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 FSK MODEM 600bps 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
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RX/TX
RESET
TEST4
TEST3
RXD
CLR/T
RXDEM
DGND
DVVD
TEST1
TEST2
TXD
XTAL2
XTAL1
CHS
BRSAFCF
DVSS
IFO
DEMI
AVSS
AGND
AVDD
RAI
RXFO
TXFI
ALCI
ATO
ST7536
管脚说明:管脚名
称
管脚号码
功 能 描 述
Rx/Tx 1 接收或发送模式选择输入端
RESET 2 逻辑复位和低功耗模式选择端,低电平有效。
TEST4 3 测试输入选择端。高电平时选择发信滤器的输入为 TxF1端
TEST3 4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
RxD 5 同步接收数据输出端
CLR/T 6 接收或发送时钟(由工作模式决定)
RxDEM 7 解调数据输出端
DGND 8 数字地
DVDD 9 数字正电源: 5V±5%
TEST1 10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。
TEST2 11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。
TxD 12 发送数据输入
XTAL2 13 晶振输出
XTAL1 14 晶振输入
CHS 15 信道选择输入
BRS 16 波特率选择输入
AFCF 17 可用于相连补偿网络的自动频率控制信号输出
DVSS 18 数字负电源:- 5V±5%
IFO 19 中频滤波输出
DEMI 20 FSK解调输入
AVSS 21 模拟负电源:- 5V±5%
AGND 22 模拟地
AVDD 23 模拟正电源: 5V±5%
RAI 24 模拟信号接收输入
RxFo 25 接受滤波器输出
TxFI 26 发送滤波器输入( TEST4为高电平时选择)
ALCI 27 自动电平控制输入
ATO 28 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 1
CLR/T
TXDDATA VALID
图 6-1 发送数据输入定时
表 1 :
BRS CHSBaud Rate(Baud)
TxFrequencies(KHz)TxD=1-TxD=0
0 0 600 81.75-82.35
0 1 600 67.2-67.8
1 0 1200 71.4-72.6
1 1 1200 85.95-87.15
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 Tx BAND-PASS )进行滤波。
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IFO
XTAL2
XTAL1
RX/TX
RESET
BRS
CHS
TXD
TXFI
DEMI
TEST1 TEST2 TEST3TEST4
CLR/T
RXD
RXDEM
ALCI
ATO
AFCF
RAI
RXFO DGND DVDD DVSS AVSS AGND AVDD
BAND-PASS
RX
S.C.FILTER
20dB
GAINBAND-PASS
S.C.FILTER
I.F.
AFCREFERENCE
VCLTAGE TIME BASE AND
CONTROL LOGIC
ALC
TXBAND-PASSS.C. FILTER
A.
FSKMODULATOR
CORRELATORPOST-DEMOS.C. FILTER
MCLOCK
RECOVERY
TESTLOGIC
ST7536
UX
MUX
A.FILTER
A.A.
FILTER
A.A.
FILTER
A.A.
FILTER
SMT.
FILTER
SMT.
FILTER
图 6-2 ST7536 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 )。
VT1
VT2Low Gain
Correct GainHigh Gain
Correct Gain
ALC CLOCK
34.7us
104.2us
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, Rx band-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( IF band-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/T
TXDDATA VALID
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。
17 22C1
C2
R1
AFCF AGND
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 。
ST7536
PL1
Controller
PLI ST7536
Controller
Data-transmission
over POWERLINE
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 :
SW1-1 SW1-2 SW1-3 SW1-4 MCU工作状态
off X X X 接收状态(控制 ST7536工作于收态)
on off off X 控制 ST7536 “发固定 0”码
on off on X 控制 ST7536 “发固定 1”码
on on off X 控制 ST7536 “发 0” “、 1”交替码
on on on X 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=0
off off 600 81.75-82.35
on off 600 67.2-67.8
off on 1200 71.4-72.6
on on 1200 85.95-87.15
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 :
buffer power amplifierLPF
PreamplifierBPF
RAI
ATO
RX/TXtransformer
powerline
图 6-7 电力线接口 (PLI) 框图
+
- PUSHPULL
AMPLIFIER
R9
R10
R11
C16
C18
U2
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 - PHLL AMPLIFER )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 ≥ 40MHz 1台直流稳压电源 +5V -5V 1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—10MHz 1台
万用表 1台
四、实验内容 特别提醒: 实验分调制及发送部分测试和接收及解调部分测试。
在做调制及发送部分测试实验时,勿将 P2插头插上电力线,以确保实验人员的安全。在做接收及解调实验时,需将 P2插头插上电力线以接收来自电力线上的信号,此时耦合变压器 TR1 的初级 C19 、R16 上带有交流 220V 电压,切勿接触!
在连接电源和实验箱之前,一定要先确认二组电源的电压极性和电压值正确,在确认完全无误之前不允许将实验箱和电源连接,,另外在连接实验箱和电源时请务必关断电源开关。
(一)装置的发送功能测试 将 P2 与电力线断开,接上 5Ω 的负载(不接也可以)。检查稳压电源与实验装置连接是否正确,开启稳压电源。
1 、发送数据位同步时钟及波特率切换功能测试 将拨动开关 SW1 置如下状态: SW1 - 1 为 on, SW1 -
2 为 on , SW1 - 3 为 off ,即使 MCU 控制 ST7536处于发送‘ 0’ 、‘ 1’交替码状态。
置拨动开关 SW2 的 SW2 - 2 为 off ( SW2 - 1 不管),用示波器观测测试点 TP1 的波形( ST7536产生并提供的数据位同步信号),并用频率计测定该信号的频率,用示波器观测测试点 TP2 的波形( MCU提供的发送数据)并用频率计测定该信号的频率。记录信号的波形及频率值,并注意两信号的相位关系及频率关系。
置拨动开关 SW2 的 SW2 - 2 为 on ,用示波器和频率计作与以上相同的测试和记录,并注意测试结果的变化。
2 、发送通路基本参数的测试 置拨动开关 SW2 的 SW2 - 1 为 off , SW2 - 2 为
off ,即 ST7536 工作在 1 信道。 置拨动开关 SW1 的 SW1 - 1 为 on , SW1 - 2 为
off , SW1 - 3 为 off ,即 MCU 使 ST7536 工作在发固定“ 0”码(此时 TP2 点的信号为固定低电平),用示波器观测 TP4 点信号(发送信号)的波形并对信号的幅度作出记录,用频率计测出信号的频率。
置拨动开关 SW1 的 SW1 - 1 为 on , SW1 - 2为 off , SW1 - 3 为 on ,即 MCU 使 ST7536 工作在发固定“ 1”码(此时 TP2 点的信号为固定高电平),用示波器观测 TP4 点信号(发送信号)的波形并对信号的幅度作出记录,用频率计测出信号的频率。
同理,对其余 3 个信道的发信号信号参数进行测量并作出记录,并将结果填入下表。
信道号
SW2开关位置SW2- 2 SW2- 1
“发 0”信号参数频率( KHz)峰值( V)
“发 1”信号参数频率( KHz)峰值( V)
1 off off
2 off on
3 on off
4 on on
(二)装置的接收功能测试 做本实验时,由实验指导教师控制某一实验装置处于发送交替“ 0” 、“ 1”码或伪随机码,学生用实验装置处于接收状态。
调整拨动开关 SW1 的 SW1 - 1 为 off ,使 MCU控制 ST7536处于接收状态,调整拨动开关 SW2的 SW2-1 、 SW2 - 2 为 on ,使 ST7526 工作于4 信道。拨掉连在 P2插口上的 5Ω负载,通过连线将 P2 接在交流 220V 电源上。实验中不要接触带有交流 220V器件的带电部分!
1 、“ 0” 、“ 1”交替码的解调接收 发信实验板处于发送交替“ 0” 、“ 1”码状态(指
导教师控制)。 用示波器测试 TP4 点对地的信号(接收信号)的峰
值大小(若信号太小无法测试则作出说明)。 用示波器测试 TP5 点对地的信号(送入 ST7536 解
调端的信号)的峰值大小,并用频率计测出信号频率。
用示波器测试 TP1 点对地的信号(接收位同步时钟),并用频率计测出信号频率。
用示波器测试 TP3 点对地的信号(接收数据),并注意观察有无误码(无误码的波形应为清晰的方波)。
2 、伪随机码的解调接收 发信实验板处于发送伪随机码状态(指导教师控
制)。 用示波器测试 TP4 点对地的信号(接收信号)的峰值大小(若信号太小无法测试则作出说明)。
用示波器测试 TP5 点对地信号(送入 ST7536 解调端的信号)的峰值大小,并用频率计测出信号频率。用示波器测试 TP1 点对地的信号(接收位同步时钟),并用频率计测出信号频率。将示波器的同步置外同步模式,用 TP1 点信号作为示波器的外同步信号,用示波器测试 TP3 点对地的信号(接收数据),仔细调节示波器的扫描时间及触发电平,直到并在示波器上能显示出稳定的波形。观察波形并记录所接收的伪随机码序列(本实验中采用了周期为 31 的某一伪随机码)。
五、实验报告
1 、整理实验中的波形和数据。 2 、 ST7536 工作在 4 信道下,比较实验装置在发送和接收状态下的位同步时钟频率。二者是否完全相同,为什么?
3 、为了提高通信距离,可在哪些方面作改进?
4 、试判断 ST7536 是 FSK 的解调器属于哪类解调器,并说明理由。
FSK 电力线载波通信实验电路图