DSP控制的電力線通信模擬前端接口設(shè)計(jì)

　　接收的位序列和已知的“位同步”域進(jìn)行比較,當(dāng)位同步數(shù)據(jù)接收到之后,調(diào)制解調(diào)器就開始搜尋“字同步”域。字同步數(shù)據(jù)標(biāo)志著消息數(shù)據(jù)的起始,同時(shí)也定義了消息數(shù)據(jù)的極性。當(dāng)包的數(shù)據(jù)確定后, 11位碼字解碼為8位的數(shù)據(jù)字節(jié)，接收字節(jié)的校驗(yàn)位和通過計(jì)算得到的校驗(yàn)位進(jìn)行比較，數(shù)據(jù)從物理層傳送到MAC層。然后接收數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)比較,正確數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)鏈路層傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。

　　2.2 相位檢測

　　為了檢測發(fā)送信號(hào)的“0”或“1”, 中頻信號(hào)16.5kHz的相位是離散的接收信號(hào)值的形式。首先需要用接收的采樣信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)，當(dāng)這個(gè)鎖相環(huán)的輸出被接收的信號(hào)同步地鎖住后,鎖相環(huán)和接收信號(hào)之間的復(fù)數(shù)相位的估算是由鎖相環(huán)調(diào)制產(chǎn)生的。復(fù)數(shù)相位的實(shí)部是余弦和,當(dāng)接收到“0”信號(hào)時(shí)，它是一個(gè)很大的正數(shù)值；相反接收到“1”時(shí),它就是一個(gè)大的負(fù)數(shù)。復(fù)數(shù)相位的虛部是正弦和。它代表了相位有偏差,并反饋給鎖相環(huán)來調(diào)整正弦輸出,以跟蹤接收的信號(hào)。

圖4 接收信號(hào)處理框圖

　　圖4為完整的接收信號(hào)的處理框圖。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,加上了一個(gè)自動(dòng)增益控制模塊(Automatic Gain Control，AGC)。它是通過偵測接收信號(hào)的平均大小來接收信號(hào)的。

　　2.3 信號(hào)發(fā)送

　　在該應(yīng)用中,發(fā)送信號(hào)通過DSP控制器的片上PWM（脈寬調(diào)制模塊）直接生成。每一位定義有24個(gè)周期，因此PWM控制器允許運(yùn)行24個(gè)周期；而后,根據(jù)下一個(gè)發(fā)送位的極性,通過一個(gè)中斷來重新給PWM輸出賦值。欲發(fā)送的消息數(shù)據(jù)從應(yīng)用層依次輸送到會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層,然后到達(dá)物理層,形成發(fā)送波形。在數(shù)據(jù)鏈路層時(shí),消息數(shù)據(jù)的CRC字經(jīng)計(jì)算后附加給數(shù)據(jù)，物理層確定信道是否可用，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

　　2.4 PWM生成發(fā)送波形

　　三級信號(hào)波形是通過把DSP控制器的兩個(gè)PWM輸出相加得到的，然后該波形由低通濾波器產(chǎn)生一個(gè)正弦波。與標(biāo)準(zhǔn)的二級方波相比,三級波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈沖寬度會(huì)產(chǎn)生不同的諧波頻率。為了將濾波器需要清除的諧波減到最小,需要確定最佳的脈沖寬度。從下式對稱脈沖的傅里葉級數(shù)公式,可以找到這個(gè)寬度。式（1）中T代表基波頻率周期,ω代表脈沖寬度。

　　那么，總的諧波失真THD可用下式表達(dá)：

　　對式（2）求最小的總諧波失真,則最佳脈寬大約是周期T的37%；然而,這還沒有考慮到低通濾波產(chǎn)生的影響。如果用二階低通濾波器,將會(huì)得到不同的結(jié)果。在模擬時(shí)，二階低通濾波器的Q設(shè)置為2.3。如果Q很大,THD會(huì)更好,但是會(huì)造成碼間干擾，因此,最好是把正負(fù)數(shù)字脈寬設(shè)為脈沖周期的1/3長,將低通濾波器角頻率和數(shù)字脈沖序列的頻率設(shè)為相同。1/3脈寬可以通過使用12倍于發(fā)送波形頻率的定時(shí)時(shí)鐘信號(hào)來獲得，如圖5所示。通過使用1個(gè)模擬電路,將2個(gè)數(shù)字信號(hào)相加,而后低通濾波器濾掉諧波,就可以從PWM輸出獲得正弦波。

圖5 三級波形結(jié)構(gòu)

　　2.5 發(fā)送放大器設(shè)計(jì)

　　發(fā)送放大器由SallenKey濾波器決定，發(fā)送低通濾波放大器如圖6所示。這個(gè)電路的傳輸函數(shù)如下：

圖6 發(fā)送低通濾波放大器

　　這里，R1=kR,R2=R,C1=C,C2=aC。假設(shè)放大器增益為2,則vout可以表示如下：

　　Q最大時(shí)濾波器的峰值最大，而當(dāng)商數(shù)k/(1+k)為1時(shí)Q最大。

　　因此圖6中SallenKey濾波器中的電阻R1和R2一般相等，Q根據(jù)電容的比值來確定。發(fā)送放大器有2個(gè)輸入端，2個(gè)輸入信號(hào)是從處理器的PWM輸出端中的信號(hào)過濾而來。放大器發(fā)送頻率的峰值越大,諧波頻率中的相對衰減也越大，因此，希望電阻R1、R2、R3的并聯(lián)組合與R4電阻相等,以此來獲得一個(gè)較大的Q值。

　　若定義R4=R，則：

　　此外,定義衰減因素k為：

　　然后,能根據(jù)R和k來定義電阻值：

　　定義電容為C1=C,C2=aC,根據(jù)A、k、a、R和C，發(fā)送放大器的傳輸函數(shù)如下：

　　其中：

　　給定Q,電容比率為：

　　若放大器增益A=2,且取a的較小解,則

　　最后,s=0,傳輸函數(shù)增益為：

　　這樣,就求得了所有定義發(fā)送放大器部件的參數(shù)，通過以上的參數(shù)可以設(shè)計(jì)調(diào)制解調(diào)器模擬終端。

　　3 結(jié)論

　　本文只對電力線調(diào)制解調(diào)器的硬件設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了描述，軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)CEA709協(xié)議的要求通過DSP來完成的。在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中還有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需解決，因篇幅所限未作詳細(xì)說明。這個(gè)基于單一定點(diǎn)DSP控制的調(diào)制解調(diào)器硬件系統(tǒng)在各種電力條件下進(jìn)行檢測，其功能較穩(wěn)定和可靠，正應(yīng)用于智能家居的系統(tǒng)中。

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