基于CDMA扩频通信技术和芯片实现电力线载波通信系统的设计

1 引言

电力线载波通信是利用现有的电力线路作为介质进行信息传输的一种通信方式。广泛用于电力管理系统、工业自动控制系统、远程控制系统、智能化小区等领域。利用电力线作为通信媒介，无需另外架设通信线路，也不占用现有的频谱资源。但在电力线上进行信号传输，信号衰减大、噪声干扰大，使得电力线载波通信的应用受到了限制，必须采用多种技术措施改善通信质量。目前，最有发展前景的解决方案是采用技术先进的CDMA扩频通信技术。

2 CDMA扩频通信

CDMA（码分多址）包含二个基本技术：一个是码分技术，另一个是多址技术。

2.1 CDMA中的码分技术

码分技术的基础是扩频技术，其目的是解决强干扰下的通信。由香农定理可知，在信号传输速率一定的前提下，增加带宽可以降低对信噪比的要求。扩频通信正是利用这一原理，用宽带传输技术来获得低的信噪比。扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍，在相同信噪比的条件下，扩频系统具有很强的抗干扰能力。CDMA中最常用的扩频形式是用一个伪随机码序列与窄带：PSK信号相乘。这样，有用信号经扩频处理后，频谱被展宽了。

2.2 CDMA中的多址技术

所谓码分多址，是指利用扩频时使用的一组正交（或准正交）的伪随机码序列（地址码）来实现多个信号同时入网接续的要求。在接收端，利用伪随机码的相关性进行解扩，有用信号被恢复至窄带谱。宽带无用信号与本地伪随机码不相关，不能解扩，仍为宽带谱；窄带无用信号被本地伪随机码扩展成宽带谱。这样，只有有用信号才被压缩、识别和提取出来。

在本系统中，通过采用PL3200型SoC。将CDMA扩频通信应用到电力线载波通信系统。

3 PL3200型单片系统

3.1 PL3200的结构

PL3200是福星晓程公司开发的单芯片系统（SoC）。该系统采用5V单电源供电，内嵌8051型增强性高速微处理器及直序扩频码分多址载波通信模块．具有成本低、功能强等特点，能够高效地应用于电力线通信领域。图1示出PL3200的内部结构框图。

PL3200内嵌8／16位高性能、低功耗微处理器兼容内核ALU，同等主频情况下，8倍速于标准8051型微处理器．数据处理能力强。配置了256B+1KBSRAM（静态随机存储器）、16KB。E2PROM（电可擦除／可编程存储器）及3个外部中断，为用户提供丰富的嵌入式资源和理想的应用开发平台。另外，该系统还具有二个全双工UART（通用异步收发器），一个可配置为38kHz的红外通信模式，另一个可配置为RS-485通信模式。

针对智能仪表的应用要求，PL3200内置高精度电能计量电路、LCD/LED显示控制／驱动电路、实时钟及温度传感器。内置串行程序存储器编程接口，支持在系统编程（ISP）。同时集成了完善的电压监测，上电、掉电复位和看门狗电路，确保工业环境下运行时系统的可靠性。

3.2 通信模块的工作原理

PL3200的载波通信模块采用直接序列扩频通信方式，采用多地址通信技术将要发送的信息用伪随机码序列扩展到较宽的频带上。PL3200对扩频数据采用QPSK调制方式，其载波中心频率为120kHz。由于该系统采用Gold／Kasami序列，从而实现了码分多址，其地址数目最多可达40个，其中有32个Gold序列。8个Kasami序列。

PL3200在接收端用同样的伪码序列来恢复信息。接收过程包括载波信号的捕获和同步。捕获是接收模块在扩频序列精确同步前搜索接收信号，使接收信号的扩频序列与本地扩频序列在相位上进入可同步保持的范围，即二者的相位在一个扩频序列码元之内。捕获完成后进入跟踪阶段，使本地伪码能够自动接收到信号的伪随机码保持精确同步。跟踪电路采用全数字基带延迟锁定环。

PL3200载波通信单元的具体设定是通过对载波通信寄存器组不同地址的寄存器写入对应的控制字来实现的。在载波通信寄存器组中，00H的寄存器用来指示载波通信单元处于收态还是发态，以及数据和帧头的接收发送标志；02H、03H的寄存器可设置选择伪码的种类、地址选择位和速率等；04H的寄存器用来设置本地与接收到的伪码序列相位同步的捕获门限值；05H的寄存器用于设定本地与发送端伪码序列相位同步的精确同步门限值。

4 CDMA扩频载波通信系统

4.1 通信系统的组成

本文基于PL3200设计了CDMA扩频电力线载波通信系统，具体组成如图2所示。

数据由主机A（或主机B）的串口RS-232发出，通过PC接口电路进行电平转换后送入PL3200。在PL3200中，先由扩展串口UART（通用异步收发器）接收数据，经内嵌8051型微处理器控制处理，再送入载波通信单元，对数据进行CDMA直接序列扩频．扩频后的信号经120kHz的载波频率调制后输出。此信号通过电力线接口电路进行功率放大、滤波并耦合到低压电力线上，实现电力线载波通信。在接收端．经过电力线接口电路将电力线上的信号耦合出来并对信号进行滤波限幅。限幅后的信号送入PL3200进行捕获、同步及解扩处理，经由内嵌8051处理．由PL3200的UART串口发送数据。数据经PC接口电路进行电平转换后，由PC的RS-232接口送到主机B（或主机A）。

4.2 PC接口电路

本文主机A、B都采用PC。PL3200带有1个RS-485串行口，而PC一般只有2个RS-232串行口。为了实现普通PC与PL3200的连接，本文设计了一个接口电路，如图3所示。图中，MAX232是+5V电源的收发器，与计算机串口连接，实现RS-232接口信号和TTL，信号的电平转换。MAX485用来实现TTL与RS-485的电平转换。也可以采用工业控制计算机作为主机。工业控制计算机本身带有RS-485接口，可直接与PL3200连接，但工业控制计算机的价格要比普通PC高得多。

4.3 电力线载波接口电路

实现优质高效电力线载波通信的关键，除了所选用的载波调制解调器外，还有相应的电力线载波接口电路。本文电力线载波接口电路将PL3200的载波调制解调与电力线耦合，实现载波信号在电力线上的传输。电力线接口电路包括发送部分、载波耦合部分和接收部分，如图4所示。

（1）发送部分

发送部分对PL3200输出的载波调制信号进行功率放大，滤除掺杂在信号中的噪声和伪信号，从而将处理后的信号以较高的效率传输到低压电力线上。图4中，T1、T2构成NPN型复合管，T3、T4构成PNP型复合管，从而组成互补对称功率放大电路。其中，T2、T4采用同一型号的大功率管，以实现二者的特性曲线对称。PL3200产生的载波信号由P1.7输出，经功率放大电路放大后，含有谐波。系统主要的传输干扰频率是发送信号的二次谐波和三次谐波（PL3200的载波中心频率为120kHz，二次谐波和三次谐波分别为240k。Hz和360kHz），为了减少对电网的谐波污染，需进行滤波整形。电容器C4和电感器L2组成的带通滤波电路对发送的载波信号进行整形滤波。

（2）载波耦合部分

当PL3200处于发送状态时，载波耦合部分将PL3200产生的扩频调制信号耦合到低压电力线上：当PL3200处于接收状态时，载波耦合部分将低压电力线上的载波信号耦合过来，由SICIN脚送入PL3200。载波耦合部分由变压器T、电容器C5和电感器L3组成。变压器T选用1：1的隔离变压器。电容器C5将变压器与电力线隔离．过滤电力线上的50Hz的信号，这样就会阻止低频信号进入电路而使某些高频信号通过。万一电容器C5因短路而失去过滤50Hz信号的能力，接口电路就会被损坏。故C5要选用具有短路保护功能的X2型电容器。电容器C5和电感器L3还组成带通滤波器，对载波信号进一步滤波。

（3）接收部分

接收电路滤除来自电网中的噪声，这些噪声会降低PL3200的解调功能。对于接收电路，选用无源滤波器要优于有源滤波器，这是因为有源滤波器会产生一个与接收信号相当的白噪声。本系统选用无源带通滤波器（由C3、L1和R7组成），采用并联谐振回路形式。并联回路的中心频率由电容器C3和电感器L1的值决定，设计为120kHz。

为了避免低压电力线上的尖峰信号对接口电路的破坏，可用双向稳压管保护。当接收信号电压值等于或大于稳压管的稳压值时，稳压管将接收信号的电位箝制在稳压值，从而保证接口电路不会被烧坏。一般，火线与零线问的干扰为差模干扰；火线与地线。零线与地线间的干扰为共模干扰。采用一个双向稳压管只对差模尖峰信号起作用而对共模尖峰信号不起作用；当出现共模尖峰信号时就会对电路造成损坏。本系统采用3个二极管D3、D4和D5连成星形结构，如图4所示。对于差模尖峰信号，D3和D4构成一个双向稳压管；对于共模尖峰信号，这种星形结构相当于2个双向稳压管（D3和D5，D4和D5）。

5 载波通信系统的软件设计

本系统的载波通信为总线方式通信，载波单元的常态必须设置为接收态，对不同的载波模块可分配不同的通信地址。模块接收到校验正确的命令后，只有地址相同的模块才允许按规约进行应答。载波通信速率相对于主频低很多，为了提高CPU效率，数据的接收和发送均设计为中断方式处理，每次进入中断，完成对数据接收或发送的操作。系统主程序流程如图5所示。

6 结束语

笔者设计的CDMA扩频电力线载波通信系统，由于选用PL3200充当通信电路，因而具有很好的抗干扰性能。在对接口电路的设计中，根据实际线路的情况，选择合适的电容器和电感等元件，选用性能更佳的功率放大电路。便可达到低成本、远距离、高质量的通信效果。

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