基于低壓電力線(xiàn)載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)

1、    基于低壓電力線(xiàn)載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)    基于低壓電力線(xiàn)載波技術(shù)的家庭網(wǎng)絡(luò)    類(lèi)別：通信網(wǎng)絡(luò)      摘 要：簡(jiǎn)介國(guó)際主流家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜述了低壓電力線(xiàn)載波通訊中信號(hào)傳輸特性的研究成果。在此基礎(chǔ)上，分別闡述了基于X10協(xié)議的載波通訊技術(shù)，基于CEBus協(xié)議的線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的原理，并據(jù)此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波電路和通訊模塊。關(guān)鍵詞：載波通訊；擴(kuò)頻通訊；X10家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；消費(fèi)總線(xiàn)CEBus；低壓電力線(xiàn)

2、1 引言家庭網(wǎng)絡(luò)（總線(xiàn)）是智能家居的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)際公認(rèn)的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)有：美國(guó)的X101、消費(fèi)總線(xiàn)（CEBus）2、日本的家庭總線(xiàn)（HomeBus）3、歐洲的安裝總線(xiàn)（EIB）4等。HomeBus的通訊介質(zhì)為雙絞線(xiàn)或同軸電纜；EIB支持電源線(xiàn)介質(zhì)，但主推的是基于雙絞線(xiàn)的產(chǎn)品，無(wú)論是ABB還是SIEMENS，都認(rèn)為在中國(guó)大陸安裝基于電力線(xiàn)的EIB產(chǎn)品是不合適的。因此，本文限于以電壓電力線(xiàn)為通訊介質(zhì)的X10和CEBus。鑒于技術(shù)突破的不可控性與市場(chǎng)因素的不可確定性，目前尚無(wú)法預(yù)測(cè)國(guó)際中哪種或者哪幾種協(xié)議會(huì)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，最大的可能是各協(xié)議相互借鑒融合，如同工控領(lǐng)域中長(zhǎng)期共存的多種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。 2 低

3、壓電力線(xiàn)載波通訊中信道狀況分析低壓電力線(xiàn)無(wú)疑是家庭中分布最廣泛的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，幾乎所有的家用電子產(chǎn)品都是聯(lián)在220V的電力線(xiàn)上。采用電力線(xiàn)作為家庭網(wǎng)絡(luò)控制流的通訊介質(zhì)，不存在重新布線(xiàn)的問(wèn)題，無(wú)疑是最方便的。但是，在220 V380 V低壓電力線(xiàn)上進(jìn)行信號(hào)通訊，與高壓電力線(xiàn)載波通訊有較大區(qū)別，突出表現(xiàn)在工作環(huán)境惡劣：輸入阻抗隨頻率、負(fù)載和測(cè)試點(diǎn)變化；信號(hào)衰減與頻率、負(fù)載和距離有關(guān)；干擾噪聲的復(fù)雜性和隨機(jī)性。因此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了廣泛深入的研究，結(jié)合我們的研究成果總結(jié)如下。鑒于我國(guó)的電磁兼容性沒(méi)有工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家嚴(yán)格，成果選取以國(guó)內(nèi)為主。文5提出基于均勻傳輸線(xiàn)理論的模型，從理想化模型導(dǎo)出的結(jié)論“提

4、高發(fā)射功率，降低發(fā)射頻率?！保档蒙倘?。文6對(duì)低壓電力線(xiàn)網(wǎng)載波通訊信號(hào)的衰減特性作了深入研究，并給出了詳盡的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。結(jié)論是“低壓電力網(wǎng)通訊信號(hào)的衰減特性很難建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型”，“它更適合于用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)計(jì)算分析”，“電力負(fù)載將極大地影響載波信號(hào)的衰減”。我們的研究成果與此一致。文7，8對(duì)低壓電力網(wǎng)的干擾噪聲作了深入探討。指出干擾可以分成非人為干擾和人為干擾，后者影響遠(yuǎn)大于前者。認(rèn)為干擾又分成三類(lèi)：周期性干擾電視機(jī)行頻和可控硅等引起；脈沖干擾電器的開(kāi)關(guān)造成；白噪聲電動(dòng)機(jī)噪聲等。干擾的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性是電網(wǎng)通訊的固有特性，而100 kHz400 kHz是最佳通訊頻帶。圖1為實(shí)測(cè)的干擾波形，這

5、與我們現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的波形相似。 文7中對(duì)低壓電網(wǎng)輸入阻抗特性進(jìn)行了理論推導(dǎo)，得出“引起信道阻抗變化的主要原因是負(fù)載阻抗”。文9更進(jìn)一步，得出“在家庭網(wǎng)絡(luò)中信道阻抗變化的主要原因是PC機(jī)等使用的開(kāi)關(guān)電源”。這與我們的研究與試驗(yàn)驚人的一致。開(kāi)關(guān)電源的輸入端有濾波器，如圖2所示。 文10，11對(duì)低壓電力線(xiàn)載波通訊中信號(hào)傳輸特性作了全面的論述，給出了國(guó)內(nèi)學(xué)者多次引用的輸入阻抗頻率關(guān)系圖，參見(jiàn)圖312，衰減頻率變化曲線(xiàn)，參見(jiàn)圖413。    圖3的兩條曲線(xiàn)是在同一低壓電力線(xiàn)網(wǎng)的不同地點(diǎn)測(cè)得的。從圖3不難發(fā)現(xiàn)，輸入阻抗隨著頻率的變化而發(fā)生劇變，變化范圍竟達(dá)1 000倍。

6、圖4中為信號(hào)頻率與信號(hào)衰減的關(guān)系。綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究成果：目前無(wú)法找到一個(gè)普遍適用，較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，用于描述低壓電力線(xiàn)的信號(hào)衰減特性和干擾特性。即使有些學(xué)者提出了一些模型，但是這些模型也往往是附加了許多假設(shè)和限制，因而也是不精確或適用面很窄。 3 基于X的電力線(xiàn)窄帶載波通訊X10家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通訊介質(zhì)是低壓電力線(xiàn)。1978年X10模塊推向市場(chǎng)，并申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)，1999年專(zhuān)利保護(hù)到期。X10在商業(yè)上取得巨大成功，累計(jì)銷(xiāo)售了12億個(gè)模塊，北美地區(qū)的用戶(hù)已達(dá)450萬(wàn)。X10模塊售價(jià)僅為95美元，控制器也不過(guò)15美元。技術(shù)上并不先進(jìn)的X10，憑借其實(shí)用、簡(jiǎn)單、廉價(jià)、可靠，至今仍占據(jù)美國(guó)家庭網(wǎng)絡(luò)

7、的主導(dǎo)地位。31X電力線(xiàn)窄帶載波編碼雖然X10的傳輸速率只有100 bs，但完全勝任家庭中大量存在的面板開(kāi)關(guān)和繼電器類(lèi)白色家電產(chǎn)品的控制，甚至承擔(dān)黑色家電的控制流任務(wù)也綽綽有余。心理學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)：瀏覽頁(yè)面，延遲5 s是人的忍耐極限；操作開(kāi)關(guān)，05 s的滯后無(wú)法察覺(jué)，1 s的滯后略有感覺(jué)，2 s是其耐心的上限。正常情況下，X10完成一次操作的時(shí)間025 s。X10立足夠用適用原則，而舍棄所謂的高技術(shù)指標(biāo)，確是它的高明之處，否則無(wú)法解釋X10在商業(yè)上的巨大成功。32X載波通訊分析X10是以50 Hz為載波，120 kHz的脈沖為調(diào)制波（Modulating Wave）的數(shù)位控制技術(shù)（見(jiàn)圖5）。根據(jù)

8、香農(nóng)關(guān)于信道容量的理論則 CW×log2（1SN） （1）式中：C是最大傳輸速率；N是噪聲功率；W是頻帶寬度；S是信號(hào)功率。顯然，W一定時(shí)，降低C，則信道中的信噪比SN也可降低。X10通過(guò)犧牲傳輸速率指標(biāo)，達(dá)到降低電力線(xiàn)載波通訊對(duì)信噪比的要求。兩套X10演示系統(tǒng)分別安裝在實(shí)驗(yàn)室和住宅，連續(xù)運(yùn)行半年時(shí)間，通訊距離300 m，實(shí)踐證明系統(tǒng)運(yùn)行正?？煽?。通常隨著載波頻率上升，信號(hào)衰減增大。因此，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者提出降低載波頻率來(lái)提高傳輸正確率5。這種策略忽略了問(wèn)題的第一方面即隨著頻率的上升，噪聲也出現(xiàn)下降的現(xiàn)象16。而通訊質(zhì)量的好壞，取決于信噪比。電力線(xiàn)通訊頻帶是寶貴的資源。美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)

9、（FCC）規(guī)定：電力線(xiàn)用戶(hù)頻帶100 kHz450 kHz；歐洲電力標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CENELEC）制定了EN500651規(guī)范：電力線(xiàn)用戶(hù)頻帶3 kHz1485 kHz；我國(guó)雖無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT6981999規(guī)定：電力線(xiàn)用戶(hù)頻帶95 kHz。所以，電力線(xiàn)載波頻率選擇100kHz較為適宜。 4 基于CEBus的電力線(xiàn)擴(kuò)頻載波通訊CEBus總線(xiàn)是為家庭消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品而制定的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持的5種通訊介質(zhì)（電力線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外、雙絞線(xiàn)和同軸電纜），其中以電力線(xiàn)的應(yīng)用最為廣泛。CEBus總線(xiàn)得到IBM、Honywell、Microsoft、Intellon、Lucent、Philips、Sime

10、ns等國(guó)際知名公司的支持，1992年成為美國(guó)電子工業(yè)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)（EIA600）。1997年，EIA600成為美國(guó)ANSI標(biāo)準(zhǔn)。2000年6月，微軟和CEBus委員會(huì)共同宣布支持CEBus的簡(jiǎn)單控制協(xié)議SCP，SCP是未來(lái)微軟UPNP協(xié)議的子集。CEBus協(xié)議對(duì)OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型TCPIP模型作了簡(jiǎn)化，僅包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)模型設(shè)計(jì)思想類(lèi)似。此外，CEBus協(xié)議定義了資源描述語(yǔ)言公共應(yīng)用語(yǔ)言（CAL）。鑒于CAL語(yǔ)言的特殊性和獨(dú)立性，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)議將其列為單獨(dú)的標(biāo)準(zhǔn)EIA721。41CEBus電力線(xiàn)線(xiàn)性擴(kuò)頻編碼CEBus在電力線(xiàn)上有四種編碼，分別是：0、

11、1、EOF和EOP，它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100400kHz的線(xiàn)性?huà)哳lchirp信號(hào)：從203 kHz經(jīng)過(guò)19個(gè)周期線(xiàn)性地變?yōu)?00 kHz，再在1個(gè)周期內(nèi)變?yōu)?00 kHz，然后再在5個(gè)周期中變?yōu)?03 kHz，整個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度為100s，也就是1個(gè)UST（Unitsymboltime）【6】。其波形如圖6所示。 這種chirps波形具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性和自同步性，這種自相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形。CEBus的物理層數(shù)據(jù)幀由幀頭、數(shù)據(jù)體和CRC校驗(yàn)組成【7】，如圖7所示。幀頭與數(shù)據(jù)體的編碼有所不同，編碼方式如表1所示。  

12、  幀頭采用了幅移鍵控（ASK）技術(shù)，數(shù)據(jù)體中采用反相鍵控（PRK）兩種波形調(diào)制方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。線(xiàn)性?huà)哳l的起始和結(jié)束頻率均為200kHz，位于傳輸頻帶100 kHz400 kHz的中間。這樣處理的好處是：簡(jiǎn)化了為限制信號(hào)產(chǎn)生諧波而進(jìn)行的濾波；數(shù)據(jù)比特間允許平滑過(guò)渡。42CEBus線(xiàn)性?huà)哳l技術(shù)分析擴(kuò)頻通訊具有很強(qiáng)的抗干擾能力，其原理是用偽隨機(jī)碼把基帶信號(hào)（信號(hào)數(shù)據(jù)窄帶信號(hào)）的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展，形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號(hào)發(fā)射。接受端解擴(kuò)后，要接受的寬帶信號(hào)恢復(fù)成基帶信號(hào)，而干擾信號(hào)被接收機(jī)擴(kuò)散到更寬頻帶，從而使得落入有用信息帶寬范圍的干擾強(qiáng)度大大下降，即信噪比提升到30：1

13、（148 dB）20。    理論計(jì)算公式：式中： S信號(hào)功率； N干擾功率； B擴(kuò)頻解調(diào)系數(shù)； T信號(hào)數(shù)據(jù)比特寬度；擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬；Bn輸入噪聲解擴(kuò)后功率譜密度改變因子，n1。擴(kuò)頻通訊常用的技術(shù)有直接序列擴(kuò)頻、調(diào)頻、直擴(kuò)調(diào)頻混和系統(tǒng)和寬帶線(xiàn)性擴(kuò)頻。線(xiàn)性擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)原理見(jiàn)圖9。 由香農(nóng)定理（式（1），線(xiàn)性擴(kuò)頻技術(shù)在信噪比一定的情況下，通過(guò)提高帶寬，達(dá)到提高傳輸速率的目標(biāo)。43通訊模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)P89C51RD2和P300的芯片手冊(cè)6，7，通用通訊模塊的原理圖如圖10所示。 P89C51RD2和P300之間采用SPI接口通訊，用模擬的I2C總線(xiàn)和串行EEP

14、ROM通訊。這樣，中斷口和串口，另有足夠的IO口，可以用于實(shí)際設(shè)備的設(shè)計(jì)。44濾波電路輸入濾波器采用電容和電感組成的無(wú)源電路，如圖11所示。這個(gè)濾波器有6階，對(duì)高頻干擾有很好的抑制，圖12是它的頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，在高頻段400 kHz處衰減為3分貝，高于400 kHz的平均衰減是128dBdec，可以有效地過(guò)濾干擾信號(hào)。P300輸出的信號(hào)包含豐富的高次諧波，為了減小對(duì)電網(wǎng)的干擾，是先經(jīng)過(guò)帶通濾波器再進(jìn)行放大的，濾波器也采用無(wú)源電路，原理與上面的類(lèi)似。    5 結(jié)論現(xiàn)有研究成果表明，盡管尚無(wú)法建立普遍適用的低壓電力網(wǎng)通訊模型，但只要采取相應(yīng)的技術(shù)措施，低壓電力線(xiàn)仍是大有前途的通訊介質(zhì)。低速窄帶通訊X10協(xié)議及產(chǎn)品