CEBus電力線通信模塊在智能小區中的應用

電力線通信(PowerLine Communication，PLC)是指建立在電力輸送網基礎上的、實現電力通信網絡內部各節點之間以及與其他通信網絡之間通信的系統^［1］。近幾年，與電信網及有線電視網相比，電力線通信網以其資源廣闊、與家庭結合緊密等優勢日益引起人們的關注，并得到快速發展。PLC的應用已不限于簡單的點對點的傳輸，歐美一些國家正研究其在智能化小區及接入網方面的應用，這是信息網絡的發展和信息家電出現的必然趨勢。專用通訊模塊的設計決定了這些功能是否能高質量、低成本地實現，以及系統的安全性能和電力線高壓危險的防護。

1　基于Chirps的擴頻載波通訊技術和CEBus協議
1.1　基于Chirps的擴頻載波技術
　　對電力線這一強背景噪聲的信道，數據傳輸的一種有效手段就是擴頻(Spread Spectrum，SS)技術。擴頻技術就是用偽隨機碼將載有信息數據的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶低功率譜密度的信號來發送。這樣，在接收端使用恰當的手段就可以將信號提取出來，從而減少噪聲對信號的影響，保證了電力線網絡上的可靠通信。
　　如圖1所示，寬帶線性調頻利用一組掃描頻率作為載體，信號占用的頻帶寬度遠遠大于信息帶寬，可獲得很大的擴頻增益。

　　該掃描頻率是一系列短促的、可自同步的連續脈沖，又稱作“chirps”，每個chirps一般持續100μs，他代表了最基本的單位通信符號時間(UST)。他可通過不同的UST組合來實現數據傳輸，其最大速率為10 kb/s。按照CEBus標準，這些信號頻率覆蓋了100～400 kHz的帶寬。在Intellon公司的SSCP300芯片中，掃描總是以200 kHz的頻率開始和結束，也就是說：400 kHz和100 kHz的頻率總是在每一個chirps的中間，這樣做的優點是便于進行掃描信號的諧波抑制，并使數據傳輸中位與位之間的過渡變得比較平滑^［2］。另外，此種chirps波形具有很強的獨立性。
1.2　CEBus協議簡介
　　 CEBus是專門為家用電子產品通訊而制定的協議標準，又稱作FLA－600協議^[3]。美國電子工業協會(Electronicw Industry Association,EIA)聯合其他廠商，在1989年制定出一套家庭自動化控制規格的初步草案并在1992年發布，命名為CEBus(Consumer Electronic Bus)，目標是建立一個針對家用電子產品的開放性協議；開發一套通用的、廉價的、與制造廠家無關的通訊方法；允許用戶以很小的代價實現在系統中加入新的家電產品；減少家用電子產品設備功能的冗余。1997年，CEBus的EIA－600正式成為美國ANSI標準。
　　如圖2所示，CEBus采用簡化的OSI模型，分為物理層、數據鏈路層、網絡層和應用層。物理層使用7種不同媒介，包括電力線、雙絞線、同軸電纜等，可以滿足不同應用場合需要。CEBus的網絡完全面向報文分組(packet)，使用載波偵聽多路訪問和沖突檢測協議(CSMA)。采用“公共應用語言”(Common Application Language，CAL)，設備之間可以互相訪問，從而知道一個設備所有的資源，工作狀態，并可控制該設備。

1.3　SSCP300電力線網絡接口控制器簡介
　　Intellon公司的SSCP300電力線網絡接口控制器是一種與CEBus總線兼容、高度集成的電力線網絡信號收發控制器。他利用傳輸穩定可靠、通信保密程度高的擴頻載波技術，通過CRC校驗，來實現網絡信息的安全傳遞。SSCP300提供了數據鏈接層(DLL)的控制邏輯，符合EIA－600標 準的通道訪問及通信服務，基于chirps的擴頻載波技術的電力線信號收發器，信號調整電路以及同數據處理及控制部分聯接的SPI(SerialPeripheralInterface)接口電路。

2　基于擴頻載波技術的CEBus通訊模塊的典型應用
2.1　硬件設計
　　應用這種基于擴頻載波技術的CEBus通訊芯片SSCP300組成的通訊模塊如圖3所示。

　　通訊模塊由3部分構成：第1部分為微控制器，用于P300的通信及執行特殊工作；第2部分為P300，他提供數據鏈路功能和物理層的協議服務；第3部分為電力線模擬功能，包括將信號耦合到媒體上，放大發送信號以及對輸入信號的濾波。
2.2　仿真研究
　　2.2.1　輸入濾波器
　　電力線上的干擾很大也很不確定，需要一個帶通濾波器，僅將帶寬100～400 kHz的信號送入P300的輸入端^［2］。由模擬帶通濾波器的傳遞函數及相關設計參考，構造出了如圖4所示的無源六級LC濾波器。

　　 對該帶通濾波器進行性能仿真得到如圖5所示仿真結果。