沈芳，劉波峰
(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院湖南長(zhǎng)沙410082)
摘 要：介紹了Intellon公司的擴(kuò)頻載波（Spread Spectrum Carrier）技術(shù)及P485 PL網(wǎng)絡(luò)接口控制器的功能和工作原理。
關(guān)鍵詞：消費(fèi)電子總線；擴(kuò)頻載波技術(shù)；P485；電力線
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)從20世紀(jì)70年代后期開始出現(xiàn)，即將PC機(jī)、電話、音響甚至電冰箱等電器連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙訊和遙調(diào)功能，各種設(shè)備都能通過普通電源插座，由已有的電力線連接起來組成局域網(wǎng)。從技術(shù)角度而言，在利用PL（電力線）作為傳輸媒介的通訊過程中，主要存在以下幾個(gè)不利因素：
(1)可變的信號(hào)衰減和PL阻抗；
(2)阻抗調(diào)制；
(3)脈沖噪聲（Impulse Noise）；
(4)等幅振蕩波干擾（Continuous Wave Jamming）。
為了排除以上所述的各類干擾，在目前的PL通訊產(chǎn)品中，主要應(yīng)用擴(kuò)頻通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication,SSC）。
1概述
擴(kuò)頻通信是將待傳送的基帶信號(hào)用擴(kuò)頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)編碼做擴(kuò)頻調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后，形成相當(dāng)帶寬的低功率譜密度信號(hào)再傳輸，接收端采用同樣的偽隨機(jī)編碼通過相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶后再解調(diào)數(shù)據(jù),恢復(fù)出原始信息。
在擴(kuò)頻通信行業(yè)處于領(lǐng)先地位的美國(guó)Intellon公司多年來一直致力于PL載波通訊領(lǐng)域，將其獨(dú)特的SSC技術(shù)完美的應(yīng)用于其產(chǎn)品中，使得PL通訊的性能得以改觀。其所有產(chǎn)品（含PL和RF兩個(gè)系列）都滿足CEBus標(biāo)準(zhǔn)，即EIA600，并主要應(yīng)用于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、水電氣費(fèi)管理、通訊、安全保衛(wèi)系統(tǒng)和其他分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)。
2SSC技術(shù)介紹
2.1CEBus簡(jiǎn)介
CEBus(Consumer Electronics Bus，消費(fèi)電子總線)是EIA為消費(fèi)電子產(chǎn)品制定的一種通訊和產(chǎn)品互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定主要是定位于家庭，但并不局限于家庭，定義了在家用電器之間通訊所使用的通訊介質(zhì)和協(xié)議。使得遵循同樣標(biāo)準(zhǔn)的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化。
CEBus參考了ISO的OSI7層模型設(shè)計(jì)，但比OSI模型簡(jiǎn)單，包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中應(yīng)用層還包括消息傳輸子層。
CEBus采用NRZ編碼體制，用脈沖寬度表示信號(hào)，如表1所示，其中UST（Unit Symbol Time）為單位符號(hào)時(shí)間，是編碼和解碼的計(jì)時(shí)基準(zhǔn)，EOF即End of Frame，EOP即End of Packet。
2.2SSC PL信號(hào)
SSC PL信號(hào)利用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載體，每個(gè)chirps一般持續(xù)100 μs，他代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間（UST）。這些chirps覆蓋了100～400 kHz的頻帶，并總是以200～400 khz的頻率開始，繼而以100～200 kHz的頻率結(jié)束。如圖1所示，由于chirps信號(hào)的線性掃描帶寬比信號(hào)帶寬要大得多，其線性加速度是較高的，而CW干擾的頻率加速度一般是穩(wěn)定的，所以只要將濾波器設(shè)計(jì)成只能通過具有特定角加速度的信號(hào)，就可以將CW干擾排除在外。另外，此種chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步。
2.3SSC RF信號(hào)
CEBus規(guī)定分組由3部分組成：報(bào)頭、分組包和CRC。收發(fā)器能解碼并去除報(bào)頭信息。分組包信息存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)中等待主機(jī)讀取，或是傳送到媒介上去。節(jié)點(diǎn)檢驗(yàn)收到分組的校驗(yàn)值，并返回成功或失敗信息。
信號(hào)以UST兩個(gè)狀態(tài)相位Φ1和相位Φ2來編碼，相位Φ1為“FFFRRFR”，相位Φ2為“RRRFFRF”（前向“F”，反向“R”）。其中1個(gè)狀態(tài)分為7個(gè)子狀態(tài)，每個(gè)子狀態(tài)由360 chip擴(kuò)頻序列組成，chip基本速率為25200 MHz。如圖2所示。
傳輸能量在360個(gè)chip序列上均勻分布，波形大約在4.2～6.3 MHz之間掃頻，如圖3所示。
下面主要介紹分組包的編碼規(guī)則：分組包采用反相鍵控（PRK）調(diào)制技術(shù)。PRK用相位Φ1和相位Φ2進(jìn)行編碼，二者相位相差180°。由表1得出：在分組包中，信號(hào)“1”占用1個(gè)UST，信號(hào)“0”占用2個(gè)UST。收發(fā)器傳輸完報(bào)頭的EOF信號(hào)后，用PRK傳輸分組剩下的數(shù)據(jù)。報(bào)頭的EOF信號(hào)對(duì)應(yīng)Φ1，符號(hào)“1”對(duì)應(yīng)Φ1，符號(hào)“0”對(duì)應(yīng)Φ2。報(bào)頭EOF信號(hào)后的第1位符號(hào)與之相位相反，圖4所示為分組包編碼實(shí)例。
3P485的工作原理和特點(diǎn)
Intellon公司的P485網(wǎng)絡(luò)接口控制器具有如下特點(diǎn)：
(1)適用于與CEBus兼容的低價(jià)位產(chǎn)品；
(2)提供EIA600標(biāo)準(zhǔn)中數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)；
(3)提供EIA600標(biāo)準(zhǔn)中物理層的收發(fā)器；
(4)提供SSC的PL技術(shù)；
(5)＋5 V供電；
(6)波特率為9600 b/s；
(7)提供簡(jiǎn)單外圍接口；
(8)20針的SOIC封裝。
圖5為P485的管腳圖，圖6給出P485網(wǎng)絡(luò)接口控制器的節(jié)點(diǎn)方框圖。P485提供了通訊中物理層的協(xié)議服務(wù)。主處理器負(fù)責(zé)將命令和數(shù)據(jù)翻譯過來提供給用戶使用，并提供上層（包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層）的通迅協(xié)議。模擬數(shù)據(jù)是通過信號(hào)輸入腳（SI）與信號(hào)輸出腳（SO）在PL與P485之間進(jìn)行傳輸?shù)摹６敵鲂盘?hào)的放大和濾波、輸入信號(hào)的濾波和PL的耦合則需要由外部分立元件來完成。
模擬通訊信號(hào)首先從其SI腳進(jìn)入SSC P485，然后被緩存放大器（Amp）放大。放大后的信號(hào)通過1位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。對(duì)輸入信號(hào)的數(shù)字信號(hào)處理包括用匹配濾波相關(guān)器檢測(cè)擴(kuò)頻“chirps”波形，并追蹤已收到的信號(hào)。信號(hào)狀態(tài)信息經(jīng)由DSP電路傳輸?shù)竭壿嫿涌谶M(jìn)行解碼，協(xié)議功能和最終的分組傳輸?shù)街魈幚砥鳌＊オおおおおおおおお?/P>
將要發(fā)送的分組從主機(jī)傳送到P485邏輯接口，再傳輸?shù)紻SP功能模塊。DSP通過ROM查詢表來產(chǎn)生擴(kuò)頻載波高層和低層狀態(tài)，此表可驅(qū)動(dòng)8位D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生擴(kuò)頻“chirps”模擬波形，當(dāng)三態(tài)信號(hào)被置為高時(shí)，此波形經(jīng)緩存后從SO腳輸出，經(jīng)功率放大模塊（如P111）和變壓器等耦合道電力線上。
4結(jié)語
作為通訊技術(shù)的一個(gè)新興應(yīng)用領(lǐng)域，電力載波通訊PLC（Power Line Communation）技術(shù)以其誘人的前景及潛在的巨大市場(chǎng)而為全世界所關(guān)注，成為世界各大公司及研究單位爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。
2002年7月，德國(guó)RWE公司在全球第一個(gè)推出了通過PL上網(wǎng)的業(yè)務(wù)，緊跟著西班牙的DS2公司宣布已實(shí)現(xiàn)最高達(dá)45 MHz的傳輸速率。除德國(guó)以外，其他一些國(guó)家如日本、韓國(guó)、西班牙和新加坡的電力公司也正在籌劃如何利用該項(xiàng)技術(shù)提供通信服務(wù)。為此，國(guó)內(nèi)的電力部門進(jìn)一步加大了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)力度，福建省電力試驗(yàn)研究院成功的研制 “10 Mb/s調(diào)整電力調(diào)制解調(diào)器”，填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的空白。PLC的生存空間將隨著時(shí)間的推移不斷被其他接入方式壓縮，盡快推出成熟的技術(shù)，是PLC進(jìn)入市場(chǎng)的關(guān)鍵。
參考文獻(xiàn)
［1］Morgan Chan H L，Robert Donaldson WAttenuation of communication signals on residential and commercial intrabuilding powerdistribution circuits［J］IEEE Transactions on Electronmagnetic Compatibility，Vol.EMC 28，No.4，Nov.1986.220～230
［2］查光明擴(kuò)頻通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001
[3］http://www.intellon.com
