Pspice軟件在電力系統遠動課程教學中的應用

郭穎娜 程為彬 高理

摘要：在“電力系統遠動”的課程教學中，利用Pspice軟件設計一些綜合仿真電路，可以加深學生對所學知識的理解。本文介紹了FSK調制解調電路的工作原理，并設計了FSK調制解調電路仿真電路。在發送端，采用間接調頻法實現基帶信號的調制;在接收端，運用普通鑒頻法進行已調信號的解調。通過對各輸入輸出環節的波形分析，可增強學生對FSK調制解調原理的理解，激發學生深入學習課程內容的興趣。

關鍵詞：FSK調制;解調;間接調頻法;普通鑒頻法

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）32-0072-02

在“電力系統遠動”課程教學中，低壓電力線載波通信中常用FSK調制信號進行遠動信號的傳輸，基帶數字信號頻率一般在3.4kHz以下，經過調制器調制，將頻率搬移至載波通信頻段40～500kHz，然后將信號送至功率放大器，并經高壓結合設備隔離后，送到高壓輸電線進行傳輸。在接收端，經高壓結合設備隔離后的高頻信號經接收裝置的解調器還原成基帶信號[1]。教學中，利用PSpice對FSK的調制解調過程進行了仿真，并對各個環節的波形進行了分析。

一、FSK調制解調電路的設計原理

1.FSK調制電路設計原理

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

式中：f1—— 數字碼元“1”的載波頻率;

f2—— 數字碼元“0”的載波頻率;

B—— 數字基帶信號的帶寬。

FSK調制有直接調頻法和間接調頻法兩種，仿真電路的設計采用了間接調頻原理，如圖1所示。

為1時，FSK信號的頻率為f1;為0時，FSK信號的頻率為f2，將分解為信號和之和。則有FSK調制信號產生。

2.FSK解調電路設計原理

解調是調制的反過程，其目的是在接收端將移頻鍵控信號中的基帶信號恢復出來。仿真電路原理采用了普通鑒頻法進行解調，將恢復成碼元1，把恢復成碼元0。數字調頻信號的解調分為相干解調和非相干解調二類，根據FSK信號的特點，通常采用非相干解調的方法。雖然它的性能略差于相干解調，但解調時不需要接收端提供相干載波，因而設備簡單。FSK信號的非相干解調可以用鑒頻法、過零檢測法和差分檢波法。仿真電路采用普通鑒頻法進行電路設計，如圖2所示。

在接收端，FSK信號進入帶通濾波器抑制掉干擾，經限幅器消除接收的信號在幅度上的畸變。解調器的關鍵部位是鑒頻器，它把兩種不同頻率的FSK信號變成兩種不同的電壓信號，然后送低通濾波器濾除高頻分量，從而得到基波的包絡線，最后經判決器恢復出其基帶數字信號。

二、調制電路仿真波形及分析

OrCAD PSpice A/D 10.5集成了模擬與數字仿真算法，既可以仿真純模擬電路或純數字電路，也可以非常有效地仿真模擬數字混合電路，該軟件可根據已知的電子線路理論進行大量的計算，并仿真出近乎真實的電路結果，直觀地對設計電路的運行結果進行觀察，通過對波形的分析來驗證所設計電路原理的正確性，對設計存在的缺陷進行改善，事先排除大部分設計方案本身的缺陷所造成的失誤，從而減少產品的開發成本[4-6]。在FSK調制解調電路的設計過程中，利用PSpice軟件對不同設計方案的運行結果進行了分析比較，并根據仿真波形對設計方案進行了調整。

瞬態分析（Transient Analysis）也稱時域分析，以時間為橫軸來記錄的調制解調電路各環節的波形，由設置好的信號源提供待驗證電路合適的輸入信號，待完成仿真后，用Probe程序來觀測輸出的波形。載波為工頻正弦載波，載波頻率分別為40 kHz和200 kHz，設計選用調制電路的基帶輸入信號為頻率的數字信號，正弦載波經過數字調制電路后，得到的FSK調制波如圖3所示。

頻譜分析可以對調制信號的帶寬進行驗證，載波為正弦波時，FSK調制波的FFT分析結果如圖4所示。

由圖可知，FSK調制信號的帶寬BFSK的頻譜由連續譜和線譜組成，線譜出現在兩個載頻位置上;兩個載頻的頻率相差較大，標稱頻率為120kHz，調頻指數為80，連續譜出現雙峰。FSK調制信號的帶寬BFSK為164kHz。按照FSK信號的帶寬計算公式可求得：

。

因此，可以驗證按照原理圖1所設計的調制電路完全正確。

三、解調電路仿真波形及分析

調制信號經過結合設備進行高、低壓隔離和信號耦合后，送往電力線信道進行傳輸[2，5]。在接收端，先由耦合電容和結合濾波器濾掉50Hz的交流正弦信號，得到高頻調制信號，再經解調電路從接收到的調制信號中恢復出原來的基帶信號。當載波為正弦波時，FSK信號的解調電路如圖4所示，FSK信號首先進入鑒頻電路進行鑒頻[6]，鑒頻電路由LCR并聯諧振電路和檢波電路構成的，其波形的變化過程如圖5所示。

LC調諧放大電路的功能是將兩種頻率不同的載波轉換成兩種幅值不同得調制信號?；驹硎前演d頻f1或f2設置成LC調諧放大器的諧振頻率，則調制信號通過調諧電路時，其中的一個頻率發生諧振，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和電壓幅值響應如圖6和圖7所示所示。

FSK信號經調諧電路后變為ASK信號，然后采用ASK的包絡檢波電路進行檢波，其作用是要取出調幅波的包絡線，以實現解調的目的。設計中選用二極管檢波電路進行調幅波的解調。LC調諧電路的諧振頻率為：

或f0=

諧振時，回路等效阻抗為純電阻性質，其值為：

式中：，稱為回路品質因數，是用來評價回路損耗大小的指標。諧振曲線的形狀與回路的Q值有密切的關系。L值越大或C值越小時，Q值越大，諧振曲線越尖銳，幅值變化越快。兩種不同頻率的調頻波就可轉換為具有兩種幅值的調幅波。包絡檢波電路便可進行調幅波的解調，解調電路中二極管是用來檢波的，檢波電路的負載R13越大，輸入的調制波信號的振幅A越大，檢波效率就越高。但如果將R13取得過大，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，整流器的效率會降低。所以就要在滿足rb>>R13的情況下，負載阻尼R13越大越好。為了實現良好的保持，R13C13的時間常數必須遠遠大于載波的一個周期。而且為了能夠無失真地跟隨解調信號的變化，R3C3又必須遠遠小于調制信號的周期TΩ，設計中TΩ=0.5ms，Tc=25us，故須滿足：

式中：Tmax為基帶信號的周期;Tc為發送的載波周期。

經包絡檢波電路后，解調信號再進入低通濾波電路進行濾波[7]，最后經判決電路進行判決，即可恢復出對應的數字信號。低通濾波電路和判決電路的輸出信號波形及如圖8所示。

由波形圖可以看出，由于收發兩端同步，接收端恢復出的數字信號與發送端發出的數字信號基本一致，但由于低通濾波電路的積分作用，在時間上滯后于發送端。選用過零檢測法進行解調，可很好地恢復出基帶信號。

四、結論

電力線載波遠動系統中一般選擇FSK方式，遠動裝置的基帶數字信號一般要經過調制器調制，將頻率搬移至載波通信頻段40-500kHz進行傳輸。本設計選取載波頻率40kHz和200kHz對仿真電路進行分析驗證，在接收端可解調出較理想的基帶波形。該仿真電路可在課程教學中作為綜合設計實例，用以開拓學生的思維，加深對FSK調制解調原理的理解。

參考文獻：

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

[5]劉麗娜，杜欽君.ORCAD PSPICE在自動化專業綜合設計型實驗課程中的應用探索[J].實驗技術與管理，2013，30，（11）：134-136.

[6]閆蘇莉，郭穎娜.電力線載波綜合實驗開發[講義].西安：西安石油大學，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計[J].信息通信2014，135（3）：65-66.

（責任編輯：劉翠枝）