光纤通信作为一种新兴的高性能串行通信技术，已经在电力领域逐步展开应用。目前的光纤通信模块大多使用 FPGA 或 DSP 技术实现信号解调，虽然其传输速度快、效率高，但是成本高、技术复杂，而且对于传输距离、电气隔离特性、可靠性、产品成本参数等都有极高的要求。而电力行业对光纤的应用主要还是集中在强电的控制方面，现场环境对光纤模块的通信速度要求较低——在电力系统的工程实际中，由于现场情况复杂、干扰信号繁多，致使高成本的高速光纤通信技术的应用并不十分理想。鉴于光纤通信技术在电力系统中的应用现状，本文提出一种 MC3361+MCU 结构的低速光纤通信模块设计方案：硬件成本低、软件流程简单、性能稳定，输出信号为工业标准 RS-485 信号或 RS-232 信号，可直接与各种电力设备连接，非常适合在电力系统中使用。

一、调制原理

光纤通信系统由 MCU 通过内部程序控制、通过 PWM 接口完成调制。外部设备与模块通过串行接口（包括 RS-232 接口或 RS-485 接口）连接，模块接收到数据后首先将数据传输给 MCU，MCU 通过 UART 接口接收数据，再通过程序控制输出 BFSK 调制信号，调制后的信号直接发送至光纤发射接口发送出去。

图 1　调制硬件原理框图

进行 BFSK 调制时使用 MCU 串行接口接收外部设备发送的数据，BFSK 的调制频率由程序控制：信号“1”对应于 270 kHz 载频，信号“0”对应于 240 kHz 载频，波形如图 2 所示，上边的波形为未经调制的信号、下边的波形为经调制后的信号。MCU 将调制后的载频信号通过 PWM 方式发送至光纤发射接口，电信号转换成光信号。

图 2　调制前后信号的波形

二、调制解调原理

为了降低硬件成本和提高硬件电路的可靠性，本设计使用 BFSK 调制解调算法。BFSK 的调制原理是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率：BFSK 信号是符号“1”对应于载频 f1、符号“0”对应于载频 f2（与 f1 不同的另一载频）的已调波形，而且 f1 与 f2 之间的改变是瞬间完成的。

图 3　解调电路原理

BFSK 的解调使用 MC3361 单片窄带调频接收芯片完成，MC3361 片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。解调电路如图 3 所示：其中 185 kHz 网络标号为 MCU 输出的 185 kHz 矩形波信号，R1 为限流电阻，C5、L4 组成滤波电路，C12 为谐振电容；信号经过 R1、C5、L4 及 C12 后由 MC3361 第 1 脚输入，构成 MC3361 解调的第二本振级。图 3 中 FSK 网络标号为光纤接收接口输入的矩形波信号，信号经过 R4、R6 分压将信号高电平转换为 500 mV，再经过 L6、C25 进行滤波，以及 C27、L7、VD1、VD2 二次限压滤波后消除干扰频率，经过 C1 谐振，最终信号转变为正弦波信号。

最终只有标准正弦波信号输入至 MC3361 的第 16 引脚，作为 MC3361 的第一中频 IF 输入信号，信号幅值为 0 V、峰值为 500 mV，频率为 270 kHz 或 240 kHz。在 MC3361 内部第二混频级进行混频处理，处理后的信号为 455 kHz 的第二中频信号，由第 3 引脚输出，由 455 kHz 陶瓷滤波器选频，即图 3 中的 Z4 器件；再经第 5 脚输入 MC3361 的限幅放大器进行高增益放大，限幅放大级是整个电路的主要增益级。第 8 脚接鉴频电路，由 455 kHz 鉴频器 Z3、R2 及 C26 组成；经放大后的第二中频信号在内部进行鉴频解调，并经一级音频电压放大后由第 9 引脚输出信号，信号经过第 10 脚和第 11 脚构成的有源滤波电路，再输入 MC3361 的第 12 脚进行载频检测并控制电子开关，最终经过解调的信号由第 13 引脚输出，直接输入 MCU 的引脚，由 MCU 进行处理。

光纤通信模块采用 FPGA 或 DSP 技术实现信号解调时成本高、技术复杂，而采用 MC3361+MCU 结构的低速光纤通信模块设计方案成本低、软件流程简单、性能稳定，并且支持 RS-485 信号或 RS-232 信号，还有电力线连接，适合在电力系统中推广使用。