电力线载波通信发射机设计.docx
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1、题 目 电力线载波通信发射机设计 英文题目 Transmitter design of power line carrier communication 摘 要电力线载波通信(也称PLC-Power Line Carrier)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
2、。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Transmitter design of power line carrier communicationAbstractCarrier communication power line carrier communication (also known as PLC-Power Line Carrier) is the use of high voltage transmission l
3、ine as a transmission path for power system dispatching communication, remote, protection, production control, the administrative business communication and information transmission. Power line for transporting 50Hz strong electric design, line attenuation, high mechanical strength, reliable transmi
4、ssion, power line carrier communication complex power line communication does not require communication line construction investment in infrastructure and routine maintenance, an important possession in the power system position.The design is based on the LM567 PLL circuit tone decoder power line ca
5、rrier transmitter. The modulation scheme is the FM analog modulation. The main part of the circuit are:: audio amplification circuit, a modulation unit, a filtering unit, the power amplifying unit or the like. The theoretical analysis of the completion of the hardware part of the design, test, and t
6、est results for further analysis。Key Words:Power Line Carrier;phaselocked loop;FM;目 录AbstractII第一章 引 言11.1 国外发展21.2 国内发展2第二章 电力线载波通信技术32.1 电力线载波通信32.1.1 电力线载波通信原理42.2 锁相环路作用及原理62.3 锁相环路的各组成部分及具体工作过程6第三章 电力线载波通信发射机的设计83.1 本次设计、任务、技术指标83.1.1课题、任务、主要技术指标83.1.2 整体设计方案83.2 单元电路设计,计算83.2.1 音频放大电路的设计83.2.2
7、 LM38693.2.3基于LM386的音频放大电路103.2.4音频放大电路部分的仿真113.3滤波电路123.4 FM调频123.4.1 FM调频原理123.4.2调频方案133.5基于LM567的调制电路的设计153.5.1 LM567153.5.2 基于LM567的调制电路173.5.4二阶滤波电路173.5.5高频功率放大器的设计193.5.6 电源电路的设计213.6完整电路设计图23第四章 电路测试与分析244.1设计结果验证244.1.1 电源电路的检测244.1.2 信号放大LM386工作状态检测244.1.3 LM567调制模块检测254.1.4末级功放电路检测264.2
8、调试总结26总结27参考文献28附录29致 谢31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
9、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 (Power Line Carrier)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1Mbits的速率数据传输的远程
10、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1Mbits发展到2、14、24Mbits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14Mbits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
11、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、200Mbits的低压PLC产品以及14、45Mbits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
12、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
13、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(9490KHz),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
14、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
15、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0.33.4kHz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,
16、要在电力线上进行无法直接音频通信。经实践证明,把1路0.33.4kHz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
17、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(0.33.4)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
18、为+(0.33.4)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+(0.33.4)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+(0.33.4)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
19、设备中的线路滤波器的作用完全相同。语言信号调制音频放大滤波器功放滤波器载波滤波器音频放大功放滤波器本地载波解调器fffffBA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40500kHz。 电力系统中的电力线路是为了传输和分配电能而架
20、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40500kHz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,利用相位误差信号电压去消除频率误差。二、原理:锁相
21、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
22、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。是个线性电路滤除鉴相器输出起平滑滤波的作用,通常由电阻、电容或电感等组成,有时也包含运算放大器。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
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