典型数字家庭设计实例集锦(二)

　　摘要：分析了电力载波数据通信的特点，介绍了几种典型的电力载波芯片，提出了一个基于电力线的数字家庭实现方案。

　　关键词：电力线　电力线载波　数字家庭

　　信息时代的来临，使信息家电日益受到市场和厂家的关注。伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。所谓数字家庭的概念和现实需求正渐渐向我们走来。

　　数字家庭作为一个动态过程，应该包含三方面的内容：（1）信息产品的家电化，如机顶盒、web游戏机、web电视、web电话，还有掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；（2）传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；（3）基于家庭网络环境开发出的新的应用模式。

　　数字家庭的实现面临着两方面的问题：（1）家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；（2）技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。蓝牙技术为设备间的无线互联提供了一种理想的解决方案。由于价格上的原因，该技术的普及还有一些困难。居家所固有的低压电力线布线结构为实现设备的数字互连提供了一种潜在的可能。本文试图对电力线数据传输的特点进行分析，介绍几种现有的电力线载波芯片，并提出一种基于电力线布线结构的数字家庭实现方案。

　　1 电力线数据传输的特点

　　本文所指电力线是指用户端低压电力配线网，其主要功能是传输50Hz的工频电能。利用电力线实现数据传输即采用电力线载波技术。由于电力线本身不是为通信设计的，因此其特性在很多方面难以直接满足载波通信的要求。从通信角度来说电力线对数据传输还有一系列技术上的难点，其主要特点如下：

　　（1）配电变压器对电力载波信号的阻隔。配电变压器主要实现50Hz工频电能的变换，因此对高频电力载波信号起阻断作用。这使得电力载波数据传输的范围受到一定的限制。通常只能在一个配电变压器范围内或更小的范围内传送。

　　（2）三相电力线间有效信号的损失（10dB~30dB）。由于信号跨越相线时要与配电变压器的副边发生关联，必然引入衰减。对于近距离，不同相之间或许可以收到信号。但是距离一远就比较困难了。这是对电力载波传输范围的又一个限制因素。通常电力载波信号只能在单相电力线上传输。

　　（3）电力线本身固有的脉冲干扰。目前使用的交流电有50Hz和60Hz，则周期为20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100Hz或120Hz脉冲干扰，干扰时间约2ms。固定干扰必须加以处理。有一种利用波形过零点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过零点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又较长，难以应用。

　　（4）电力负载对载波信号衰减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达1Ω以下，造成对载波信号的高衰减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输几公里；但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。因此，只有进一步提高载波信号功率来满足数据传输的要求。提高载波信号功率会增加产品成本和体积，而且，单一提高载波信号功率并不是有效的方法。

　　（5）电力设备产生的噪声干扰。电力线上接有各种各样的用电设备，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各种用电设备经常频繁开闭，会给电力线带来各种噪声干扰，而且幅度比较大。用藕合电感从电力线藕合下来的噪声一般在10mV以上，而一般传输的数据信号会削减到1mV，如不采用电力线专用modem芯片来解调数据信号，通讯距离会相当短。

　　（6）电力线引起数据信号畸变。电力线网本身是一个分布参数的网络，不同点对数据信号影响是不一样的，同时电力线时刻动态变化，不同时间对数据信号影响也不一样，这就使发出的规则数据信号经过电力线后，严重变形、参差不齐，必须加以特殊处理。

　　基于以上六个特点，电力线作为数据信号的传输介质不是特别理想。进入20世纪90年代以后，随着通信技术的发展，电力线载波技术已经获得了重大突破。1997年10月，英国联合电力公司的通信子公司Norweb公司与加拿大Nortel公司联合宣布已经解决了电力抗干扰等问题。1998年夏天，Norweb 公司已为英格兰西北部的2000个居民和商业用户提供通过电力线的因特网服务，速率达到了1Mbps，比现行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德国RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德国莱锡林根向公众展示利用电力网线传送电话和数据的技术，用户通过低压电力线以高于现在ISDN 20倍的速率在因特网上传输和浏览数据。1999年4月，一家以色列公司和一家美国公司也宣布，他们正在联合开发借助公共电力网传送因特网数据的新技术，1999年内将使因特网传输速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未来一两年内提高到10Mbps。

　　2 现有几种电力线载波芯片

　　实现电力线载波数据传输的关键是要克服电力线上所存在的问题，归结起来就是功能强大和性能优越的电力线载波专用modem芯片的设计和应用。国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网（480Y/277V，208Y/120Vac）的标准频率范围100kHz~450kHz和针对欧洲地区电网（400Y/230Vac）的标准频率范围9kHz~150kHz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各自的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。国内可使用的电力线载波modem芯片有以下几种：

　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　这是比较早的电力线载波芯片。XR2210/XR2206是一组FSK方式的调制解调芯片，并不是专门针对电力线载波通讯设计的，还可用于有线和无线通讯。LM1893是美国国家半导体公司生产的modem芯片，采用FSK调制解调方式。它只是对一般FSK调制解调芯片稍作改进，目前，这两款modem芯片在国内基本没有采用。

　　（2）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。ST7536是半双工的FSK modem芯片，600bps时灵敏度为2mV，1200bps时灵敏度为3mV。它针对电力线载波通讯采用了数字滤波器、AFC（自动频率控制）、ALC（自动输出幅度控制）以及软件上的3字节容错等现代通讯技术。ST7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的FSK方式，加上3字节容错，最高波特率只能达到400bps。另外它无CSMA（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，ST7536是最适合的modem芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200bps计算，每833μs中断一次，对更复杂的应用来讲，833μs间隔短了一点。

　　（3）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（Chirp方式）调制解调技术、现代DSP技术、CSMA技术以及标准的CEBus协议，可称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围100kHz~400kHz，电网电压480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用线－地藕合方式。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。因此比较适合基于电力线网的家庭局域网的应用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计的。它采用BPSK调制解调技术以及多种容错及纠错技术，目前在中国电力线网上应用效果较理想。但是由于它是Lonworks网络专用，而且价格太高，因此在市场普及上有一定的困难。

　　3 实现方案

　　数字家庭一个