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基于低压电力线载波技术的家庭网络　摘? 要：简介国际主流家庭网络技术的基础上，综述了低压电力线载波通讯中信号传输特性的研究成果。在此基础上，分别阐述了基于X－10协议的载波通讯技术，基于CE－Bus协议的线性调频扩频技术的原理，并据此设计了相应的滤波电路和通讯模块。　关键词：载波通讯；扩频通讯；X－10家庭网络协议；消费总线CEBus；低压电力线 1 引言　家庭网络（总线）是智能家居的关键技术。国际公认的家庭网络标准有：美国的X－10［1］、消费总线（CEBus）［2］、日本的家庭总线（HomeBus）［3］、欧洲的安装总线（EIB）［4］等。HomeBus的通讯介质为双绞线或同轴电缆；EIB支持电源线介质，但主推的是基于双绞线的产品，无论是ABB还是SIEMENS，都认为在中国大陆安装基于电力线的EIB产品是不合适的。因此，本文限于以电压电力线为通讯介质的X－10和CEBus。鉴于技术突破的不可控性与市场因素的不可确定性，目前尚无法预测国际中哪种或者哪几种协议会成为国际标准，最大的可能是各协议相互借鉴融合，如同工控领域中长期共存的多种现场总线标准。 2 低压电力线载波通讯中信道状况分析　低压电力线无疑是家庭中分布最广泛的有线网络介质，几乎所有的家用电子产品都是联在220V的电力线上。采用电力线作为家庭网络控制流的通讯介质，不存在重新布线的问题，无疑是最方便的。但是，在220 V／380 V低压电力线上进行信号通讯，与高压电力线载波通讯有较大区别，突出表现在工作环境恶劣：输入阻抗随频率、负载和测试点变化；信号衰减与频率、负载和距离有关；干扰噪声的复杂性和随机性。因此，国内外学者对此进行了广泛深入的研究，结合我们的研究成果总结如下。鉴于我国的电磁兼容性没有工业发达国家严格，成果选取以国内为主。　●文［5］提出基于均匀传输线理论的模型，从理想化模型导出的结论—“提高发射功率，降低发射频率。”，值得商榷。　●文［6］对低压电力线网载波通讯信号的衰减特性作了深入研究，并给出了详尽的实测数据。结论是“低压电力网通讯信号的衰减特性很难建立准确的数据模型”，“它更适合于用统计的方法来计算分析”，“电力负载将极大地影响载波信号的衰减”。我们的研究成果与此一致。　●文［7］，［8］对低压电力网的干扰噪声作了深入探讨。指出干扰可以分成非人为干扰和人为干扰，后者影响远大于前者。认为干扰又分成三类：周期性干扰—电视机行频和可控硅等引起；脉冲干扰—电器的开关造成；白噪声—电动机噪声等。干扰的随机性和不可预测性是电网通讯的固有特性，而100 kHz－400 kHz是最佳通讯频带。图1为实测的干扰波形，这与我们现场测试的波形相似。　●文［7］中对低压电网输入阻抗特性进行了理论推导，得出“引起信道阻抗变化的主要原因是负载阻抗”。文［9］更进一步，得出“在家庭网络中信道阻抗变化的主要原因是PC机等使用的开关电源”。这与我们的研究与试验惊人的一致。开关电源的输入端有滤波器，如图2所示。　●文［10］，［11］对低压电力线载波通讯中信号传输特性作了全面的论述，给出了国内学者多次引用的输入阻抗－频率关系图，参见图3［12］，衰减－频率变化曲线，参见图4［13］。　图3的两条曲线是在同一低压电力线网的不同地点测得的。从图3不难发现，输入阻抗随着频率的变化而发生剧变，变化范围竟达1 000倍。图4中为信号频率与信号衰减的关系。　综合国内外学者的研究成果：目前无法找到一个普遍适用，较为准确的数学模型，用于描述低压电力线的信号衰减特性和干扰特性。即使有些学者提出了一些模型，但是这些模型也往往是附加了许多假设和限制，因而也是不精确或适用面很窄。 3 基于X－的电力线窄带载波通讯　X－10家庭网络协议的通讯介质是低压电力线。1978年X－10模块推向市场，并申请了专利保护，1999年专利保护到期。X－10在商业上取得巨大成功，累计销售了1．2亿个模块，北美地区的用户已达450万。X－10模块售价仅为9．5美元，控制器也不过15美元。技术上并不先进的X－10，凭借其实用、简单、廉价、可靠，至今仍占据美国家庭网络的主导地位。3．1　X－电力线窄带载波编码　虽然X－10的传输速率只有100 b／s，但完全胜任家庭中大量存在的面板开关和继电器类白色家电产品的控制，甚至承担黑色家电的控制流任务也绰绰有余。心理学家研究发现：浏览页面，延迟5 s是人的忍耐极限；操作开关，0．5 s的滞后无法察觉，1 s的滞后略有感觉，2 s是其耐心的上限。正常情况下，X－10完成一次操作的时间＜0．25 s。X－10立足够用适用原则，而舍弃所谓的高技术指标，确是它的高明之处，否则无法解释X－10在商业上的巨大成功。3．2　X－载波通讯分析　X－10是以50 Hz为载波，120 kHz的脉冲为调制波（Modu