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摘要：在“电力系统远动”的课程教学中，利用Pspice软件设计一些综合仿真电路，可以加深学生对所学知识的理解。本文介绍了FSK调制解调电路的工作原理，并设计了FSK调制解调电路仿真电路。在发送端，采用间接调频法实现基带信号的调制;在接收端，运用普通鉴频法进行已调信号的解调。通过对各输入输出环节的波形分析，可增强学生对FSK调制解调原理的理解，激发学生深入学习课程内容的兴趣。
关键词：FSK调制;解调;间接调频法;普通鉴频法
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0072-02
在“电力系统远动”课程教学中，低压电力线载波通信中常用FSK调制信号进行远动信号的传输，基带数字信号频率一般在3.4kHz以下，经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40～500kHz，然后将信号送至功率放大器，并经高压结合设备隔离后，送到高压输电线进行传输。在接收端，经高压结合设备隔离后的高频信号经接收装置的解调器还原成基带信号[1]。教学中，利用PSpice对FSK的调制解调过程进行了仿真，并对各个环节的波形进行了分析。
一、FSK调制解调电路的设计原理
1.FSK调制电路设计原理
FSK信号调制又称移频键控，它是用两种不同的载频f1和f2来代表脉冲调制信号1和0，而载波的振幅和相位不变[2]。如果载波信号采用正弦型波，则FSK信号可表示为：
式中：f1—— 数字码元“1”的载波频率;
f2—— 数字码元“0”的载波频率;
B—— 数字基带信号的带宽。
FSK调制有直接调频法和间接调频法两种，仿真电路的设计采用了间接调频原理，如图1所示。
为1时，FSK信号的频率为f1;为0时，FSK信号的频率为f2，将分解为信号和之和。则有FSK调制信号产生。
2.FSK解调电路设计原理
解调是调制的反过程，其目的是在接收端将移频键控信号中的基带信号恢复出来。仿真电路原理采用了普通鉴频法进行解调，将恢复成码元1，把恢复成码元0。数字调频信号的解调分为相干解调和非相干解调二类，根据FSK信号的特点，通常采用非相干解调的方法。虽然它的性能略差于相干解调，但解调时不需要接收端提供相干载波，因而设备简单。FSK信号的非相干解调可以用鉴频法、过零检测法和差分检波法。仿真电路采用普通鉴频法进行电路设计，如图2所示。
在接收端，FSK信号进入带通滤波器抑制掉干扰，经限幅器消除接收的信号在幅度上的畸变。解调器的关键部位是鉴频器，它把两种不同频率的FSK信号变成两种不同的电压信号，然后送低通滤波器滤除高频分量，从而得到基波的包络线，最后经判决器恢复出其基带数字信号。
二、调制电路仿真波形及分析
OrCAD PSpice A/D 10.5集成了模拟与数字仿真算法，既可以仿真纯模拟电路或纯数字电路，也可以非常有效地仿真模拟数字混合电路，该软件可根據已知的电子线路理论进行大量的计算，并仿真出近乎真实的电路结果，直观地对设计电路的运行结果进行观察，通过对波形的分析来验证所设计电路原理的正确性，对设计存在的缺陷进行改善，事先排除大部分设计方案本身的缺陷所造成的失误，从而减少产品的开发成本[4-6]。在FSK调制解调电路的设计过程中，利用PSpice软件对不同设计方案的运行结果进行了分析比较，并根据仿真波形对设计方案进行了调整。
瞬态分析（Transient Analysis）也称时域分析，以时间为横轴来记录的调制解调电路各环节的波形，由设置好的信号源提供待验证电路合适的输入信号，待完成仿真后，用Probe程序来观测输出的波形。载波为工频正弦载波，载波频率分别为40 kHz和200 kHz，设计选用调制电路的基带输入信号为频率的数字信号，正弦载波经过数字调制电路后，得到的FSK调制波如图3所示。
频谱分析可以对调制信号的带宽进行验证，载波为正弦波时，FSK调制波的FFT分析结果如图4所示。
由图可知，FSK调制信号的带宽BFSK的频谱由连续谱和线谱组成，线谱出现在两个载频位置上;两个载频的频率相差较大，标称频率为120kHz，调频指数为80，连续谱出现双峰。FSK调制信号的带宽BFSK为164kHz。按照FSK信号的带宽计算公式可求得：
。
因此，可以验证按照原理图1所设计的调制电路完全正确。
三、解调电路仿真波形及分析
调制信号经过结合设备进行高、低压隔离和信号耦合后，送往电力线信道进行传输[2，5]。在接收端，先由耦合电容和结合滤波器滤掉50Hz的交流正弦信号，得到高频调制信号，再经解调电路从接收到的调制信号中恢复出原来的基带信号。当载波为正弦波时，FSK信号的解调电路如图4所示，FSK信号首先进入鉴频电路进行鉴频[6]，鉴频电路由LCR并联谐振电路和检波电路构成的，其波形的变化过程如图5所示。
LC调谐放大电路的功能是将两种频率不同的载波转换成两种幅值不同得调制信号。基本原理是把载频f1或f2设置成LC调谐放大器的谐振频率，则调制信号通过调谐电路时，其中的一个频率发生谐振，幅值最大，另一频率偏离谐振频率，幅值较小。选频电路的电流幅值响应和电压幅值响应如图6和图7所示所示。
FSK信号经调谐电路后变为ASK信号，然后采用ASK的包络检波电路进行检波，其作用是要取出调幅波的包络线，以实现解调的目的。设计中选用二极管检波电路进行调幅波的解调。LC调谐电路的谐振频率为：
或f0=
谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值为：
式中：，称为回路品质因数，是用来评价回路损耗大小的指标。谐振曲线的形状与回路的Q值有密切的关系。L值越大或C值越小时，Q值越大，谐振曲线越尖锐，幅值变化越快。两种不同频率的调频波就可转换为具有两种幅值的调幅波。包络检波电路便可进行调幅波的解调，解调电路中二极管是用来检波的，检波电路的负载R13越大，输入的调制波信号的振幅A越大，检波效率就越高。但如果将R13取得过大，接近于二极管的反向阻抗rb，其值一般为几百kΩ，则正向电流和反向电流的差变小，整流器的效率会降低。所以就要在满足rb>>R13的情况下，负载阻尼R13越大越好。为了实现良好的保持，R13C13的时间常数必须远远大于载波的一个周期。而且为了能够无失真地跟随解调信号的变化，R3C3又必须远远小于调制信号的周期TΩ，设计中TΩ=0.5ms，Tc=25us，故须满足：
式中：Tmax为基带信号的周期;Tc为发送的载波周期。
经包络检波电路后，解调信号再进入低通滤波电路进行滤波[7]，最后经判决电路进行判决，即可恢复出对应的数字信号。低通滤波电路和判决电路的输出信号波形及如图8所示。
由波形图可以看出，由于收发两端同步，接收端恢复出的数字信号与发送端发出的数字信号基本一致，但由于低通滤波电路的积分作用，在时间上滞后于发送端。选用过零检测法进行解调，可很好地恢复出基带信号。
四、结论
电力线载波远动系统中一般选择FSK方式，远动装置的基带数字信号一般要经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40-500kHz进行传输。本设计选取载波频率40kHz和200kHz对仿真电路进行分析验证，在接收端可解调出较理想的基带波形。该仿真电路可在课程教学中作为综合设计实例，用以开拓学生的思维，加深对FSK调制解调原理的理解。
参考文献：
[1]田日才，刘文贵.低速FSK制式的MODEM[J].黑龙江通信技术，1995，（2）：4-6.
[2]柳永智，刘晓川.电力系统远动[M].第二版.北京：中国电力出版社，2006：166-171.
[3]白政民，方波，张元敏，等.基于ORCAD/PSPICE ABM仿真的光伏新型改进CVT控制研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（21）：126-131.
[4]鲁世斌，陈军宁，柯导明.基于OrCAD/PSpice10.5的电子电路仿真[J].电脑知识与技术，2006，（8）：108-110.
[5]刘丽娜，杜钦君.ORCAD PSPICE在自动化专业综合设计型实验课程中的应用探索[J].实验技术与管理，2013，30，（11）：134-136.
[6]闫苏莉，郭颖娜.电力线载波综合实验开发[讲义].西安：西安石油大学，2009
[7]刘海桥，杨晨，张智勇.基于PSpice仿真的低通滤波器分析与设计[J].信息通信2014，135（3）：65-66.
（责任编辑：刘翠枝）
关键词：FSK调制;解调;间接调频法;普通鉴频法
中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）32-0072-02
在“电力系统远动”课程教学中，低压电力线载波通信中常用FSK调制信号进行远动信号的传输，基带数字信号频率一般在3.4kHz以下，经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40～500kHz，然后将信号送至功率放大器，并经高压结合设备隔离后，送到高压输电线进行传输。在接收端，经高压结合设备隔离后的高频信号经接收装置的解调器还原成基带信号[1]。教学中，利用PSpice对FSK的调制解调过程进行了仿真，并对各个环节的波形进行了分析。
一、FSK调制解调电路的设计原理
1.FSK调制电路设计原理
FSK信号调制又称移频键控，它是用两种不同的载频f1和f2来代表脉冲调制信号1和0，而载波的振幅和相位不变[2]。如果载波信号采用正弦型波，则FSK信号可表示为：
式中：f1—— 数字码元“1”的载波频率;
f2—— 数字码元“0”的载波频率;
B—— 数字基带信号的带宽。
FSK调制有直接调频法和间接调频法两种，仿真电路的设计采用了间接调频原理，如图1所示。
为1时，FSK信号的频率为f1;为0时，FSK信号的频率为f2，将分解为信号和之和。则有FSK调制信号产生。
2.FSK解调电路设计原理
解调是调制的反过程，其目的是在接收端将移频键控信号中的基带信号恢复出来。仿真电路原理采用了普通鉴频法进行解调，将恢复成码元1，把恢复成码元0。数字调频信号的解调分为相干解调和非相干解调二类，根据FSK信号的特点，通常采用非相干解调的方法。虽然它的性能略差于相干解调，但解调时不需要接收端提供相干载波，因而设备简单。FSK信号的非相干解调可以用鉴频法、过零检测法和差分检波法。仿真电路采用普通鉴频法进行电路设计，如图2所示。
在接收端，FSK信号进入带通滤波器抑制掉干扰，经限幅器消除接收的信号在幅度上的畸变。解调器的关键部位是鉴频器，它把两种不同频率的FSK信号变成两种不同的电压信号，然后送低通滤波器滤除高频分量，从而得到基波的包络线，最后经判决器恢复出其基带数字信号。
二、调制电路仿真波形及分析
OrCAD PSpice A/D 10.5集成了模拟与数字仿真算法，既可以仿真纯模拟电路或纯数字电路，也可以非常有效地仿真模拟数字混合电路，该软件可根據已知的电子线路理论进行大量的计算，并仿真出近乎真实的电路结果，直观地对设计电路的运行结果进行观察，通过对波形的分析来验证所设计电路原理的正确性，对设计存在的缺陷进行改善，事先排除大部分设计方案本身的缺陷所造成的失误，从而减少产品的开发成本[4-6]。在FSK调制解调电路的设计过程中，利用PSpice软件对不同设计方案的运行结果进行了分析比较，并根据仿真波形对设计方案进行了调整。
瞬态分析（Transient Analysis）也称时域分析，以时间为横轴来记录的调制解调电路各环节的波形，由设置好的信号源提供待验证电路合适的输入信号，待完成仿真后，用Probe程序来观测输出的波形。载波为工频正弦载波，载波频率分别为40 kHz和200 kHz，设计选用调制电路的基带输入信号为频率的数字信号，正弦载波经过数字调制电路后，得到的FSK调制波如图3所示。
频谱分析可以对调制信号的带宽进行验证，载波为正弦波时，FSK调制波的FFT分析结果如图4所示。
由图可知，FSK调制信号的带宽BFSK的频谱由连续谱和线谱组成，线谱出现在两个载频位置上;两个载频的频率相差较大，标称频率为120kHz，调频指数为80，连续谱出现双峰。FSK调制信号的带宽BFSK为164kHz。按照FSK信号的带宽计算公式可求得：
。
因此，可以验证按照原理图1所设计的调制电路完全正确。
三、解调电路仿真波形及分析
调制信号经过结合设备进行高、低压隔离和信号耦合后，送往电力线信道进行传输[2，5]。在接收端，先由耦合电容和结合滤波器滤掉50Hz的交流正弦信号，得到高频调制信号，再经解调电路从接收到的调制信号中恢复出原来的基带信号。当载波为正弦波时，FSK信号的解调电路如图4所示，FSK信号首先进入鉴频电路进行鉴频[6]，鉴频电路由LCR并联谐振电路和检波电路构成的，其波形的变化过程如图5所示。
LC调谐放大电路的功能是将两种频率不同的载波转换成两种幅值不同得调制信号。基本原理是把载频f1或f2设置成LC调谐放大器的谐振频率，则调制信号通过调谐电路时，其中的一个频率发生谐振，幅值最大，另一频率偏离谐振频率，幅值较小。选频电路的电流幅值响应和电压幅值响应如图6和图7所示所示。
FSK信号经调谐电路后变为ASK信号，然后采用ASK的包络检波电路进行检波，其作用是要取出调幅波的包络线，以实现解调的目的。设计中选用二极管检波电路进行调幅波的解调。LC调谐电路的谐振频率为：
或f0=
谐振时，回路等效阻抗为纯电阻性质，其值为：
式中：，称为回路品质因数，是用来评价回路损耗大小的指标。谐振曲线的形状与回路的Q值有密切的关系。L值越大或C值越小时，Q值越大，谐振曲线越尖锐，幅值变化越快。两种不同频率的调频波就可转换为具有两种幅值的调幅波。包络检波电路便可进行调幅波的解调，解调电路中二极管是用来检波的，检波电路的负载R13越大，输入的调制波信号的振幅A越大，检波效率就越高。但如果将R13取得过大，接近于二极管的反向阻抗rb，其值一般为几百kΩ，则正向电流和反向电流的差变小，整流器的效率会降低。所以就要在满足rb>>R13的情况下，负载阻尼R13越大越好。为了实现良好的保持，R13C13的时间常数必须远远大于载波的一个周期。而且为了能够无失真地跟随解调信号的变化，R3C3又必须远远小于调制信号的周期TΩ，设计中TΩ=0.5ms，Tc=25us，故须满足：
式中：Tmax为基带信号的周期;Tc为发送的载波周期。
经包络检波电路后，解调信号再进入低通滤波电路进行滤波[7]，最后经判决电路进行判决，即可恢复出对应的数字信号。低通滤波电路和判决电路的输出信号波形及如图8所示。
由波形图可以看出，由于收发两端同步，接收端恢复出的数字信号与发送端发出的数字信号基本一致，但由于低通滤波电路的积分作用，在时间上滞后于发送端。选用过零检测法进行解调，可很好地恢复出基带信号。
四、结论
电力线载波远动系统中一般选择FSK方式，远动装置的基带数字信号一般要经过调制器调制，将频率搬移至载波通信频段40-500kHz进行传输。本设计选取载波频率40kHz和200kHz对仿真电路进行分析验证，在接收端可解调出较理想的基带波形。该仿真电路可在课程教学中作为综合设计实例，用以开拓学生的思维，加深对FSK调制解调原理的理解。
参考文献：
[1]田日才，刘文贵.低速FSK制式的MODEM[J].黑龙江通信技术，1995，（2）：4-6.
[2]柳永智，刘晓川.电力系统远动[M].第二版.北京：中国电力出版社，2006：166-171.
[3]白政民，方波，张元敏，等.基于ORCAD/PSPICE ABM仿真的光伏新型改进CVT控制研究[J].电力系统保护与控制，2011，39（21）：126-131.
[4]鲁世斌，陈军宁，柯导明.基于OrCAD/PSpice10.5的电子电路仿真[J].电脑知识与技术，2006，（8）：108-110.
[5]刘丽娜，杜钦君.ORCAD PSPICE在自动化专业综合设计型实验课程中的应用探索[J].实验技术与管理，2013，30，（11）：134-136.
[6]闫苏莉，郭颖娜.电力线载波综合实验开发[讲义].西安：西安石油大学，2009
[7]刘海桥，杨晨，张智勇.基于PSpice仿真的低通滤波器分析与设计[J].信息通信2014，135（3）：65-66.
（责任编辑：刘翠枝）