基于電力線(xiàn)和射頻通信的擴頻載波技術(shù)

引言

兩種新型擴頻技術(shù)--低壓電力線(xiàn)和射頻信號技術(shù)的開(kāi)發(fā)，使得在住宅和商業(yè)應用中裝配性能可靠、成本低廉的無(wú)線(xiàn)分布式控制網(wǎng)絡(luò )成為可能。在電力線(xiàn)通信中的無(wú)線(xiàn)是指在現有居室及建筑風(fēng)，由于實(shí)際已經(jīng)存在交流電力線(xiàn)，無(wú)需再安裝新線(xiàn)路。以前，由于技術(shù)實(shí)現的高費用和復雜性，擴頻技術(shù)（如直接序列和跳頻）的典型應用僅限于安全通信和導航等軍用系統。但是，隨著(zhù)固態(tài)集成電路的發(fā)展，使得另外一種擴頻技術(shù)在性?xún)r(jià)比上已適合普通用戶(hù)和商業(yè)應用。這就是掃頻脈沖技術(shù)，即利用線(xiàn)性調頻脈沖來(lái)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制載波一樣，可實(shí)時(shí)檢測到信號的存在。因此，可用這種技術(shù)來(lái)實(shí)現擁有許多用戶(hù)或節點(diǎn)縣共享一個(gè)頻道的載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)的分組網(wǎng)。在美國，電子工業(yè)協(xié)會(huì )（EIA）已采用了SSC技術(shù)用為電力線(xiàn)和射頻的用戶(hù)電子總線(xiàn)（CEBus)標準的物理層規范。

用戶(hù)電子總線(xiàn)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 )內部互連產(chǎn)品所要求的全部通信和網(wǎng)絡(luò )功能。類(lèi)似于以太網(wǎng)（Ethernet)，該標準允許采用基于載波監聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/碰撞檢測（CSMA/CD）即爭用判決協(xié)議的通用總線(xiàn)來(lái)實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)連接通信。作為一個(gè)非專(zhuān)利標準，CEBus是以國際標準化組織ISO的開(kāi)放系統互連OSI參考模型為基礎實(shí)現的，只是省略了表示層、會(huì )話(huà)層和傳輸層，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的費用和復雜性最小性。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(shí)現、設計以及應用接口等問(wèn)題，這些問(wèn)題有待于系統開(kāi)發(fā)者自己的設計、應用。但是，該標準明確提出了大范圍的多用戶(hù)互連問(wèn)題，包括諸如信號時(shí)序及結構、連接器、信號格式等問(wèn)題。CEBus數據（見(jiàn)圖1）以一個(gè)八位開(kāi)關(guān)鍵控同步頭信號作為開(kāi)始，同步頭中解決了頻道的訪(fǎng)問(wèn)和爭有問(wèn)題。當頻道確定后采用相移鍵控 PSK技術(shù)把數據包中所含地址、控制或數據等正文發(fā)送出去。信息正文后面是一個(gè)包結束標志及一個(gè)用于錯誤控制的CRC碼。在一個(gè)CEBus數據包內通過(guò)對數據脈寬編碼以表示符號的域結束和包結束。在數據信息正文內，一個(gè)最小符號周期的持續時(shí)間為100微秒。

SSC電力線(xiàn)信號和射頻信號

SSC 電力線(xiàn)信號是一個(gè)掃頻脈沖或很短的直序型線(xiàn)形調頻脈沖。類(lèi)似于傳統的直序擴頻，線(xiàn)形調頻脈沖可將信號能量展開(kāi)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(kāi)發(fā)的相應系統將信號展寬到20KHz至80KHz 的頻寬中，同時(shí)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(shuō)，信號可簡(jiǎn)單地通過(guò)從100KHz至400KHz或20KHz至 80KHz脈沖掃頻產(chǎn)生，但實(shí)際產(chǎn)品卻是在100KHz至400KHz中間設一轉換點(diǎn)200KH，掃頻在此頻率結束并重新開(kāi)始。這樣做主要有以下兩個(gè)原開(kāi)始。這樣做主要有以下兩個(gè)原因：一是簡(jiǎn)化了為限制信號產(chǎn)生的諧波能量而進(jìn)行的濾波，二是在數據比特間允許平滑過(guò)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(shí)間周期內進(jìn)行的，這是對100KHz到400KHz的掃描而言，可實(shí)現20KHz到80KHz范圍內掃描，位處理時(shí)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?，當信號頻率變化時(shí)信號幅度有顯著(zhù)的變化，這是由于電力線(xiàn)阻抗隨頻率變化而變化。理論上說(shuō)，擴頻信號提供的信號增益（即高出傳統窄帶技術(shù)的增益）等于擴展帶寬除以數據帶寬。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(kāi)發(fā)低成本、高性能的擴頻收發(fā)器。導致低成本的主要因素在于掃頻信號可簡(jiǎn)單地由存儲于IC ROM區的數據查表實(shí)現，而且由于線(xiàn)形調頻脈沖保持已知圖形的線(xiàn)性，在為線(xiàn)形調頻脈沖解碼時(shí)采用很簡(jiǎn)單的相關(guān)方法即可。不僅如此，由于系統可通過(guò)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(xiàn)形調頻脈沖的系統在多變噪聲條件下可得到很好的性能。