沈芳，劉波峰
(湖南大學 電氣與信息工程學院湖南長沙410082)
摘 要：介紹了Intellon公司的擴頻載波（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：消費電子總線；擴頻載波技術(shù)；P485；電力線
家庭自動化系統(tǒng)從20世紀70年代后期開始出現(xiàn)，即將PC機、電話、音響甚至電冰箱等電器連成一個網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遙測、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，主要存在以下幾個不利因素：
(1)可變的信號衰減和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)用擴頻通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication,SSC）。
1概述
擴頻通信是將待傳送的基帶信號用擴頻序列發(fā)生器產(chǎn)生的偽隨機編碼做擴頻調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后，形成相當帶寬的低功率譜密度信號再傳輸，接收端采用同樣的偽隨機編碼通過相關(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。
在擴頻通信行業(yè)處于領(lǐng)先地位的美國Intellon公司多年來一直致力于PL載波通訊領(lǐng)域，將其獨特的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兩個系列）都滿足CEBus標準，即EIA600，并主要應(yīng)用于家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、水電氣費管理、通訊、安全保衛(wèi)系統(tǒng)和其他分布式自動控制系統(tǒng)。
2SSC技術(shù)介紹
2.1CEBus簡介
CEBus(Consumer Electronics Bus，消費電子總線)是EIA為消費電子產(chǎn)品制定的一種通訊和產(chǎn)品互操作性的標準，該標準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。使得遵循同樣標準的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實現(xiàn)家庭自動化。
CEBus參考了ISO的OSI7層模型設(shè)計，但比OSI模型簡單，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，如表1所示，其中UST（Unit Symbol Time）為單位符號時間，是編碼和解碼的計時基準，EOF即End of Frame，EOP即End of Packet。
2.2SSC PL信號
SSC PL信號利用一系列短促的、可自同步的掃描頻率chirps作為載體，每個chirps一般持續(xù)100 μs，他代表了最基本的通信符號時間（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信號的線性掃描帶寬比信號帶寬要大得多，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)計成只能通過具有特定角加速度的信號，就可以將CW干擾排除在外。另外，此種chirps波形還具有很強的自相關(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，可以同時識別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進行同步。
2.3SSC RF信號
CEBus規(guī)定分組由3部分組成：報頭、分組包和CRC。收發(fā)器能解碼并去除報頭信息。分組包信息存儲在節(jié)點中等待主機讀取，或是傳送到媒介上去。節(jié)點檢驗收到分組的校驗值，并返回成功或失敗信息。
信號以UST兩個狀態(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個狀態(tài)分為7個子狀態(tài)，每個子狀態(tài)由360 chip擴頻序列組成，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進行編碼，二者相位相差180°。由表1得出：在分組包中，信號“1”占用1個UST，信號“0”占用2個UST。收發(fā)器傳輸完報頭的EOF信號后，用PRK傳輸分組剩下的數(shù)據(jù)。報頭的EOF信號對應(yīng)Φ1，符號“1”對應(yīng)Φ1，符號“0”對應(yīng)Φ2。報頭EOF信號后的第1位符號與之相位相反，圖4所示為分組包編碼實例。
3P485的工作原理和特點
Intellon公司的P485網(wǎng)絡(luò)接口控制器具有如下特點：
(1)適用于與CEBus兼容的低價位產(chǎn)品；
(2)提供EIA600標準中數(shù)據(jù)鏈路層的服務(wù)；
(3)提供EIA600標準中物理層的收發(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)。主處理器負責將命令和數(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)是通過信號輸入腳（SI）與信號輸出腳（SO）在PL與P485之間進行傳輸?shù)�。而輸出信號的放大和濾波、輸入信號的濾波和PL的耦合則需要由外部分立元件來完成。
模擬通訊信號首先從其SI腳進入SSC P485，然后被緩存放大器（Amp）放大。放大后的信號通過1位的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便于對信號進行數(shù)字信號處理。對輸入信號的數(shù)字信號處理包括用匹配濾波相關(guān)器檢測擴頻“chirps”波形，并追蹤已收到的信號。信號狀態(tài)信息經(jīng)由DSP電路傳輸?shù)竭壿嫿涌谶M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)生擴頻載波高層和低層狀態(tài)，此表可驅(qū)動8位D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生擴頻“chirps”模擬波形，當三態(tài)信號被置為高時，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而為全世界所關(guān)注，成為世界各大公司及研究單位爭相研究的熱點。
2002年7月，德國RWE公司在全球第一個推出了通過PL上網(wǎng)的業(yè)務(wù)，緊跟著西班牙的DS2公司宣布已實現(xiàn)最高達45 MHz的傳輸速率。除德國以外，其他一些國家如日本、韓國、西班牙和新加坡的電力公司也正在籌劃如何利用該項技術(shù)提供通信服務(wù)。為此，國內(nèi)的電力部門進一步加大了對這項技術(shù)的開發(fā)力度，福建省電力試驗研究院成功的研制 “10 Mb/s調(diào)整電力調(diào)制解調(diào)器”，填補了我國在這一領(lǐng)域的空白。PLC的生存空間將隨著時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進入市場的關(guān)鍵。
參考文獻
［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］查光明擴頻通信［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2001
[3］http://www.intellon.com
