模拟前端及接口的实现 - 基于TMS320LF2812的电力线通信模拟终端设计

2 模拟前端及接口的实现

　　CEA709通信系统以131.579 kHz载波频率来定义，每个传输数据位由载波频率正弦波上24个周期组成，因此波特率为5.5kbps。每个位段的相位可以设为0°而使该位置0,也可以设为180°来使该位置1。

　　2.1 信号接收

　　首先去除耦合网络中的50/60 Hz电力线电压,然后再用一个二阶有源带通滤波器滤出信号，可以检测到131.5kHz的调频信号。这个滤波器是通过一个运算放大器来建立的。带通滤波器的输出由DSP的模/数转换器的一个通道采样，信号采样序列由FIR滤波器处理，同时,这个滤波器的输出用来进行时钟恢复和数据检测。

　　采样得到的是115 kHz的接收信号，它是载波频率的(21/24)倍。这个信号在131.5 kHz至中频16.5kHz的范围内向下采样,然后用采样频率时钟与输入载波正弦信号混合相乘,两个正弦波相乘的结果生成两个正弦波频率的“和”与“差”的合成信号，如图3所示。

　　

 

　　图3 采样后的频率效应

　　运行时,DSP在每个ADC采样转换完成后都会产生一个中断，然后每个采样信号就和数字PLL(PhaseLocked Loop锁相环)输出比较,来估计接收到的信号的相位。在频率5.5kHz下,相位是确定的。如果相位小于±90°,那么就假定接收到的是“0”信号,否则就是“1”信号。

　　接收的位序列和已知的“位同步”域进行比较,当位同步数据接收到之后,调制解调器就开始搜寻“字同步”域。字同步数据标志着消息数据的起始,同时也定义了消息数据的极性。当包的数据确定后, 11位码字解码为8位的数据字节，接收字节的校验位和通过计算得到的校验位进行比较，数据从物理层传送到MAC层。然后接收数据进行CRC校验比较,正确数据从数据链路层传输到网络层。

　　2.2 相位检测

　　为了检测发送信号的“0”或“1”, 中频信号16.5kHz的相位是离散的接收信号值的形式。首先需要用接收的采样信号驱动一个数字锁相环，当这个锁相环的输出被接收的信号同步地锁住后,锁相环和接收信号之间的复数相位的估算是由锁相环调制产生的。复数相位的实部是余弦和,当接收到“0”信号时，它是一个很大的正数值;相反接收到“1”时,它就是一个大的负数。复数相位的虚部是正弦和。它代表了相位有偏差,并反馈给锁相环来调整正弦输出,以跟踪接收的信号。

　　

 

　　图4 接收信号处理框图

　　图4为完整的接收信号的处理框图。为了提高系统的稳定性,加上了一个自动增益控制模块(Automatic Gain Control，AGC)。它是通过侦测接收信号的平均大小来接收信号的。

　　2.3 信号发送

　　在该应用中,发送信号通过DSP控制器的片上PWM(脉宽调制模块)直接生成。每一位定义有24个周期，因此PWM控制器允许运行24个周期;而后,根据下一个发送位的极性,通过一个中断来重新给PWM输出赋值。欲发送的消息数据从应用层依次输送到会话层、传输层、网络层、数据链路层,然后到达物理层,形成发送波形。在数据链路层时,消息数据的CRC字经计算后附加给数据，物理层确定信道是否可用，然后把数据发送出去。

　　2.4 PWM生成发送波形

　　三级信号波形是通过把DSP控制器的两个PWM输出相加得到的，然后该波形由低通滤波器产生一个正弦波。与标准的二级方波相比,三级波形的奇次谐波能量要小很多,不同的脉冲宽度会产生不同的谐波频率。为了将滤波器需要清除的谐波减到最小,需要确定最佳的脉冲宽度。从下式对称脉冲的傅里叶级数公式,可以找到这个宽度。式(1)中T代表基波频率周期,ω代表脉冲宽度。

　　

 

　　那么，总的谐波失真THD可用下式表达：

　　

 

　　对式(2)求最小的总谐波失真,则最佳脉宽大约是周期T的37%;然而,这还没有考虑到低通滤波产生的影响。如果用二阶低通滤波器,将会得到不同的结果。在模拟时，二阶低通滤波器的Q设置为2.3。如果Q很大,THD会更好,但是会造成码间干扰，因此,最好是把正负数字脉宽设为脉冲周期的1/3长,将低通滤波器角频率和数字脉冲序列的频率设为相同。1/3脉宽可以通过使用12倍于发送波形频率的定时时钟信号来获得，如图5所示。通过使用1个模拟电路,将2个数字信号相加,而后低通滤波器滤掉谐波,就可以从PWM输出获得正弦波。

　　

 

　　图5 三级波形结构