MSK在低压电力线载波中的应用

zjol

许博 田远富 四川大学 (610065)

  

摘要：该文提出了采用MSK作为调制解调技术的载波通信系统，设计了基于高速数字信号处理器、大规模可编程器件，数字频率合成、App解调的全数字通信模块，来实现低压电力线上较为可靠的中低速数据传输。经实测与分析表明，本系统性能优越、抗干扰能力强、可靠性好，可用于配网自动化、自动抄表、工业控制等对通信可靠性要求较高的中、低速数据传输场合。

关键词：电力线载波通信　MSK　DSP　CPLD　数字频率合成

0　引言

电力线载波通信是利用电力线作为传输通道的载波通信，是电力系统特有的一种通信方式。目前，电力线载波技术主要用于35kV及以上高压线路上，载波带宽为40～500kHz，传送的信息包括数据、保护、远动、文字、语音及图像等。但是，在中低压电力线的利用上仍处于研究阶段。这是因为低压电力线是一种复杂的传输媒介，线上存在大量噪声，负载多且其工作状态随时间变化，配置情况复杂。其对传输信号的不利影响主要表现为具有随机性的信道损耗、信道噪声和多径效应。因此，如何利用城网低压电力线路发展载波技术，特别是如何实现高速、可靠的数字载波技术是摆在人们面前的重大课题。

MSK(最小频移键控)，作为恒包络调制解调技术的代表，具有许多其它窄带调制方式所不能比拟的优越性，它具有信号相位连续、频带利用率高、包络恒定等优点，可以较好的克服电力线信道传输带宽窄、信道衰减具有随机性等不良信道特性。

1　MODEM系统

本文设计了具有一般性的节点MODEM，采用收发同频率的半双工通信方式，系统整体结构框如图1所示，数据信号经收发模块调制，通过滤波和功率放大后，由信号耦合网络加载到电力网上。同样，通过信号耦合网络可以将电力网上的调制信号摘取出来，经过前置功率放大和滤波后，由收发模块解调传至数据终端。




图1　节点MODEM系统结构

其中，收发模块作为MODEM核心，主要完成与数据终端的通信以及与远端MODEM间数据信号的调制发送与接收解调。

收发模块的硬件结构如图2所示，收发模块的主要构成：




图2　节点MODEM收发模块硬件结构

(1) TMS320VC5416(简称VC5416)是TI企业推出的新一代16位定点数字信号处理器，操作速度160MIPS，具有适时性处理能力。

(2) XC95144是Xilinx企业开发的复杂可编程逻辑器件(CPLD)，可以实现时钟和逻辑控制，提供采样时钟。

(3) AD9851是AD企业的高集成度DDS芯片，内部带有一个10bit的高性能D/A转换器和一个比较器，可以实现数字可编程频率合成以及时钟发生功能。

(4) ADS803是高速、宽动态范围的12位A/D转换器。

(5) IDT72245是一片4k×l6bit的FIFO。

收发模块的功能实现：

发射回路由VC5416、AD9851和CPLD组成。其中数字信号处理器(VC5416)，通过RS232(或485，可选)与数据终端设备相连，内部使用多通道缓冲串口(McBSP)作为串行接口，收发来自终端设备的数据。与远端模块进行通信时，系统以9.6kbps的速率向线路发送数据。数据信号由终端到达VC5416后，VC5416使用内部定时器，以9.6k的频率，按照0和1给数字频率合成器AD9851装载不同的频率控制字，产生两个正交的MSK载频，分别为72kHz和76.8kHz，且在转换时刻相位连续，AD9851的参考频率以及选通、复位等控制由CPLD提供。调制信号SMSK(t)经滤波、功放后耦合上线。

接收回路由ADS803、FIFO(IDT72245)和CPLD(XC95144)组成。其中ADS803对经过前置放大、滤波的线路信号进行采样实现数模转换，采样频率为128×9.6=1.2288MHz由CPLD提供(即在一个载波周期有128个样值)。同时，用其过压指示端口OVR中断VC5416，使处理器对前置放大作出相应的处理。ADS803将采样的12位数据送人16位的FIFO(1DT72245)，FIFO的写使能()常有效，写时钟(WCLK)同ADS803相同，读使能()和读时钟(RCLK)由DSP控制。IDT72245是4k×16bit的FIFO，可以控制每写满一半空间时，引脚发出低电平，由此触发DSP中断，将2k的数据读入VC5416，进行App解调处理。

2　性能

(1) 数据通信接口：标准RS232/485通信接口，透明的传输通道；

(2) 数据传输速率：9.6kbps；

(3) 传输距离：10kV中压线路的有效距离为20km，220/380低压线路有效传输距离为1.2km；

(4) 传输频率及带宽：传输频率40～100kHz，单路带宽14.4kHz；

(5) 通讯可靠性：正常情况下，数据传输误码率≤10-5；

(6) 发送功率：静态功耗≤1.5W，动态功耗(发送状态)≤5W；

(7) 工作模式：全双工或半双工工作模式，视MODEM所处节点位置及所配置的相应App不同而定；

(8) 通道建立时间：≤300ms；

(9) 正常工作温度：-10℃～+65℃；

(10) 允许线路的损耗：经实验室测试，本系统经90dB的衰耗器后，接收信号效果良好。

3　结语

电力线载波通信(PLC)作为一种"无新线"(NO NEW WIRE)技术，利用现有的电力网作为信道，实现数据传递和信息交换，具有十分广阔的应用前景。

本文尝试采用高速数字信号处理器DSPTMS320VC5416为核心处理器，以复杂可编程逻辑器件CPLD XC95144作为系统逻辑控制，利用AD9851完成直接数字频率合成，采用高精度A/D芯片ADS803进行高速采样，完成模数转换，构建了基于MSK的全数字电力线通讯系统。该系统经过实验室试验证明具有较好的性能指标，可以在电力线上实现较为可靠的中、低速数据传输，较理想的解决了电力线信道传输带宽窄、信道衰减具有随机性等不良信道特性。大家把该试验系统用在市区高压电缆屏蔽层上作数据传输达到了满意的效果，具有一定的使用价值和开发前景。