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X－10協(xié)議的載波通訊技術(shù)，基于CE－Bus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；X－10家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；消費(fèi)總線(xiàn)CEBus；低壓電力線(xiàn)

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X－10^［1］、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X－10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)，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)疑是方便的。但是，在220 V／380 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 kHz－400 kHz是通訊頻帶。圖1為實(shí)測(cè)的干擾波形，這與我們現(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3^［12］，衰減－頻率變化曲線(xiàn)，參見(jiàn)圖4^［13］。

　　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。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，因而也是不或適用面很窄。
3 基于X－的電力線(xiàn)窄帶載波通訊
　　X－10家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的通訊介質(zhì)是低壓電力線(xiàn)。1978年X－10模塊推向市場(chǎng)，并申請(qǐng)了保護(hù)，1999年保護(hù)到期。X－10在商業(yè)上取得巨大成功，累計(jì)銷(xiāo)售了1．2億個(gè)模塊，北美地區(qū)的用戶(hù)已達(dá)450萬(wàn)。X－10模塊售價(jià)僅為9．5美元，控制器也不過(guò)15美元。技術(shù)上并不先進(jìn)的X－10，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)的主導(dǎo)地位。
3．1　X－電力線(xiàn)窄帶載波編碼
　　雖然X－10的傳輸速率只有100 b／s，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)，0．5 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，X－10完成操作的時(shí)間＜0．25 s。X－10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X－10在商業(yè)上的巨大成功。
3．2　X－載波通訊分析
　　X－10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)香農(nóng)關(guān)于信道容量的理論則
    C＝W×log₂（1＋S／N）  （1）
式中：C是傳輸速率；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S／N也可降低。X－10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X－10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?？煽俊?BR>　　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)（FCC）規(guī)定：電力線(xiàn)用戶(hù)頻帶100 kHz－450 kHz；歐洲電力標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)（CENELEC）制定了EN50065－1規(guī)范：電力線(xiàn)用戶(hù)頻帶3 kHz－148．5 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)DL／T698－1999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)用為廣泛。CEBus總線(xiàn)得到IBM、Honywell、Microso－ft、Intellon、Lucent、Philips、Simens等國(guó)際公司的支持，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TCP／IP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)EIA－721。
4．1　CEBus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、1、EOF和EOP，它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100～400kHz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100μs，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。

　　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 kHz－400 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。
4．2　CEBus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（14．8 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；
　　B_n—輸入噪聲解擴(kuò)后功率譜密度改變因子，n＜1。
　　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)。
4．3　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EEPROM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)。
4．4　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128dB／dec，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X－10協(xié)議及產(chǎn)品，能滿(mǎn)足面板開(kāi)關(guān)和繼電器類(lèi)家電要求，這類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)需求量很大，應(yīng)重視開(kāi)發(fā)、引進(jìn)這類(lèi)智能家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。
　　采用擴(kuò)頻技術(shù)的CEBus協(xié)議及產(chǎn)品，代表電力線(xiàn)載波的技術(shù)方向，應(yīng)是研究和開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。
　　研究的重點(diǎn)不應(yīng)局限在網(wǎng)絡(luò)的物理層。CEBus數(shù)據(jù)鏈路層提供四種類(lèi)型服務(wù)^［24］，其中帶地址要求響應(yīng)（ADD—ACK），采用重發(fā)機(jī)制，就能大大提高通訊正確率。
　　PC機(jī)類(lèi)開(kāi)關(guān)電源對(duì)低壓電力線(xiàn)的危害應(yīng)引起工程技術(shù)的關(guān)注，建議電源接入處接一阻波器。

（吳明光，婁嘉駿，王修暉）

  

參考文獻(xiàn):

[1]. P89C51RD2 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/P89C51RD2_538905.html.