接上篇
     數(shù) 字 濾 波 器 的 基 本 原 理 是 對 輸 入 的 離 散 信 號 進 行 運 算，使得信號的頻譜發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對無用信號的濾除 作用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字濾波器可以由硬件實現(xiàn)也 可以由軟件實現(xiàn)。由于數(shù)字濾波器的特點和實現(xiàn)的簡單性， 數(shù)字濾波器被廣泛應(yīng)用在各種數(shù)字信號處理領(lǐng)域。數(shù)字濾波 器可以分為兩種，IIR和FIR濾波器，IIR濾波器為無限長沖 擊響應(yīng)濾波器，F(xiàn)IR濾波器為有限長沖擊響應(yīng)濾波器。兩種 濾波器的系統(tǒng)函數(shù)結(jié)構(gòu)不同，從而根本上導(dǎo)致了兩種濾波器 的不同。二者系統(tǒng)函數(shù)的特點決定了它們具有不同的實現(xiàn)結(jié) 構(gòu)和特點：FIR濾波器沒有輸出對輸入的反饋結(jié)構(gòu)但是具有 很好的線性相位特性，IIR有輸出對輸入的反饋但是相位是 非線性的，而且隨著頻率選擇性的提高，非線性的特點表現(xiàn) 得越明顯。
3.1  IIR濾波器的原理

圖8  總體架構(gòu)圖

圖9  組網(wǎng)測試
IIR濾波器的濾波效率較高，在同樣的幅頻響應(yīng)下，IIR濾波器的階數(shù)和所需要的硬件資源都比FIR濾波器少。IIR濾 波器相位的非線性使得其使用范圍沒有FIR濾波器大。然而 在不需要線性相位的環(huán)境下，IIR濾波器的性能比FIR濾波器 好得多。IIR濾波器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

(2)
系統(tǒng)的差分方程可以寫成
(3)
從系統(tǒng)函數(shù)可以看出， IIR濾波器有以下幾個顯著特 性。
1)不為零的極點和零點在IIR濾波器同時存在。要保證
濾波器為穩(wěn)定的系統(tǒng)，需要使系統(tǒng)的極點在單位圓內(nèi)，也就 是說系統(tǒng)的穩(wěn)定性由系統(tǒng)函數(shù)的極點決定。
2)在數(shù)字硬件平臺上實現(xiàn)IIR濾波器，由于存在反饋結(jié)
構(gòu)，因此受限于有限的寄存器長度，無法通過增加字長來實 現(xiàn)全精度的濾波器運算，濾波器運算過程中的有限長效應(yīng)是 工程實現(xiàn)時必須考慮的問題。
3.2  IIR與FIR濾波器的比較
IIR與FIR濾波器是最常見的數(shù)字濾波器，兩者的結(jié)構(gòu)及 分析方法相似。在具體的工程設(shè)計中要根據(jù)二者的不同更合 理地選擇濾波器種類，以更少的資源獲取所需的性能，二者 的性能差異及應(yīng)用特點如下：
1)通常在具有相同幅頻響應(yīng)的情況下，F(xiàn)IR濾波器的階
數(shù)等于5~10倍IIR濾波器的階數(shù)。
2)FIR濾波器具有線性相位特性。 在相同的階數(shù)情況 下；IIR濾波器的幅頻特性比FIR濾波器好，但其相位是非線 性的。

圖10 發(fā)送信號

圖11  解調(diào)結(jié)果

圖12  兩種調(diào)制方案電力線信號    

圖13  頻率計上位機測試
3)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)是有限長的，由于采用了非遞 歸的結(jié)構(gòu)所以是穩(wěn)定的系統(tǒng)。而必須用遞歸結(jié)構(gòu)的IIR濾波 器，當其系統(tǒng)函數(shù)的極點在單位圓內(nèi)時，系統(tǒng)才可以穩(wěn)定。 這種采用反饋的結(jié)構(gòu)，運算時進行了舍入處理，會導(dǎo)致振蕩 現(xiàn)象。
4)FI R濾波器可以使用FFT和其他的快速算法來實現(xiàn)
卷積運算，運算速度快。IIR濾波器無法采用類似的快速算 法。
5)在兩種濾波器的實現(xiàn)方法上，IIR濾波器可以采用現(xiàn)
成的設(shè)計公式、數(shù)據(jù)和表格等資料，這些資料在模擬濾波 器中已經(jīng)驗證使用過。FIR濾波器不可以借助這些資料。由于計算機軟件的發(fā)展，F(xiàn)IR、
IIR濾波器的設(shè)計均可以采用 現(xiàn)成的函數(shù)，因此在工程設(shè) 計中二者的設(shè)計難度均已大 大降低。

4 發(fā)射機方案設(shè)計
4.1 RS編碼
在電力線傳輸過程中，由于信道衰落和噪聲的影響， 導(dǎo)致傳輸信息出錯，因此必須引入一種糾錯機制，使信息在 傳輸出錯后，接收端仍然能夠接收到正確的信息，F(xiàn)EC（前 向糾錯）是一種既能發(fā)現(xiàn)錯碼位置、又能糾正錯誤碼的糾錯 機制。RS碼是一種具有很強糾錯能力的多進制前向糾錯編碼，RS編碼適合存在突發(fā)型錯誤的通信系統(tǒng)中。
4.2  信號調(diào)制
信 號 調(diào) 制 采 用 相 位 連 續(xù) 的 8 F S K 調(diào) 制 方 式 ， FSK的相位連續(xù)方式能減小頻率譜擴展，減小帶寬 和干擾。具體實現(xiàn)方法是，假設(shè)碼元長度為Ts，則 選擇合適的載波頻率使得在每個碼元長度Ts內(nèi)有整 數(shù)個完整載波，并且載波的初始相位相同，則可 滿足FSK調(diào)制的相位連續(xù)性。
8進制頻移鍵控中采用8個不同的頻率分別表
示8進制的碼元，每個碼元含有3bit的信息，載波頻 率與碼元位的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。
因 為 告 警 信 號 需 要 在 0 . 5 m s 內(nèi) 被 調(diào) 制 、 傳 輸 、 解 調(diào) 出 來 ， 我 們 選 擇 碼 元 Ts = 2 0 u s ， 通 信 波 特 率 為 1 / Ts = 5 0 K Bp s 。 告 警 信 號 的 幀 長 度 為 6 b i t
（ 3 b i t 地 址 ， 2 b i t 命 令 ， 1 b i t 告 警 信 號 ） ， 經(jīng) 過 R S（ 6,2） 編碼后為6個碼元， 每個碼元包括3bit信息。 傳 輸 6 個 碼 元 需 要 6 個 載 波 頻 率 。 傳 輸 一 幀 告 警 信 號 的 時 間 t=6/50KBps =0.12ms， 再加一些調(diào)制解調(diào)的時間， 能實現(xiàn)0.5ms內(nèi)進行告警信號傳輸。A D C 的 最 高 采 樣 速 率 為 5 0 M Hz ， 我 們 選 擇 的 碼 元 時 間 Ts = 2 0 u s ， 要 滿 足 相 位 連 續(xù) ， 所 以 我 們 選 擇 基 波 頻 率 為15MHz， 8個頻偏分別是100kHz， 200kHz， 300kHz，400kHz，500kHz，600kHz，700kHz，800kHz，信號的產(chǎn)生 由DDS完成。調(diào)制算法框圖如圖6所示。
5 接收機方案設(shè)計
耦合電路得到的信號經(jīng)AD采樣后，首先經(jīng)過數(shù)字下變 頻，截止頻率為5MHz的IIR低通濾波器去掉頻率為15MHz的 基波。然后通過8路解調(diào)器，每路解調(diào)器對信號進行相干解 調(diào)，本設(shè)計中，采用每路解調(diào)器的信號同時分別乘以正弦和 余弦波的方式來實現(xiàn)相干解調(diào)，而不是通過相位同步的方 式，從而可以簡化方案，并且可以準確解調(diào)。相干解調(diào)后的信號通過截止頻率為50kHz的IIR低通濾波器后，平方求和開方，得到解調(diào)信號。然后8路解調(diào)器解調(diào)出的信號送入抽樣 判決器從而得到信號幀。然后通過RS解碼得到告警信號和 設(shè)備地址。接收機解調(diào)算法框圖如圖7所示。

6  系統(tǒng)總體架構(gòu)
當 有 告 警 信 號 （ 一 個 開 關(guān) 量 ） 產(chǎn) 生 時 ， 告 警 信 號 加上設(shè)備地址信息進行組幀，一幀二進制信號經(jīng)過RS編碼，8FSK調(diào)制，調(diào)制后的載波經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換后，通過耦合電路耦 合到直流電力線上進行傳輸。接收端一直檢測電力線上的信號，該信號經(jīng)電力線耦 合電路耦合出來以后，進行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字下變頻和IIR濾 波，然后通過8路解調(diào)器，每路解調(diào)器的信號分別乘以正余 弦載波，并通過IIR低通濾波器后，平方求和開方，然后8路 解調(diào)器解調(diào)出的信號送入抽樣判決器從而得到信號幀，然后 通過RS解碼得到告警信號和設(shè)備地址，將此信息傳遞給后 續(xù)模塊進行處理，以告知是哪個節(jié)點出現(xiàn)了問題。系統(tǒng)整體 架構(gòu)如圖8所示。

7  系統(tǒng)實現(xiàn)
系統(tǒng)測試環(huán)境如圖9所示。 該系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)中另外存在的 電力線載波芯片同時通信，兩個通信芯片互不影響。組網(wǎng) 測試1小時，測試電力線載波芯片（基于OFDM）和本系統(tǒng)（基于FSK）的誤碼率。
7.1 信號調(diào)制到電力線上
測試方法：將示波器探頭放在發(fā)送端檢測發(fā)送信號。測試結(jié)果：發(fā)送端發(fā)送報警信號，地址信號為3bit，由開關(guān)量觸發(fā)，發(fā)射端檢測到開關(guān)量變化后采用FSK將信號調(diào) 制到電力線上。發(fā)送端調(diào)制到電力線上的模擬信號如圖10所 示。
7.2 通過邏輯或模擬電路將電力線上信息解調(diào)出狀態(tài)信息
測試方法：將邏輯分析儀探頭放在接收端檢測解調(diào)出 來的地址信息位和告警信息位。
測試結(jié)果：接收端接收到信號后對調(diào)制的信號進行解 調(diào)，由此解調(diào)出報警設(shè)備地址和開關(guān)量狀態(tài)信號。
接收端解調(diào)出信號如圖11所示。圖示地址信號線從高
到低依次為3、2、1，4為告警信號位（解調(diào)），0為告警信 號觸發(fā)位。
7.3  誤碼率測試
測 試 方 法 ： 對 被 驗 收 模 塊 發(fā) 送 端 提 供 P W M 信 號
（1kHz，50%占空比），觀察被驗收模塊接收端輸出電平信 號是否也為同頻PWM信號，且占空比變化偏差不超過20%， 測試時間1小時。
測試結(jié)果： 經(jīng)組網(wǎng)測試表明， 測試時間1小時， 均正 常，無丟失。