基于MFSK的电力线通信系统设计

1 电力线通信简介

电力线通信简称为PLC，是一种采用电力线传输信息的 通信方式。这种通信方式将要发送的信息调制到高频载波信 号上，然后把经过调制的高频载波信号耦合到电力线上，利 用电力线把信息传送到接收端。接收端通过耦合电路将高频 信号从电力线上耦合出来，传送到解调器中，解调器利用特 定的解调算法把有用信息从高频载波信号上面解调出来，传 送到接收设备，实现信息的传送。从通信所用的频带宽度的 角度划分，电力线通信分为宽带电力线通信和窄带电力线通 信。当前，电力线通信技术重点应用于水电表、煤气等自动 抄表系统，另外该技术在医疗监护和自动报警等领域有很大 的优势和应用前景，将集成电力线芯片的设备接在插座上， 就可以实现快捷的信息传递。

正交频分复用(OFDM)能高效地利用电力线的信道

带宽和节约频谱资源，并且抗干扰、抗噪声能力强。这些良 好的性能使得OFDM技术广泛应用在高速率和高可靠性的电 力线通信过程中。FSK简单易实现，在数据传输速率要求不 高的情况下，可以采用FSK调制方式。目前市场上有成熟的 采用OFDM和FSK调制方式的电力线通信芯片。

2 FSK调制解调原理

数字信号的变化，会导致载波频率随着发生改变，这 种调制方式就是FSK。FSK是用得比较早的一种调制方式。 这种调制方式工程实现简单，而且抗信道噪声和衰减能力 强，其稳定性比较可靠，当数据传输速率要求不高时，FSK 是首选的调制方式。FSK调制中，载波的振幅和相位不变， 只 改 变 频 率 ， 利 用 频 率 的 改 变 实 现 数 字 信 息 的 传 送 。 在

图1 2FSK波形 图2 模拟调频产生2FSK原理图

图3 键控法产生2FSK信号

2FSK中，传送的信号只有“0”和“1”两种，相应的载波 的频率也需要两种，分别为f 1和f 2。表达式为：

(1)典型波形如图1所示。

图4 相干解调原理示意图

图5 非相干解调原理示意图

图6 调制算法框图

图7 接收机解调算法框图

有两种方法来产生2FSK信号。模拟调频电路是其中的 一种方法;调频法是利用基带矩形脉冲序列去控制调频器， 直接改变单一载波的频率参数来获得2FSK信号，模拟调频 电路的原理图如图2所示。

键控法是产生2FSK信号的另一种方法。键控法是通过 高低电平(1和0)序列使开关电路开断来选择不同的振荡 器，从而在每个信息的持续时间内只输出两个振荡器其中一 路载波，其原理如图2所示。当s(t)为1时，振荡器1被打开， 输出频率为振荡器1频率的正弦波，当s(t)为0时，振荡器2被 打开，输出频率为振荡器2频率的正弦波。

在这两种方法中，调频法的两个相邻码元之间的载波 相位是连续的，而键控法不一定连续。

相干解调和非相干解调(包络检波)可以从2FSK信号中 还原出调制信号序列。相干解调中，在接收端产生与载波同 频同相的信号，接收端接收到的信号先通过通带频率为f 1和f 2 的带通滤波器，然后滤波后的两路信号分别与接收端产生的 两个信号相乘，相乘后的信号经过低通滤波器和抽样判决器 后得到二进制的基带序列信号。原理示意图如图4所示。

在非相干解调中，接收端接收到的信号先通过通带频率为f 1和f 2的带通滤波器，滤除不需要的信号，产生两路分 别含有频率为和的信号，然后把这两路信号分别送入包络检 波器检波，得到二进制序列的包络，最后把两路包络信号同 时送入外加抽样脉冲的抽样判决器，抽样判决器的输出就是 所需要的信号。其原理示意图如图5所示。由于在非相干解 调中，解调过程与相位无关，不需要知道接收端接收到信号 的相位，所以这种解调方式适合于信道中有衰落和信道参数 随机变化的场合。因为信号在这样的信道中传输时其相位和 振幅会发生变化。

当信道信噪比相同时，相干解调比非相干解调的抗噪 声性能好，而当信道信噪比比较大时，两种解调方式的的抗 噪声性能差别不大。这时采用非相干解调方法较好，因为不 需要进行相位和频率检测，实现比较简单。

3 滤波器概述

滤 波 器 对 输 入 信 号 进 行 处 理 ， 滤 除 不 需 要 的 无 用 信 号，减少甚至去除无用信号对有效信号的干扰。滤波器的应 用非常广泛，很多电子系统都用到了滤波器，而且电子系统 的质量好坏很多情况下是由滤波器的性能直接决定的。滤波 器有两大类，分别为模拟滤波器和数字滤波器。由电阻、电 容、电感、运放等元器件组成的为模拟滤波器，它可实现对 连续模拟信号的滤波处理。离散化的数字信号则由软件或数 字信号处理器件对其进行滤波处理，这种处理称为数字滤 波。

数 字 滤 波 器 的 基 本 原 理 是 对 输 入 的 离 散 信 号 进 行 运 算，使得信号的频谱发生变化，从而实现对无用信号的滤除 作用。随着电子技术的发展，数字滤波器可以由硬件实现也 可以由软件实现。由于数字滤波器的特点和实现的简单性， 数字滤波器被广泛应用在各种数字信号处理领域。数字滤波 器可以分为两种，IIR和FIR滤波器，IIR滤波器为无限长冲 击响应滤波器，FIR滤波器为有限长冲击响应滤波器。两种 滤波器的系统函数结构不同，从而根本上导致了两种滤波器 的不同。二者系统函数的特点决定了它们具有不同的实现结 构和特点：FIR滤波器没有输出对输入的反馈结构但是具有 很好的线性相位特性，IIR有输出对输入的反馈但是相位是 非线性的，而且随着频率选择性的提高，非线性的特点表现 得越明显。

3.1 IIR滤波器的原理

图8 总体架构图

图9 组网测试

IIR滤波器的滤波效率较高，在同样的幅频响应下，IIR滤波器的阶数和所需要的硬件资源都比FIR滤波器少。IIR滤 波器相位的非线性使得其使用范围没有FIR滤波器大。然而 在不需要线性相位的环境下，IIR滤波器的性能比FIR滤波器 好得多。IIR滤波器的系统传递函数为

(2)

系统的差分方程可以写成

从系统函数可以看出， IIR滤波器有以下几个显著特 性。

1)不为零的极点和零点在IIR滤波器同时存在。要保证

滤波器为稳定的系统，需要使系统的极点在单位圆内，也就 是说系统的稳定性由系统函数的极点决定。

2)在数字硬件平台上实现IIR滤波器，由于存在反馈结

构，因此受限于有限的寄存器长度，无法通过增加字长来实 现全精度的滤波器运算，滤波器运算过程中的有限长效应是 工程实现时必须考虑的问题。

3.2 IIR与FIR滤波器的比较

IIR与FIR滤波器是最常见的数字滤波器，两者的结构及 分析方法相似。在具体的工程设计中要根据二者的不同更合 理地选择滤波器种类，以更少的资源获取所需的性能，二者 的性能差异及应用特点如下：

1)通常在具有相同幅频响应的情况下，FIR滤波器的阶

数等于5~10倍IIR滤波器的阶数。

2)FIR滤波器具有线性相位特性。 在相同的阶数情况 下;IIR滤波器的幅频特性比FIR滤波器好，但其相位是非线 性的。

图10 发送信号

图11 解调结果

图12 两种调制方案电力线信号

图13 频率计上位机测试

3)FIR滤波器的冲击响应是有限长的，由于采用了非递 归的结构所以是稳定的系统。而必须用递归结构的IIR滤波 器，当其系统函数的极点在单位圆内时，系统才可以稳定。 这种采用反馈的结构，运算时进行了舍入处理，会导致振荡 现象。

4)FI R滤波器可以使用FFT和其他的快速算法来实现

卷积运算，运算速度快。IIR滤波器无法采用类似的快速算 法。

5)在两种滤波器的实现方法上，IIR滤波器可以采用现

成的设计公式、数据和表格等资料，这些资料在模拟滤波 器中已经验证使用过。FIR滤波器不可以借助这些资料。由于计算机软件的发展，FIR、

IIR滤波器的设计均可以采用 现成的函数，因此在工程设 计中二者的设计难度均已大 大降低。

4 发射机方案设计

4.1 RS编码

在电力线传输过程中，由于信道衰落和噪声的影响， 导致传输信息出错，因此必须引入一种纠错机制，使信息在 传输出错后，接收端仍然能够接收到正确的信息，FEC(前 向纠错)是一种既能发现错码位置、又能纠正错误码的纠错 机制。RS码是一种具有很强纠错能力的多进制前向纠错编码，RS编码适合存在突发型错误的通信系统中。

4.2 信号调制

信 号 调 制 采 用 相 位 连 续 的 8 F S K 调 制 方 式 ， FSK的相位连续方式能减小频率谱扩展，减小带宽 和干扰。具体实现方法是，假设码元长度为Ts，则 选择合适的载波频率使得在每个码元长度Ts内有整 数个完整载波，并且载波的初始相位相同，则可 满足FSK调制的相位连续性。

8进制频移键控中采用8个不同的频率分别表

示8进制的码元，每个码元含有3bit的信息，载波频 率与码元位的对应关系如表1所示。

因 为 告 警 信 号 需 要 在 0 . 5 m s 内 被 调 制 、 传 输 、 解 调 出 来 ， 我 们 选 择 码 元 Ts = 2 0 u s ， 通 信 波 特 率 为 1 / Ts = 5 0 K Bp s 。 告 警 信 号 的 帧 长 度 为 6 b i t

( 3 b i t 地 址 ， 2 b i t 命 令 ， 1 b i t 告 警 信 号 ) ， 经 过 R S( 6,2) 编码后为6个码元， 每个码元包括3bit信息。 传 输 6 个 码 元 需 要 6 个 载 波 频 率 。 传 输 一 帧 告 警 信 号 的 时 间 t=6/50KBps =0.12ms， 再加一些调制解调的时间， 能实现0.5ms内进行告警信号传输。A D C 的 最 高 采 样 速 率 为 5 0 M Hz ， 我 们 选 择 的 码 元 时 间 Ts = 2 0 u s ， 要 满 足 相 位 连 续 ， 所 以 我 们 选 择 基 波 频 率 为15MHz， 8个频偏分别是100kHz， 200kHz， 300kHz，400kHz，500kHz，600kHz，700kHz，800kHz，信号的产生 由DDS完成。调制算法框图如图6所示。

5 接收机方案设计

耦合电路得到的信号经AD采样后，首先经过数字下变 频，截止频率为5MHz的IIR低通滤波器去掉频率为15MHz的 基波。然后通过8路解调器，每路解调器对信号进行相干解 调，本设计中，采用每路解调器的信号同时分别乘以正弦和 余弦波的方式来实现相干解调，而不是通过相位同步的方 式，从而可以简化方案，并且可以准确解调。相干解调后的信号通过截止频率为50kHz的IIR低通滤波器后，平方求和开方，得到解调信号。然后8路解调器解调出的信号送入抽样 判决器从而得到信号帧。然后通过RS解码得到告警信号和 设备地址。接收机解调算法框图如图7所示。

6 系统总体架构

当 有 告 警 信 号 ( 一 个 开 关 量 ) 产 生 时 ， 告 警 信 号 加上设备地址信息进行组帧，一帧二进制信号经过RS编码，8FSK调制，调制后的载波经过DA转换后，通过耦合电路耦 合到直流电力线上进行传输。接收端一直检测电力线上的信号，该信号经电力线耦 合电路耦合出来以后，进行AD转换，数字下变频和IIR滤 波，然后通过8路解调器，每路解调器的信号分别乘以正余 弦载波，并通过IIR低通滤波器后，平方求和开方，然后8路 解调器解调出的信号送入抽样判决器从而得到信号帧，然后 通过RS解码得到告警信号和设备地址，将此信息传递给后 续模块进行处理，以告知是哪个节点出现了问题。系统整体 架构如图8所示。

7 系统实现

系统测试环境如图9所示。 该系统和网络中另外存在的 电力线载波芯片同时通信，两个通信芯片互不影响。组网 测试1小时，测试电力线载波芯片(基于OFDM)和本系统(基于FSK)的误码率。

7.1 信号调制到电力线上

测试方法：将示波器探头放在发送端检测发送信号。测试结果：发送端发送报警信号，地址信号为3bit，由开关量触发，发射端检测到开关量变化后采用FSK将信号调 制到电力线上。发送端调制到电力线上的模拟信号如图10所 示。

7.2 通过逻辑或模拟电路将电力线上信息解调出状态信息

测试方法：将逻辑分析仪探头放在接收端检测解调出 来的地址信息位和告警信息位。

测试结果：接收端接收到信号后对调制的信号进行解 调，由此解调出报警设备地址和开关量状态信号。

接收端解调出信号如图11所示。图示地址信号线从高

到低依次为3、2、1，4为告警信号位(解调)，0为告警信 号触发位。

7.3 误码率测试

测 试 方 法 ： 对 被 验 收 模 块 发 送 端 提 供 P W M 信 号

(1kHz，50%占空比)，观察被验收模块接收端输出电平信 号是否也为同频PWM信号，且占空比变化偏差不超过20%， 测试时间1小时。

测试结果： 经组网测试表明， 测试时间1小时， 均正 常，无丢失。