基于MFSK的电力线通信系统设计(上)

1 电力线通信简介
     电力线通信简称为PLC，是一种采用电力线传输信息的 通信方式。这种通信方式将要发送的信息调制到高频载波信 号上，然后把经过调制的高频载波信号耦合到电力线上，利 用电力线把信息传送到接收端。接收端通过耦合电路将高频 信号从电力线上耦合出来，传送到解调器中，解调器利用特 定的解调算法把有用信息从高频载波信号上面解调出来，传 送到接收设备，实现信息的传送。从通信所用的频带宽度的 角度划分，电力线通信分为宽带电力线通信和窄带电力线通 信。当前，电力线通信技术重点应用于水电表、煤气等自动 抄表系统，另外该技术在医疗监护和自动报警等领域有很大 的优势和应用前景，将集成电力线芯片的设备接在插座上， 就可以实现快捷的信息传递。
正交频分复用（OFDM）能高效地利用电力线的信道
带宽和节约频谱资源，并且抗干扰、抗噪声能力强。这些良 好的性能使得OFDM技术广泛应用在高速率和高可靠性的电 力线通信过程中。FSK简单易实现，在数据传输速率要求不 高的情况下，可以采用FSK调制方式。目前市场上有成熟的 采用OFDM和FSK调制方式的电力线通信芯片。

2  FSK调制解调原理
数字信号的变化，会导致载波频率随着发生改变，这 种调制方式就是FSK。FSK是用得比较早的一种调制方式。 这种调制方式工程实现简单，而且抗信道噪声和衰减能力 强，其稳定性比较可靠，当数据传输速率要求不高时，FSK 是首选的调制方式。FSK调制中，载波的振幅和相位不变， 只 改 变 频 率 ， 利 用 频 率 的 改 变 实 现 数 字 信 息 的 传 送 。 在

图1  2FSK波形  图2  模拟调频产生2FSK原理图  

图3   键控法产生2FSK信号

2FSK中，传送的信号只有“0”和“1”两种，相应的载波 的频率也需要两种，分别为f 1和f 2。表达式为：

（1）典型波形如图1所示。

图4 相干解调原理示意图

图5  非相干解调原理示意图

图6  调制算法框图

图7  接收机解调算法框图
有两种方法来产生2FSK信号。模拟调频电路是其中的 一种方法；调频法是利用基带矩形脉冲序列去控制调频器， 直接改变单一载波的频率参数来获得2FSK信号，模拟调频 电路的原理图如图2所示。
键控法是产生2FSK信号的另一种方法。键控法是通过 高低电平（1和0）序列使开关电路开断来选择不同的振荡 器，从而在每个信息的持续时间内只输出两个振荡器其中一 路载波，其原理如图2所示。当s(t)为1时，振荡器1被打开， 输出频率为振荡器1频率的正弦波，当s(t)为0时，振荡器2被 打开，输出频率为振荡器2频率的正弦波。
在这两种方法中，调频法的两个相邻码元之间的载波 相位是连续的，而键控法不一定连续。
相干解调和非相干解调（包络检波）可以从2FSK信号中 还原出调制信号序列。相干解调中，在接收端产生与载波同 频同相的信号，接收端接收到的信号先通过通带频率为f 1和f 2 的带通滤波器，然后滤波后的两路信号分别与接收端产生的 两个信号相乘，相乘后的信号经过低通滤波器和抽样判决器 后得到二进制的基带序列信号。原理示意图如图4所示。
在非相干解调中，接收端接收到的信号先通过通带频率为f 1和f 2的带通滤波器，滤除不需要的信号，产生两路分 别含有频率为和的信号，然后把这两路信号分别送入包络检 波器检波，得到二进制序列的包络，最后把两路包络信号同 时送入外加抽样脉冲的抽样判决器，抽样判决器的输出就是 所需要的信号。其原理示意图如图5所示。由于在非相干解 调中，解调过程与相位无关，不需要知道接收端接收到信号 的相位，所以这种解调方式适合于信道中有衰落和信道参数 随机变化的场合。因为信号在这样的信道中传输时其相位和 振幅会发生变化。
当信道信噪比相同时，相干解调比非相干解调的抗噪 声性能好，而当信道信噪比比较大时，两种解调方式的的抗 噪声性能差别不大。这时采用非相干解调方法较好，因为不 需要进行相位和频率检测，实现比较简单。

3  滤波器概述
滤 波 器 对 输 入 信 号 进 行 处 理 ， 滤 除 不 需 要 的 无 用 信 号，减少甚至去除无用信号对有效信号的干扰。滤波器的应 用非常广泛，很多电子系统都用到了滤波器，而且电子系统 的质量好坏很多情况下是由滤波器的性能直接决定的。滤波 器有两大类，分别为模拟滤波器和数字滤波器。由电阻、电 容、电感、运放等元器件组成的为模拟滤波器，它可实现对 连续模拟信号的滤波处理。离散化的数字信号则由软件或数 字信号处理器件对其进行滤波处理，这种处理称为数字滤 波。(未完待续)