基于电力线和射频通信的扩频载波技术

    摘要：基于扩频线性调频脉冲的扩频技术，由于采用低成本集成电路来实现电力线载波和射频通信，使系统开发不但硬件成本低，而且安装费用低。这些技术也被EIA采用作为家庭自动化标准的CEbus（用户电子总线）物理层规范，而且，由于该技术的为低成本和高性能，它在与家庭自动化有关的分布控制和监视领域也有大量应用。

    关键词：扩频载波  CEBus  网络

引言

两种新型扩频技术--低压电力线和射频信号技术的开发，使得在住宅和商业应用中装配性能可靠、成本低廉的无线分布式控制网络成为可能。在电力线通信中的"无线"是指在现有居室及建筑风，由于实际已经存在交流电力线，无需再安装新线路。以前，由于技术实现的高费用和复杂性，扩频技术（如直接序列和跳频）的典型应用仅限于安全通信和导航等军用系统。但是，随着固态集成电路的发展，使得另外一种扩频技术在性价比上已适合普通用户和商业应用。这就是扫频脉冲技术，即利用线性调频脉冲来有效地将信息带宽展宽许多倍，形成信号带宽。这种新技术也叫做扩频载波技术SSC （Spread Spectrum Carrier)，它可以使得相关器就象匹配滤波接收机检测窄带调制载波一样，可实时检测到信号的存在。因此，可用这种技术来实现拥有许多用户或节点县共享一个频道的载波监听多路访问的分组网。在美国，电子工业协会（EIA）已采用了SSC技术用为电力线和射频的用户电子总线（CEBus)标准的物理层规范。

用户电子总线CEBus

CEBus标准定义了用于发发家庭和建筑特控制网络内部互连产品所要求的全部通信和网络功能。类似于以太网（Ethernet)，该标准允许采用基于载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）即争用判决协议的通用总线来实现点对点无连接通信。作为一个非专利标准，CEBus是以国际标准化组织ISO的开放系统互连OSI参考模型为基础实现的，只是省略了表示层、会话层和传输层，使产品开发的费用和复杂性最小性。CEBus标准仅定义了完成通信所要求的功能；它并未描述如何实现、设计以及应用接口等问题，这些问题有待于系统开发者自己的设计、应用。但是，该标准明确提出了大范围的多用户互连问题，包括诸如信号时序及结构、连接器、信号格式等问题。CEBus数据（见图1）以一个八位开关键控同步头信号作为开始，同步头中解决了频道的访问和争有问题。当频道确定后采用相移键控PSK技术把数据包中所含地址、控制或数据等正文发送出去。信息正文后面是一个包结束标志及一个用于错误控制的CRC码。在一个CEBus数据包内通过对数据脉宽编码以表示符号的域结束和包结束。在数据信息正文内，一个最小符号周期的持续时间为100微秒。

SSC电力线信号和射频信号

SSC电力线信号是一个扫频脉冲或很短的直序型线形调频脉冲。类似于传统的直序扩频，线形调频脉冲可将信号能量展开使其分布在较宽的频带上。具体到EIA的CEBus标准，信号展宽到100KHz至400KHz的频带之间，有较比特率为10kb/s，而欧洲开发的相应系统将信号展宽到20KHz至80KHz的频宽中，同时降低有效通信比特率为2kb/s，从而保持了处理增益。尽管从理论上说，信号可简单地通过从100KHz至400KHz或20KHz至80KHz脉冲扫频产生，但实际产品却是在100KHz至400KHz中间设一转换点200KH，扫频在此频率结束并重新开始。这样做主要有以下两个原开始。这样做主要有以下两个原因：一是简化了为限制信号产生的谐波能量而进行的滤波，二是在数据比特间允许平滑过渡。图2示出这种信号的波形。

由图2可以看出，频率扫描是在前面提到的100微秒时间周期内进行的，这是对100KHz到400KHz的扫描而言，可实现20KHz到80KHz范围内扫描，位处理时间将增至500微秒，可以得以2Kb/s的比特率，从而保持了扩频信号的处理增益。可以看到，当信号频率变化时信号幅度有显著的变化，这是由于电力线阻抗随频率变化而变化。理论上说，扩频信号提供的信号增益（即高出传统窄带技术的增益）等于扩展带宽除以数据带宽。在上述两种情况中，此比值为30：1，相当于14.8dB的处理增益。

如前所述，使用此信号技术就可开发低成本、高性能的扩频收发器。导致低成本的主要因素在于扫频信号可简单地由存储于IC ROM区的数据查表实现，而且由于线形调频脉冲保持已知图形的线性，在为线形调频脉冲解码时采用很简单的相关方法即可。不仅如此，由于系统可通过使用直接序列法（即窄带噪声干扰压制）和跳频法（即窄带阻塞干扰压制），使得基于线形调频脉冲的系统在多变噪声条件下可得到很好的性能。

由于扫频压缩脉冲是在基带频率上产生的，SSC射频信号与PL锁相信号很相似。在射频应用中此基带信号能被上变频到一个合适的发射频率，如北美未限制使用的915MHZ或欧洲的2.4GHZ。

应用

目前，美国正在大量开发家庭自动化的产品，开发商期望而向用户的零售能带来CEBus兼容产品的全面普及。这些产品包括灯光控制器，无线保安系统，集中供热通风，手持射频遥控器，音频视频设备控制等等。并且，许多设备提供商向用户承诺，可以很容易地在现有的用户产品在安装电能管理系统，并执行读表、负载控制及提供诸如保安监视的服务。现在有些商业应用采用CEBus锁相技术和射频扩频载波技术，并考虑与CEBus的兼容。

采用电力线技术和射频技术的系统使得硬币机（如arcade，gaming赌博机和零售机）的主为能够监视硬币的流量和种类、机器的诊断、库存的层次。旅馆行业的总台与房间之间的通信采用基于电力线或同轴电缆的SSC技术可实现多种应用，诸如房间入口控制、房间占用监视、电能管理、视频点播、室内保险箱以及迷你吧台的监视。不用现金的公共运输系统也正采用射频技术从公共汽车或火车向主控终端传输乘客流量统计。直流电总线用于运输行业以监视诸如汽车、拖车、火车等的刹车、冷冻、光线和其它重要系统的性能。交通十字路口控制与监视可采用射频技术实现。在欧洲至少一个城市的公用照明是用SSC电力线通信系统控制，采用从20KHz到80KHz的线形调频脉冲信号。随着这些技术的成熟以及更优的费效比，它们的应用可能越来越广泛。

八十年代末以来，国内对于电力线、RF的SSC技术的研究逐渐增多。研究方向主要集中在水电气远程抄表、安全保卫等领域，更广泛、更深入的应用还有待进一步开发。目前，国内比较成功的一个应用是苏州的一个小区路灯控制系统采用了SSC电力线通信技术来实现，运行实践表明系统稳定可靠。

美国INTELLON公司已把实现上述新信号技术所需的全部功能集成在低成本的专用集成电路（ASIC）中。除了产生信号，ASIC还提供EIA CEBus物理层规范指定的所有定时要求，为发送的每一个包产生一个16位CRC，仅仅要求主控器一次编码或解码8个数据UST，并监视提供的指示器状态。这使得采用SSC PL/RF技术可生产非常廉价的通信控制产品。公司宣称已拥有在交流电力线上实现10Mb/s通信比特率的技术。更多的一些美国。欧洲的公司已将几K至几百K通信比特率的电力线通信产品产业化，如ANI、ECHELON、NOVELL等公司。

结语

本文所介绍的两种新型扩频技术，可实现廉价而可靠的电力线或射频控制网络。此技术不仅被北美家用网络CEBus标准所支持，并在许多可受益于无线通信的商业应用中得到广泛支持。除了家庭自动化与建筑自动化，其它更普通的应用如：遥感、交通控制与监视，建筑物入口控制，销售交易处理的遥控点，公共运输利用率监视，电能管理，车辆系统管理，零售机监视等。随着这些技术的成熟以及更优的费效比，无颖会出现更新奇、更富创造性的应用。