【基于扩频通信的低压电力线载波芯片的设计】 低压电力线载波通信

　　摘要:为了适应智能电网的发展要求,本文提出了一种基于扩频通信理论的低压电力线载波扩频通信芯片的设计。通过对有关文献资料中相关设计的大量分析、比较,以及对最新理论建模工具SystemView的应用,本文应用Verilog-HDL语言对该电路进行了设计,并利用FPGA(Field Programmable Gata Array)进行了实验验证。实验结果表明,本设计电路可以准确地解调出电力线上的数据信号,并很好地满足相关的性能指标,从而完成电力线上信息的数字化通信的功能。
　　关键词:解调;FPGA;扩频通信
　　
　　Design of spread�spectrum Integuate Circuit
　　for data communication over power line
　　
　　RONG Yue-dong1 ,XU Dong-ming2 ,ZHOU Xiao-gang3
　　(1.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;
　　2.Xi‘an University of Posts and Telcommunications Xi‘an 710061;
　　3.Xi‘an Supermicro Electronics Co., LTD Xi‘an 710061)
　　
　　Abstract: In order to adapt the development of intelligent electric power net, the design of spread-spectrum Integrate circuit for data communication over power line is presented.Based on the latest technologySystem View in theory modeling and the large numbers of analyze and comparison about the concerned design referred in many related documents,this design is accomplished and validated by using Verilog-HDL and FPGA independently.The experiment result demonstrates that by utilizing this circuit the digital signal can be resumed well from power line and can meet the related performance index. It also verifies that this design can satisfy the digital communication in power line.
　　Key words: demodulation; Field Programmable Gate Array; spread-spectrum
　　
　　1引言
　　
　　随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高,传统的人工抄表模式已无法适应信息时代数字化的要求,因而,远程数字抄表系统应运而生。目前,远程抄表可以通过无线电波,电话线,低压电力线等介质进行传输。但考虑到成本以及实现的过程,低压电力线载波利用已有的电网,而且不必占用已有的频谱资源,因此低压电力线载波通讯传输方式比其他通讯方式具有明显的优势。虽然由于信号在电力线上的衰减以及背景噪音的干扰等都很大,电力线并非理想的通信信道。但是根据香农定理,在信道容量固定的前提下,牺牲带宽可以以较低的信噪比获取可靠的数据传输,本文正是根据这一理论进行了设计。
　　
　　2扩频通信工作原理
　　
　　扩频通信与一般现有的常规通信方式完全不同[1]。它用伪随机编码把基带信号(信息数据窄带信号)的频谱进行扩展,形成相当带宽的低功率谱密度信号发射出去。使用不同的伪随机编码,不同通信用户可在同一频段、同一时间工作,互不影响或影响极小地进行通信。因此,扩频通信在调制、解调上是与众不同的。扩频通信的基本原理如图1所示。信息数据D经通常的数据调制后变成带宽为B1的信号(B1为基带信号带宽),用扩频码发生器产生的伪随机码(PN码)去对基带信号作扩频调制,形成带宽为B2(B2>>B1)、功率谱密度极低的扩频信号后再发射出去。在接收端,首先使用与扩频信号发送端相同的伪随机码做扩频解调处理,把宽带信号恢复成通常的基带信号,再使用通常的通信处理手段解调出发送来的信息数据D。其理论基础是信息论中的香农定理[2]:
　　 C=W log1+
　　其中:C为信道容量(比特/秒);N为噪声功率;W为信号带宽(赫兹);S为信号功率。由此可见,C不变时,增加带宽,则信号的信噪比在较低的情况下,也可以以相同的速率可靠的传输信息。因此,增加信号带宽,可以使信号甚至在被噪声淹没的情况下,仍能保持可靠的传输。扩频通信正是使用了这一点,采用扩展信号带宽的方法以提高数据传输中的抗干扰性。
　　
　　3系统及主要模块设计
　　
　　 3.1系统的结构框图及工作原理
　　系统结构框图如图2所示。它的工作模式为半双工工作模式。
　　 该电路主要有以下几个电路模块组成:差分编解码模块,扩频调制模块,伪随机发生模块,捕获与跟踪模块,解扩解调模块,低通滤波器模块,带通滤波器模块以及收发控制接口模块等。
　　当系统处于发射态时(I/O_C=0),SYNO脚由芯片内部的PN码电路产生同步信号。外部的单片机在SYNO的下降沿时将数据置于DATA_IO管脚,该管脚将数据送入内部的差分编码及扩频调制单元与PN码及80 kHz的载波信号产生80 kHz的直序扩频信号(调制信号)。该信号经过功率放大之后即可以耦合到低压电力线上进行传输。
　　当系统处于接收态时(I/O_C = 1),管脚ASI输入的80 kHz载频信号与芯片内部电路进行混频产生320 kHz的中频信号,该320 kHz的混频信号经过带通滤波电路,低通滤波电路,最后再经过与发送端同步的的m序列相关同步解扩及数字信号处理之后,便恢复出原始信号。
　　
　　 3.2主要模块设计
　　 3.2.1 m序列发生器
　　
　　m序列发生器是在n级线性移位寄存器的基础上,加上反馈逻辑电路构成的。m序列信号发生器有两中结构:Fabonacci型和Galois型[3]。本文采用Fabonacc型移位寄存器产生m序列。该结构的特点是移位寄存器的反馈抽头位置与本原多项式一致,序列与初始状态相对应,码序列的产生速度主要受反馈网络的时延限制。
　　本设计电路采用m序列发生器[4],其生成的多项式为G(x)=X4+X+1。图3为其产生电路。其中,4个小方格代表4个寄存器D,把他们从左至右依次叫做第1级、第2级、第3级、第4级寄存器。对于系数C1=1,表示第1级输出参与反馈。开始时,设初始状态为0001,则根据图3可生成15位的伪随机序列。图4为采用Verilog对图3电路设计仿真的结果。从图中可以看出15位伪随机序列的产生,即111101011001000序列。
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　　同步技术是扩频通信系统中的关键技术。只有实现了同步,使收发两端相关的信号在频率、相位上取得一致,整个系统才能正常的工作。
　　这一过程分为两个阶段,第一阶段为捕获过程即粗调过程[5],它通过调节送到解扩器的本地码相位实现两个伪码之间初始同步,当捕获过程完成时用于解扩的本地参考信号码相位与接收扩频信号码相位偏差将小于直扩系统一个PN码单元,这时接收机能大致正常解调出信息。第二阶段为PN码的定时跟踪即细调过程[6],跟踪是通过相位锁定方法不断调节补偿本地码相位漂移,以达到进一步缩小同步误差和保持这种精确同步的目的。在扩频码同步系统工作过程中,同步捕获和跟踪状态应该可以相互转换[7]。在捕获出现因强干扰引起失步时,同步系统必须能够能迅速地从跟踪状态重新转入捕获状态。而在捕获真正锁定时,同步系统也应迅速转入到跟踪状态。所以同步系统应采用同步识别控制系统以控制捕获和跟踪之间的相互转换。
　　本设计也是基于以上的理论方法而进行的同步电路的设计。图5为本设计所采用的同步电路原理图。如图所示,接收到的信号经宽带滤波器后,在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时,捕获电路调整压控钟源,使PN码发生器产生的本地脉冲序列的频率和相位重复接收信号的频率和相位,以捕获有用信号[8]。一旦捕获到有用信号后,则启动码跟踪电路,由其来控制压控钟源,使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于某种原因引起失步,则重新开始新的一轮捕获和跟踪过程。图6为同步电路仿真结果,从图中可以看到同步电路工作的两个过程即捕获和跟踪过程。
　　
　　4系统仿真结果
　　
　　本设计应用SystemView进行理论建模仿真,应用Verilog-HDL语言进行代码设计。
　　图7为系统配置成接收端,芯片主要信号的仿真波形。图8为整体仿真局部放大后的电路仿真波形。图中DATA_IN为所要经过电力线传输的数据信号,top_data_out_1为系统解调后接收到的数据。SYNC_SH_FA为发送端系统的同步信号SYNC;SYNC_SH_SHOU为接收端系统的同步信号SYNC;从图可以看出系统在同步的前提下可以正确的解调出电力线上数据信号,从而完成电力线通信的功能。
　　
　　5结束语
　　
　　本文设计了一款基于扩频通信的低压电力线载波调制解调芯片,详细的描述了其工作原理及主要模块的设计思想,并用Verilog语言进行了代码设计。此外,本设计通过了严格的FPGA验证,验证结果表明本设计能很好的满足设计要求,因而具有很高的实用价值。
　　
　　参考文献
　　[1]韦惠民 张邦宁. 扩频通信技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社 2003年
　　[2]曾一凡 李晖 .扩频通信原理[M] .北京:机械工业出版社 2005年
　　[3]樊昌信 张甫翊 徐炳祥 吴成柯.通信原理.[M]北京:国防工业出版社 2003
　　[4]查光明 熊贤祚.扩频通信[M]. 西安:西安电子科技大学出版社 2007年
　　[5]田日才.扩频通信[M]. 北京:清华大学出版社 2007年
　　[6]赵刚.扩频通信系统实用仿真技术[M].北京:国防工业出版社 2009年
　　[7]张容娟 张大茂 .电力线载波扩频通信调制模块的设计[J]. 现代电子技术, 2010 6(3): 114-118
　　[8]杨迪 直接扩频接收机的码捕获与跟踪技术研究[D].昆明: 昆明理工大学, 2007.
　　
　　作者简介
　　荣岳栋,硕士,通信专用集成电路与系统设计
　　徐东明,教授,硕士,通信专用集成电路与系统设计。
　　周晓刚,工程师,本科,数字集成电路系统设计及测试。
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