基于低压电力线载波技术的家庭网络

基于低压电力线载波技术的家庭网络摘要：简介国际主流家庭网络技术的基础上，综述了低压电力线载波通讯中信号传输特性的研究成果。在此基础上，分别阐述了基于X－10协议的载波通讯技术，基于CE－Bus协议的线性调频扩频技术的原理，并据此设计了相应的滤波电路和通讯模块。关键词：载波通讯；扩频通讯；X－10家庭网络协议；消费总线CEBus；低压电力线1引言家庭网络（总线）是智能家居的关键技术。国际公认的家庭网络标准有：美国的X－10［1］、消费总线（CEBus）［2］、日本的家庭总线（HomeBus）［3］、欧洲的安装总线（EIB）［4］等。HomeBus的通讯介质为双绞线或同轴电缆；EIB支持电源线介质，但主推的是基于双绞线的产品，无论是ABB还是SIEMENS，都认为在中国大陆安装基于电力线的EIB产品是不合适的。因此，本文限于以电压电力线为通讯介质的X－10和CEBus。鉴于技术突破的不可控性与市场因素的不可确定性，目前尚无法预测国际中哪种或者哪几种协议会成为国际标准，最大的可能是各协议相互借鉴融合，如同工控领域中长期共存的多种现场总线标准。2低压电力线载波通讯中信道状况分析低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，几乎所有的家用电子产品都是联在220V的电力线上。采用电力线作为家庭网络控制流的通讯介质，不存在重新布线的问题，无疑是最方便的。但是，在220V／380V低压电力线上进行信号通讯，与高压电力线载波通讯有较大区别，突出表现在工作环境恶劣：输入阻抗随频率、负载和测试点变化；信号衰减与频率、负载和距离有关；干扰噪声的复杂性和随机性。因此，国内外学者对此进行了广泛深入的研究，结合我们的研究成果总结如下。鉴于我国的电磁兼容性没有工业发达国家严格，成果选取以国内为主。●文［5］提出基于均匀传输线理论的模型，从理想化模型导出的结论—“提高发射功率，降低发射频率。”，值得商榷。●文［6］对低压电力线网载波通讯信号的衰减特性作了深入研究，并给出了详尽的实测数据。结论是“低压电力网通讯信号的衰减特性很难建立准确的数据模型”，“它更适合于用统计的方法来计算分析”，“电力负载将极大地影响载波信号的衰减”。我们的研究成果与此一致。●文［7］，［8］对低压电力网的干扰噪声作了深入探讨。指出干扰可以分成非人为干扰和人为干扰，后者影响远大于前者。认为干扰又分成三类：周期性干扰—电视机行频和可控硅等引起；脉冲干扰—电器的开关造成；白噪声—电动机噪声等。干扰的随机性和不可预测性是电网通讯的固有特性，而100kHz－400kHz是最佳通讯频带。图1为实测的干扰波形，这与我们现场测试的波形相似。●文［7］中对低压电网输入阻抗特性进行了理论推导，得出“引起信道阻抗变化的主要原因是负载阻抗”。文［9］更进一步，得出“在家庭网络中信道阻抗变化的主要原因是PC机等使用的开关电源”。这与我们的研究与试验惊人的一致。开关电源的输入端有滤波器，如图2所示。●文［10］，［11］对低压电力线载波通讯中信号传输特性作了全面的论述，给出了国内学者多次引用的输入阻抗－频率关系图，参见图3［12］，衰减－频率变化曲线，参见图4［13］。图3的两条曲线是在同一低压电力线网的不同地点测得的。从图3不难发现，输入阻抗随着频率的变化而发生剧变，变化范围竟达1000倍。图4中为信号频率与信号衰减的关系。综合国内外学者的研究成果：目前无法找到一个普遍适用，较为准确的数学模型，用于描述低压电力线的信号衰减特性和干扰特性。即使有些学者提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制，因而也是不精确或适用面很窄。3基于X－的电力线窄带载波通讯X－10家庭网络协议的通讯介质是低压电力线。1978年X－10模块推向市场，并申请了专利保护，1999年专利保护到期。X－10在商业上取得巨大成功，累计销售了1．2亿个模块，北美地区的用户已达450万。X－10模块售价仅为9．5美元，控制器也不过15美元。技术上并不先进的X－10，凭借其实用、简单、廉价、可靠，至今仍占据美国家庭网络的主导地位。3．1X－电力线窄带载波编码虽然X－10的传输速率只有100b／s，但完全胜任家庭中大量存在的面板开关和继电器类白色家电产品的控制，甚至承担黑色家电的控制流任务也绰绰有余。心理学家研究发现：浏览页面，延迟5s是人的忍耐极限；操作开关，0．5s的滞后无法察觉，1s的滞后略有感觉，2s是其耐心的上限。正常情况下，X－10完成一次操作的时间＜0．25s。X－10立足够用适用原则，而舍弃所谓的高技术指标，确是它的高明之处，否则无法解释X－10在商业上的巨大成功。3．2X－载波通讯分析X－10是以50Hz为载波，120kHz的脉冲为调制波（ModulatingWave）的数位控制技术（见图5）。根据香农关于信道容量的理论则C＝W×log2（1＋S／N）（1）式中：C是最大传输速率；N是噪声功率；W是频带宽度；S是信号功率。显然，W一定时，降低C，则信道中的信噪比S／N也可降低。X－10通过牺牲传输速率指标，达到降低电力线载波通讯对信噪比的要求。两套X－10演示系统分别安装在实验室和住宅，连续运行半年时间，通讯距离300m，实践证明系统运行正常可靠。通常随着载波频率上升，信号衰减增大。因此，国内部分学者提出降低载波频率来提高传输正确率［5］。这种策略忽略了问题的第一方面即随着频率的上升，噪声也出现下降的现象［16］。而通讯质量的好坏，取决于信噪比。电力线通讯频带是宝贵的资源。美国联邦通讯委员会（FCC）规定：电力线用户频带100kHz－450kHz；欧洲电力标准委员会（CENELEC）制定了EN50065－1规范：电力线用户频带3kHz－148．5kHz；我国虽无国家标准，相关的行业标准DL／T698－1999规定：电力线用户频带＞95kHz。所以，电力线载波频率选择＞100kHz较为适宜。4基于CEBus的电力线扩频载波通讯CEBus总线是为家庭消费类电子产品而制定的协议标准，支持的5种通讯介质（电力线、无线、红外、双绞线和同轴电缆），其中以电力线的应用最为广泛。CEBus总线得到IBM、Honywell、Microso－ft、Intellon、Lucent、Philips、Simens等国际知名公司的支持，1992年成为美国电子工业协议的标准（EIA600）。1997年，EIA600成为美国ANSI标准。2000年6月，微软和CEBus委员会共同宣布支持CEBus的简单控制协议SCP，SCP是未来微软UPNP协议的子集。CEBus协议对OSI网络参考模型TCP／IP模型作了简化，仅包括物理层、数据链路层、网络层、应用层，与工业现场总线的网络模型设计思想类似。此外，CEBus协议定义了资源描述语言—公共应用语言（CAL）。鉴于CAL语言的特殊性和独立性，美国电子工业协议将其列为单独的标准EIA－721。4．1CEBus电力线线性扩频编码CEBus在电力线上有四种编码，分别是：0、1、EOF和EOP，它们都是扩频扫描范围为100～400kHz的线性扫频chirp信号：从203kHz经过19个周期线性地变为400kHz，再在1个周期内变为100kHz，然后再在5个周期中变为203kHz，整个时间长度为100μs，也就是1个UST（Unitsymboltime）【6】。其波形如图6所示。这种chirps波形具有很强的自相关特性和自同步性，这种自相关性决定了所有连接在网络上的设备，可以同时识别从网上任意设备发出的这种独特波形。CEBus的物理层数据帧由帧头、数据体和CRC校验组成【7】，如图7所示。帧头与数据体的编码有所不同，编码方式如表1所示。帧头采用了幅移键控（ASK）技术，数据体中采用反相键控（PRK）两种波形调制方法对信号进行处理。线性扫频的起始和结束频率均为200kHz，位于传输频带100kHz－400kHz的中间。这样处理的好处是：简化了为限制信号产生谐波而进行的滤波；数据比特间允许平滑过渡。4．2CEBus线性扫频技术分析扩频通讯具有很强的抗干扰能力，其原理是用伪随机码把基带信号（信号数据窄带信号）的频谱进行扩展，形成相当带宽的低功率谱密度信号发射。接受端解扩后，要接受的宽带信号恢复成基带信号，而干扰信号被接收机扩散到更宽频带，从而使得落入有用信息带宽范围的干扰强度大大下降，即信噪比提升到30：1（14．8dB）［20］。理论计算公式：式中：S—信号功率；N—干扰功率；B—扩频解调系数；T—信号数据比特宽度；—扩频信号的带宽；Bn—输入噪声解扩后功率谱密度改变因子，n＜1。扩频通讯常用的技术有直接序列扩频、调频、直扩／调频混和系统和宽带线性扩频。线性扩频调制解调原理见图9。由香农定理（式（1）），线性扩频技术在信噪比一定的情况下，通过提高带宽，达到提高传输速率的目标。4．3通讯模块的设计根据P89C51RD2和P300的芯片手册［6］，［7］，通用通讯模块的原理图如图10所示。P89C51RD2和P300之间采用SPI接口通讯，用模拟的I2C总线和串行EEPROM通讯。这样，中断口和串口，另有足够的IO口，可以用于实际设备的设计。4．4滤波电路输入滤波器采用电容和电感组成的无源电路，如图11所示。这个滤波器有6阶，对高频干扰有很好的抑制，图12是它的频率响应曲线，在高频段400kHz处衰减为3分贝，高于400kHz的平均衰减是128DB／dec，可以有效地过滤干扰信号。P300输出的信号包含丰富的高次谐波，为了减小对电网的干扰，是先经过带通滤波器再进行放大的，滤波器也采用无源电路，原理与上面的类似。5结论现有研究成果表明，尽管尚无法建立普遍适用的低压电力网通讯模型，但只要采取相应的技术措施，低压电力线仍是大有前途的通讯介质。低速窄带通讯X－10协议及产品，能满足面板开关和继电器类家电要求，这类产品的市场需求量很大，应重视开发、引进这类智能家庭网络产品。采用扩频技术的CEBus协议及产品，代表电力线载波的技术方向，应是研究和开发的重点。研究的重点不应局限在网络的物理层。CEBus数据链路层提供四种类型服务［24］，其中带地址要求响应（ADD—ACK），采用重发机制，就能大大提高通讯正确率。PC机类开关电源对低压电力线的危害应引起工程技术的关注，建议电源接入处接一阻波器。低压电力线载波通信的接口电路设计摘要：为了利用低压电力线实现可靠的载波通信，接口电路的设计是问题的关键。其难点在于：一方面，要求载波信号的加载效率高；另一方面，要求电力网50Hz的工频信号不能给载波通信系统带来太大的干扰。为此，采用了“电磁耦合”与“阻容耦合”相结合的“复合耦合技术”，很好地解决了这一难题。基于这种“复合耦合技术”，分析并设计了“低压电力线载波通信的接口电路”。仿真结果和实验结果表明：该接口电路既有较高的载波信号加载效率，又能完全地隔离电力网50Hz的工频信号。因此，该接口电路可广泛应用于低压电力线通信系统。关键词：载波通信；低压电力线；接口电路；设计一、前言电力线通信，简称PLC（PowerLineCommunication），是以电力网作为信道进行载波通信的一种有线通信方式。电力线载波通信与其他通信方式相比，能充分利用现有的电力线资源，即利用电力线进行通信，实现信息的传输。因而，电力线通信具有很好的开发前景和应用价值［１］。最近,英国在电力线媒介开发方面取得了突破性进展,用户可通过电力线进入Internet网,它从简单的数据传输提高到了网络联接。法国已推出了电力线调制解调器集成电路,使住宅智能化产品向市场化方向进一步推进。电力线通信目前在欧洲（德国、英国、瑞典等）发展得较快。德国与英国是目前世界上唯一制定电力线通信规则的国家［２］。中国电力系统已组建国电通信中心，并向信息产业部正式申请了牌照。国家电力公司计划在2015年建成全国统一的联合电力网通信系统，其前景极其可观。但是，低压电力线是一种通信环境非常恶劣的信道，有许多问题有待进一步研究［３］。低压电力线传送着220V/50Hz的电能，在低压电力线上并接了许多不同