模擬前端及接口的實(shí)現(xiàn) - 基于TMS320LF2812的電力線通信模擬終端設(shè)計(jì)

　　CEA709通信系統(tǒng)以131.579 kHz載波頻率來定義，每個(gè)傳輸數(shù)據(jù)位由載波頻率正弦波上24個(gè)周期組成，因此波特率為5.5kbps。每個(gè)位段的相位可以設(shè)為0°而使該位置0,也可以設(shè)為180°來使該位置1。

　　2.1 信號(hào)接收

　　首先去除耦合網(wǎng)絡(luò)中的50/60 Hz電力線電壓,然后再用一個(gè)二階有源帶通濾波器濾出信號(hào)，可以檢測到131.5kHz的調(diào)頻信號(hào)。這個(gè)濾波器是通過一個(gè)運(yùn)算放大器來建立的。帶通濾波器的輸出由DSP的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的一個(gè)通道采樣，信號(hào)采樣序列由FIR濾波器處理，同時(shí),這個(gè)濾波器的輸出用來進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)和數(shù)據(jù)檢測。

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

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　　圖3 采樣后的頻率效應(yīng)

　　運(yùn)行時(shí),DSP在每個(gè)ADC采樣轉(zhuǎn)換完成后都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，然后每個(gè)采樣信號(hào)就和數(shù)字PLL(PhaseLocked Loop鎖相環(huán))輸出比較,來估計(jì)接收到的信號(hào)的相位。在頻率5.5kHz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(hào),否則就是“1”信號(hào)。

　　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)。

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　　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(jí)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(jí)方波相比,三級(jí)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(duì)稱脈沖的傅里葉級(jí)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。

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　　那么，總的諧波失真THD可用下式表達(dá)：

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　　對(duì)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。

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　　圖5 三級(jí)波形結(jié)構(gòu)