通信原理實(shí)驗(yàn)6課件

實(shí)驗(yàn)六

FSK電力線載波通信實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解單片機(jī)在通信中的應(yīng)用。2、了解大規(guī)模集成電路的電路組成及工作原理。3、理解FSK的工作原理。二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求1、復(fù)習(xí)《通信系統(tǒng)原理》中有關(guān)FSK的內(nèi)容。2、認(rèn)真閱讀本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，熟悉實(shí)驗(yàn)步驟。3、預(yù)習(xí)有關(guān)單片機(jī)的原理及應(yīng)用。

三、實(shí)驗(yàn)原理

利用電力線路來傳輸通信信號(hào)，不需額外布線，降低了布線及施工成本，因而在某些應(yīng)用上具有潛在的價(jià)值，如在家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。由于電力線上的干擾及噪聲相當(dāng)大，線路阻抗很不穩(wěn)定，信號(hào)傳輸損耗大，要利用電力線實(shí)現(xiàn)有效和可行的通信有相當(dāng)?shù)碾y度。為此，國外某些廠商開發(fā)了一些專用的電力線載波MODEM芯片，其采用的調(diào)制方式既有以FSK方式為主的窄帶調(diào)制方式，也有以擴(kuò)展頻譜技術(shù)為基礎(chǔ)的寬帶調(diào)制方式。ST7536就是意法半導(dǎo)體公司（SGS－THOMSON）開發(fā)的一種以FSK方式工作的專用于電力線載波通信的MODEM芯片。管腳說明：管腳名稱管腳號(hào)碼功能描述Rx/Tx1接收或發(fā)送模式選擇輸入端RESET2邏輯復(fù)位和低功耗模式選擇端，低電平有效。TEST43測(cè)試輸入選擇端。高電平時(shí)選擇發(fā)信濾器的輸入為TxF1端TEST34測(cè)試輸入端，當(dāng)TEST1為高電平時(shí)，選擇本腳為時(shí)鐘恢復(fù)電路的輸入端RxD5同步接收數(shù)據(jù)輸出端CLR/T6接收或發(fā)送時(shí)鐘（由工作模式?jīng)Q定）RxDEM7解調(diào)數(shù)據(jù)輸出端DGND8數(shù)字地DVDD9數(shù)字正電源：5V±5％TEST110測(cè)試輸入選擇端，高電平時(shí)取消發(fā)送至接收模式的自動(dòng)切換功能，并使TEST3輸入有效。TEST211測(cè)試輸入選擇端，高電平時(shí)壓縮發(fā)送至接收模式的自動(dòng)切換時(shí)間。TxD12發(fā)送數(shù)據(jù)輸入XTAL213晶振輸出XTAL114晶振輸入CHS15信道選擇輸入BRS16波特率選擇輸入AFCF17可用于相連補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)頻率控制信號(hào)輸出DVSS18數(shù)字負(fù)電源：－5V±5％IFO19中頻濾波輸出DEMI20FSK解調(diào)輸入AVSS21模擬負(fù)電源：－5V±5％AGND22模擬地AVDD23模擬正電源：5V±5％RAI24模擬信號(hào)接收輸入RxFo25接受濾波器輸出TxFI26發(fā)送濾波器輸入（TEST4為高電平時(shí)選擇）ALCI27自動(dòng)電平控制輸入ATO28模擬信號(hào)發(fā)送輸出發(fā)送部分：置Rx/＝0時(shí)芯片為發(fā)送模式，當(dāng)Rx/保持低電平超過3ms時(shí)，芯片自動(dòng)進(jìn)入發(fā)送工作模式。再次激活發(fā)送模式時(shí)需要Rx/回到高電平并至少保持3ms的時(shí)間，然后再置Rx/為0電平。在發(fā)送模式時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)（TxD）在決定波特率的時(shí)鐘信號(hào)CLR/T的上升沿被采樣（圖6-1）。采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入FSK調(diào)制器，F(xiàn)SK調(diào)制器代表0、1數(shù)據(jù)的二個(gè)基本載頻由波特率選擇管腳（BRS）和信道選擇管腳（CHS）共同決定，見表1圖6-1發(fā)送數(shù)據(jù)輸入定時(shí)

圖6-2ST7536內(nèi)部方框圖

發(fā)送通路的輸出級(jí)包括一自動(dòng)電平控制（ALC）系統(tǒng)，它使得模擬發(fā)送輸出信號(hào)（ATO）的幅度與線路阻抗的變化無關(guān)。本ALC系統(tǒng)是帶有32個(gè)離散增益值的可變?cè)鲆婵刂葡到y(tǒng)，由模擬反饋信號(hào)ALCI控制（見圖6—3）。圖6-3接收部分：置Rx/=1時(shí)芯片工作于接收模式。波特率和信道的選擇同樣也由表1決定。加于RAI與公共端0V間的接收信號(hào)經(jīng)開關(guān)電容帶通濾波器（接收帶通濾波器，Rxband-pass）濾波，濾波器的中心頻率為接收信號(hào)的中心頻率，其帶寬約為6KHz。RAI的輸入電壓范圍為2mVRMS至2VRMS。接收濾波器的輸出經(jīng)一增益為20dB的放大器放大，該級(jí)放大器還同時(shí)對(duì)大信號(hào)提供限幅作用。經(jīng)放大限幅后的信號(hào)送入混頻器進(jìn)行下變頻，混頻器的同步本振信號(hào)由FSK調(diào)制功能提供。最后，混頻器的輸出經(jīng)一中頻帶通濾波器（IFband-pass）濾波，以提高解調(diào)器前信號(hào)的信噪比。中頻帶通濾波器的中心頻率與BRS有關(guān)，當(dāng)BRS＝0時(shí)，其中心頻率為2.7KHz，當(dāng)BRS=1時(shí)，其中心頻率為5.4KHz。中頻帶通濾波器的輸出（IFO）通過一外接耦合電容（1μF±10%,10V）耦合到FSK解調(diào)器的輸入（DEMI），以消除接收通道的偏置電壓。附加的數(shù)字和模擬功能：由復(fù)位輸入（RESET）來初始化芯片。當(dāng)RESET＝0時(shí)，置芯片于低功耗模式并復(fù)位內(nèi)部邏輯。當(dāng)RESET＝1時(shí)，激活芯片。時(shí)基部分通過晶振（11.0592MHz）產(chǎn)生內(nèi)部所需的各種時(shí)鐘。晶振接于管腳XTAL1和XTAL2間，并需要外接兩電容以保證晶振正常工作。電容值與晶振特性有關(guān)，典型值為22pF±10%。也可將時(shí)鐘信號(hào)直接加于管腳XTAL1上。自動(dòng)頻率控制（AFC）模塊調(diào)節(jié)接收和發(fā)送濾波器的中心頻率到載波工作頻率。AFC環(huán)路的穩(wěn)定性由連接于管腳AFCF上的C1（470nF±10％，10V）、C2（47nF±10％，10V）和R1（1.5KΩ）構(gòu)成的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來保證。圖6-5自動(dòng)頻率環(huán)路濾波器

測(cè)試特性：附加的放大器允許在管腳RxFO上觀察接收帶通濾波器的輸出。當(dāng)TEST4＝1時(shí)，腳RxFO直接輸入發(fā)送帶通濾波器被選擇和允許。當(dāng)TEST2＝1時(shí)，發(fā)送到接收的自動(dòng)轉(zhuǎn)換延時(shí)由3秒縮至1.48ms。當(dāng)TEST1＝1時(shí)，發(fā)送到接收的自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式無效，電路的功能模式由Rx/控制，方式如下：當(dāng)Rx/＝0時(shí)，電路連續(xù)發(fā)送，當(dāng)Rx/＝1時(shí)，為便于測(cè)試時(shí)鐘恢復(fù)模塊與FSK解調(diào)模塊的連接斷開，此時(shí)TEST3為時(shí)鐘恢復(fù)模塊的輸入端，RXDEM跟隨TEST3，RxD送出重新同步的數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)裝置中，微控制器的工作狀態(tài)由撥動(dòng)開關(guān)SW1控制，如表2：表2：SW1-1SW1-2SW1-3SW1-4MCU工作狀態(tài)offXXX接收狀態(tài)（控制ST7536工作于收態(tài)）onoffoffX控制ST7536發(fā)固定“0”碼onoffonX控制ST7536發(fā)固定“1”碼ononoffX控制ST7536發(fā)“0”、“1”交替碼onononX控制ST7536發(fā)偽隨機(jī)碼ST7536的波特率和信道選擇由撥動(dòng)開關(guān)SW2控制，如表3：表3:SW2-1(CHS)SW2-2(BRS)波特率發(fā)送頻率(KHz)TxD=1-TxD=0offoff60081.75-82.35onoff60067.2-67.8offon120071.4-72.6onon120085.95-87.15在發(fā)送模式，接口放大和濾波來自ST7536的發(fā)送信號(hào)(ATO)。ATO能提供的最大輸出電流僅為1mA，因而接口中用一緩沖器(BUFFER))來保護(hù)ST7536并驅(qū)動(dòng)下級(jí)電路。來自ST7536的發(fā)送信號(hào)中的二次諧波為－53dB，為了進(jìn)一步抑制諧波，接口中用了一低通濾波器（LPF）。經(jīng)濾波后的信號(hào)送入功放，通過一耦合變壓器，功放能驅(qū)動(dòng)1－100Ω的阻抗。耦合變壓器不僅用于將信號(hào)送上電力線，它也作為工作于諧振選頻方式下的帶通濾波器，以抑制諧波至－72dB以下。電力線接口(PLI)連接ST7536到電力線上，框圖如圖6-7：緩沖器（BUFFER）、低通濾波器（LPF）功放的構(gòu)成框圖如圖6-8：上圖中，推挽功放（PUSH－PHLLAMPLIFER）由Q5、Q6、Q7、Q8等組成，利用反饋網(wǎng)絡(luò)（R11、C16）的頻率特性形成通路的低通濾波特性，詳見電原理圖，另外，PLI中發(fā)送通路（緩沖器、低通濾波器、功放）的工作電源是通過由Q1、Q2、Q3、Q4組成的電子開關(guān)提供的，開關(guān)的開啟和關(guān)閉由單片機(jī)控制。在接收模式，耦合變壓器從電力線上耦合進(jìn)信號(hào)。在將信號(hào)送到ST7536的接收端（RAI）之前，經(jīng)預(yù)放放大和帶通濾波器濾波以提高接收靈敏度信噪比。預(yù)放由U3:A等元件組成，帶通濾波器由U3:B、R22、R23、R25、C25、C26組成，濾波器的輸出經(jīng)R18、Z3、Z4組成的限幅器送入ST7536的接收端（RAI）。在接收模式，緩沖器和功放被關(guān)閉，以免功放的低阻抗對(duì)接收信號(hào)造成衰減。

三、實(shí)驗(yàn)儀器

雙蹤同步示波器≥40MHz1臺(tái)直流穩(wěn)壓電源+5V-5V1臺(tái)FSK電力線載波通信實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量頻率范圍50Hz—10MHz1臺(tái)萬用表1臺(tái)

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

特別提醒：實(shí)驗(yàn)分調(diào)制及發(fā)送部分測(cè)試和接收及解調(diào)部分測(cè)試。在做調(diào)制及發(fā)送部分測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，勿將P2插頭插上電力線，以確保實(shí)驗(yàn)人員的安全。在做接收及解調(diào)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需將P2插頭插上電力線以接收來自電力線上的信號(hào)，此時(shí)耦合變壓器TR1的初級(jí)C19、R16上帶有交流220V電壓，切勿接觸！在連接電源和實(shí)驗(yàn)箱之前，一定要先確認(rèn)二組電源的電壓極性和電壓值正確，在確認(rèn)完全無誤之前不允許將實(shí)驗(yàn)箱和電源連接，，另外在連接實(shí)驗(yàn)箱和電源時(shí)請(qǐng)務(wù)必關(guān)斷電源開關(guān)。2、發(fā)送通路基本參數(shù)的測(cè)試置撥動(dòng)開關(guān)SW2的SW2－1為off，SW2－2為off，即ST7536工作在1信道。置撥動(dòng)開關(guān)SW1的SW1－1為on，SW1－2為off，SW1－3為off，即MCU使ST7536工作在發(fā)固定“0”碼（此時(shí)TP2點(diǎn)的信號(hào)為固定低電平），用示波器觀測(cè)TP4點(diǎn)信號(hào)（發(fā)送信號(hào)）的波形并對(duì)信號(hào)的幅度作出記錄，用頻率計(jì)測(cè)出信號(hào)的頻率。置撥動(dòng)開關(guān)SW1的SW1－1為on，SW1－2為off，SW1－3為on，即MCU使ST7536工作在發(fā)固定“1”碼（此時(shí) TP2點(diǎn)的信號(hào)為固定高電平），用示波器觀測(cè)TP4點(diǎn)信號(hào)（發(fā)送信號(hào)）的波形并對(duì)信號(hào)的幅度作出記錄，用頻率計(jì)測(cè)出信號(hào)的頻率。同理，對(duì)其余3個(gè)信道的發(fā)信號(hào)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量并作出記錄，并將結(jié)果填入下表。信道號(hào)SW2開關(guān)位置SW2－2SW2－1發(fā)“0”信號(hào)參數(shù)頻率（KHz）峰值（V）發(fā)“1”信號(hào)參數(shù)頻率（KHz）峰值（V）1offoff2offon3onoff4onon（二）裝置的接收功能測(cè)試做本實(shí)驗(yàn)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師控制某一實(shí)驗(yàn)裝置處于發(fā)送交替“0”、“1”碼或偽隨機(jī)碼，學(xué)生用實(shí)驗(yàn)裝置處于接收狀態(tài)。調(diào)整撥動(dòng)開關(guān)SW1的SW1－1為off，使MCU控制ST7536處于接收狀態(tài)，調(diào)整撥動(dòng)開關(guān)SW2的SW2-1、SW2－2為on，使ST7526工作于4信道。撥掉連在P2插口上的5Ω負(fù)載，通過連線將P2接在交流220V電源上。實(shí)驗(yàn)中不要接觸帶有交流220V器件的帶電部分！2、偽隨機(jī)碼的解調(diào)接收發(fā)信實(shí)驗(yàn)板處于發(fā)送偽隨機(jī)碼狀態(tài)（指導(dǎo)教師控制）。用示波器測(cè)試TP4點(diǎn)對(duì)地的信號(hào)（接收信號(hào)）的峰值大?。ㄈ粜盘?hào)太小無法測(cè)試則作出說明）。用示波器測(cè)試TP5點(diǎn)對(duì)地信號(hào)（送入ST7536解調(diào)端的信號(hào)）的峰值大小，并用頻率計(jì)測(cè)出信號(hào)頻率。用示波器測(cè)試TP1點(diǎn)對(duì)地的信號(hào)（接收位同步時(shí)鐘），并用頻率計(jì)測(cè)出信號(hào)頻率。將示波器的同步置外同步模式，用TP1點(diǎn)信號(hào)作為示波器的外同步信號(hào)