电力线载波通信发射机设计.docx

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电力线载波通信发射机设计

JIUJIANGUNIVERSITY

毕业论文（设计）

题目电力线载波通信发射机设计

英文题目Transmitterdesignofpower

linecarriercommunication

院系电子工程学院

专业通信工程

姓名

年级2009级

指导教师曹晖

二零一三年六月

摘要

电力线载波通信（也称PLC-PowerLineCarrier）是利用高压输电线作为传输通路的载波通信方式，用于电力系统的调度通信、远动、保护、生产指挥、行政业务通信及各种信息传输。

电力线路是为输送50Hz强电设计的，线路衰减小，机械强度高，传输可靠，电力线载波通信复用电力线路进行通信不需要通信线路建设的基建投资和日常维护用，在电力系统中占有重要地位。

本设计是基于LM567锁相环音调译码器的电力线载波发射机设计。

调制方式为FM模拟调制。

电路主要部分为音频放大电路，调制单元，滤波单元，功率放大单元等。

在完成本设计硬件部分的理论分析，硬件制作后，进行相关的测试，并对测试结果做进一步的分析，改进。

关键词：

电力线载波通信；锁相环；FM；模拟调制

Transmitterdesignofpowerlinecarriercommunication

Abstract

Carriercommunicationpowerlinecarriercommunication（alsoknownasPLC-PowerLineCarrier）istheuseofhighvoltagetransmissionlineasatransmissionpathforpowersystemdispatchingcommunication,remote,protection,productioncontrol,theadministrativebusinesscommunicationandinformationtransmission.Powerlinefortransporting50Hzstrongelectricdesign,lineattenuation,highmechanicalstrength,reliabletransmission,powerlinecarriercommunicationcomplexpowerlinecommunicationdoesnotrequirecommunicationlineconstructioninvestmentininfrastructureandroutinemaintenance,animportantpossessioninthepowersystemposition.

ThedesignisbasedontheLM567PLLcircuittonedecoderpowerlinecarriertransmitter.ThemodulationschemeistheFManalogmodulation.Themainpartofthecircuitare:

：

audioamplificationcircuit,amodulationunit,afilteringunit,thepoweramplifyingunitorthelike.Thetheoreticalanalysisofthecompletionofthehardwarepartofthedesign,test,andtestresultsforfurtheranalysis。

KeyWords：

PowerLineCarrier；phaselockedloop；FM；

第一章引言

电力线载波通信利用输电线路作为信号的传输媒介，人们利用电力线可以传输电话、电报、远动、数据和远方保护信号等。

电力线作为一种不用重新布线的基础设施，过去仅仅用于远程抄表、家居自动化，传输速率很低，不适合高速信息传输。

随着网络技术和信息技术迅猛发展，国内外开展利用低压电力线传输速率在1Mbps信息的高速电力线载波技术，该技术在现有电力线上实现数据，语音和视频等多业务的承载。

高速电力线载波通信技术不断进步，可以传输数据、语音、视频和电力为一线的“四网合一”，极富诱惑力。

特别是“十二五”规划中把电力线载波通信列入大力研究项目，探讨电线上网的政策和运营方式，努力为实现全面电线上网打好基础作为发展重点。

目前，高速电力线载波通信技术仍然没有得到大规模的使用，这与自身技术不完善有很大的关系。

在电力线路上电压高、电流大、噪声大、负载种类多，要在电力线上传输信号，就是对技术设备抗干扰性和稳定性提出的挑战。

电力线中的信道噪声是电力线通信发展的主要问题，如何解决这个问题成为电力线载波通信作为宽带接入问题关键。

1.1国外发展

PLC（PowerLineCarrier）电力线载波通信研究97年英国的Norweb通讯公司和加拿大Nortel（北电网络）利用开发的数字电力线载波技术

，实现了在低压配电网上进行的1Mbit／s的速率数据传输的远程通信，并进行了该技术市场推广。

随后，许多国家研究机构纷纷开展了高速电力线通信技术的研究和开发，产品的传输速率也从1Mbit／s发展到2、14、24Mbit／s甚至更高。

国际各大公司纷纷推出PLC调制解调芯片。

其中以美国Intellon公司的14Mbit／s芯片应用最为普遍，且大部分电力线载波系统都是基于该芯片开发的。

目前，电力线载波通信在欧洲发展比较快，欧盟为促进电力线载波技术发展，在2004年启动了OPERA的计划。

美国也不甘示弱，在它倡导下成立了“家庭插电联盟”，致力于标准研究，并发布了第一个PLC标准HomePlug1.0。

1.2国内发展

在高速PLC研究和推广方面，我国进步较晚。

从英国公司研究出高速PLC技术以后，我国研究机构也开始对高速PLC研究，中国电力科学研究院采用国外芯片先后研究出可以传输速率为2、14、45、200Mbit／s的低压PLC产品以及14、45Mbit／s的中压PLC产品。

由于我们低压配电网的结构、负荷特性、供电方式和国外有很大的不同，国外已有的产品需要根据我国配电线路的实际情况进行改进才能使用。

并于2001年底开通我们第一个电力线为传输介质的PLC宽带接入Internet试验小区。

2002年3月引进欧洲PLC产品进行语音传输试验，在我国第一次实现了利用电力线同时上网和打电话。

2002年5月，采用国内电力系统研制的产品，开通了第一个国内自主研发的PLC宽带接入系统。

小规模产品试验成功之后，又在不同场合进行了大规模电力线宽带接入试验。

主要研究在不同配电网结构中，PLC产品的耦合方式和组网模式，如何建立施工规范，并对不同国家的产品进行测试。

随着PLC技术的突破以及应用的深入，PLC在国内商业化只是迟早的事。

第二章电力线载波通信技术

2.1电力线载波通信

电力线通信技术是指利用高压电力线（通常指35KV及以上电压等级）、中压配网电力线（指10KV电压等级）或低压配电线（380/220V用户线）作为信息传输媒介进行语音或数据传输的一种特殊通信方式。

该技术是把载有信息的高频载波信号加载于电流，然后用电力线传输，接收信息的适配器再把高频载波信号从电流中分离出来以实现信息传递。

电力线通信并不是新技术，已经有着几十年的发展历史，在中高压输电网上通过电力线载波机利用较低的频段（9～490KHz），以较低的速率传送话音或远动数据，这是以往电力线载波通信的主要应用。

电力线载波优点：

（1）电力线载波通信利用的是现有的电力基础设施——电网，这个传输媒介是全球覆盖最大的网络，用电力线做接入无需新布线就可以用到有电的地方就有宽带接入，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短，设备简单，可以同其他通信手段一起实现网络互联。

（2）电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构略固，高压输电线安全设计系数比光纤的安全设计系数高。

（3）具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了，输电线架设到哪里，载波通信线路就可以延伸到那里，目前我国110kV输电线路上和35kV的农网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信担负着电网内调度电话远动，远方保护信息的传输，对电力线系统的安全，稳定，经济运行起着重要的作用，因此对这种廉价的电力系统都有的信道资源不应轻易放弃，应加以合理的发展和利用，使之与高速，宽带技术长期并存，互为补充。

（4）能够为电力公司电力管理提供传输通道，实现电力、数据、话音和图像综合业务传输的通信技术。

不过，我们也要看见载波电力线的不足，由于受电网的影响，PLC的传播距离有限，在低压配电网中无中继的传输距离一般在250m以下。

要实现自配电变压器至用户插座的全力线接入需要借助中继技术。

电力负荷的波动对PLC接入网络的吞吐最也有一定影响。

由于多个用户共享信道带宽，当用户增加到一定程度时，网络性能和用户可用带宽有所下降，但这些问题可以通过合理的组网方式得到解决。

2.1.1电力线载波通信原理

图2-1电力线载波通信的原理框图

上图所示为实现电力线载波通信的原理框图。

图中A端为发电厂、B端为变电所，发电厂产生的50Hz电流经升压后，通过电力线送到变电所，再经降压后供给用户。

例如我们利用电力线实现电话通信，将1路0.3～3.4kHz的语音信号直接送到电力线上进行传输，这样会受到强大的50Hz电流干扰，在接收端难以选出语音信号而无法实现通信。

所以，要在电力线上进行无法直接音频通信。

经实践证明，把1路0.3～3.4kHz的语音信号，通过变频将语音信号频谱搬移到高频频段，如40kHz以上的高频信号在电力线上传输，在接收段用滤波器就比较容易选出。

如将多路语音信号分别采用不同频率的载波进行变频，在电力线上就可以进行多路载波电话通信。

利用电力线实现载波通信，最重要的问题是如何把高频信号安全地耦合到电力线上。

常用的耦合采用图中所示的相地耦合方式。

它由耦合电容C和结合滤波器F组成。

耦合电容器和结合滤波器构成一只高通滤波器，它使高频信号顺利通过，达到了将高频信号耦合到电力线的目的。

而对50Hz电流具有极大的衰减，防止50Hz电流进入载波设备，达到了保护人身和载波设备安全的目的。

图中电力线上传输的50Hz电压，由于频率低，电压几乎都降落到耐压很高的高压耦合电容器两端，结合滤波器的变量器线圈上所降电压无几，这样的耦合是非常安全的。

阻波器T是一个调谐电路，其电感线圈能通过很大50Hz电流的强流线圈，保证50Hz电流的传送，而整个调谐电路谐振在高频信号的频率附近，阻止高频信号通过，能起到防止发电厂或者变电所母线对高频信号的旁路作用。

电力线载波通信在两个方向采用两个不同的线路传送频带在同一相电力线上来回传送，是双频带二线制双向通信。

其具体过程为：

A端的语音信号（0.3~3.4）经差接系统，与频率为

的载波进行调制，并取其上边带，将语音信号频谱搬移到高频，成为

+（0.3~3.4）kHz的高频信号，通过放大和带通滤波器滤除谐波成分，经结合滤波器

、耦合电容器C1送到电力线的耦合相线上。

由于阻波器T1的存在，高频信号沿电力线传输到B端，再经过B端的C

、

送入B端载波设备。

中心频率为

的收信带通滤波器滤出

+（0.3—3.4）kHz的高频信号，经过放大、解调以后得到A端的语音信号。

按照相同的方式，将B端的语音信号通过

+（0.3~3.4）kHz的高频信号传输到A端，这样就可以实现双向电力线载波通信。

电力线载波设备和通信线载波设备没有原理上的区别。

但电力线载波设备与电力线连接时，必须通过线路设备。

实际上，电力线路设备中的阻波器和耦合电容器、结合电容器的作用，同通信线载波设备中的线路滤波器的作用完全相同。

图2-2电力线载波设备原理框图

图2-2中可见，电力线载波通信系统由电力线载波设备和高频通道所组成。

它所使用的频带主要由高频通道的特性所决定。

使用频率过高线路衰减将增得很大，通信距离受到限制；而使用频率太低，将受到50Hz工频谐波的干扰，同时要求耦合电容器的电容量和阻波器的强流线圈电感量增大，而使线路设备在制造商和经济上造成困难。

在实际选择频带时，还必须考虑无线电广播和无线电通信的影响。

国内统一的使用频带为40～500kHz。

电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架设的，它们在发电厂和变电所内均按电压等级连接在同一母线上。

同一发电厂、变电所中不同电压等级的电力线也均在同一高压区内，并由电力变压器将其相互耦合。

这样，在一条电力线上开设电力线载波，它的信号虽被阻波器阻塞，但还会串扰到同一母线的其他相电力线上去。

由于同母线上的不同相电力线之间的跨越衰减不大，因此使每相电力线上开设电力线载波的频谱不能重复使用。

要想重复使用相同频谱，至少应相隔两段电力线路。

这就使得同母线的各条电力线上所能共同利用的频谱，还要比40～500kHz窄。

2.2锁相环路作用及原理

一、作用：

锁相环路是一种以消除频率误差为目的的自动控制电路，锁相环电路是一种相位负反馈系统，利用相位误差信号电压去消除频率误差。

二、原理：

锁相环路基本组成如图2-3所示，它是由鉴相器、环路滤波器、和压控振荡器组成的闭合环路。

鉴相器是相位比较部件，它能够检测出两个输入信号之间的相位误差，输出反映相位误差的电压。

环路低通滤波器是用来消除误差信号中的高频分量及噪声，提高系统的稳定性。

压控振荡器受控于环路滤波器输出电压，即其振荡频率受环路滤波器输出电压控制。

图2-3锁相环路基本组成框图

众所周知，当两个正弦信号频率相等是，这两个信号之间的相位差必然保持恒定，若两个正弦信号不相等，则它们之间的瞬时相位差将随时间的变化而不断变化，换句话说，如果能保证两个信号之间的相位差恒定，则这两个信号频率必定相等。

锁相环路就是利用两个信号之间的相位误差来控制压控振荡器输出信号的频率，最终使两个信号之间的相位保持恒定，从而达到两个信号频率相等的目的。

2.3锁相环路的各组成部分及具体工作过程

一、锁相环路的新能主要取决于鉴相器、压控振荡器和环路滤波器三个基本组成部件。

鉴相器（PD）是进行相位比较的装置，它把压控振荡器的输出信号Vo（t）与输入信号vi（t）的相位进行比较，产生对应于两信号相位差的误差电压Vd（t），起到相位差—电压变换作用。

低通滤波器（LPF）是个线性电路，它的作用是：

滤除鉴相器输出电压Vd（t）中的高频分量和噪声，起平滑滤波的作用，以保证系统所要求的性能，增加系统的稳定性。

电路通常由电阻、电容或电感等组成，有时也包含运算放大器。

电压控制振荡器（VCO）是一个电压—频率（或称电压—相位）变换电路，其振荡瞬时角频率受控制电压的控制，使输出信号频率向输入信号频率靠拢，两个信号间的相位差减小。

二、锁相环路的具体工作过程如下：

相位比较器把输入信号作为标准，将它的频率和相位与从VCO输出端送来的信号进行比较。

如果在它的工作范围内检测出任何相位（频率）差，就产生一个误差信号Vd（t），这个误差信号正比于输入信号和VCO输出信号之间的相位差，通常是以交流分量调制的直流电平。

由低通滤波器滤除误差信号中的交流分量，产生信号Ve（t）去控制VCO，强制VCO朝着减小相位/频率误差的方向改变其频率，使输入基准信号和VCO输出信号之间的任何频率或相位差逐渐减小直至为0，这时我们就称环路已被锁定。

对于已经锁定的环路，若输入信号的频率或相位稍有变化，立刻会在两个输入信号的相位差上反映出来，鉴相器的输出也会随着改变并驱动VCO的频率和相位以同样的规律跟着变化。

环路的这种状态称为跟踪状态。

因此可以说锁相环是一个相位自动控制系统，其锁定状态的取得是靠相位差的作用，锁定状态的维持也仍然依靠相位差的作用。

锁相环路基本特性有

（1）环路锁定后，没有频率误差。

当锁相环路锁定时，压控振荡器的输出频率严格等于输入信号频率，而只有不大的剩余相位误差。

（2）频率跟踪特性。

锁相环路锁定时，压控振荡器的输出频率能在一定的范围内跟踪输入信号频率变化。

（3）窄带滤波特性。

锁相环路通过环路滤波器的作用后具有窄带滤波特性。

当压控振荡器输出信号的频率锁定在输入信号上时，位于信号频率附近的频率分量，通过鉴相器变成低频信号而平移到零频率附近，这样环路滤波器的低通作用对输入信号而言，就相当于一个高频带通滤波器，只要把环路滤波器的带通做的比较窄，整个环路就具有很窄的带通特性。

锁相环路的这些特点，使它在自动频率控制中得到应用，以达到精确的频率控制，而其它的频率控制系统总是存在剩余频差。

第三章电力线载波通信发射机的设计

3.1本次设计、任务、技术指标

3.1.1课题、任务、主要技术指标

课题：

电力线载波通信发射机的设计与制作。

任务：

自行设计，软件模拟，装配与调试，并能发现问题并进行改进。

技术指标：

1．制作一电力线载波语音调频发射机，发射机载波100k-150kHZ，带宽3KHz。

2．发射机功率约100mW。

3.1.2整体设计方案

设计思路：

电力载波通信发射过程一般为声音信号采集，声音信号放大，对音频信号进行滤波，音频信号加载到载波信号进行调制，对已调信号进行功率放大，最后选频耦合至传输电路。

所以基本框图如下：

图3-1设计方案图

3.2单元电路设计,计算

3.2.1音频放大电路的设计

声音放大系统中电路的主要作用是将音频信号进行电压和功率的放大，在信号放大的过程中必须保证信号不（或者少）失真，在声音放大处理系统中，话筒（麦克风）的作用事将声音信号转化成电信号的作用事将声音信号转化成电信号，该信号经前置放大（电压放大）后再经过功率放大，最后通过扬声器还原处强大的声音，我们把这个信号成为音频信号。

本次设计，声音放大后并不直接输出，而是经滤波后加载到调制电路，在音频信号放大领域已经相当成熟和广泛，简单的可以用三极管搭建功率放大电路，不过也有集成单片功放芯片，如LM324，LM386。

此次采用LM386组建音频放大电路。

LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小等优点的功率放大器，广泛应用于录音机和收音机之中。

3.2.2LM386

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少，电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。

输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

其内部结构图3-2为：

图3-2LM386内部电路原理图

它是一个三级放大电路

第一级为差分放大电路，T1和T3、T2和T4分别构成复合管，作为差分放大电路的放大管；T5和T6组成镜像电流源作为T1和T2的有源负载；T3和T4信号从管的基极输入，从T2管的集电极输出，为双端输入单端输

出差分电路。

使用镜像电流源作为差分放大电路有源负载，可使单端输出电路的增益近似等于双端输出电容的增益。

第二级为共射放大电路，T7为放大管，恒流源作有源负载，以增大放大倍数。

第三级中的T8和T9管复合成PNP型管，与NPN型管T10构成准互补输出级。

二极管D1和D2为输出级提供合适的偏置电压，可以消除交越失真。

引脚2为反相输入端，引脚3为同相输入端。

电路由单电源供电，故为OTL电路。

输出端（引脚5）应外接输出电容后再接负载。

电阻R7从输出端连接到T2的发射极，形成反馈通路，并与R5和R6构成反馈网络，从而引入了深度电压串联负反馈，使整个电路具有稳定的电压增益。

LM386的引脚图：

LM386的外形和引脚的排列如图3-3所示。

引脚2为反相输入端，3为同相输入端；引脚5为输出端；引脚6和4分别为电源和地；引脚1和8为电压增益设定端；使用时在引脚7和地之间接旁路电容，通常取10μF。

查LM386的datasheet，电源电压4-12V或5-18V（LM386N-4）；静态消耗电流为4mA；电压增益为20-200；在1、8脚开路时，带宽为300KHz；输入阻抗为50K；音频功率0.5W。

图3-3LM386引脚图

3.2.3基于LM386的音频放大电路

由LM386使用手册可知，声音信号从引脚2和引脚3接入，引脚1和引脚8为电路增益设置，本次采用RC组合，R为可变电阻1K，电容C为10uf，则可调节是增益从50至200之间变化。

引脚7接旁路电容10uf。

引脚4和6接电源。

最后信号从5脚输出。

所以电路为图3-4：

图3-4音频放大电路

3.2.4音频放大电路部分的仿真

采用proteus软件仿真，电路如下图：

图3-5仿真电路

输入为频率1000Hz幅值20mv的正弦信号，模拟声音输入，模拟示波器A路接输出信号，D路接输入信号，可直观对比放大效果。

仿真结果为图3-6：

图3-6信号放大仿真结果

可知放大效果明显在当前电阻值，放大倍数约为50。

则音频放大电路设计完毕。

3.3滤波电路

因为信号经过电路放大后，输入信号可能还包含各类高低频杂波干扰，所以在信号送入调制前可以进行一次滤波处理。

这里因为声音信号属于低频，而且已经经过放大，所以才用一个简单的RC带通滤波器。

因为人的声音主要集中在300-1000HZ。

能分辨的声音上限大约为20KHz，电路如图3-7：

图3-7带通滤波电路

前端为高通滤波起始频率

=318Hz，中间为耦合电容220μf

后端为低通滤波器截止频率

=15915H，通带为318-15915HZ基本处于要求范围。

3.4FM调频

一般来说，电力线上电网谐波严重，经常会产生周期性“震荡波”，因此AM（调幅）方式是不适合用于电力线通信传输，目前大家在电力线通信主要采用FM（调频）和PM（调相）两种方式。

调相和调频有密切的关系。

调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同。

实际使用时很少采用调相制，它主要是用来作为得到调频的一种方法。

所以此次调制为调频调制。

3.4.1FM调频原理

定义：

载波信号的频率随调制信号的瞬时频率线性的变法,载波的幅度不变。

ＦＭ调频是将调制信号频谱作非线性变换，因此它被称为非线性调制。

又因为已调信号反映出载波矢量角度上的变化，所有又被称为角调。

载波信号：

其中，瞬时相位：

（这里已假设初始相位

）

如果调制信号和瞬时频偏成线性对应关系，即为频率调制（FM调制）：

（

代表了调相器灵敏度）

此时：

仍为等幅波

现在假设基带信号为：

，此时：

调频指数（该信号的最大相位偏移）：

3.4.2调频方案

1.直接调频

用调制信号直接控制振荡器的振荡频率的方法称为直接调频法。

如果受控振荡器是产生正弦波的LC振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。

将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信号的规律变化，实现直接调频。

可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。

作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。

具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。

此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。

在直接调频法中振荡