=1 1)，由F P G A 给它提供时钟(本系统使用的时钟为3 2 7 6 8 M H Z)。其他的状态和参数可以通过向其内部四个控制寄存器发送控制字实时配置。其中控制寄存器l 主要用于抗混

46、叠滤波器的使能与旁路、软件复位、插值抽取F I R 滤波器的使能与旁路、D A C 通道的数据格式等配置，控制寄存器2 主要用于功耗模式选择、S D调制器的运行与停止、采样率的设置等，控制寄存器3 主要用于模拟回路和数字回路的使能、二次通信标志的设置、A D C 通道数据格式等，控制寄存器4 主要用来设置A D C 与D A C 通道的增益。因此，A I C l 0 的初始化就是要对这四个控制寄存器进行配置。A I C l 0 的初始化有两种方式：通过串行接口初始化或者直接通过D C S I 引脚对片内寄存器初始化。本系统中采用的是通过串行接口进行初始化，是在主通信时请求次通信，在次通信中对片

47、内寄存器进行初始化。A I C l 0 进行串行数据传输时有两种通信模式：主通信模式与次通信模式。主通信模式用于传输数据和软件请求次通信，次通信模式用于对片内的寄存器进行读写。主通信传输有两种数据格式：1 6 b i t 格式与1 5+1 b i t 格式。默认的是1 5+l b i t格式，最低数据位为D O，根据接收到的数据D O 是否为1 来判断是否请求次通信，该数据是来自主模式芯片还是从模式芯片。次通信初始化片内寄存器时要按照A I C l 0 初始化的数据格式如图2 4 所示，因为初始化数据和相应要初始化的片内寄存器地址都是在一条串行线上一起传输的。D 1 5D 1 4 D 1 3

48、D 1 2D 1 lD 1 0D 9D 8D 7 D O读器件地址寄存器地址寄存器内容写图2 4 A I C l 0 初始化数据格式当完成A I C l 0 的初始化之后，不用再请求次通信，此后只包括主通信，用于数据传输，工作时序如图2 5 所示。s c L K 恤竹j 1 肌脚且皿卜1 6 S C L K s 叫卜1 6 S C L K s 叫；F SR 兰兰竺lR 姿兰竺lR 圭兰，：器()C)C：图2 5A I C l 0 工作时序图第二章电力线载波通信系统的主要硬件平台2 3 语音接口F X O F X S 口概述在电力线载波通信中为了能够传输语音信号，就应该有相应的接口，也就是话机终

49、端的接口。下面就介绍下本系统中的语音接口。2 3 1F X S 接口概述F X S(F o r e i g nE x c h a n g eS t a t i o n，外部交换站)接口，又称为用户接口，它是一种话音接口，是电话交换系统和P O T S 电话之间的一个线路端连接，提供连接普通话机的R J l l 插口、振铃电压、传送拨号音等。日常生活中我们使用的普通电话线是从电信局的电话交换机出来进入我们的家庭，然后连接一个电话机，电信局的电话交换机使用的就是F X S 接口。F X S 接口相当于P A B X(p r i v a t ea u t o m a t i cb r a n c h

50、e x c h a n g e，专用自动交换机)的分机接口，可实现用户话机与多路复用器的连接，以实现多路语音复用。普通话机连接上F X S 口之后，它能够为话机提供电池电流、拨号音以及响铃电压。S 口应提供B(B a t t e r y f e e d，馈电)、O(O v e r v o l t a g e p r o t e c t i o n，过压保护)、R(R i n g，振铃)、S(S u p e r v i s i o n，监视)、C(C o d e c，编解码)、H(H v b r i d，混合电路)和T(T e s t i n g，测试)七项功能，如刚1 6】2 6 所示。用户接