Pspice軟件在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)課程教學(xué)中的應(yīng)用

郭穎娜 程為彬 高理

摘要：在“電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)”的課程教學(xué)中，利用Pspice軟件設(shè)計(jì)一些綜合仿真電路，可以加深學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。本文介紹了FSK調(diào)制解調(diào)電路的工作原理，并設(shè)計(jì)了FSK調(diào)制解調(diào)電路仿真電路。在發(fā)送端，采用間接調(diào)頻法實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的調(diào)制;在接收端，運(yùn)用普通鑒頻法進(jìn)行已調(diào)信號(hào)的解調(diào)。通過(guò)對(duì)各輸入輸出環(huán)節(jié)的波形分析，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)FSK調(diào)制解調(diào)原理的理解，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的興趣。

關(guān)鍵詞：FSK調(diào)制;解調(diào);間接調(diào)頻法;普通鑒頻法

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）32-0072-02

在“電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)”課程教學(xué)中，低壓電力線載波通信中常用FSK調(diào)制信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)的傳輸，基帶數(shù)字信號(hào)頻率一般在3.4kHz以下，經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制，將頻率搬移至載波通信頻段40～500kHz，然后將信號(hào)送至功率放大器，并經(jīng)高壓結(jié)合設(shè)備隔離后，送到高壓輸電線進(jìn)行傳輸。在接收端，經(jīng)高壓結(jié)合設(shè)備隔離后的高頻信號(hào)經(jīng)接收裝置的解調(diào)器還原成基帶信號(hào)[1]。教學(xué)中，利用PSpice對(duì)FSK的調(diào)制解調(diào)過(guò)程進(jìn)行了仿真，并對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的波形進(jìn)行了分析。

一、FSK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)原理

1.FSK調(diào)制電路設(shè)計(jì)原理

FSK信號(hào)調(diào)制又稱移頻鍵控，它是用兩種不同的載頻f1和f2來(lái)代表脈沖調(diào)制信號(hào)1和0，而載波的振幅和相位不變[2]。如果載波信號(hào)采用正弦型波，則FSK信號(hào)可表示為：

式中：f1—— 數(shù)字碼元“1”的載波頻率;

f2—— 數(shù)字碼元“0”的載波頻率;

B—— 數(shù)字基帶信號(hào)的帶寬。

FSK調(diào)制有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法兩種，仿真電路的設(shè)計(jì)采用了間接調(diào)頻原理，如圖1所示。

為1時(shí)，F(xiàn)SK信號(hào)的頻率為f1;為0時(shí)，F(xiàn)SK信號(hào)的頻率為f2，將分解為信號(hào)和之和。則有FSK調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生。

2.FSK解調(diào)電路設(shè)計(jì)原理

解調(diào)是調(diào)制的反過(guò)程，其目的是在接收端將移頻鍵控信號(hào)中的基帶信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。仿真電路原理采用了普通鑒頻法進(jìn)行解調(diào)，將恢復(fù)成碼元1，把恢復(fù)成碼元0。數(shù)字調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)二類，根據(jù)FSK信號(hào)的特點(diǎn)，通常采用非相干解調(diào)的方法。雖然它的性能略差于相干解調(diào)，但解調(diào)時(shí)不需要接收端提供相干載波，因而設(shè)備簡(jiǎn)單。FSK信號(hào)的非相干解調(diào)可以用鑒頻法、過(guò)零檢測(cè)法和差分檢波法。仿真電路采用普通鑒頻法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。

在接收端，F(xiàn)SK信號(hào)進(jìn)入帶通濾波器抑制掉干擾，經(jīng)限幅器消除接收的信號(hào)在幅度上的畸變。解調(diào)器的關(guān)鍵部位是鑒頻器，它把兩種不同頻率的FSK信號(hào)變成兩種不同的電壓信號(hào)，然后送低通濾波器濾除高頻分量，從而得到基波的包絡(luò)線，最后經(jīng)判決器恢復(fù)出其基帶數(shù)字信號(hào)。

二、調(diào)制電路仿真波形及分析

OrCAD PSpice A/D 10.5集成了模擬與數(shù)字仿真算法，既可以仿真純模擬電路或純數(shù)字電路，也可以非常有效地仿真模擬數(shù)字混合電路，該軟件可根據(jù)已知的電子線路理論進(jìn)行大量的計(jì)算，并仿真出近乎真實(shí)的電路結(jié)果，直觀地對(duì)設(shè)計(jì)電路的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行觀察，通過(guò)對(duì)波形的分析來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路原理的正確性，對(duì)設(shè)計(jì)存在的缺陷進(jìn)行改善，事先排除大部分設(shè)計(jì)方案本身的缺陷所造成的失誤，從而減少產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本[4-6]。在FSK調(diào)制解調(diào)電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用PSpice軟件對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析比較，并根據(jù)仿真波形對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了調(diào)整。

瞬態(tài)分析（Transient Analysis）也稱時(shí)域分析，以時(shí)間為橫軸來(lái)記錄的調(diào)制解調(diào)電路各環(huán)節(jié)的波形，由設(shè)置好的信號(hào)源提供待驗(yàn)證電路合適的輸入信號(hào)，待完成仿真后，用Probe程序來(lái)觀測(cè)輸出的波形。載波為工頻正弦載波，載波頻率分別為40 kHz和200 kHz，設(shè)計(jì)選用調(diào)制電路的基帶輸入信號(hào)為頻率的數(shù)字信號(hào)，正弦載波經(jīng)過(guò)數(shù)字調(diào)制電路后，得到的FSK調(diào)制波如圖3所示。

頻譜分析可以對(duì)調(diào)制信號(hào)的帶寬進(jìn)行驗(yàn)證，載波為正弦波時(shí)，F(xiàn)SK調(diào)制波的FFT分析結(jié)果如圖4所示。

由圖可知，F(xiàn)SK調(diào)制信號(hào)的帶寬BFSK的頻譜由連續(xù)譜和線譜組成，線譜出現(xiàn)在兩個(gè)載頻位置上;兩個(gè)載頻的頻率相差較大，標(biāo)稱頻率為120kHz，調(diào)頻指數(shù)為80，連續(xù)譜出現(xiàn)雙峰。FSK調(diào)制信號(hào)的帶寬BFSK為164kHz。按照FSK信號(hào)的帶寬計(jì)算公式可求得：

。

因此，可以驗(yàn)證按照原理圖1所設(shè)計(jì)的調(diào)制電路完全正確。

三、解調(diào)電路仿真波形及分析

調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)結(jié)合設(shè)備進(jìn)行高、低壓隔離和信號(hào)耦合后，送往電力線信道進(jìn)行傳輸[2，5]。在接收端，先由耦合電容和結(jié)合濾波器濾掉50Hz的交流正弦信號(hào)，得到高頻調(diào)制信號(hào)，再經(jīng)解調(diào)電路從接收到的調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原來(lái)的基帶信號(hào)。當(dāng)載波為正弦波時(shí)，F(xiàn)SK信號(hào)的解調(diào)電路如圖4所示，F(xiàn)SK信號(hào)首先進(jìn)入鑒頻電路進(jìn)行鑒頻[6]，鑒頻電路由LCR并聯(lián)諧振電路和檢波電路構(gòu)成的，其波形的變化過(guò)程如圖5所示。

LC調(diào)諧放大電路的功能是將兩種頻率不同的載波轉(zhuǎn)換成兩種幅值不同得調(diào)制信號(hào)。基本原理是把載頻f1或f2設(shè)置成LC調(diào)諧放大器的諧振頻率，則調(diào)制信號(hào)通過(guò)調(diào)諧電路時(shí)，其中的一個(gè)頻率發(fā)生諧振，幅值最大，另一頻率偏離諧振頻率，幅值較小。選頻電路的電流幅值響應(yīng)和電壓幅值響應(yīng)如圖6和圖7所示所示。

FSK信號(hào)經(jīng)調(diào)諧電路后變?yōu)锳SK信號(hào)，然后采用ASK的包絡(luò)檢波電路進(jìn)行檢波，其作用是要取出調(diào)幅波的包絡(luò)線，以實(shí)現(xiàn)解調(diào)的目的。設(shè)計(jì)中選用二極管檢波電路進(jìn)行調(diào)幅波的解調(diào)。LC調(diào)諧電路的諧振頻率為：

或f0=

諧振時(shí)，回路等效阻抗為純電阻性質(zhì)，其值為：

式中：，稱為回路品質(zhì)因數(shù)，是用來(lái)評(píng)價(jià)回路損耗大小的指標(biāo)。諧振曲線的形狀與回路的Q值有密切的關(guān)系。L值越大或C值越小時(shí)，Q值越大，諧振曲線越尖銳，幅值變化越快。兩種不同頻率的調(diào)頻波就可轉(zhuǎn)換為具有兩種幅值的調(diào)幅波。包絡(luò)檢波電路便可進(jìn)行調(diào)幅波的解調(diào)，解調(diào)電路中二極管是用來(lái)檢波的，檢波電路的負(fù)載R13越大，輸入的調(diào)制波信號(hào)的振幅A越大，檢波效率就越高。但如果將R13取得過(guò)大，接近于二極管的反向阻抗rb，其值一般為幾百kΩ，則正向電流和反向電流的差變小，整流器的效率會(huì)降低。所以就要在滿足rb>>R13的情況下，負(fù)載阻尼R13越大越好。為了實(shí)現(xiàn)良好的保持，R13C13的時(shí)間常數(shù)必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載波的一個(gè)周期。而且為了能夠無(wú)失真地跟隨解調(diào)信號(hào)的變化，R3C3又必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于調(diào)制信號(hào)的周期TΩ，設(shè)計(jì)中TΩ=0.5ms，Tc=25us，故須滿足：

式中：Tmax為基帶信號(hào)的周期;Tc為發(fā)送的載波周期。

經(jīng)包絡(luò)檢波電路后，解調(diào)信號(hào)再進(jìn)入低通濾波電路進(jìn)行濾波[7]，最后經(jīng)判決電路進(jìn)行判決，即可恢復(fù)出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。低通濾波電路和判決電路的輸出信號(hào)波形及如圖8所示。

由波形圖可以看出，由于收發(fā)兩端同步，接收端恢復(fù)出的數(shù)字信號(hào)與發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字信號(hào)基本一致，但由于低通濾波電路的積分作用，在時(shí)間上滯后于發(fā)送端。選用過(guò)零檢測(cè)法進(jìn)行解調(diào)，可很好地恢復(fù)出基帶信號(hào)。

四、結(jié)論

電力線載波遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中一般選擇FSK方式，遠(yuǎn)動(dòng)裝置的基帶數(shù)字信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)調(diào)制器調(diào)制，將頻率搬移至載波通信頻段40-500kHz進(jìn)行傳輸。本設(shè)計(jì)選取載波頻率40kHz和200kHz對(duì)仿真電路進(jìn)行分析驗(yàn)證，在接收端可解調(diào)出較理想的基帶波形。該仿真電路可在課程教學(xué)中作為綜合設(shè)計(jì)實(shí)例，用以開(kāi)拓學(xué)生的思維，加深對(duì)FSK調(diào)制解調(diào)原理的理解。

參考文獻(xiàn)：

[1]田日才，劉文貴.低速FSK制式的MODEM[J].黑龍江通信技術(shù)，1995，（2）：4-6.

[2]柳永智，劉曉川.電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)[M].第二版.北京：中國(guó)電力出版社，2006：166-171.

[3]白政民，方波，張?jiān)簦?基于ORCAD/PSPICE ABM仿真的光伏新型改進(jìn)CVT控制研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（21）：126-131.

[4]魯世斌，陳軍寧，柯導(dǎo)明.基于OrCAD/PSpice10.5的電子電路仿真[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2006，（8）：108-110.

[5]劉麗娜，杜欽君.ORCAD PSPICE在自動(dòng)化專業(yè)綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)課程中的應(yīng)用探索[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2013，30，（11）：134-136.

[6]閆蘇莉，郭穎娜.電力線載波綜合實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)[講義].西安：西安石油大學(xué)，2009

[7]劉海橋，楊晨，張智勇.基于PSpice仿真的低通濾波器分析與設(shè)計(jì)[J].信息通信2014，135（3）：65-66.

（責(zé)任編輯：劉翠枝）