典型數字家庭設計實(shí)例集錦(二)

　　摘要：分析了電力載波數據通信的特點(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(xiàn)的數字家庭實(shí)現方案。

　　關(guān)鍵詞：電力線(xiàn)　電力線(xiàn)載波　數字家庭

　　信息時(shí)代的來(lái)臨，使信息家電日益受到市場(chǎng)和廠(chǎng)家的關(guān)注。伴隨著(zhù)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。所謂數字家庭的概念和現實(shí)需求正漸漸向我們走來(lái)。

　　數字家庭作為一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，應該包含三方面的內容：（1）信息產(chǎn)品的家電化，如機頂盒、web游戲機、web電視、web電話(huà)，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )系統交互信息的消費類(lèi)電子產(chǎn)品；（2）傳統家電的數字化和網(wǎng)絡(luò )化，如電冰箱、洗衣機、微波爐等植入數字網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境的基礎上；（3）基于家庭網(wǎng)絡(luò )環(huán)境開(kāi)發(fā)出的新的應用模式。

　　數字家庭的實(shí)現面臨著(zhù)兩方面的問(wèn)題：（1）家庭信息需求的具體化，即數字家庭的概念模型到實(shí)際模型，國內外都進(jìn)行了一些有益的探索；（2）技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò )接入方案和設備互連方案。藍牙技術(shù)為設備間的無(wú)線(xiàn)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(xiàn)布線(xiàn)結構為實(shí)現設備的數字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線(xiàn)數據傳輸的特點(diǎn)進(jìn)行分析，介紹幾種現有的電力線(xiàn)載波芯片，并提出一種基于電力線(xiàn)布線(xiàn)結構的數字家庭實(shí)現方案。

　　1 電力線(xiàn)數據傳輸的特點(diǎn)

　　本文所指電力線(xiàn)是指用戶(hù)端低壓電力配線(xiàn)網(wǎng)，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線(xiàn)實(shí)現數據傳輸即采用電力線(xiàn)載波技術(shù)。由于電力線(xiàn)本身不是為通信設計的，因此其特性在很多方面難以直接滿(mǎn)足載波通信的要求。從通信角度來(lái)說(shuō)電力線(xiàn)對數據傳輸還有一系列技術(shù)上的難點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如下：

　?。?）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。這使得電力載波數據傳輸的范圍受到一定的限制。通常只能在一個(gè)配電變壓器范圍內或更小的范圍內傳送。

　?。?）三相電力線(xiàn)間有效信號的損失（10dB~30dB）。由于信號跨越相線(xiàn)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(xiàn)上傳輸。

　?。?）電力線(xiàn)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，出現兩次峰值，兩次峰值會(huì )帶來(lái)兩次脈沖干擾，即電力線(xiàn)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(guò)零點(diǎn)的短時(shí)間內進(jìn)行數據傳輸的方法，但由于過(guò)零點(diǎn)時(shí)間短，實(shí)際應用與交流波形同步不好控制，現代通訊數據幀又較長(cháng)，難以應用。

　?。?）電力負載對載波信號衰減。當電力線(xiàn)上負荷很重時(shí)，線(xiàn)路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實(shí)際應用中，當電力線(xiàn)空載時(shí)，點(diǎn)對點(diǎn)載波信號可傳輸幾公里；但當電力線(xiàn)上負荷很重時(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(lái)滿(mǎn)足數據傳輸的要求。提高載波信號功率會(huì )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。

　?。?）電力設備產(chǎn)生的噪聲干擾。電力線(xiàn)上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設備經(jīng)常頻繁開(kāi)閉，會(huì )給電力線(xiàn)帶來(lái)各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線(xiàn)藕合下來(lái)的噪聲一般在10mV以上，而一般傳輸的數據信號會(huì )削減到1mV，如不采用電力線(xiàn)專(zhuān)用modem芯片來(lái)解調數據信號，通訊距離會(huì )相當短。

　?。?）電力線(xiàn)引起數據信號畸變。電力線(xiàn)網(wǎng)本身是一個(gè)分布參數的網(wǎng)絡(luò )，不同點(diǎn)對數據信號影響是不一樣的，同時(shí)電力線(xiàn)時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化，不同時(shí)間對數據信號影響也不一樣，這就使發(fā)出的規則數據信號經(jīng)過(guò)電力線(xiàn)后，嚴重變形、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(xiàn)作為數據信號的傳輸介質(zhì)不是特別理想。進(jìn)入20世紀90年代以后，隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，電力線(xiàn)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(wèn)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(hù)提供通過(guò)電力線(xiàn)的因特網(wǎng)服務(wù)，速率達到了1Mbps，比現行的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(xiàn)傳送電話(huà)和數據的技術(shù)，用戶(hù)通過(guò)低壓電力線(xiàn)以高于現在ISDN 20倍的速率在因特網(wǎng)上傳輸和瀏覽數據。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(kāi)發(fā)借助公共電力網(wǎng)傳送因特網(wǎng)數據的新技術(shù)，1999年內將使因特網(wǎng)傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來(lái)一兩年內提高到10Mbps。

　　2 現有幾種電力線(xiàn)載波芯片

　　實(shí)現電力線(xiàn)載波數據傳輸的關(guān)鍵是要克服電力線(xiàn)上所存在的問(wèn)題，歸結起來(lái)就是功能強大和性能優(yōu)越的電力線(xiàn)載波專(zhuān)用modem芯片的設計和應用。國外很早對電力線(xiàn)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(xiàn)載波modem芯片，并制定了電力線(xiàn)載波適用頻率范圍的標準。目前有針對北美洲地區電網(wǎng)（480Y/277V，208Y/120Vac）的標準頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區電網(wǎng)（400Y/230Vac）的標準頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網(wǎng)特點(diǎn)，采用各種特定專(zhuān)有技術(shù)，設計出各自的電力線(xiàn)載波modem芯片。由于國外電力線(xiàn)載波modem芯片是針對本地區電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結構，且一般是針對家庭內部自動(dòng)化而設計，在國內使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線(xiàn)載波modem芯片在一定應用領(lǐng)域可勉強使用。國內可使用的電力線(xiàn)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(xiàn)載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調制解調芯片，并不是專(zhuān)門(mén)針對電力線(xiàn)載波通訊設計的，還可用于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通訊。LM1893是美國國家半導體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調制解調方式。它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進(jìn)，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒(méi)有采用。

　?。?）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司專(zhuān)為電力線(xiàn)載波通訊而設計的modem芯片。由于它是專(zhuān)用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線(xiàn)應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內電力線(xiàn)載波抄表領(lǐng)域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。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(xiàn)載波通訊采用了數字濾波器、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字節容錯等現代通訊技術(shù)。ST7536也是較早的電力線(xiàn)載波modem芯片，調制解調技術(shù)是較落后的FSK方式，加上3字節容錯，最高波特率只能達到400bps。另外它無(wú)CSMA（網(wǎng)絡(luò )載波偵聽(tīng)）功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線(xiàn)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計算，每833μs中斷一次，對更復雜的應用來(lái)講，833μs間隔短了一點(diǎn)。

　?。?）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用現代最新通訊技術(shù)設計的電力線(xiàn)載波modem芯片。它采用了擴頻（Chirp方式）調制解調技術(shù)、現代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標準的CEBus協(xié)議，可稱(chēng)為智能modem芯片，體現了modem芯片的發(fā)展趨勢。但在國內電力線(xiàn)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公司按北美地區頻率標準、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動(dòng)化而設計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線(xiàn)－地藕合方式。由于針對家庭自動(dòng)化，主要一家一戶(hù)式獨立住宅，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(xiàn)網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應用。

　?。?）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)而設計的。它采用BPSK調制解調技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，目前在中國電力線(xiàn)網(wǎng)上應用效果較理想。但是由于它是Lonworks網(wǎng)絡(luò )專(zhuān)用，而且價(jià)格太高，因此在市場(chǎng)普及上有一定的困難。

　　3 實(shí)現方案

　　數字家庭一個(gè)