基于LM1893芯片的音频传输系统的设计

电力线载波通信PLCT（Power Line Carrier Transceivers）利用现有电网的电力线作为传输信道，以载波方式进行数据／语音通信。它利用现有的电力线路，无需另外架设通信线路，也不占用通讯频率资源，故成本相对较低。

利用10kV以上高压电力线载波通信（载波电话）已经在电力部门内部的语音通讯上获得广泛应用，对高压电力线进行高频信号传输的研究已经非常深入和成熟。但是，在220/380V低压电力线进行信号传输，与高压电力线载波通信有较大区别，突出表现在工作环境恶劣、线路阻抗和信号衰减时变性强、干扰大等特点。近几年来，由于新型载波通信芯片的推出以及先进通信方式的采用，国内外已把低压电力线载波通信技术应用于远程自动抄表系统、防火报警系统、智能化家电控制系统等中低速的数据传输系统中。但是绝大部分低压电力线路是作为数字信息的通信媒介。本文介绍利用电力线modem芯片LM1893、采用低压电力线作为通信媒介的语音、音乐信号传输系统。

1 系统工作原理及电路设计

1.1 工作原理及组成

系统组成及原理框图如图1所示。系统由一个发送机、220V电力线传输通道和若干并接在电力线上的接收机组成。在发送机端，音频信号经电力线modem调制为100kHz以上的高频调制信号，通过电力线接口电路送入220V交流电力线。在接收机端，电力线上各种频率信号通过隔离耦合电路进入接收机，选频放大电路仅选出发送机送来的高频信号，滤掉其他频率的信号。过滤后的高频信号再由电力线modem解调出原始的音频信号，最后由音频功放对音频信号进行放大并推动扬声器发出声音。

载波频率根据电力线的频率特性，一般选择在40kHz~600kHz。本系统中载波频率为125kHz，采用频率调制（FSK）。

1.2 音频信号的调制解调

图2给出了发送机和接收机的音频调制解调原理图。

本系统电力线modem采用集成电路LM1893。LM1893/2893是美国国家半导体公司出品的电力线载波通信芯片，可用来实现数据及语音在电力线上的传输。LM1893采用FSK调制方式，内置自动电平控制（ALC）电路，内置可选择的脉冲噪声滤波器，输出功率极易提升10倍，载频范围50kHz~300kHz可任意选定，接收灵敏度达2mV，可驱动任何常规电力线。

如图2，在LM1893的收发控制器（5脚）输入高电平时，LM1893处于发送状态。音频信号经调制器（MOD）调制后变成受控电流信号，送入电流控制振荡器（ICO），形成频率受电流控制的三角波，再经正弦波形成电路（SINE SHAPER）形成正弦波，通过自动电平控制（ALC）电路和输出功率放大器（OUTPUT AMP）后输出幅度稳定的频率受调于输入信号的正弦波信号，在10脚送入电力线接口。

当LM1893的收发控制器（5脚）输入低电平时，LM1893处于接收状态，由电力线接口电路送来的高频信号经限幅器（LIMITER）限幅后，送入解调电路（鉴频器［PHASE DET］和锁相环［PLL］）；解调后经阻容低通滤波器进行环路滤波，馈入电平偏移抵消电路（OFFSET CANCEL）滤除直流分量，经比较器（COMP）判别后得到数字信号，通过脉冲噪声滤波器（IMPULSE NOISE FILTER）滤除脉冲尖峰干扰后输出。但是在接收通道中，鉴相器以后的电路只能通过数据信号，而本系统中接收的是音频信号，因此直接在鉴相器后（3、4脚）取出解调信号。

发送/接收的载波频率由外接的振荡电容C0确定，可变电阻R0对载波频率F0进行微调。增大/减小C0或R0的取值，即可实现载波频率的增高或减低。C0的取值由下式确定

C0=70.6×10-6/F0 （１）

1.3 电力线接口

电力线接口（PLI）是电力线载波系统的关键部件之一，也是系统设计的难点。PLI由保护电路、选频耦合电路、隔离变压器等组成，目的是把LM1893同电力线隔离，在电力线上加载或析取信号。发送机的PLI和接收机的PLI相同，其电路如图3所示。

保护电路使用电阻和二极管组成的限幅电路，避免系统受瞬时过电压的干扰。这里的瞬时过电压包括电力线上感应的强雷电脉冲、电力线上传来的用电器造成的强尖峰干扰以及本设备谐振回路产生的峰值电压等。增大电阻限幅效果更好，但是信号被衰减更多，一般取4.7Ω。二极管可采用快速大功率齐纳管。

选频耦合电路是一个很重要的环节，它直接影响通讯的质量。图3中变压器T不但实现了与电力线的隔离，同时T的初级线圈和电容C0构成一个谐振回路，谐振频率为载波频率。为了最大限度地将信号耦合到电力线上，必须做到阻抗匹配，这就要求变压器T选择合适的变比。因此变压器T的设计是关键。设T的初级自感为L0，总损耗电阻为R0，匝数比为N，次级负载（电力线）阻抗为Z，反射阻抗为Zr，谐振回路中心频率为F0，带宽为BW，回路的品质因素为Q，则有：

L0＝R0//Z/2πF0Q=BWR0//（N2Z）/ 2πF0（符号“／／”表示并联）（2）

C0=1/（2πF0）2L0 （3）

这里，N一般为Z的函数，当阻抗匹配时，可按下式计算N：

Ｎ＝R0/Z （４）

耦合变压器采用优质高频铁氧体材料为磁心的高频变压器。高频铁氧体材料为磁心的新一代电源转换功率器件具有效率高、体积小、稳压范围宽、电隔离性能好等特点。 电容CC实现耦合变压器次级至电力线的工频隔离，它让高频载波信号得以通过，同时过滤掉电力线上50/50Hz的工频信号。

1.4 音频放大/静躁

解调时，音频信号由LM1893的3脚和4脚输出的。同时输出的还有2F0的频率成分和噪声信号，可以通过一个低通滤波网络把这些噪声信号过滤掉。经过滤波网络出来的音频信号十分微弱，音频放大器LM358对其进行前置放大，然后送功率放大器放大驱动扬声器。如图4所示。

为了使电路在没有载波时实现静噪功能，系统利用开路电压比较器LM339来实现。当有载波时，载波输出检测电路的输出端输出低电平，比较器的两端为高电平，对音频信号的衰减很少，能够通过放大器。在没有载波信号时，载波检测电路的输出端输出高电平，电平高于比较器正向输入端的1.6V，比较器输出低电平，把放大器的正反向输入端的信号都屏蔽掉，实现静噪功能。

为了获取图4中的载波检测信号，需要对信道进行载波检测。鉴音器LM567（锁相环电路）具有识别载频功能，频带达0~500kHz，用作载波检测很合适，只需几个阻容元件配合该电路芯片即可决定中心频率和带宽。载波检测电路如图5，信道无载波时输出端为高电平。

2 主要问题及对策

由于低压电力线上恶劣的通信环境，且LM1893为非专用为模拟音频信号的传输，因此在本系统的设计中碰到了一些问题，下面做简单的总结。

（1）音频输入信号幅值不可过高，一定要限制在±1V，否则会造成载波信号的失真而影响甚至不能通信。

（2）载波信号的传输距离。在无法对通信环境进行改善的情况下，提高载波信号的功率对延长传输距离具有很好的效果。具体实现可在LM1893的载波输出端增加一级放大。

（3）载波频率的选择。对于电力线通信，载波频率越高，衰减越高，载波频率越低，衰减越小。但是载频太低，电力线上的干扰噪声信号更多更强。在实验中应当选用不同的载波频率，在不同的距离上传输音频信号，根据实验结果选择最佳的载频。

（4）在电力线上存在各种各样的干扰，主要包括电源线中的高频干扰、感性负载产生的瞬变噪声、晶闸管通断时产生的干扰、电网电压的短时下降干扰和拉闸过程形成的高频干扰。对于以上各种问题，解决的方法主要是屏蔽、滤波、接地，在线路板上布线时应注意减小分布电容和分布电感。

（5）异相传输需要在相线间并接耐压电容以提供信号通路。由于不便跨接相间耦合电容，本实验是在同相线路上进行的，没做跨相实验。

利用电力线载波技术实现的传输系统，能够避免繁重的布线工作，具有造价低、线路牢固可靠、安装方便等特点。本文介绍的音频传输系统，经过改造可以应用于公共广播和楼宇传呼等方面。