基于MFSK的電力線通信系統(tǒng)設計(上)

1 電力線通信簡介
     電力線通信簡稱為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)送的信息調制到高頻載波信 號上，然后把經過調制的高頻載波信號耦合到電力線上，利 用電力線把信息傳送到接收端。接收端通過耦合電路將高頻 信號從電力線上耦合出來，傳送到解調器中，解調器利用特 定的解調算法把有用信息從高頻載波信號上面解調出來，傳 送到接收設備，實現信息的傳送。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。當前，電力線通信技術重點應用于水電表、煤氣等自動 抄表系統(tǒng)，另外該技術在醫(yī)療監(jiān)護和自動報警等領域有很大 的優(yōu)勢和應用前景，將集成電力線芯片的設備接在插座上， 就可以實現快捷的信息傳遞。
正交頻分復用（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。這些良 好的性能使得OFDM技術廣泛應用在高速率和高可靠性的電 力線通信過程中。FSK簡單易實現，在數據傳輸速率要求不 高的情況下，可以采用FSK調制方式。目前市場上有成熟的 采用OFDM和FSK調制方式的電力線通信芯片。

2  FSK調制解調原理
數字信號的變化，會導致載波頻率隨著發(fā)生改變，這 種調制方式就是FSK。FSK是用得比較早的一種調制方式。 這種調制方式工程實現簡單，而且抗信道噪聲和衰減能力 強，其穩(wěn)定性比較可靠，當數據傳輸速率要求不高時，FSK 是首選的調制方式。FSK調制中，載波的振幅和相位不變， 只 改 變 頻 率 ， 利 用 頻 率 的 改 變 實 現 數 字 信 息 的 傳 送 。 在

圖1  2FSK波形  圖2  模擬調頻產生2FSK原理圖  

圖3   鍵控法產生2FSK信號

2FSK中，傳送的信號只有“0”和“1”兩種，相應的載波 的頻率也需要兩種，分別為f 1和f 2。表達式為：

（1）典型波形如圖1所示。

圖4 相干解調原理示意圖

圖5  非相干解調原理示意圖

圖6  調制算法框圖

圖7  接收機解調算法框圖
有兩種方法來產生2FSK信號。模擬調頻電路是其中的 一種方法；調頻法是利用基帶矩形脈沖序列去控制調頻器， 直接改變單一載波的頻率參數來獲得2FSK信號，模擬調頻 電路的原理圖如圖2所示。
鍵控法是產生2FSK信號的另一種方法。鍵控法是通過 高低電平（1和0）序列使開關電路開斷來選擇不同的振蕩 器，從而在每個信息的持續(xù)時間內只輸出兩個振蕩器其中一 路載波，其原理如圖2所示。當s(t)為1時，振蕩器1被打開， 輸出頻率為振蕩器1頻率的正弦波，當s(t)為0時，振蕩器2被 打開，輸出頻率為振蕩器2頻率的正弦波。
在這兩種方法中，調頻法的兩個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)。
相干解調和非相干解調（包絡檢波）可以從2FSK信號中 還原出調制信號序列。相干解調中，在接收端產生與載波同 頻同相的信號，接收端接收到的信號先通過通帶頻率為f 1和f 2 的帶通濾波器，然后濾波后的兩路信號分別與接收端產生的 兩個信號相乘，相乘后的信號經過低通濾波器和抽樣判決器 后得到二進制的基帶序列信號。原理示意圖如圖4所示。
在非相干解調中，接收端接收到的信號先通過通帶頻率為f 1和f 2的帶通濾波器，濾除不需要的信號，產生兩路分 別含有頻率為和的信號，然后把這兩路信號分別送入包絡檢 波器檢波，得到二進制序列的包絡，最后把兩路包絡信號同 時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。其原理示意圖如圖5所示。由于在非相干解 調中，解調過程與相位無關，不需要知道接收端接收到信號 的相位，所以這種解調方式適合于信道中有衰落和信道參數 隨機變化的場合。因為信號在這樣的信道中傳輸時其相位和 振幅會發(fā)生變化。
當信道信噪比相同時，相干解調比非相干解調的抗噪 聲性能好，而當信道信噪比比較大時，兩種解調方式的的抗 噪聲性能差別不大。這時采用非相干解調方法較好，因為不 需要進行相位和頻率檢測，實現比較簡單。

3  濾波器概述
濾 波 器 對 輸 入 信 號 進 行 處 理 ， 濾 除 不 需 要 的 無 用 信 號，減少甚至去除無用信號對有效信號的干擾。濾波器的應 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，分別為模擬濾波器和數字濾波器。由電阻、電 容、電感、運放等元器件組成的為模擬濾波器，它可實現對 連續(xù)模擬信號的濾波處理。離散化的數字信號則由軟件或數 字信號處理器件對其進行濾波處理，這種處理稱為數字濾 波。(未完待續(xù))