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，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（ SGS － THOMSON ）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 POWER － DOWN （低功耗）模式

1234

5

6

7

8

9

10

1112 13 14 15 16 17 18

19

20

21

22

23

24

25262728

RX/TX

RESET

TEST4

TEST3

RXD

CLR/T

RXDEM

DGND

DVVD

TEST1

TEST2

TXD

XTAL2

XTAL1

CHS

BRSAFCF

DVSS

IFO

DEMI

AVSS

AGND

AVDD

RAI

RXFO

TXFI

ALCI

ATO

ST7536

管脚说明：管脚名

称

管脚号码

功 能 描 述

Rx/Tx 1 接收或发送模式选择输入端

RESET 2 逻辑复位和低功耗模式选择端，低电平有效。

TEST4 3 测试输入选择端。高电平时选择发信滤器的输入为 TxF1端

TEST3 4测试输入端，当 TEST1为高电平时，选择本脚为时钟恢复电路

的输入端

RxD 5 同步接收数据输出端

CLR/T 6 接收或发送时钟（由工作模式决定）

RxDEM 7 解调数据输出端

DGND 8 数字地

DVDD 9 数字正电源： 5V±5％

TEST1 10测试输入选择端，高电平时取消发送至接收模式的自动切换功

能，并使 TEST3输入有效。

TEST2 11测试输入选择端，高电平时压缩发送至接收模式的自动切换时

间。

TxD 12 发送数据输入

XTAL2 13 晶振输出

XTAL1 14 晶振输入

CHS 15 信道选择输入

BRS 16 波特率选择输入

AFCF 17 可用于相连补偿网络的自动频率控制信号输出

DVSS 18 数字负电源：－ 5V±5％

IFO 19 中频滤波输出

DEMI 20 FSK解调输入

AVSS 21 模拟负电源：－ 5V±5％

AGND 22 模拟地

AVDD 23 模拟正电源： 5V±5％

RAI 24 模拟信号接收输入

RxFo 25 接受滤波器输出

TxFI 26 发送滤波器输入（ TEST4为高电平时选择）

ALCI 27 自动电平控制输入

ATO 28 模拟信号发送输出

发送部分： 置 Rx/ ＝ 0 时芯片为发送模式，当 Rx/ 保持低电平超

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

CLR/T

TXDDATA VALID

图 6-1 发送数据输入定时

表 1 ：

BRS CHSBaud Rate(Baud)

TxFrequencies(KHz)TxD=1-TxD=0

0 0 600 81.75-82.35

0 1 600 67.2-67.8

1 0 1200 71.4-72.6

1 1 1200 85.95-87.15

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 ）进行滤波。

1

2

3 4

5

6

7

8 9

10 11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21 22 23

24

25

26

27

28

IFO

XTAL2

XTAL1

RX/TX

RESET

BRS

CHS

TXD

TXFI

DEMI

TEST1 TEST2 TEST3TEST4

CLR/T

RXD

RXDEM

ALCI

ATO

AFCF

RAI

RXFO DGND DVDD DVSS AVSS AGND AVDD

BAND-PASS

RX

S.C.FILTER

20dB

GAINBAND-PASS

S.C.FILTER

I.F.

AFCREFERENCE

VCLTAGE TIME BASE AND

CONTROL LOGIC

ALC

TXBAND-PASSS.C. FILTER

A.

FSKMODULATOR

CORRELATORPOST-DEMOS.C. FILTER

MCLOCK

RECOVERY

TESTLOGIC

ST7536

UX

MUX

A.FILTER

A.A.

FILTER

A.A.

FILTER

A.A.

FILTER

SMT.

FILTER

SMT.

FILTER

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 6—3 ）。

VT1

VT2Low Gain

Correct GainHigh Gain

Correct Gain

ALC CLOCK

34.7us

104.2us

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，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 BRS ＝0 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（ 1μF±10%,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。

CLR/T

TXDDATA VALID

图 6-4

附加的数字和模拟功能： 由复位输入（ RESET ）来初始化芯片。当 RESET ＝ 0

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 22pF±10% 。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 （ 470nF±10％， 10V ）、 C2 （ 47nF±10％， 10V ）和 R1 （ 1.5KΩ ）构成的补偿网络来保证。

17 22C1

C2

R1

AFCF AGND

图 6-5 自动频率环路滤波器

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 TEST4 ＝ 1 时，脚 RxFO直接输入发送带通滤

波器被选择和允许。 当 TEST2 ＝ 1 时，发送到接收的自动转换延时由

3秒缩至 1.48ms 。 当 TEST1 ＝ 1 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 ）和电力线接口（ PLI ）等组成。详细原理图见图 6-6 。

ST7536

PL1

Controller

PLI ST7536

Controller

Data-transmission

over POWERLINE

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 ：

SW1-1 SW1-2 SW1-3 SW1-4 MCU工作状态

off X X X 接收状态（控制 ST7536工作于收态）

on off off X 控制 ST7536 “发固定 0”码

on off on X 控制 ST7536 “发固定 1”码

on on off X 控制 ST7536 “发 0” “、 1”交替码

on on on X 控制 ST7536发伪随机码

ST7536 的波特率和信道选择由拨动开关 SW2 控制，如表 3 ：

表 3:

SW2-1(CHS)

SW2-2(BRS)

波特率 发送频率 (KHz)TxD=1-TxD=0

off off 600 81.75-82.35

on off 600 67.2-67.8

off on 1200 71.4-72.6

on on 1200 85.95-87.15

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 1 － 100Ω 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 ：

buffer power amplifierLPF

PreamplifierBPF

RAI

ATO

RX/TXtransformer

powerline

图 6-7 电力线接口 (PLI) 框图

+

- PUSHPULL

AMPLIFIER

R9

R10

R11

C16

C18

U2

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（ PUSH － PHLL 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 、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 50Hz—10MHz 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 TR1 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 5Ω 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： SW1 － 1 为 on, SW1 －

2 为 on ， SW1 － 3 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 SW2 － 2 为 off （ SW2 － 1 不管），用示波器观测测试点 TP1 的波形（ ST7536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 SW2 － 2 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 SW2 － 1 为 off ， SW2 － 2 为

off ，即 ST7536 工作在 1 信道。 置拨动开关 SW1 的 SW1 － 1 为 on ， SW1 － 2 为

off ， SW1 － 3 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 SW1 － 1 为 on ， SW1 － 2为 off ， SW1 － 3 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。

信道号

SW2开关位置SW2－ 2 SW2－ 1

“发 0”信号参数频率（ KHz）峰值（ V）

“发 1”信号参数频率（ KHz）峰值（ V）

1 off off

2 off on

3 on off

4 on on

（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 SW1 － 1 为 off ，使 MCU控制 ST7536处于接收状态，调整拨动开关 SW2的 SW2-1 、 SW2 － 2 为 on ，使 ST7526 工作于4 信道。拨掉连在 P2插口上的 5Ω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