三、基于電力線數(shù)字家庭實現(xiàn)方案

　　摘要：分析了電力載波數(shù)據(jù)通信的特點，介紹了幾種典型的電力載波芯片，提出了一個基于電力線的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案。

　　關(guān)鍵詞：電力線　電力線載波　數(shù)字家庭

　　信息時代的來臨，使信息家電日益受到市場和廠家的關(guān)注。伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與迅速普及，人們的生活方式正在發(fā)生深刻的變化。所謂數(shù)字家庭的概念和現(xiàn)實需求正漸漸向我們走來。

　　數(shù)字家庭作為一個動態(tài)過程，應(yīng)該包含三方面的內(nèi)容：（1）信息產(chǎn)品的家電化，如機頂盒、web游戲機、web電視、web電話，還有掌上電腦、手持PC、可穿戴PC等所有能通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)交互信息的消費類電子產(chǎn)品；（2）傳統(tǒng)家電的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，如電冰箱、洗衣機、微波爐等植入數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使之工作于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基礎(chǔ)上；（3）基于家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)出的新的應(yīng)用模式。

　　數(shù)字家庭的實現(xiàn)面臨著兩方面的問題：（1）家庭信息需求的具體化，即數(shù)字家庭的概念模型到實際模型，國內(nèi)外都進行了一些有益的探索；（2）技術(shù)解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)接入方案和設(shè)備互連方案。藍(lán)牙技術(shù)為設(shè)備間的無線互聯(lián)提供了一種理想的解決方案。由于價格上的原因，該技術(shù)的普及還有一些困難。居家所固有的低壓電力線布線結(jié)構(gòu)為實現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c進行分析，介紹幾種現(xiàn)有的電力線載波芯片，并提出一種基于電力線布線結(jié)構(gòu)的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案。

　　1 電力線數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c

　　本文所指電力線是指用戶端低壓電力配線網(wǎng)，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸即采用電力線載波技術(shù)。由于電力線本身不是為通信設(shè)計的，因此其特性在很多方面難以直接滿足載波通信的要求。從通信角度來說電力線對數(shù)據(jù)傳輸還有一系列技術(shù)上的難點，其主要特點如下：

　　（1）配電變壓器對電力載波信號的阻隔。配電變壓器主要實現(xiàn)50Hz工頻電能的變換，因此對高頻電力載波信號起阻斷作用。這使得電力載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶艿揭欢ǖ南拗啤ＭǔＶ荒茉谝粋€配電變壓器范圍內(nèi)或更小的范圍內(nèi)傳送。

　　（2）三相電力線間有效信號的損失（10dB~30dB）。由于信號跨越相線時要與配電變壓器的副邊發(fā)生關(guān)聯(lián)，必然引入衰減。對于近距離，不同相之間或許可以收到信號。但是距離一遠(yuǎn)就比較困難了。這是對電力載波傳輸范圍的又一個限制因素。通常電力載波信號只能在單相電力線上傳輸。

　　（3）電力線本身固有的脈沖干擾。目前使用的交流電有50Hz和60Hz，則周期為20ms和16.7ms。在每一交流周期中，出現(xiàn)兩次峰值，兩次峰值會帶來兩次脈沖干擾，即電力線上有固定的100Hz或120Hz脈沖干擾，干擾時間約2ms。固定干擾必須加以處理。有一種利用波形過零點的短時間內(nèi)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ捎谶^零點時間短，實際應(yīng)用與交流波形同步不好控制，現(xiàn)代通訊數(shù)據(jù)幀又較長，難以應(yīng)用。

　　（4）電力負(fù)載對載波信號衰減。當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，線路阻抗可達(dá)1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實際應(yīng)用中，當(dāng)電力線空載時，點對點載波信號可傳輸幾公里；但當(dāng)電力線上負(fù)荷很重時，只能傳輸幾十米。因此，只有進一步提高載波信號功率來滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆Ｌ岣咻d波信號功率會增加產(chǎn)品成本和體積，而且，單一提高載波信號功率并不是有效的方法。

　　（5）電力設(shè)備產(chǎn)生的噪聲干擾。電力線上接有各種各樣的用電設(shè)備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設(shè)備經(jīng)常頻繁開閉，會給電力線帶來各種噪聲干擾，而且幅度比較大。用藕合電感從電力線藕合下來的噪聲一般在10mV以上，而一般傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調(diào)數(shù)據(jù)信號，通訊距離會相當(dāng)短。

　　（6）電力線引起數(shù)據(jù)信號畸變。電力線網(wǎng)本身是一個分布參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)，不同點對數(shù)據(jù)信號影響是不一樣的，同時電力線時刻動態(tài)變化，不同時間對數(shù)據(jù)信號影響也不一樣，這就使發(fā)出的規(guī)則數(shù)據(jù)信號經(jīng)過電力線后，嚴(yán)重變形、參差不齊，必須加以特殊處理。

　　基于以上六個特點，電力線作為數(shù)據(jù)信號的傳輸介質(zhì)不是特別理想。進入20世紀(jì)90年代以后，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，電力線載波技術(shù)已經(jīng)獲得了重大突破。1997年10月，英國聯(lián)合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯(lián)合宣布已經(jīng)解決了電力抗干擾等問題。1998年夏天，Norweb 公司已為英格蘭西北部的2000個居民和商業(yè)用戶提供通過電力線的因特網(wǎng)服務(wù)，速率達(dá)到了1Mbps，比現(xiàn)行的ISDN高10倍。1999年3月11日，德國RWE能源股份有限公司和瑞士Ascom公司在德國萊錫林根向公眾展示利用電力網(wǎng)線傳送電話和數(shù)據(jù)的技術(shù)，用戶通過低壓電力線以高于現(xiàn)在ISDN 20倍的速率在因特網(wǎng)上傳輸和瀏覽數(shù)據(jù)。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們正在聯(lián)合開發(fā)借助公共電力網(wǎng)傳送因特網(wǎng)數(shù)據(jù)的新技術(shù)，1999年內(nèi)將使因特網(wǎng)傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來一兩年內(nèi)提高到10Mbps。

　　2 現(xiàn)有幾種電力線載波芯片

　　實現(xiàn)電力線載波數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結(jié)起來就是功能強大和性能優(yōu)越的電力線載波專用modem芯片的設(shè)計和應(yīng)用。國外很早對電力線載波通訊技術(shù)進行了研究，多家公司推出了自己的電力線載波modem芯片，并制定了電力線載波適用頻率范圍的標(biāo)準(zhǔn)。目前有針對北美洲地區(qū)電網(wǎng)（480Y/277V，208Y/120Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區(qū)電網(wǎng)（400Y/230Vac）的標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍下，針對本地區(qū)電網(wǎng)特點，采用各種特定專有技術(shù)，設(shè)計出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區(qū)電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，且一般是針對家庭內(nèi)部自動化而設(shè)計，在國內(nèi)使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應(yīng)用領(lǐng)域可勉強使用。國內(nèi)可使用的電力線載波modem芯片有以下幾種：

　　（1）XR2210/XR2206套片或LM1893

　　這是比較早的電力線載波芯片。XR2210/XR2206是一組FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設(shè)計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的modem芯片，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式。它只是對一般FSK調(diào)制解調(diào)芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內(nèi)基本沒有采用。

　　（2）ST7536

　　ST7536是SGS-THOMSON公司專為電力線載波通訊而設(shè)計的modem芯片。由于它是專用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信號調(diào)制解調(diào)功能外，還針對電力線應(yīng)用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，只是各公司應(yīng)用水平不同。ST7536是半雙工的FSK modem芯片，600bps時靈敏度為2mV，1200bps時靈敏度為3mV。它針對電力線載波通訊采用了數(shù)字濾波器、AFC（自動頻率控制）、ALC（自動輸出幅度控制）以及軟件上的3字節(jié)容錯等現(xiàn)代通訊技術(shù)。ST7536也是較早的電力線載波modem芯片，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是較落后的FSK方式，加上3字節(jié)容錯，最高波特率只能達(dá)到400bps。另外它無CSMA（網(wǎng)絡(luò)載波偵聽）功能，這些限制了它的應(yīng)用。目前，在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域，ST7536是最適合的modem芯片。但它通訊距離不是很理想；需要作中繼器時，通訊速度太慢；它是每位中斷一次，按1200bps計算，每833μs中斷一次，對更復(fù)雜的應(yīng)用來講，833μs間隔短了一點。

　　（3）SSCP300

　　SSCP300是Intellon公司采用現(xiàn)代最新通訊技術(shù)設(shè)計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻（Chirp方式）調(diào)制解調(diào)技術(shù)、現(xiàn)代DSP技術(shù)、CSMA技術(shù)以及標(biāo)準(zhǔn)的CEBus協(xié)議，可稱為智能modem芯片，體現(xiàn)了modem芯片的發(fā)展趨勢。但在國內(nèi)電力線載波抄表領(lǐng)域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區(qū)頻率標(biāo)準(zhǔn)、電網(wǎng)特性，特別針對家庭自動化而設(shè)計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網(wǎng)電壓480Y/277Vac、208Y/120Vac、60Hz。它可采用線－地藕合方式。由于針對家庭自動化，主要一家一戶式獨立住宅，所以在通訊距離上，它還采用陷波器隔離，防止干擾鄰近住宅。因此比較適合基于電力線網(wǎng)的家庭局域網(wǎng)的應(yīng)用。

　　（4）PLT-22

　　PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發(fā)器，它是針對工業(yè)控制網(wǎng)而設(shè)計的。它采用BPSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)以及多種容錯及糾錯技術(shù)，目前在中國電力線網(wǎng)上應(yīng)用效果較理想。但是由于它是Lonworks網(wǎng)絡(luò)專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。

　　3 實現(xiàn)方案

　　數(shù)字家庭一個主要應(yīng)用領(lǐng)域就是基于網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家電的控制，如網(wǎng)絡(luò)空調(diào)、網(wǎng)絡(luò)冰箱、網(wǎng)絡(luò)電飯鍋等。家電網(wǎng)絡(luò)化的目的在于實現(xiàn)用戶對家電的異地遠(yuǎn)程監(jiān)控，如通過Internet對家里的空調(diào)進行遙控操作，包括開機、關(guān)機、溫度調(diào)節(jié)等。另外，家庭電器設(shè)備與相關(guān)機構(gòu)的互連，如網(wǎng)絡(luò)冰箱可以將冰箱內(nèi)的物品消耗和存量情況通報物流配送公司。物流配送公司將根據(jù)用戶的消費習(xí)慣及時補充物品。

　　基于電力線網(wǎng)信息家電的實現(xiàn)方案可以包含兩個部分：一是家庭局域網(wǎng)與外部的連接?二是基于電力線布線的家庭局域網(wǎng)。家庭網(wǎng)與寬帶城域網(wǎng)的外部互連方式有多種，目前比較流行的大概有三類：

　　（1）HFC方式：采用現(xiàn)有的CATV傳輸網(wǎng)絡(luò)雙向功能的開發(fā)，實現(xiàn)用戶的寬帶接入。

　　（2）ADSL方式：利用電話線實現(xiàn)用戶寬帶接入的經(jīng)濟而有效的方法。

　　（3）LAN方式：利用小區(qū)局域網(wǎng)技術(shù)，采用雙絞線構(gòu)建樓宇用戶內(nèi)外的寬帶互連方式。

　　組建家庭局域網(wǎng)的內(nèi)部接入方式也有多種形式，目前正在積極實驗和試圖投入商業(yè)應(yīng)用的主要方式有以下幾種：

　　（1）無線方式：以藍(lán)牙技術(shù)為代表的近距離無線接入方式在信息家電領(lǐng)域有較大發(fā)展。但是由于價格上的原因，普及應(yīng)用上還有一些困難。

　　（2）雙絞線方式：采用分離的專門網(wǎng)線實現(xiàn)信號的傳遞，這在實際使用時有諸多不便。

　　（3）電力線方式：由于采用與電器供電線路一體化的信道方式，可避免重新布線。便于電器的任意移動。尤其適合網(wǎng)絡(luò)接入部分的嵌入式設(shè)計。一個基于電力線網(wǎng)的數(shù)字家庭實現(xiàn)方案如圖1所示。

　　在該方案中家庭內(nèi)部的互連通過電力線實現(xiàn)。其關(guān)鍵設(shè)備是電力線耦合器和電力線modem。這兩部分可以作為一個整體嵌入在各個信息家電里。這種設(shè)計理念將有助于構(gòu)建完整的一體化數(shù)字家庭，而且無需增加附加的布線資源。

　　圖1中，智能家庭網(wǎng)關(guān)是一個獨立、智能、靈活多變、標(biāo)準(zhǔn)化的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接口單元。它通過各種途徑（如Internet、WAP、電話、手機等）從多種多樣的外部網(wǎng)絡(luò)接收通信信號，然后通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將信號傳送到特定的用戶設(shè)備上，并將相應(yīng)信號反饋給外部通信節(jié)點，實現(xiàn)整個遠(yuǎn)程交互過程。

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，同時網(wǎng)關(guān)一般還負(fù)責(zé)家庭智能設(shè)備的管理和控制。為適用于普通的家庭用戶，網(wǎng)關(guān)一般設(shè)計為非PC廉價設(shè)備，采用嵌入式Internet技術(shù)和高性能微處理器。

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)具備以下功能：

　　·Internet接入功能；

　　·簡單的modem功能；

　　·Web服務(wù)器功能；

　　·簡單的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能；

　　·智能家居控制和管理功能；

　　·簡單友好的用戶操作界面；

　　·具有系統(tǒng)升級和重構(gòu)功能。

　　用戶可以在任何地方通過Internet、寬帶城域網(wǎng)與家庭智能網(wǎng)關(guān)建立連接，再通過智能家庭網(wǎng)關(guān)與家庭內(nèi)部的任何一臺信息家電或控制裝置相連，從而實現(xiàn)對家庭內(nèi)部各種電器的控制以及其它信息的監(jiān)控。家庭用戶終端和各種信息家電也可以通過智能網(wǎng)關(guān)與Internet或外界溝通。這樣使得整個家庭以數(shù)字方式與外界構(gòu)成一種互連關(guān)系。

　　傳統(tǒng)家電向信息家電的過渡是一個必然趨勢，在這一過程中即有傳統(tǒng)產(chǎn)品的升級改造問題也有新產(chǎn)品的開發(fā)問題，其核心問題還是數(shù)字化。數(shù)字化只是一個手段，網(wǎng)絡(luò)化才是其真正的目的。數(shù)字家庭的實現(xiàn)是信息家電基于完善的家庭網(wǎng)絡(luò)平臺的系統(tǒng)集成。而電力線網(wǎng)在家庭網(wǎng)絡(luò)平臺的構(gòu)建中具有極大的開發(fā)潛力。因為電力線網(wǎng)可以說是世界上現(xiàn)有分布最廣、與普通家庭關(guān)系最為緊密的有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如何充分利用現(xiàn)有的電力網(wǎng)絡(luò)承載電話、數(shù)據(jù)和電視信號是一個很有價值的研究課題。

　　由于我國電力線網(wǎng)與國外電力線網(wǎng)的差異，目前還沒有真正適合國內(nèi)電力線網(wǎng)特性的載波通訊的modem芯片。另外，由于中國的電網(wǎng)特性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、居民住宅分布狀況、電力線載波通訊的應(yīng)用領(lǐng)域等方面與國外也有很多不同之處。電力線載波通訊modem芯片是制約國內(nèi)電力線載波通訊市場迅速增長的主要瓶頸之一。同時也延緩了中國用戶對電力線載波通訊技術(shù)的認(rèn)同和接受。針對國內(nèi)電網(wǎng)特性、住宅結(jié)構(gòu)、市場要求等情況的深入研究，通過對國外電力線載波通訊技術(shù)的深入了解，利用國外先進的現(xiàn)代通訊技術(shù)，開發(fā)適合國內(nèi)電力線載波通訊modem芯片將具有極其廣闊的應(yīng)用前景。

　　針對數(shù)字家庭所進行的技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)該包含兩個方面：一是技術(shù)本身的創(chuàng)新，如新型modem芯片的開發(fā)；二是應(yīng)用模式的創(chuàng)新，如家居網(wǎng)關(guān)的模型、數(shù)字家庭的應(yīng)用模式等。從某種意義上說后者比前者還要重要。換句話說，設(shè)計出人們愿意接受的數(shù)字家庭應(yīng)用模式在引導(dǎo)人們需求的同時也會對技術(shù)產(chǎn)生巨大的推動。