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1、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，
2、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（SGSTHOMSON）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POWERDOWN（低功耗）模式,管脚说明：,发送部分：置Rx/0时芯片为发送模式，当Rx/保持
3、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,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
4、行滤波。,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63）。,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，
5、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BRS0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（1F10%,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。,图6-4,附加
6、的数字和模拟功能：由复位输入（RESET）来初始化芯片。当RESET0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22pF10%。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（470nF10，10V）、C2（47nF10，10V）和R1（1.5K）构成的补偿网络来保证。,图6-5 自动频率环
7、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 TEST41 时，脚RxFO直接输入发送带通滤波器被选择和允许。当 TEST21 时，发送到接收的自动转换延时由3秒缩至1.48ms。当TEST11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
8、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）。,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：,ST7536的波特率和信道选择由拨动开关SW2控制，
9、如表3：表3:,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1100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：,
10、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,上图中，推挽功放（PUSHPHLL 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、
11、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 50Hz10MHz 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TR
12、1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5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：SW11为on,SW12为on，SW13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SW22为off（SW21不管），用示波器观测测试点TP1的波形（ST7
13、536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SW22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SW21为off，SW22为off，即ST7536工作在1信道。置拨动开关SW1的SW11为on，SW12为off，SW13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
14、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SW11为on，SW12为off，SW13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。,（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SW11为off，使MCU控制ST7536处于接收状态，调整拨动开关SW2的SW2
15、-1、SW22为on，使ST7526工作于4信道。拨掉连在P2插口上的5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
16、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,
