基于電力線和射頻通信的擴頻載波技術(shù)

時間：2009-07-15 10:11:22

關(guān)鍵字：電力線射頻通信載波技術(shù) KHZ

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[導(dǎo)讀]基于擴頻線性調(diào)頻脈沖的擴頻技術(shù)，由于采用低成本集成電路來實現(xiàn)電力線載波和射頻通信，使系統(tǒng)開發(fā)不但硬件成本低，而且安裝費用低。這些技術(shù)也被EIA采用作為家庭自動化標準的CEbus（用戶電子總線）物理層規(guī)范，而且，由于該技術(shù)的為低成本和高性能，它在與家庭自動化有關(guān)的分布控制和監(jiān)視領(lǐng)域也有大量應(yīng)用。

引言

兩種新型擴頻技術(shù)--低壓電力線和射頻信號技術(shù)的開發(fā)，使得在住宅和商業(yè)應(yīng)用中裝配性能可靠、成本低廉的無線分布式控制網(wǎng)絡(luò)成為可能。在電力線通信中的"無線"是指在現(xiàn)有居室及建筑風(fēng)，由于實際已經(jīng)存在交流電力線，無需再安裝新線路。以前，由于技術(shù)實現(xiàn)的高費用和復(fù)雜性，擴頻技術(shù)（如直接序列和跳頻）的典型應(yīng)用僅限于安全通信和導(dǎo)航等軍用系統(tǒng)。但是，隨著固態(tài)集成電路的發(fā)展，使得另外一種擴頻技術(shù)在性價比上已適合普通用戶和商業(yè)應(yīng)用。這就是掃頻脈沖技術(shù)，即利用線性調(diào)頻脈沖來有效地將信息帶寬展寬許多倍，形成信號帶寬。這種新技術(shù)也叫做擴頻載波技術(shù)SSC （Spread Spectrum Carrier)，它可以使得相關(guān)器就象匹配濾波接收機檢測窄帶調(diào)制載波一樣，可實時檢測到信號的存在。因此，可用這種技術(shù)來實現(xiàn)擁有許多用戶或節(jié)點縣共享一個頻道的載波監(jiān)聽多路訪問的分組網(wǎng)。在美國，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）已采用了SSC技術(shù)用為電力線和射頻的用戶電子總線（CEBus)標準的物理層規(guī)范。

用戶電子總線CEBus

CEBus 標準定義了用于發(fā)發(fā)家庭和建筑特控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部互連產(chǎn)品所要求的全部通信和網(wǎng)絡(luò)功能。類似于以太網(wǎng)（Ethernet)，該標準允許采用基于載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）即爭用判決協(xié)議的通用總線來實現(xiàn)點對點無連接通信。作為一個非專利標準，CEBus是以國際標準化組織ISO的開放系統(tǒng)互連OSI參考模型為基礎(chǔ)實現(xiàn)的，只是省略了表示層、會話層和傳輸層，使產(chǎn)品開發(fā)的費用和復(fù)雜性最小性。CEBus標準僅定義了完成通信所要求的功能；它并未描述如何實現(xiàn)、設(shè)計以及應(yīng)用接口等問題，這些問題有待于系統(tǒng)開發(fā)者自己的設(shè)計、應(yīng)用。但是，該標準明確提出了大范圍的多用戶互連問題，包括諸如信號時序及結(jié)構(gòu)、連接器、信號格式等問題。CEBus數(shù)據(jù)（見圖1）以一個八位開關(guān)鍵控同步頭信號作為開始，同步頭中解決了頻道的訪問和爭有問題。當頻道確定后采用相移鍵控 PSK技術(shù)把數(shù)據(jù)包中所含地址、控制或數(shù)據(jù)等正文發(fā)送出去。信息正文后面是一個包結(jié)束標志及一個用于錯誤控制的CRC碼。在一個CEBus數(shù)據(jù)包內(nèi)通過對數(shù)據(jù)脈寬編碼以表示符號的域結(jié)束和包結(jié)束。在數(shù)據(jù)信息正文內(nèi)，一個最小符號周期的持續(xù)時間為100微秒。

SSC電力線信號和射頻信號

SSC 電力線信號是一個掃頻脈沖或很短的直序型線形調(diào)頻脈沖。類似于傳統(tǒng)的直序擴頻，線形調(diào)頻脈沖可將信號能量展開使其分布在較寬的頻帶上。具體到EIA的 CEBus標準，信號展寬到100KHz至400KHz的頻帶之間，有較比特率為10kb/s，而歐洲開發(fā)的相應(yīng)系統(tǒng)將信號展寬到20KHz至80KHz 的頻寬中，同時降低有效通信比特率為2kb/s，從而保持了處理增益。盡管從理論上說，信號可簡單地通過從100KHz至400KHz或20KHz至 80KHz脈沖掃頻產(chǎn)生，但實際產(chǎn)品卻是在100KHz至400KHz中間設(shè)一轉(zhuǎn)換點200KH，掃頻在此頻率結(jié)束并重新開始。這樣做主要有以下兩個原開始。這樣做主要有以下兩個原因：一是簡化了為限制信號產(chǎn)生的諧波能量而進行的濾波，二是在數(shù)據(jù)比特間允許平滑過渡。圖2示出這種信號的波形。

由圖2可以看出，頻率掃描是在前面提到的100微秒時間周期內(nèi)進行的，這是對100KHz到400KHz的掃描而言，可實現(xiàn)20KHz到80KHz范圍內(nèi)掃描，位處理時間將增至500微秒，可以得以2Kb/s的比特率，從而保持了擴頻信號的處理增益?？梢钥吹剑斝盘栴l率變化時信號幅度有顯著的變化，這是由于電力線阻抗隨頻率變化而變化。理論上說，擴頻信號提供的信號增益（即高出傳統(tǒng)窄帶技術(shù)的增益）等于擴展帶寬除以數(shù)據(jù)帶寬。在上述兩種情況中，此比值為 30：1，相當于14.8dB的處理增益。

如前所述，使用此信號技術(shù)就可開發(fā)低成本、高性能的擴頻收發(fā)器。導(dǎo)致低成本的主要因素在于掃頻信號可簡單地由存儲于IC ROM區(qū)的數(shù)據(jù)查表實現(xiàn)，而且由于線形調(diào)頻脈沖保持已知圖形的線性，在為線形調(diào)頻脈沖解碼時采用很簡單的相關(guān)方法即可。不僅如此，由于系統(tǒng)可通過使用直接序列法（即窄帶噪聲干擾壓制）和跳頻法（即窄帶阻塞干擾壓制），使得基于線形調(diào)頻脈沖的系統(tǒng)在多變噪聲條件下可得到很好的性能。

由于掃頻壓縮脈沖是在基帶頻率上產(chǎn)生的，SSC射頻信號與PL鎖相信號很相似。在射頻應(yīng)用中此基帶信號能被上變頻到一個合適的發(fā)射頻率，如北美未限制使用的915MHZ或歐洲的2.4GHZ。

應(yīng)用

目前，美國正在大量開發(fā)家庭自動化的產(chǎn)品，開發(fā)商期望而向用戶的零售能帶來CEBus兼容產(chǎn)品的全面普及。這些產(chǎn)品包括燈光控制器，無線保安系統(tǒng)，集中供熱通風(fēng)，手持射頻遙控器，音頻視頻設(shè)備控制等等。并且，許多設(shè)備提供商向用戶承諾，可以很容易地在現(xiàn)有的用戶產(chǎn)品在安裝電能管理系統(tǒng)，并執(zhí)行讀表、負載控制及提供諸如保安監(jiān)視的服務(wù)?，F(xiàn)在有些商業(yè)應(yīng)用采用CEBus鎖相技術(shù)和射頻擴頻載波技術(shù)，并考慮與CEBus的兼容。

采用電力線技術(shù)和射頻技術(shù)的系統(tǒng)使得硬幣機（如arcade，gaming賭博機和零售機）的主為能夠監(jiān)視硬幣的流量和種類、機器的診斷、庫存的層次。旅館行業(yè)的總臺與房間之間的通信采用基于電力線或同軸電纜的SSC技術(shù)可實現(xiàn)多種應(yīng)用，諸如房間入口控制、房間占用監(jiān)視、電能管理、視頻點播、室內(nèi)保險箱以及迷你吧臺的監(jiān)視。不用現(xiàn)金的公共運輸系統(tǒng)也正采用射頻技術(shù)從公共汽車或火車向主控終端傳輸乘客流量統(tǒng)計。直流電總線用于運輸行業(yè)以監(jiān)視諸如汽車、拖車、火車等的剎車、冷凍、光線和其它重要系統(tǒng)的性能。交通十字路口控制與監(jiān)視可采用射頻技術(shù)實現(xiàn)。在歐洲至少一個城市的公用照明是用SSC電力線通信系統(tǒng)控制，采用從20KHz到80KHz的線形調(diào)頻脈沖信號。隨著這些技術(shù)的成熟以及更優(yōu)的費效比，它們的應(yīng)用可能越來越廣泛。

八十年代末以來，國內(nèi)對于電力線、RF的SSC技術(shù)的研究逐漸增多。研究方向主要集中在水電氣遠程抄表、安全保衛(wèi)等領(lǐng)域，更廣泛、更深入的應(yīng)用還有待進一步開發(fā)。目前，國內(nèi)比較成功的一個應(yīng)用是蘇州的一個小區(qū)路燈控制系統(tǒng)采用了SSC電力線通信技術(shù)來實現(xiàn)，運行實踐表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

美國INTELLON公司已把實現(xiàn)上述新信號技術(shù)所需的全部功能集成在低成本的專用集成電路（ASIC）中。除了產(chǎn)生信號，ASIC還提供EIA CEBus物理層規(guī)范指定的所有定時要求，為發(fā)送的每一個包產(chǎn)生一個16位CRC，僅僅要求主控器一次編碼或解碼8個數(shù)據(jù)UST，并監(jiān)視提供的指示器狀態(tài)。這使得采用SSC PL/RF技術(shù)可生產(chǎn)非常廉價的通信控制產(chǎn)品。公司宣稱已擁有在交流電力線上實現(xiàn)10Mb/s通信比特率的技術(shù)。更多的一些美國。歐洲的公司已將幾K至幾百K通信比特率的電力線通信產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化，如ANI、ECHELON、NOVELL等公司。

結(jié)語

本文所介紹的兩種新型擴頻技術(shù)，可實現(xiàn)廉價而可靠的電力線或射頻控制網(wǎng)絡(luò)。此技術(shù)不僅被北美家用網(wǎng)絡(luò)CEBus標準所支持，并在許多可受益于無線通信的商業(yè)應(yīng)用中得到廣泛支持。除了家庭自動化與建筑自動化，其它更普通的應(yīng)用如：遙感、交通控制與監(jiān)視，建筑物入口控制，銷售交易處理的遙控點，公共運輸利用率監(jiān)視，電能管理，車輛系統(tǒng)管理，零售機監(jiān)視等。隨著這些技術(shù)的成熟以及更優(yōu)的費效比，無穎會出現(xiàn)更新奇、更富創(chuàng)造性的應(yīng)用。