FSK電力線載波通信實驗.ppt

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1、實驗六 FSK電力線載波通信實驗 一、實驗?zāi)康? 1、了解單片機在通信中的應(yīng)用。 2、了解大規(guī)模集成電路的電路組成及工作原理。 3、理解 FSK的工作原理。 二、實驗預習要求 1、復習 通信系統(tǒng)原理 中有關(guān) FSK的內(nèi) 容。 2、認真閱讀本實驗內(nèi)容，熟悉實驗步驟。 3、預習有關(guān)單片機的原理及應(yīng)用。 三、實驗原理 利用電力線路來傳輸通信信號，不需額外布線，降 低了布線及施工成本，因而在某些應(yīng)用上具有潛在 的價值，如在家庭自動化系統(tǒng)、遠程抄表系統(tǒng)等應(yīng) 用場合。 由于電力線上的干擾及噪聲相當大，線路阻抗很不 穩(wěn)定，信號傳輸損耗大，要利用電力線實現(xiàn)有效和

2、 可行的通信有相當?shù)碾y度。為此，國外某些廠商開 發(fā)了一些專用的電力線載波 MODEM芯片，其采用 的調(diào)制方式既有以 FSK方式為主的窄帶調(diào)制方式， 也有以擴展頻譜技術(shù)為基礎(chǔ)的寬帶調(diào)制方式。 ST7536就是意法半導體公司（ SGS THOMSON） 開發(fā)的一種以 FSK方式工作的專用于電力線載波通 信的 MODEM芯片。 1、 ST7536工作原理 芯片主要特點： 半雙工同步 FSK MODEM 600bps速率，二個可編程信道 1200bps速率；二個可編程信道 自動調(diào)諧接收和發(fā)信濾波器 發(fā)信頻率同步于外接晶振 發(fā)信信號電平自動控制

3、 接收靈敏度： 2mVRMS(600bps) 3mVRMS(1200bps) 接收時鐘恢復電路 POWER DOWN（低功耗）模式 123 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 262728 R X / T X R E S E T T E S T 4 T E S T 3 R X D C L R / T R X D E M DGND DVVD T E S T 1 T E S T 2 T X D X T A L 2 X T A L 1 C H S BRS A F C F

4、D V S S I F O D E M I A V S S AGND AVDD R A I R X F O T X F I A L C I A T O S T 75 36 管腳說明： 管腳名 稱 管 腳 號 碼 功 能 描 述 Rx/Tx 1 接收或發(fā)送模式選擇輸入端 RESET 2 邏輯復位和低功耗模式選擇端，低電平有效。 TEST4 3 測試輸入選擇端。高電平時選擇發(fā)信濾器的輸入為 TxF1端 TEST3 4 測試輸入端，當 TEST1為高電平時，選擇本腳為時鐘恢復電路的輸入端 RxD 5 同步接收數(shù)據(jù)輸出端 CLR/T 6 接收或發(fā)送時鐘（由工作模式?jīng)Q定） R

5、xDEM 7 解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端 DGND 8 數(shù)字地 DVDD 9 數(shù)字正電源： 5V 5 TEST1 10 測試輸入選擇端，高電平時取消發(fā)送至接收模式的自動切換功 能，并使 TEST3輸入有效。 TEST2 11 測試輸入選擇端，高電平時壓縮發(fā)送至接收模式的自動切換時 間。 TxD 12 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入 XTAL2 13 晶振輸出 XTAL1 14 晶振輸入 CHS 15 信道選擇輸入 BRS 16 波特率選擇輸入 AFCF 17 可用于相連補償網(wǎng)絡(luò)的自動頻率控制信號輸出 DVSS 18 數(shù)字負電源： 5V 5 IFO 19 中頻濾波輸出 DEMI 20 FSK解調(diào)輸入

6、 AVSS 21 模擬負電源： 5V 5 AGND 22 模擬地 AVDD 23 模擬正電源： 5V 5 RAI 24 模擬信號接收輸入 RxFo 25 接受濾波器輸出 TxFI 26 發(fā)送濾波器輸入（ TEST4為高電平時選擇） ALCI 27 自動電平控制輸入 ATO 28 模擬信號發(fā)送輸出 發(fā)送部分： 置 Rx/ 0時芯片為發(fā)送模式，當 Rx/保持低電平超過 3ms時，芯片自動進入發(fā)送工作模式。再次激活發(fā)送模 式時需要 Rx/回到高電平并至少保持 3ms的時間，然后 再置 Rx/為 0電平。 在發(fā)送模式時，發(fā)送數(shù)據(jù)（ TxD）在決定波特率的時 鐘信號

7、CLR/T的上升沿被采樣（圖 6-1）。采樣數(shù)據(jù)進 入 FSK調(diào)制器， FSK調(diào)制器代表 0、 1數(shù)據(jù)的二個基本載 頻由波特率選擇管腳（ BRS）和信道選擇管腳（ CHS） 共同決定，見表 1 C L R / T T X D D A T A V A L I D 圖 6-1 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入定時 表 1： BRS CHS Baud Rate (Baud) TxFrequencies(KHz) TxD=1-TxD=0 0 0 600 81.75-82.35 0 1 600 67.2-67.8 1 0 1200 71.4-72.6 1 1 1200 85.95-87.15 由于這些頻率同步于

8、11.052MHz的晶振，頻率精度與 晶振的頻率精度一樣。 為了限制頻譜和降低信號中的諧波成分，來自 FSK 調(diào)制器的已調(diào)信號再由開關(guān)電容帶通濾波器（發(fā)送帶 通濾波器，即 Tx BAND-PASS）進行濾波。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 IF O X T A L 2 X T A L 1 RX / T X RE SE T BRS CH S TXD T X FI D E MI T E ST 1 T E ST 2 T E ST 3T E ST 4 CL R/ T RX D

9、 RX D E M A L CI A T O A FCF RA I RX FO DGND D V D D D V SS A V SS AGND A V D D BA N D -P A SS RX S. C. FI L T E R 20dB G A IN BA N D -P A SS S. C. FI L T E R I. F. A FC RE FE RE N CE V CL T A G E T IM E BA SE A N D CO N T RO L L O G IC ALC TX BA N D -P A SS S. C. FI L T E R A. FSK MO D U L A T O R

10、C O R R E L A T O R P O S T - D E M O S. C. FI L T E R M CL O CK RE CO V E RY T E ST L O G IC ST 7 5 3 6 U X M U X A. F I L T E R A. A. F I L T E R A. A. F I L T E R A. A. F I L T E R S M T. F I L T E R S M T. F I L T E R 圖 6-2 ST7536 內(nèi)部方框圖 發(fā)送通路的輸出級包括一自動電平控制（ ALC） 系統(tǒng)，它使得模擬發(fā)送輸出信號（ ATO）的幅度 與線路阻抗的變化無

11、關(guān)。本 ALC系統(tǒng)是帶有 32個 離散增益值的可變增益控制系統(tǒng)，由模擬反饋信 號 ALCI控制（見圖 6 3）。 V T 1 V T 2 L ow G a i n C or r e c t G a i n H i gh G a i n C or r e c t G a i n A L C C L O C K 34. 7us 104 . 2us 圖 6-3 接收部分： 置 Rx/=1時芯片工作于接收模式。波特率和信道的選 擇同樣也由表 1決定。加于 RAI與公共端 0V間的接收信 號經(jīng)開關(guān)電容帶通濾波器（接收帶通濾波器， Rx band- pass）濾波，濾波器的中心頻率為接收信號

12、的中心頻率， 其帶寬約為 6KHz。 RAI的輸入電壓范圍為 2mVRMS至 2VRMS。 接收濾波器的輸出經(jīng)一增益為 20dB的放大器放大，該 級放大器還同時對大信號提供限幅作用。經(jīng)放大限幅后 的信號送入混頻器進行下變頻，混頻器的同步本振信號 由 FSK調(diào)制功能提供。最后，混頻器的輸出經(jīng)一中頻帶 通濾波器（ IF band-pass）濾波，以提高解調(diào)器前信號 的信噪比。中頻帶通濾波器的中心頻率與 BRS有關(guān)，當 BRS 0時，其中心頻率為 2.7KHz，當 BRS=1時，其中 心頻率為 5.4KHz。中頻帶通濾波器的輸出（ IFO）通過 一外接耦合電容（ 1F 10%,10V）耦合到 F

13、SK解調(diào)器 的輸入（ DEMI），以消除接收通道的偏置電壓。 時鐘恢復電路從解調(diào)器輸出 (RxDEM)提取接收時鐘 （ CLR/T），并在 CLR/T的上升沿送出解調(diào)輸出同 步數(shù)據(jù)。 C L R / T T X D D A T A V A L I D 圖 6-4 附加的數(shù)字和模擬功能： 由復位輸入（ RESET）來初始化芯片。當 RESET 0時， 置芯片于低功耗模式并復位內(nèi)部邏輯。當 RESET 1時， 激活芯片。 時基部分通過晶振（ 11.0592MHz）產(chǎn)生內(nèi)部所需 的各種時鐘。晶振接于管腳 XTAL1和 XTAL2間，并需 要外接兩電容以保證晶振正常工作。電容值與

14、晶振特 性有關(guān)，典型值為 22pF 10%。也可將時鐘信號直接 加于管腳 XTAL1上。 自動頻率控制（ AFC）模塊調(diào)節(jié)接收和發(fā)送濾波器 的中心頻率到載波工作頻率。 AFC環(huán)路的穩(wěn)定性由 連接于管腳 AFCF上的 C1（ 470nF 10， 10V）、 C2（ 47nF 10， 10V）和 R1（ 1.5K）構(gòu)成的 補償網(wǎng)絡(luò)來保證。 17 22 C1 C2 R1 A F C F AGND 圖 6-5 自動頻率環(huán)路濾波器 測試特性： 附加的放大器允許在管腳 RxFO上觀察接收帶通濾 波器的輸出。 當 TEST4 1 時，腳 RxFO直接輸入發(fā)送帶通濾波 器被選擇和允許。

15、當 TEST2 1 時，發(fā)送到接收的自動轉(zhuǎn)換延時由 3 秒縮至 1.48ms。 當 TEST1 1時，發(fā)送到接收的自動轉(zhuǎn)換模式無效， 電路的功能模式 由 Rx/控制，方式如下：當 Rx/ 0時，電路連續(xù)發(fā)送，當 Rx/ 1時，為便于測試時 鐘恢復模塊與 FSK解調(diào)模塊的連接斷開，此時 TEST3為時鐘恢復模塊的輸入端， RXDEM跟隨 TEST3， RxD送出重新同步的數(shù)據(jù)。 2、實驗電路原理說明 電力線載波通信實驗系統(tǒng)的構(gòu)成原理框圖如下圖所 示，它由 ST7536、微控制器（ MCU）和電力線接口 （ PLI）等組成。詳細原理圖見圖 6-6。 ST7536 PL1 C

16、ontroller PLI ST7536 Controller Data-transmission over POWERLINE 圖 6-6 電力線載波通信系統(tǒng)構(gòu)成框圖 微控制器（ MCU） U4采用了美國國家半導體公司 COP系列單片機 COP87L84EGN，它主要功能是完成對 ST7536收發(fā)狀態(tài)的控制、發(fā)送數(shù)據(jù) 的產(chǎn)生、接收數(shù)據(jù)的處理及電力線接口（ PLI）中功放電源的開啟及關(guān)閉等 功能。另外，微控制器通過 RS232C接口芯片 U5（ MAX232）可實現(xiàn)與個人 電腦（ PC）的連接，即通過本實驗裝置可實現(xiàn) PC之間的電力線載波通信 （由條件所限，本實驗暫不開通此項功能）。

17、 在實驗裝置中，微控制器的工作狀態(tài)由撥動開關(guān) SW1控制，如表 2： 表 2： SW1-1 SW1-2 SW1-3 SW1-4 MCU工作狀態(tài) off X X X 接收狀態(tài)（控制 ST7536工作于收態(tài)） on off off X 控制 ST7536發(fā)固定“ 0”碼 on off on X 控制 ST7536發(fā)固定“ 1”碼 on on off X 控制 ST7536發(fā)“ 0”、“ 1”交替碼 on on on X 控制 ST7536發(fā)偽隨機碼 ST7536的波特率和信道選擇由撥動開關(guān) SW2控制， 如表 3： 表 3: SW2-1 (CHS) SW2-2 (BRS)

18、 波特率 發(fā)送頻率 (KHz) TxD=1-TxD=0 off off 600 81.75-82.35 on off 600 67.2-67.8 off on 1200 71.4-72.6 on on 1200 85.95-87.15 在發(fā)送模式，接口放大和濾波來自 ST7536的發(fā)送信 號 (ATO)。 ATO能提供的最大輸出電流僅為 1mA， 因而接口中用一緩沖器 (BUFFER))來保護 ST7536并 驅(qū)動下級電路。來自 ST7536的發(fā)送信號中的二次諧 波為 53dB，為了進一步抑制諧波，接口中用了一 低通濾波器（ LPF）。經(jīng)濾波后的信號送入功放， 通過一耦合變壓器，功放能驅(qū)動

19、 1 100的阻抗。 耦合變壓器不僅用于將信號送上電力線，它也作為 工作于諧振選頻方式下的帶通濾波器，以抑制諧波 至 72dB以下。 電力線接口 (PLI)連接 ST7536到電力線上，框圖如 圖 6-7： 緩沖器（ BUFFER）、低通濾波器（ LPF）功放的 構(gòu)成框圖如圖 6-8： buf f e r pow e r a m pl i f i e rL P F P r e a m pl i f i e rB P F R A I A T O R X / T X t r a ns f or m e r pow e r l i ne 圖 6-7 電力線接口 (PLI)框圖 + -

20、P U S H P U L L A M P L I F I E R R9 R 10 R 11 C 16 C 18 U2 圖 6-8 緩沖器（ BUFFER）、低通濾波器（ LPF）功放構(gòu)成框圖 上圖中，推挽功放（ PUSH PHLL AMPLIFER） 由 Q5、 Q6、 Q7、 Q8等組成，利用反饋網(wǎng)絡(luò)（ R11、 C16）的頻率特性形成通路的低通濾波特性，詳見 電原理圖，另外， PLI中發(fā)送通路（緩沖器、低通濾 波器、功放）的工作電源是通過由 Q1、 Q2、 Q3、 Q4組成的電子開關(guān)提供的，開關(guān)的開啟和關(guān)閉由單 片機控制。 在接收模式，耦合變壓器從電力線上耦合進信號。 在將

21、信號送到 ST7536的接收端（ RAI）之前，經(jīng)預 放放大和帶通濾波器濾波以提高接收靈敏度信噪比。 預放由 U3:A等元件組成，帶通濾波器由 U3:B、 R22、 R23、 R25、 C25、 C26組成，濾波器的輸出經(jīng) R18、 Z3、 Z4組成的限幅器送入 ST7536的接收端（ RAI）。 在接收模式，緩沖器和功放被關(guān)閉，以免功放的 低阻抗對接收信號造成衰減。 三、實驗儀器 雙蹤同步示波器 40MHz 1臺 直流穩(wěn)壓電源 +5V -5V 1臺 FSK電力線載波通信實驗箱 1臺 數(shù)字頻率計

22、 測量頻率范圍 50Hz 10MHz 1臺 萬用表 1臺 四、實驗內(nèi)容 特別提醒： 實驗分調(diào)制及發(fā)送部分測試和接收及解調(diào)部分測試。 在做調(diào)制及發(fā)送部分測試實驗時，勿將 P2插頭插上 電力線，以確保實驗人員的安全。在做接收及解調(diào) 實驗時，需將 P2插頭插上電力線以接收來自電力線 上的信號，此時耦合變壓器 TR1的初級 C19、 R16 上帶有交流 220V電壓，切勿接觸！ 在連接電源和實驗箱之前，一定要先確認二組電源 的電壓極性和電壓值正確，在確認完全無誤之前不 允許將實驗

23、箱和電源連接，，另外在連接實驗箱和 電源時請務(wù)必關(guān)斷電源開關(guān)。 （一）裝置的發(fā)送功能測試 將 P2與電力線斷開，接上 5的負載（不接也可以）。檢查 穩(wěn)壓電源與實驗裝置連接是否正確，開啟穩(wěn)壓電源。 1、發(fā)送數(shù)據(jù)位同步時鐘及波特率切換功能測試 將撥動開關(guān) SW1置如下狀態(tài)： SW1 1為 on, SW1 2為 on， SW1 3為 off，即使 MCU控制 ST7536處于發(fā)送 0、 1交替碼狀態(tài)。 置撥動開關(guān) SW2的 SW2 2為 off（ SW2 1不管），用示 波器觀測測試點 TP1的波形（ ST7536產(chǎn)生并提供的數(shù)據(jù)位 同步信號），并用頻率計測定該信號

24、的頻率，用示波器觀測 測試點 TP2的波形（ MCU提供的發(fā)送數(shù)據(jù)）并用頻率計測定 該信號的頻率。記錄信號的波形及頻率值，并注意兩信號的 相位關(guān)系及頻率關(guān)系。 置撥動開關(guān) SW2的 SW2 2為 on，用示波器和頻率計作與以 上相同的測試和記錄，并注意測試結(jié)果的變化。 2、發(fā)送通路基本參數(shù)的測試 置撥動開關(guān) SW2的 SW2 1為 off， SW2 2為 off， 即 ST7536工作在 1信道。 置撥動開關(guān) SW1的 SW1 1為 on， SW1 2為 off， SW1 3為 off，即 MCU使 ST7536工作在發(fā)固定“ 0” 碼（此時 TP2點的信號為固定低電平），用示

25、波器 觀測 TP4點信號（發(fā)送信號）的波形并對信號的幅 度作出記錄，用頻率計測出信號的頻率。 置撥動開關(guān) SW1的 SW1 1為 on， SW1 2為 off， SW1 3為 on，即 MCU使 ST7536工作在發(fā)固定“ 1” 碼（此時 TP2點的信號為固定高電平），用示波器 觀測 TP4點信號（發(fā)送信號）的波形并對信號的幅 度作出記錄，用頻率計測出信號的頻率。 同理，對其余 3個信道的發(fā)信號信號參數(shù)進行測量 并作出記錄，并將結(jié)果填入下表。 信道號 SW2開關(guān)位置 SW2 2 SW2 1 發(fā)“ 0”信號參數(shù) 頻率（ KHz）峰值（ V） 發(fā)“ 1”信號參數(shù) 頻率（

26、KHz）峰值（ V） 1 off off 2 off on 3 on off 4 on on （二）裝置的接收功能測試 做本實驗時，由實驗指導教師控制某一實驗裝置 處于發(fā)送交替“ 0”、“ 1”碼或偽隨機碼，學生用實 驗裝置處于接收狀態(tài)。 調(diào)整撥動開關(guān) SW1的 SW1 1為 off，使 MCU控制 ST7536處于接收狀態(tài)，調(diào)整撥動開關(guān) SW2的 SW2- 1、 SW2 2為 on，使 ST7526工作于 4信道。撥掉連 在 P2插口上的 5負載，通過連線將 P2接在交流 220V電源上。 實驗中不要接觸帶有交流 220V器件 的帶電部分！ 1、“ 0

27、”、“ 1”交替碼的解調(diào)接收 發(fā)信實驗板處于發(fā)送交替“ 0”、“ 1”碼狀態(tài)（指導 教師控制）。 用示波器測試 TP4點對地的信號（接收信號）的峰 值大?。ㄈ粜盘柼o法測試則作出說明）。 用示波器測試 TP5點對地的信號（送入 ST7536解調(diào) 端的信號）的峰值大小，并用頻率計測出信號頻率。 用示波器測試 TP1點對地的信號（接收位同步時 鐘），并用頻率計測出信號頻率。 用示波器測試 TP3點對地的信號（接收數(shù)據(jù)），并 注意觀察有無誤碼（無誤碼的波形應(yīng)為清晰的方 波）。 2、偽隨機碼的解調(diào)接收 發(fā)信實驗板處于發(fā)送偽隨機碼狀態(tài)（指導教師控 制）。 用示波器測

28、試 TP4點對地的信號（接收信號）的 峰值大?。ㄈ粜盘柼o法測試則作出說明）。 用示波器測試 TP5點對地信號（送入 ST7536解調(diào) 端的信號）的峰值大小，并用頻率計測出信號頻率。 用示波器測試 TP1點對地的信號（接收位同步時 鐘），并用頻率計測出信號頻率。將示波器的同步 置外同步模式，用 TP1點信號作為示波器的外同步 信號，用示波器測試 TP3點對地的信號（接收數(shù) 據(jù)），仔細調(diào)節(jié)示波器的掃描時間及觸發(fā)電平，直 到并在示波器上能顯示出穩(wěn)定的波形。觀察波形并 記錄所接收的偽隨機碼序列（本實驗中采用了周期 為 31的某一偽隨機碼）。 五、實驗報告 1、整理實驗中的波形和數(shù)據(jù)。 2、 ST7536工作在 4信道下，比較實驗裝置 在發(fā)送和接收狀態(tài)下的位同步時鐘頻率。二 者是否完全相同，為什么？ 3、為了提高通信距離，可在哪些方面作改 進？ 4、試判斷 ST7536是 FSK的解調(diào)器屬于哪類 解調(diào)器，并說明理由。 FSK電力線載波通信實驗電路圖