摘要 DSP（Digital Signal Processor）為各種電子系統提供了許多片內外設以及計算能力，設計人員可以實現許多功能,例如電力載波通信、功率因數校正、變頻控制等。筆者設計了一個遵從CEA709協議的、DSP控制的電力線通信模擬前端接口。

關鍵詞? 電力線通信? DSP? CEA709協議? 模擬前端

引言

　　隨著電子技術和網絡技術的發展，運用電力線作為載體進行信號傳輸受到人們越來越多的重視，得到了越來越廣泛的應用。電力線是當今最普通、覆蓋面最廣的一種物理媒介，由其構成的電力網是一個近乎天然的物理網絡。如何利用電力網的資源潛力，在不影響傳輸電能的前提下，將電力輸送網和通信網合二為一，使之成為繼電信、電話、無線通信、衛星通信之后的又一通信網，是多年來國內外科技人員技術攻關的一個熱點。電力線載波通信就是在這種背景下產生的，它以電力網作為信道，實現數據傳遞和信息交換。電力線作為載波信號的傳輸媒介，是唯一不需要線路投資的有線通信方式。

　　作為通信技術的一個新興應用領域，電力載波通信技術以其誘人的前景及潛在的巨大市場而為世界關注。我國從上世紀50年代開始從事電力線載波通信技術的研究。90年代以后，電力線載波技術的需求隨著我國經濟的發展進一步擴大。目前，該技術開始應用于家居自動化、遠程抄表、寬帶上網等領域。專家介紹，在一些干擾大、布線困難的工業領域若要實現自動化控制，采用電力載波通信方式能達到事半功倍的效果，因此，電力網又被喻為“未被挖掘的金山”。

　　實現電力線載波通信的方法有很多，通常利用一個專用通信芯片實現系統的調制解調部分，而系統的應用部分則使用另一個控制器來完成，這種雙片法是一種不錯的選擇。隨著數字信號處理技術的發展，可以合二為一，一個高級的DSP控制器可以實現電力線調制解調器的功能。DSP控制器可以在軟件上實現調制解調器功能，用片上外設在電力線上通過模擬終端接口,來實現接收和發送。

　　本文敘述的是一個遵從CEA709[1]協議,使用定點DSP控制器（TMS320LF2812）,從軟件和硬件上來實現電力線調制解調器的系統。文中描述了模擬終端具體的設計方法,而這個終端對穩定的收發運行過程來說是必要的。

1? 基于CEA709協議的系統框架

　　圖1為ANSI/CEA709協議標準的物理框圖。該協議的詳細說明可見參考文獻[1]。

圖1? CEA709協議物理層框圖

　　在軌道交通、網絡能源管理、智能樓宇、暖通空調、煤礦安全、能源和環境管理等領域應用廣泛的控制網絡平臺LonWorks成為中國國家標準指導性技術文件。全球的樓宇、家庭、工業和運輸自動化業目前大量采用了基于LonWorks平臺。LonWorks平臺是世界上最大住宅智能電表網絡的核心技術平臺，被瑞典、荷蘭和澳大利亞等國家的住宅和小型商業電表的智能表所采用，而運行在此平臺上的協議是美國控制網絡標準ANSI/CEA709。目前，已有越來越多的中國生產廠和集成商采用了ANSI/CEA709協議標準，例如在青藏鐵路——世界上最長的高海拔鐵路列車上，利用LonWorks技術平臺，采用ANSI/CEA709協議用于技術監測和控制各種系統，包括監測最先進的旅客用供氧系統。

　　對于圖1中的CEA709物理層框圖，用DSP來實現CEA709調制解調器功能的系統框圖如圖2所示。DSP（TMS320F2812）具有150 MIPS的計算能力,信號采集使用一個12位片上模/數轉換器,其轉換速度為12 Msps，DSP提供多PWM來適應電力線調制解調器。

圖2? 系統框圖

　　2個片上PWM輸出和1個線驅動器用于實現調制解調器的發送功能。一個A/D輸入用來采樣帶通輸入端口信號,以此來實現調制解調器的接收功能，帶通濾波器實際上是一個離散濾波器。它們和交流阻塞電容、耦合變壓器一起完成接口的模擬前端設計。

　　下面主要介紹模擬前端接口的設計過程。

2? 模擬前端及接口的實現

　　CEA709通信系統以131.579 kHz載波頻率來定義，每個傳輸數據位由載波頻率正弦波上24個周期組成，因此波特率為5.5 kbps。每個位段的相位可以設為0°而使該位置0,也可以設為180°來使該位置1。

2.1? 信號接收

　　首先去除耦合網絡中的50/60 Hz電力線電壓,然后再用一個二階有源帶通濾波器濾出信號，可以檢測到131.5 kHz的調頻信號。這個濾波器是通過一個運算放大器來建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數轉換器的一個通道采樣，信號采樣序列由FIR濾波器處理，同時,這個濾波器的輸出用來進行時鐘恢復和數據檢測。

　　采樣得到的是115 kHz的接收信號，它是載波頻率的（21/24）倍。這個信號在131.5 kHz至中頻16.5 kHz的范圍內向下采樣,然后用采樣頻率時鐘與輸入載波正弦信號混合相乘,兩個正弦波相乘的結果生成兩個正弦波頻率的“和”與“差”的合成信號，如圖3所示。

圖3? 采樣后的頻率效應

　　運行時,DSP在每個ADC采樣轉換完成后都會產生一個中斷，然后每個采樣信號就和數字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環)輸出比較,來估計接收到的信號的相位。在頻率5.5 kHz下,相位是確定的。如果相位小于±90°,那么就假定接收到的是“0”信號,否則就是“1”信號。

　　接收的位序列和已知的“位同步”域進行比較,當位同步數據接收到之后,調制解調器就開始搜尋“字同步”域。字同步數據標志著消息數據的起始,同時也定義了消息數據的極性。當包的數據確定后, 11位碼字解碼為8位的數據字節，接收字節的校驗位和通過計算得到的校驗位進行比較，數據從物理層傳送到MAC層。然后接收數據進行CRC校驗比較,正確數據從數據鏈路層傳輸到網絡層。

2.2? 相位檢測

　　為了檢測發送信號的“0”或“1”, 中頻信號16.5 kHz的相位是離散的接收信號值的形式。首先需要用接收的采樣信號驅動一個數字鎖相環，當這個鎖相環的輸出被接收的信號同步地鎖住后,鎖相環和接收信號之間的復數相位的估算是由鎖相環調制產生的。復數相位的實部是余弦和,當接收到“0”信號時，它是一個很大的正數值；相反接收到“1”時,它就是一個大的負數。復數相位的虛部是正弦和。它代表了相位有偏差,并反饋給鎖相環來調整正弦輸出,以跟蹤接收的信號。

圖4? 接收信號處理框圖

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

2.3? 信號發送

　　在該應用中,發送信號通過DSP控制器的片上PWM（脈寬調制模塊）直接生成。每一位定義有24個周期，因此PWM控制器允許運行24個周期；而后,根據下一個發送位的極性,通過一個中斷來重新給PWM輸出賦值。欲發送的消息數據從應用層依次輸送到會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層,然后到達物理層,形成發送波形。在數據鏈路層時,消息數據的CRC字經計算后附加給數據，物理層確定信道是否可用，然后把數據發送出去。

2.4? PWM生成發送波形

　　三級信號波形是通過把DSP控制器的兩個PWM輸出相加得到的，然后該波形由低通濾波器產生一個正弦波。與標準的二級方波相比,三級波形的奇次諧波能量要小很多,不同的脈沖寬度會產生不同的諧波頻率。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公式,可以找到這個寬度。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：

圖5? 三級波形結構

　　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生的影響。如果用二階低通濾波器,將會得到不同的結果。在模擬時，二階低通濾波器的Q設置為2.3。如果Q很大,THD會更好,但是會造成碼間干擾，因此,最好是把正負數字脈寬設為脈沖周期的1/3長,將低通濾波器角頻率和數字脈沖序列的頻率設為相同。1/3脈寬可以通過使用12倍于發送波形頻率的定時時鐘信號來獲得，如圖5所示。通過使用1個模擬電路,將2個數字信號相加,而后低通濾波器濾掉諧波,就可以從PWM輸出獲得正弦波。

圖6? 發送低通濾波放大器

2.5? 發送放大器設計

　　發送放大器由SallenKey濾波器決定，發送低通濾波放大器如圖6所示。這個電路的傳輸函數如下：

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

　　Q最大時濾波器的峰值最大，而當商數k/(1+k)為1時Q最大。

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

　　若定義R4=R，則：

　　此外,定義衰減因素k為：

　　然后,能根據R和k來定義電阻值：

　　定義電容為C1=C,C2=aC,根據A、k、a、R和C，發送放大器的傳輸函數如下：

　　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,傳輸函數增益為：

　　這樣,就求得了所有定義發送放大器部件的參數，通過以上的參數可以設計調制解調器模擬終端。

3? 結論

　　本文只對電力線調制解調器的硬件設計過程進行了描述，軟件設計主要是根據CEA709協議的要求通過DSP來完成的。在設計和實現中還有許多關鍵技術問題需解決，因篇幅所限未作詳細說明。這個基于單一定點DSP控制的調制解調器硬件系統在各種電力條件下進行檢測，其功能較穩定和可靠，正應用于智能家居的系統中。

參考文獻

[1] ?ANSI/EIA/CEA709.1B2000 Control Network Protocol Specification[OL]. [20070512].? http://www.lonmark.org/products/guides.htm#lontalk.
[2] ?Warren Webb. Thinking inside the box: Buildings get a brain[J]. EDN,2005(7):49-57.
[3] ?Texas Instruments TMS320F2812 Data Manual[OL].[20070810].http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tms320f2812.pdf.
[4]? Digital Addressable Lighting Interface Activity Group (DALI AG) of ZVEI, Division Luminaires Stresemannallee 19, D60596 Frankfurt am Main, Germany[OL].[20071020].? http://www.daliag.org.
[5] ?MATLAB is a product of The MathWorks[OL]. [20071020].? http://www.mathworks.com.
[6] ?宦若虹，金向東. 基于OFDM的電力線通信系統的Matlab仿真[J]. 現代電子技術，2006,29(1):129-131.
[7] ?Zimmermann M,Dostert K. A Multipath Model for the Power Line Channel[J]. IEEE Trans.Commun.2002,50(4):553-559.
[8]? Zimmermann M,Dostert K.Analysis and Modeling of Impulsive Noise in Broadband Power Line Communications[J]. IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility,2002,44(1):249-258.

陳建明（博士、副教授），主要研究方向為信號與信息處理。

（收修改稿日期：2008-01-23）