接上篇
數 字 濾 波 器 的 基 本 原 理 是 對 輸 入 的 離 散 信 號 進 行 運 算，使得信號的頻譜發生變化，從而實現對無用信號的濾除 作用。隨著電子技術的發展，數字濾波器可以由硬體實現也 可以由軟體實現。由於數字濾波器的特點和實現的簡單性， 數字濾波器被廣泛應用在各種數位訊號處理領域。數字濾波 器可以分為兩種，IIR和FIR濾波器，IIR濾波器為無限長衝 擊響應濾波器，FIR濾波器為有限長衝擊響應濾波器。兩種 濾波器的系統函數結構不同，從而根本上導致了兩種濾波器 的不同。二者系統函數的特點決定了它們具有不同的實現結 構和特點：FIR濾波器沒有輸出對輸入的反饋結構但是具有 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 得越明顯。
3.1 IIR濾波器的原理
圖8 總體架構圖
圖9 組網測試
IIR濾波器的濾波效率較高，在同樣的幅頻響應下，IIR濾波器的階數和所需要的硬體資源都比FIR濾波器少。IIR濾 波器相位的非線性使得其使用範圍沒有FIR濾波器大。然而 在不需要線性相位的環境下，IIR濾波器的性能比FIR濾波器 好得多。IIR濾波器的系統傳遞函數為
(2)
系統的差分方程可以寫成
(3)
從系統函數可以看出， 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
濾波器為穩定的系統，需要使系統的極點在單位圓內，也就 是說系統的穩定性由系統函數的極點決定。
2)在數字硬體平臺上實現IIR濾波器，由於存在反饋結
構，因此受限於有限的寄存器長度，無法通過增加字長來實 現全精度的濾波器運算，濾波器運算過程中的有限長效應是 工程實現時必須考慮的問題。
3.2 IIR與FIR濾波器的比較
IIR與FIR濾波器是最常見的數字濾波器，兩者的結構及 分析方法相似。在具體的工程設計中要根據二者的不同更合 理地選擇濾波器種類，以更少的資源獲取所需的性能，二者 的性能差異及應用特點如下：
1)通常在具有相同幅頻響應的情況下，FIR濾波器的階
數等於5~10倍IIR濾波器的階數。
2)FIR濾波器具有線性相位特性。 在相同的階數情況 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 發送信號
圖11 解調結果
圖12 兩種調製方案電力線信號
圖13 頻率計上位機測試
3)FIR濾波器的衝擊響應是有限長的，由於採用了非遞 歸的結構所以是穩定的系統。而必須用遞歸結構的IIR濾波 器，當其系統函數的極點在單位圓內時，系統才可以穩定。 這種採用反饋的結構，運算時進行了捨入處理，會導致振蕩 現象。
4)FI R濾波器可以使用FFT和其他的快速算法來實現
卷積運算，運算速度快。IIR濾波器無法採用類似的快速算 法。
5)在兩種濾波器的實現方法上，IIR濾波器可以採用現
成的設計公式、數據和表格等資料，這些資料在模擬濾波 器中已經驗證使用過。FIR濾波器不可以藉助這些資料。由於計算機軟體的發展，FIR、
IIR濾波器的設計均可以採用 現成的函數，因此在工程設 計中二者的設計難度均已大 大降低。
4 發射機方案設計
4.1 RS編碼
在電力線傳輸過程中，由於信道衰落和噪聲的影響， 導致傳輸信息出錯，因此必須引入一種糾錯機制，使信息在 傳輸出錯後，接收端仍然能夠接收到正確的信息，FEC（前 向糾錯）是一種既能發現錯碼位置、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位前向糾錯編碼，RS編碼適合存在突髮型錯誤的通信系統中。
4.2 信號調製
信 號 調 制 採 用 相 位 連 續 的 8 F S K 調 制 方 式 ， FSK的相位連續方式能減小頻率譜擴展，減小帶寬 和幹擾。具體實現方法是，假設碼元長度為Ts，則 選擇合適的載波頻率使得在每個碼元長度Ts內有整 數個完整載波，並且載波的初始相位相同，則可 滿足FSK調製的相位連續性。
8進位頻移鍵控中採用8個不同的頻率分別表
示8進位的碼元，每個碼元含有3bit的信息，載波頻 率與碼元位的對應關係如表1所示。
因 為 告 警 信 號 需 要 在 0 . 5 m s 內 被 調 制 、 傳 輸 、 解 調 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 過 R S（ 6,2） 編碼後為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， 再加一些調製解調的時間， 能實現0.5ms內進行告警信號傳輸。A D C 的 最 高 採 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 ， 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，信號的產生 由DDS完成。調製算法框圖如圖6所示。
5 接收機方案設計
耦合電路得到的信號經AD採樣後，首先經過數字下變 頻，截止頻率為5MHz的IIR低通濾波器去掉頻率為15MHz的 基波。然後通過8路解調器，每路解調器對信號進行相干解 調，本設計中，採用每路解調器的信號同時分別乘以正弦和 餘弦波的方式來實現相干解調，而不是通過相位同步的方 式，從而可以簡化方案，並且可以準確解調。相干解調後的信號通過截止頻率為50kHz的IIR低通濾波器後，平方求和開方，得到解調信號。然後8路解調器解調出的信號送入抽樣 判決器從而得到信號幀。然後通過RS解碼得到告警信號和 設備地址。接收機解調算法框圖如圖7所示。
6 系統總體架構
當 有 告 警 信 號 （ 一 個 開 關 量 ） 產 生 時 ， 告 警 信 號 加上設備地址信息進行組幀，一幀二進位信號經過RS編碼，8FSK調製，調製後的載波經過DA轉換後，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，該信號經電力線耦 合電路耦合出來以後，進行AD轉換，數字下變頻和IIR濾 波，然後通過8路解調器，每路解調器的信號分別乘以正餘 弦載波，並通過IIR低通濾波器後，平方求和開方，然後8路 解調器解調出的信號送入抽樣判決器從而得到信號幀，然後 通過RS解碼得到告警信號和設備地址，將此信息傳遞給後 續模塊進行處理，以告知是哪個節點出現了問題。系統整體 架構如圖8所示。
7 系統實現
系統測試環境如圖9所示。 該系統和網絡中另外存在的 電力線載波晶片同時通信，兩個通信晶片互不影響。組網 測試1小時，測試電力線載波晶片（基於OFDM）和本系統（基於FSK）的誤碼率。
7.1 信號調製到電力線上
測試方法：將示波器探頭放在發送端檢測發送信號。測試結果：發送端發送報警信號，地址信號為3bit，由開關量觸發，發射端檢測到開關量變化後採用FSK將信號調 制到電力線上。發送端調製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出狀態信息
測試方法：將邏輯分析儀探頭放在接收端檢測解調出 來的地址信息位和告警信息位。
測試結果：接收端接收到信號後對調製的信號進行解 調，由此解調出報警設備地址和開關量狀態信號。
接收端解調出信號如圖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），0為告警信 號觸發位。
7.3 誤碼率測試
測 試 方 法 ： 對 被 驗 收 模 塊 發 送 端 提 供 P W M 信 號
（1kHz，50%佔空比），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，且佔空比變化偏差不超過20%， 測試時間1小時。
測試結果： 經組網測試表明， 測試時間1小時， 均正 常，無丟失。