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电力线通信PLC (Power Line Communication)技术作为一种新型的通信方式,被广泛用于远程监控指示、设备保护、电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域。随着通信科技的不断发展,软件无线电技术为电力线通信系统的设计提供了新的方法。基于软件无线电的电力线通信发射机硬件平台包括FPGA模块、AD9857上变频模块、滤波放大模块及其它模块。其中,FPGA模块用于进行基带处理和系统控制。AD9857模块用于实现基带信号的数字上变频,并将基带信号变频为中频信号,然后通过滤波放大模块,送入电力线耦合模块。因此AD98-57是连接数字信号和模拟信号的桥梁,其性能的好坏将影响电力线通信的质量。
1 AD9857的工作原理 AD9857是由Analog Devices公司研发的14位积分数字上变频器件,具有200 MHz内部时钟速度。它集成了带锁定指示器的4~20倍可编程时钟倍频器,可提供高精度的系统时钟;可选择单端或者差分输入参考时钟,输入时钟范围为10~50MHz;具有14位DUC、DAC数据通道,且集成了两个插值滤波器及CIC预先补偿滤波器,可接受复合I/Q数据输入;具有32位频率控制字,最高可产生90 MHz的载波输出,同时由DDS提供正交载波,可实现PAM、QAM、ASK、FSK等多种信号的上变频调制;具有10MHz串行通信控制接口,可与SPI兼容;具有8位的输出幅度控制及较好的动态输出特性,例如当输出65 MHz模拟信号时,其无杂散动态范围SFDR大于80 dB。 AD9857主要由14位并行数据输入接口、CIC反转滤波器、固定插值因子滤波器、CIC可编程插值滤波器、正交调制器、直接数字频率生成器DDS、反转SINC滤波器、14位DAC以及串行通信端口、内部寄存器、时钟电路等部分组成。其系统结构与功能如图1所示。 图1 AD9857的结构与功能框图 AD9857有三种工作模式:正交调制模式、单频模式以及内插数模转换模式。此处选取正交调制模式。AD9857的核心部分是内插滤波器与正交数字混频器。内插滤波器通过在原始取样值附近增加新的取样值——零值来增加输出信号的采样率,但在时域中向数据插入零值时,信号将会在频域上产生原始信号频谱的镜像。因此,还需通过低通滤波器将镜像频谱滤除。正交数字混频器将内插后的I/Q信号与正交载波信号进行数字混频,来完成上变频过程。正交载波信号由直接数字频率合成器DDS产生,其载波频率可通过一个32位的寄存器控制,具有较高的频率精度。 2 AD9857的初始化 AD9857的初始化主要是通过对一个串行接口配置AD9857及其内部参数的方式进行。AD9857提供了一个灵活的同步串行通信口,该串口兼容Motorola的6095/11 SPI协议及Intel8051SSR等协议,允许对配置AD9857的所有寄存器进行读写操作。同时,在支持单字节和多字节传输 方式的情况下还可支持先传MSB,或先传LSB的传输方式,此处选用MSB方式,其串口管脚包括CS、SDIO、SD0、SCLK和SYNCIO。 AD9857的一个串口通讯周期分为以下两个阶段: 第一阶段是指令周期,即对AD9857的指令字节的写入。指令字节给AD9857的串口控制提供有关数据传输周期的信息,并可确定即将到来的数据传输是读还是写、数据传输的字节数以及传输的第一个字节的寄存器地址。 第二阶段是数据传输周期。每个通讯周期的前8个SCLK上升沿用来写AD9857的指令字节,其余的SCLK上升沿是为了通讯周期的第二个阶段,即AD9857和系统控制器间的数据传输。AD9857的所有数据传输在SCLK上升沿被寄存,在下降沿被送出。图2所示是寄存器数据写时序图。 SYNCIO信号可用于串口同步。当传输一个周期后,为防止符号同步丢失,应使SYNCIO信号拉升为一高电平,并持续一个时钟周期,而后重新拉低,即开始下一个通信周期。 在本系统中将AD9857配置为正交工作模式,需要设置的寄存器组共有8个,地址为00h~07h,另外的18个寄存器与该工作模式无关,因而无需设置。串口中一个通信周期最多只能传输4个字节数据,因此,应分两个通信周期完成寄存器组的写入。在两个通信周期中,第一个指令字节和其中四个字节寄存器数据组成第一个通信周期;第二个指令字节和另四个字节寄存器数据组成第二个通信周期。 内部控制寄存器地址分布范围为00h~19h,其中00h和01h是共用的,可对AD9857的工作模式、高低位顺序、锁相环倍频数、串口工作模式、自动节能、CIC溢出控制处理、PLL锁相环失效处理等运行方式进行设置。从02h~19h共分为4组相同结构的寄存器,每一组长度为6 byt-e,其中有存储DDS的频率控制字、CIC可编程插值滤波器的插值倍数N及输出增益控制。各组的值可以预先设定,在AD9857工作时可以通过直接配置管脚PS0、PSl来选定所需要的功能组,从而达到快速更改工作参数的目的。 此过程需用到的计算公式有: 本系统参考时钟输入为10 MHz的单端时钟,设置PLL时钟倍数为PLL_MUL=4,则系统时钟为SYSCLK=40 MHz。系统需要并口数据输入速率为PDCLK=1.25 MHz,则根据公式: 其中CIC滤波器的插值倍数为N_CIC=8,AD9857的载波频率为4 MHz,则混频器DDS的输出频率即为fout_DDS=4 MHz,其频率控制字寄存器FTW设置为0x19999999。 3 AD9857的数据传输过程 在完成初始化后,AD9857即进入正交调制模式。数据通过14位并行口送入。AD9857的数据传输接口如图3所示。 各引脚功能为: DO—D13:数据传输端口,14位并行端口; PDCLK:输入数据同步时钟,2.5 MHz,由AD9857提供给FPGA; TxENABLE:传输使能信号,当信号为0时,屏蔽输入数据,自动在I/Q通道填0;当信号为1时,接收数据,当第一个上升沿来到时,开始接收数据。 数据通过14位并行数据接口传输给AD9857,I/Q通道数据交替传输,每两次数据传输匹配为一组合法的I、Q采样数据。两路数据再通过反转CIC插值滤波器,预先补偿CIC滤波器带来的衰减。之后,数据流过插值因子为4的固定内插滤波器和可编程CIC滤波器。其中CIC滤波器的插值率可通过寄存器设定,通常设置为4倍插值,便可经过两级内插滤波器提高信号采样率,同时低通滤波器滤除了因内插而产生的镜像频率。最后信号进入正交调制器,与正交载波信号进行数字混频(DDS),完成上变频处理。经上变频处理的信号再经过D/A转换,生成模拟中频信号输出。输出的模拟信号通过差分信号IOUT输出,其输出电流范围为0~20 mA。 4 基于AD9857的数字上变频电路设计 基于AD9857芯片的信号上变频处理模块的主要任务是完成调制信号的上变频、DAC转换、滤波放大和处理,最后将信号经过电力线耦合模块发射出去。 该设计中,AD9857外部晶振使用10 MHz,内部经过4倍倍频,工作时钟为40 MHz。内部可编程CIC内插系统为8,直接数字频率合成器DDS产生4 MHz载波信号。AD9857从FPGA接收IQ两路信号,经过32被内插后,与4MHz载波进行正交调制,之后,在经过D\A转换将其变为电流信号,最后使用变压器ADTl-l把电流信号转化为电压信号。由于AD9857输出信号存在镜频干扰。可使用模拟带通滤波器进行信号处理,带通滤波器通带频率为3 MHz-5 MHz,通带衰减很小。最后信号经过AD8139进行差分放大,送入电力线耦合模块。 5 结束语 文中介绍了AD9857数字上变频芯片在电力线通信发射机中的应用,描述了AD9857的工作原理和电路设计。通常在实际应用中AD9857需要在FPGA的配合下使用,其参数配置往往也要根据电力线通信的具体应用进行设计和配置。 |
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