基于電力線和射頻通信的擴頻載波技術

引言

兩種新型擴頻技術--低壓電力線和射頻信號技術的開發，使得在住宅和商業應用中裝配性能可靠、成本低廉的無線分布式控制網絡成為可能。在電力線通信中的無線是指在現有居室及建筑風，由于實際已經存在交流電力線，無需再安裝新線路。以前，由于技術實現的高費用和復雜性，擴頻技術（如直接序列和跳頻）的典型應用僅限于安全通信和導航等軍用系統。但是，隨著固態集成電路的發展，使得另外一種擴頻技術在性價比上已適合普通用戶和商業應用。這就是掃頻脈沖技術，即利用線性調頻脈沖來有效地將信息帶寬展寬許多倍，形成信號帶寬。這種新技術也叫做擴頻載波技術SSC （Spread Spectrum Carrier)，它可以使得相關器就象匹配濾波接收機檢測窄帶調制載波一樣，可實時檢測到信號的存在。因此，可用這種技術來實現擁有許多用戶或節點縣共享一個頻道的載波監聽多路訪問的分組網。在美國，電子工業協會（EIA）已采用了SSC技術用為電力線和射頻的用戶電子總線（CEBus)標準的物理層規范。

用戶電子總線CEBus

CEBus 標準定義了用于發發家庭和建筑特控制網絡內部互連產品所要求的全部通信和網絡功能。類似于以太網（Ethernet)，該標準允許采用基于載波監聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）即爭用判決協議的通用總線來實現點對點無連接通信。作為一個非專利標準，CEBus是以國際標準化組織ISO的開放系統互連OSI參考模型為基礎實現的，只是省略了表示層、會話層和傳輸層，使產品開發的費用和復雜性最小性。CEBus標準僅定義了完成通信所要求的功能；它并未描述如何實現、設計以及應用接口等問題，這些問題有待于系統開發者自己的設計、應用。但是，該標準明確提出了大范圍的多用戶互連問題，包括諸如信號時序及結構、連接器、信號格式等問題。CEBus數據（見圖1）以一個八位開關鍵控同步頭信號作為開始，同步頭中解決了頻道的訪問和爭有問題。當頻道確定后采用相移鍵控 PSK技術把數據包中所含地址、控制或數據等正文發送出去。信息正文后面是一個包結束標志及一個用于錯誤控制的CRC碼。在一個CEBus數據包內通過對數據脈寬編碼以表示符號的域結束和包結束。在數據信息正文內，一個最小符號周期的持續時間為100微秒。

SSC電力線信號和射頻信號

SSC 電力線信號是一個掃頻脈沖或很短的直序型線形調頻脈沖。類似于傳統的直序擴頻，線形調頻脈沖可將信號能量展開使其分布在較寬的頻帶上。具體到EIA的 CEBus標準，信號展寬到100KHz至400KHz的頻帶之間，有較比特率為10kb/s，而歐洲開發的相應系統將信號展寬到20KHz至80KHz 的頻寬中，同時降低有效通信比特率為2kb/s，從而保持了處理增益。盡管從理論上說，信號可簡單地通過從100KHz至400KHz或20KHz至 80KHz脈沖掃頻產生，但實際產品卻是在100KHz至400KHz中間設一轉換點200KH，掃頻在此頻率結束并重新開始。這樣做主要有以下兩個原開始。這樣做主要有以下兩個原因：一是簡化了為限制信號產生的諧波能量而進行的濾波，二是在數據比特間允許平滑過渡。圖2示出這種信號的波形。

由圖2可以看出，頻率掃描是在前面提到的100微秒時間周期內進行的，這是對100KHz到400KHz的掃描而言，可實現20KHz到80KHz范圍內掃描，位處理時間將增至500微秒，可以得以2Kb/s的比特率，從而保持了擴頻信號的處理增益。可以看到，當信號頻率變化時信號幅度有顯著的變化，這是由于電力線阻抗隨頻率變化而變化。理論上說，擴頻信號提供的信號增益（即高出傳統窄帶技術的增益）等于擴展帶寬除以數據帶寬。在上述兩種情況中，此比值為 30：1，相當于14.8dB的處理增益。

如前所述，使用此信號技術就可開發低成本、高性能的擴頻收發器。導致低成本的主要因素在于掃頻信號可簡單地由存儲于IC ROM區的數據查表實現，而且由于線形調頻脈沖保持已知圖形的線性，在為線形調頻脈沖解碼時采用很簡單的相關方法即可。不僅如此，由于系統可通過使用直接序列法（即窄帶噪聲干擾壓制）和跳頻法（即窄帶阻塞干擾壓制），使得基于線形調頻脈沖的系統在多變噪聲條件下可得到很好的性能。