实验六 　 FSK 电力线载波通信实验

1. 实验六 　FSK电力线载波通信实验

2. 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。

3. 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。

4. 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

6. 管脚说明：

7. 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 图6-1 发送数据输入定时

8. 表1： 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。

9. 图6-2 ST7536 内部方框图

10. 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）。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）。 图6-3

11. 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。

12. 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。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。 图6-4

13. 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。

14. 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。 图6-5 自动频率环路滤波器

15. 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。

16. Data-transmission over POWERLINE ST7536 PL1 PLI ST7536 Controller Controller • 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。 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）。

17. 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：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：

18. ST7536的波特率和信道选择由拨动开关SW2控制，如表3： ST7536的波特率和信道选择由拨动开关SW2控制，如表3： • 表3:

19. 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。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：

20. 图6-7 电力线接口(PLI)框图 图6-8 缓冲器（BUFFER）、低通滤波器（LPF）功放构成框图

21. 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。

22. 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

23. 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。

24. （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。

25. 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。

27. （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！

28. 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）。

29. 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）。

30. 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。

31. FSK电力线载波通信实验电路图