典型數(shù)字家庭設(shè)計(jì)實(shí)例集錦(二)

　　摘要：分析了電力載波數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn)，介紹了幾種典型的電力載波芯片，提出了一個(gè)基于電力線的數(shù)字家庭實(shí)現(xiàn)方案。

　　關(guān)鍵詞：電力線　電力線載波　數(shù)字家庭

　　信息時(shí)代的來臨，使信息家電日益受到市場和廠家的關(guān)注。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與迅速普及，人們的生活方式正在發(fā)生深刻的變化。所謂數(shù)字家庭的概念和現(xiàn)實(shí)需求正漸漸向我們走來。

　　數(shù)字家庭作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，應(yīng)該包含三方面的內(nèi)容：（1）信息產(chǎn)品的家電化，如機(jī)頂盒、web游戲機(jī)、web電視、web電話，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費(fèi)類電子產(chǎn)品；（2）傳統(tǒng)家電的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，如電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等植入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上；（3）基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用模式。

　　數(shù)字家庭的實(shí)現(xiàn)面臨著兩方面的問題：（1）家庭信息需求的具體化，即數(shù)字家庭的概念模型到實(shí)際模型，國內(nèi)外都進(jìn)行了一些有益的探索；（2）技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)接入方案和設(shè)備互連方案。藍(lán)牙技術(shù)為設(shè)備間的無線互聯(lián)提供了一種理想的解決方案。由于價(jià)格上的原因，該技術(shù)的普及還有一些困難。居家所固有的低壓電力線布線結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)進(jìn)行分析，介紹幾種現(xiàn)有的電力線載波芯片，并提出一種基于電力線布線結(jié)構(gòu)的數(shù)字家庭實(shí)現(xiàn)方案。

　　1 電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)

　　本文所指電力線是指用戶端低壓電力配線網(wǎng)，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸即采用電力線載波技術(shù)。由于電力線本身不是為通信設(shè)計(jì)的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。從通信角度來說電力線對數(shù)據(jù)傳輸還有一系列技術(shù)上的難點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下：

　　（1）配電變壓器對電力載波信號的阻隔。配電變壓器主要實(shí)現(xiàn)50Hz工頻電能的變換，因此對高頻電力載波信號起阻斷作用。這使得電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶艿揭欢ǖ南拗?。通常只能在一個(gè)配電變壓器范圍內(nèi)或更小的范圍內(nèi)傳送。

　?。?）三相電力線間有效信號的損失（10dB~30dB）。由于信號跨越相線時(shí)要與配電變壓器的副邊發(fā)生關(guān)聯(lián)，必然引入衰減。對于近距離，不同相之間或許可以收到信號。但是距離一遠(yuǎn)就比較困難了。這是對電力載波傳輸范圍的又一個(gè)限制因素。通常電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。

　　（3）電力線本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50Hz和60Hz，則周期為20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz或120Hz脈沖干擾，干擾時(shí)間約2ms。固定干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點(diǎn)的短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，但由于過零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又較長，難以應(yīng)用。

　?。?）電力負(fù)載對載波信號衰減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，線路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸幾公里；但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時(shí)，只能傳輸幾十米。因此，只有進(jìn)一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。提高載波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積，而且，單一提高載波信號功率并不是有效的方法。

　　（5）電力設(shè)備產(chǎn)生的噪聲干擾。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，會給電力線帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線藕合下來的噪聲一般在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號，通訊距離會相當(dāng)短。

　?。?）電力線引起數(shù)據(jù)信號畸變。電力線網(wǎng)本身是一個(gè)分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點(diǎn)對數(shù)據(jù)信號影響是不一樣的，同時(shí)電力線時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)間對數(shù)據(jù)信號影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號經(jīng)過電力線后，嚴(yán)重變形、參差不齊，必須加以特殊處理。

　　基于以上六個(gè)特點(diǎn)，電力線作為數(shù)據(jù)信號的傳輸介質(zhì)不是特別理想。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電力線載波技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破。1997年10月，英國聯(lián)合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯(lián)合宣布已經(jīng)解決了電力抗干擾等問題。1998年夏天，Norweb 公司已為英格蘭西北部的2000個(gè)居民和商業(yè)用戶提供通過電力線的因特網(wǎng)服務(wù)，速率達(dá)到了1Mbps，比現(xiàn)行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德國RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德國萊錫林根向公眾展示利用電力網(wǎng)線傳送電話和數(shù)據(jù)的技術(shù)，用戶通過低壓電力線以高于現(xiàn)在ISDN 20倍的速率在因特網(wǎng)上傳輸和瀏覽數(shù)據(jù)。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們正在聯(lián)合開發(fā)借助公共電力網(wǎng)傳送因特網(wǎng)數(shù)據(jù)的新技術(shù)，1999年內(nèi)將使因特網(wǎng)傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來一兩年內(nèi)提高到10Mbps。

　　2 現(xiàn)有幾種電力線載波芯片

　　實(shí)現(xiàn)電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結(jié)起來就是功能強(qiáng)大和性能優(yōu)越的電力線載波專用modem芯片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進(jìn)行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)（480Y/277V，208Y/120Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)（400Y/230Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計(jì)出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動(dòng)化而設(shè)計(jì)，在國內(nèi)使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強(qiáng)使用。國內(nèi)可使用的電力線載波modem芯片有以下幾種：

　?。?）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設(shè)計(jì)的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式。它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。

　　（2）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設(shè)計(jì)的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)用水平不同。ST7536是半雙工的FSK modem芯片，600bps時(shí)靈敏度為2mV，1200bps時(shí)靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊采用了數(shù)字濾波器、AFC（自動(dòng)頻率控制）、ALC（自動(dòng)輸出幅度控制）以及軟件上的3字節(jié)容錯(cuò)等現(xiàn)代通訊技術(shù)。ST7536也是較早的電力線載波modem芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的FSK方式，加上3字節(jié)容錯(cuò)，最高波特率只能達(dá)到400bps。另外它無CSMA（網(wǎng)絡(luò)載波偵聽）功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域，ST7536是最適合的modem芯片。但它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時(shí)，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計(jì)算，每833μs中斷一次，對更復(fù)雜的應(yīng)用來講，833μs間隔短了一點(diǎn)。

　?。?）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計(jì)的電力線載波modem芯片。它采用了擴(kuò)頻（Chirp方式）調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動(dòng)化而設(shè)計(jì)的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合方式。由于針對家庭自動(dòng)化，主要一家一戶式獨(dú)立住宅，所以在通訊距離上，它還采用陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應(yīng)用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發(fā)器，它是針對工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計(jì)的。它采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯(cuò)及糾錯(cuò)技術(shù)，目前在中國電力線網(wǎng)上應(yīng)用效果較理想。但是由于它是Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，而且價(jià)格太高，因此在市場普及上有一定的困難。

　　3 實(shí)現(xiàn)方案

　　數(shù)字家庭一個(gè)