FSK电力线载波通信实验

实验六FSK电力线载波通信实验一、实验目的1、了解单片机在通信中的应用。2、了解大规模集成电路的电路组成及工作原理。3、理解FSK的工作原理。二、实验预习要求1、复习《通信系统原理》中有关FSK的内容。2、认真阅读本实验内容，熟悉实验步骤。3、预习有关单片机的原理及应用。三、实验原理利用电力线路来传输通信信号，不需额外布线，降低了布线及施工成本，因而在某些应用上具有潜在的价值，如在家庭自动化系统、远程抄表系统等应用场合。由于电力线上的干扰及噪声相当大，线路阻抗很不稳定，信号传输损耗大，要利用电力线实现有效和可行的通信有相当的难度。为此，国外某些厂商开发了一些专用的电力线载波MODEM芯片，其采用的调制方式既有以FSK方式为主的窄带调制方式，也有以扩展频谱技术为基础的宽带调制方式。ST7536就是意法半导体公司（SGS－THOMSON）开发的一种以FSK方式工作的专用于电力线载波通信的MODEM芯片。1、ST7536工作原理芯片主要特点：半双工同步FSKMODEM600bps速率，二个可编程信道1200bps速率；二个可编程信道自动调谐接收和发信滤波器发信频率同步于外接晶振发信信号电平自动控制接收灵敏度：2mVRMS(600bps)3mVRMS(1200bps)接收时钟恢复电路POWER－DOWN（低功耗）模式12345678910111213141516171819202122232425262728RX/TXRESETTEST4TEST3RXDCLR/TRXDEMDGNDDVVDTEST1TEST2TXDXTAL2XTAL1CHSBRSAFCFDVSSIFODEMIAVSSAGNDAVDDRAIRXFOTXFIALCIATOST7536管脚说明：管脚名称管脚号码功能描述Rx/Tx1接收或发送模式选择输入端RESET2逻辑复位和低功耗模式选择端，低电平有效。TEST43测试输入选择端。高电平时选择发信滤器的输入为TxF1端TEST34测试输入端，当TEST1为高电平时，选择本脚为时钟恢复电路的输入端RxD5同步接收数据输出端CLR/T6接收或发送时钟（由工作模式决定）RxDEM7解调数据输出端DGND8数字地DVDD9数字正电源：5V±5％TEST110测试输入选择端，高电平时取消发送至接收模式的自动切换功能，并使TEST3输入有效。TEST211测试输入选择端，高电平时压缩发送至接收模式的自动切换时间。TxD12发送数据输入XTAL213晶振输出XTAL114晶振输入CHS15信道选择输入BRS16波特率选择输入AFCF17可用于相连补偿网络的自动频率控制信号输出DVSS18数字负电源：－5V±5％IFO19中频滤波输出DEMI20FSK解调输入AVSS21模拟负电源：－5V±5％AGND22模拟地AVDD23模拟正电源：5V±5％RAI24模拟信号接收输入RxFo25接受滤波器输出TxFI26发送滤波器输入（TEST4为高电平时选择）ALCI27自动电平控制输入ATO28模拟信号发送输出发送部分：置Rx/＝0时芯片为发送模式，当Rx/保持低电平超过3ms时，芯片自动进入发送工作模式。再次激活发送模式时需要Rx/回到高电平并至少保持3ms的时间，然后再置Rx/为0电平。在发送模式时，发送数据（TxD）在决定波特率的时钟信号CLR/T的上升沿被采样（图6-1）。采样数据进入FSK调制器，FSK调制器代表0、1数据的二个基本载频由波特率选择管脚（BRS）和信道选择管脚（CHS）共同决定，见表1CLR/TTXDDATAVALID图6-1发送数据输入定时表1：BRSCHSBaudRate(Baud)TxFrequencies(KHz)TxD=1-TxD=00060081.75-82.350160067.2-67.810120071.4-72.611120085.95-87.15由于这些频率同步于11.052MHz的晶振，频率精度与晶振的频率精度一样。为了限制频谱和降低信号中的谐波成分，来自FSK调制器的已调信号再由开关电容带通滤波器（发送带通滤波器，即TxBAND-PASS）进行滤波。12345678910111213141516171819202122232425262728IFOXTAL2XTAL1RX/TXRESETBRSCHSTXDTXFIDEMITEST1TEST2TEST3TEST4CLR/TRXDRXDEMALCIATOAFCFRAIRXFODGNDDVDDDVSSAVSSAGNDAVDDBAND-PASSRXS.C.FILTER20dBGAINBAND-PASSS.C.FILTERI.F.AFCREFERENCEVCLTAGETIMEBASEANDCONTROLLOGICALCTXBAND-PASSS.C.FILTERA.FSKMODULATORCORRELATORPOST-DEMOS.C.FILTERMCLOCKRECOVERYTESTLOGICST7536UXMUXA.FILTERA.A.FILTERA.A.FILTERA.A.FILTERSMT.FILTERSMT.FILTER图6-2ST7536内部方框图发送通路的输出级包括一自动电平控制（ALC）系统，它使得模拟发送输出信号（ATO）的幅度与线路阻抗的变化无关。本ALC系统是带有32个离散增益值的可变增益控制系统，由模拟反馈信号ALCI控制（见图6—3）。VT1VT2LowGainCorrectGainHighGainCorrectGainALCCLOCK34.7us104.2us图6-3接收部分：置Rx/=1时芯片工作于接收模式。波特率和信道的选择同样也由表1决定。加于RAI与公共端0V间的接收信号经开关电容带通滤波器（接收带通滤波器，Rxband-pass）滤波，滤波器的中心频率为接收信号的中心频率，其带宽约为6KHz。RAI的输入电压范围为2mVRMS至2VRMS。接收滤波器的输出经一增益为20dB的放大器放大，该级放大器还同时对大信号提供限幅作用。经放大限幅后的信号送入混频器进行下变频，混频器的同步本振信号由FSK调制功能提供。最后，混频器的输出经一中频带通滤波器（IFband-pass）滤波，以提高解调器前信号的信噪比。中频带通滤波器的中心频率与BRS有关，当BRS＝0时，其中心频率为2.7KHz，当BRS=1时，其中心频率为5.4KHz。中频带通滤波器的输出（IFO）通过一外接耦合电容（1μF±10%,10V）耦合到FSK解调器的输入（DEMI），以消除接收通道的偏置电压。时钟恢复电路从解调器输出(RxDEM)提取接收时钟（CLR/T），并在CLR/T的上升沿送出解调输出同步数据。CLR/TTXDDATAVALID图6-4附加的数字和模拟功能：由复位输入（RESET）来初始化芯片。当RESET＝0时，置芯片于低功耗模式并复位内部逻辑。当RESET＝1时，激活芯片。时基部分通过晶振（11.0592MHz）产生内部所需的各种时钟。晶振接于管脚XTAL1和XTAL2间，并需要外接两电容以保证晶振正常工作。电容值与晶振特性有关，典型值为22pF±10%。也可将时钟信号直接加于管脚XTAL1上。自动频率控制（AFC）模块调节接收和发送滤波器的中心频率到载波工作频率。AFC环路的稳定性由连接于管脚AFCF上的C1（470nF±10％，10V）、C2（47nF±10％，10V）和R1（1.5KΩ）构成的补偿网络来保证。1722C1C2R1AFCFAGND图6-5自动频率环路滤波器测试特性：附加的放大器允许在管脚RxFO上观察接收带通滤波器的输出。当TEST4＝1时，脚RxFO直接输入发送带通滤波器被选择和允许。当TEST2＝1时，发送到接收的自动转换延时由3秒缩至1.48ms。当TEST1＝1时，发送到接收的自动转换模式无效，电路的功能模式由Rx/控制，方式如下：当Rx/＝0时，电路连续发送，当Rx/＝1时，为便于测试时钟恢复模块与FSK解调模块的连接断开，此时TEST3为时钟恢复模块的输入端，RXDEM跟随TEST3，RxD送出重新同步的数据。2、实验电路原理说明电力线载波通信实验系统的构成原理框图如下图所示，它由ST7536、微控制器（MCU）和电力线接口（PLI）等组成。详细原理图见图6-6。ST7536PL1ControllerPLIST7536ControllerData-transmissionoverPOWERLINE图6-6电力线载波通信系统构成框图微控制器（MCU）U4采用了美国国家半导体公司COP系列单片机COP87L84EGN，它主要功能是完成对ST7536收发状态的控制、发送数据的产生、接收数据的处理及电力线接口（PLI）中功放电源的开启及关闭等功能。另外，微控制器通过RS232C接口芯片U5（MAX232）可实现与个人电脑（PC）的连接，即通过本实验装置可实现PC之间的电力线载波通信（由条件所限，本实验暂不开通此项功能）。在实验装置中，微控制器的工作状态由拨动开关SW1控制，如表2：表2：SW1-1SW1-2SW1-3SW1-4MCU工作状态offXXX接收状态（控制ST7536工作于收态）onoffoffX控制ST7536发固定“0”码onoffonX控制ST7536发固定“1”码ononoffX控制ST7536发“0”、“1”交替码onononX控制ST7536发伪随机码ST7536的波特率和信道选择由拨动开关SW2控制，如表3：表3:SW2-1(CHS)SW2-2(BRS)波特率发送频率(KHz)TxD=1-TxD=0offoff60081.75-82.35onoff60067.2-67.8offon120071.4-72.6onon120085.95-87.15在发送模式，接口放大和滤波来自ST7536的发送信号(ATO)。ATO能提供的最大输出电流仅为1mA，因而接口中用一缓冲器(BUFFER))来保护ST7536并驱动下级电路。来自ST7536的发送信号中的二次谐波为－53dB，为了进一步抑制谐波，接口中用了一低通滤波器（LPF）。经滤波后的信号送入功放，通过一耦合变压器，功放能驱动1－100Ω的阻抗。耦合变压器不仅用于将信号送上电力线，它也作为工作于谐振选频方式下的带通滤波器，以抑制谐波至－72dB以下。电力线接口(PLI)连接ST7536到电力线上，框图如图6-7：缓冲器（BUFFER）、低通滤波器（LPF）功放的构成框图如图6-8：bufferpoweramplifierLPFPreamplifierBPFRAIATORX/TXtransformerpowerline图6-7电力线接口(PLI)框图+-PUSHPULLAMPLIFIERR9R10R11C16C18U2图6-8缓冲器（BUFFER）、低通滤波器（LPF）功放构成框图上图中，推挽功放（PUSH－PHLLAMPLIFER）由Q5、Q6、Q7、Q8等组成，利用反馈网络（R11、C16）的频率特性形成通路的低通滤波特性，详见电原理图，另外，PLI中发送通路（缓冲器、低通滤波器、功放）的工作电源是通过由Q1、Q2、Q3、Q4组成的电子开关提供的，开关的开启和关闭由单片机控制。在接收模式，耦合变压器从电力线上耦合进信号。在将信号送到ST7536的接收端（RAI）之前，经预放放大和带通滤波器滤波以提高接收灵敏度信噪比。预放由U3:A等元件组成，带通滤波器由U3:B、R22、R23、R25、C25、C26组成，滤波器的输出经R18、Z3、Z4组成的限幅器送入ST7536的接收端（RAI）。在接收模式，缓冲器和功放被关闭，以免功放的低阻抗对接收信号造成衰减。三、实验仪器双踪同步示波器≥40MHz1台直流稳压电源+5V-5V1台FSK电力线载波通信实验箱1台数字频率计测量频率范围50Hz—10MHz1台万用表1台四、实验内容特别提醒：实验分调制及发