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電力線通信PLC (Power Line Communication)技術作為一種新型的通信方式，被廣泛用于遠程監控指示、設備保護、電力線自動抄表、電網負載控制和供電管理等領域。隨著通信科技的不斷發展，軟件無線電技術為電力線通信系統的設計提供了新的方法。基于軟件無線電的電力線通信發射機硬件平臺包括FPGA模塊、AD9857上變頻模塊、濾波放大模塊及其它模塊。其中，FPGA模塊用于進行基帶處理和系統控制。AD9857模塊用于實現基帶信號的數字上變頻，并將基帶信號變頻為中頻信號，然后通過濾波放大模塊，送入電力線耦合模塊。因此AD98-57是連接數字信號和模擬信號的橋梁，其性能的好壞將影響電力線通信的質量。 1 AD9857的工作原理 AD9857是由Analog Devices公司研發的14位積分數字上變頻器件，具有200 MHz內部時鐘速度。它集成了帶鎖定指示器的4～20倍可編程時鐘倍頻器，可提供高精度的系統時鐘；可選擇單端或者差分輸入參考時鐘，輸入時鐘范圍為10～50MHz；具有14位DUC、DAC數據通道，且集成了兩個插值濾波器及CIC預先補償濾波器，可接受復合I／Q數據輸入；具有32位頻率控制字，最高可產生90 MHz的載波輸出，同時由DDS提供正交載波，可實現PAM、QAM、ASK、FSK等多種信號的上變頻調制；具有10MHz串行通信控制接口，可與SPI兼容；具有8位的輸出幅度控制及較好的動態輸出特性，例如當輸出65 MHz模擬信號時，其無雜散動態范圍SFDR大于80 dB。 AD9857主要由14位并行數據輸入接口、CIC反轉濾波器、固定插值因子濾波器、CIC可編程插值濾波器、正交調制器、直接數字頻率生成器DDS、反轉SINC濾波器、14位DAC以及串行通信端口、內部寄存器、時鐘電路等部分組成。其系統結構與功能如圖1所示。 圖1 AD9857的結構與功能框圖 AD9857有三種工作模式：正交調制模式、單頻模式以及內插數模轉換模式。此處選取正交調制模式。AD9857的核心部分是內插濾波器與正交數字混頻器。內插濾波器通過在原始取樣值附近增加新的取樣值——零值來增加輸出信號的采樣率，但在時域中向數據插入零值時，信號將會在頻域上產生原始信號頻譜的鏡像。因此，還需通過低通濾波器將鏡像頻譜濾除。正交數字混頻器將內插后的I／Q信號與正交載波信號進行數字混頻，來完成上變頻過程。正交載波信號由直接數字頻率合成器DDS產生，其載波頻率可通過一個32位的寄存器控制，具有較高的頻率精度。 2 AD9857的初始化 AD9857的初始化主要是通過對一個串行接口配置AD9857及其內部參數的方式進行。AD9857提供了一個靈活的同步串行通信口，該串口兼容Motorola的6095／11 SPI協議及Intel8051SSR等協議，允許對配置AD9857的所有寄存器進行讀寫操作。同時，在支持單字節和多字節傳輸 方式的情況下還可支持先傳MSB，或先傳LSB的傳輸方式，此處選用MSB方式，其串口管腳包括CS、SDIO、SD0、SCLK和SYNCIO。 AD9857的一個串口通訊周期分為以下兩個階段： 第一階段是指令周期，即對AD9857的指令字節的寫入。指令字節給AD9857的串口控制提供有關數據傳輸周期的信息，并可確定即將到來的數據傳輸是讀還是寫、數據傳輸的字節數以及傳輸的第一個字節的寄存器地址。 第二階段是數據傳輸周期。每個通訊周期的前8個SCLK上升沿用來寫AD9857的指令字節，其余的SCLK上升沿是為了通訊周期的第二個階段，即AD9857和系統控制器間的數據傳輸。AD9857的所有數據傳輸在SCLK上升沿被寄存，在下降沿被送出。圖2所示是寄存器數據寫時序圖。 SYNCIO信號可用于串口同步。當傳輸一個周期后，為防止符號同步丟失，應使SYNCIO信號拉升為一高電平，并持續一個時鐘周期，而后重新拉低，即開始下一個通信周期。 在本系統中將AD9857配置為正交工作模式，需要設置的寄存器組共有8個，地址為00h～07h，另外的18個寄存器與該工作模式無關，因而無需設置。串口中一個通信周期最多只能傳輸4個字節數據，因此，應分兩個通信周期完成寄存器組的寫入。在兩個通信周期中，第一個指令字節和其中四個字節寄存器數據組成第一個通信周期；第二個指令字節和另四個字節寄存器數據組成第二個通信周期。 內部控制寄存器地址分布范圍為00h～19h，其中00h和01h是共用的，可對AD9857的工作模式、高低位順序、鎖相環倍頻數、串口工作模式、自動節能、CIC溢出控制處理、PLL鎖相環失效處理等運行方式進行設置。從02h～19h共分為4組相同結構的寄存器，每一組長度為6 byt-e，其中有存儲DDS的頻率控制字、CIC可編程插值濾波器的插值倍數N及輸出增益控制。各組的值可以預先設定，在AD9857工作時可以通過直接配置管腳PS0、PSl來選定所需要的功能組，從而達到快速更改工作參數的目的。 此過程需用到的計算公式有： 本系統參考時鐘輸入為10 MHz的單端時鐘，設置PLL時鐘倍數為PLL_MUL=4，則系統時鐘為SYSCLK=40 MHz。系統需要并口數據輸入速率為PDCLK=1．25 MHz，則根據公式： 其中CIC濾波器的插值倍數為N_CIC=8，AD9857的載波頻率為4 MHz，則混頻器DDS的輸出頻率即為fout_DDS=4 MHz，其頻率控制字寄存器FTW設置為0x19999999。 3 AD9857的數據傳輸過程 在完成初始化后，AD9857即進入正交調制模式。數據通過14位并行口送入。AD9857的數據傳輸接口如圖3所示。 各引腳功能為： DO—D13：數據傳輸端口，14位并行端口； PDCLK：輸入數據同步時鐘，2．5 MHz，由AD9857提供給FPGA； TxENABLE：傳輸使能信號，當信號為0時，屏蔽輸入數據，自動在I／Q通道填0；當信號為1時，接收數據，當第一個上升沿來到時，開始接收數據。 數據通過14位并行數據接口傳輸給AD9857，I／Q通道數據交替傳輸，每兩次數據傳輸匹配為一組合法的I、Q采樣數據。兩路數據再通過反轉CIC插值濾波器，預先補償CIC濾波器帶來的衰減。之后，數據流過插值因子為4的固定內插濾波器和可編程CIC濾波器。其中CIC濾波器的插值率可通過寄存器設定，通常設置為4倍插值，便可經過兩級內插濾波器提高信號采樣率，同時低通濾波器濾除了因內插而產生的鏡像頻率。最后信號進入正交調制器，與正交載波信號進行數字混頻(DDS)，完成上變頻處理。經上變頻處理的信號再經過D／A轉換，生成模擬中頻信號輸出。輸出的模擬信號通過差分信號IOUT輸出，其輸出電流范圍為0～20 mA。 4 基于AD9857的數字上變頻電路設計 基于AD9857芯片的信號上變頻處理模塊的主要任務是完成調制信號的上變頻、DAC轉換、濾波放大和處理，最后將信號經過電力線耦合模塊發射出去。 該設計中，AD9857外部晶振使用10 MHz，內部經過4倍倍頻，工作時鐘為40 MHz。內部可編程CIC內插系統為8，直接數字頻率合成器DDS產生4 MHz載波信號。AD9857從FPGA接收IQ兩路信號，經過32被內插后，與4MHz載波進行正交調制，之后，在經過D＼A轉換將其變為電流信號，最后使用變壓器ADTl-l把電流信號轉化為電壓信號。由于AD9857輸出信號存在鏡頻干擾。可使用模擬帶通濾波器進行信號處理，帶通濾波器通帶頻率為3 MHz-5 MHz，通帶衰減很小。最后信號經過AD8139進行差分放大，送入電力線耦合模塊。 5 結束語 文中介紹了AD9857數字上變頻芯片在電力線通信發射機中的應用，描述了AD9857的工作原理和電路設計。通常在實際應用中AD9857需要在FPGA的配合下使用，其參數配置往往也要根據電力線通信的具體應用進行設計和配置。 |
