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信息時代的來臨，使信息家電日益受到市場和廠家的關注。伴隨著網絡技術的發展與迅速普及，人們的生活方式正在發生深刻的變化。所謂數字家庭的概念和現實需求正漸漸向我們走來。 數字家庭作為一個動態過程，應該包含三方面的內容：(1)信息產品的家電化，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等所有能通過網絡系統交互信息的消費類電子產品；(2)傳統家電的數字化和網絡化，如電冰箱、洗衣機、微波爐等植入數字網絡技術，使之工作于家庭網絡環境的基礎上；(3)基于家庭網絡環境開發出的新的應用模式。 數字家庭的實現面臨著兩方面的問題：(1)家庭信息需求的具體化，即數字家庭的概念模型到實際模型，國內外都進行了一些有益的探索；(2)技術解決方案，包括網絡接入方案和設備互連方案。藍牙技術為設備間的無線互聯提供了一種理想的解決方案。由于價格上的原因，該技術的普及還有一些困難。居家所固有的低壓電力線布線結構為實現設備的數字互連提供了一種潛在的可能。本文試圖對電力線數據傳輸的特點進行分析，介紹幾種現有的電力線載波芯片，并提出一種基于電力線布線結構的數字家庭實現方案。 1 電力線數據傳輸的特點 本文所指電力線是指用戶端低壓電力配線網，其主要功能是傳輸50Hz的工頻電能。利用電力線實現數據傳輸即采用電力線載波技術。由于電力線本身不是為通信設計的，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據傳輸還有一系列技術上的難點，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。這使得電力載波數據傳輸的范圍受到一定的限制。通常只能在一個配電變壓器范圍內或更小的范圍內傳送。 (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生關聯，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進行數據傳輸的方法，但由于過零點時間短，實際應用與交流波形同步不好控制，現代通訊數據幀又較長，難以應用。 (4)電力負載對載波信號衰減。當電力線上負荷很重時，線路阻抗可達1Ω以下，造成對載波信號的高衰減。實際應用中，當電力線空載時，點對點載波信號可傳輸幾公里；但當電力線上負荷很重時，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據傳輸的要求。提高載波信號功率會增加產品成本和體積，而且，單一提高載波信號功率并不是有效的方法。 (5)電力設備產生的噪聲干擾。電力線上接有各種各樣的用電設備，阻性的、感性的、容性的，有大功率的、小功率的。各種用電設備經常頻繁開閉，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，而一般傳輸的數據信號會削減到1mV，如不采用電力線專用modem芯片來解調數據信號，通訊距離會相當短。 (6)電力線引起數據信號畸變。電力線網本身是一個分布參數的網絡，不同點對數據信號影響是不一樣的，同時電力線時刻動態變化，不同時間對數據信號影響也不一樣，這就使發出的規則數據信號經過電力線后，嚴重變形、參差不齊，必須加以特殊處理。 基于以上六個特點，電力線作為數據信號的傳輸介質不是特別理想。進入20世紀90年代以后，隨著通信技術的發展，電力線載波技術已經獲得了重大突破。1997年10月，英國聯合電力公司的通信子公司Norweb公司與加拿大Nortel公司聯合宣布已經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個居民和商業用戶提供通過電力線的因特網服務，速率達到了1Mbps，比現行的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線傳送電話和數據的技術，用戶通過低壓電力線以高于現在ISDN 20倍的速率在因特網上傳輸和瀏覽數據。1999年4月，一家以色列公司和一家美國公司也宣布，他們正在聯合開發借助公共電力網傳送因特網數據的新技術，1999年內將使因特網傳輸速率由50Kbps提高到1.5Mbps，未來一兩年內提高到10Mbps。 2 現有幾種電力線載波芯片 實現電力線載波數據傳輸的關鍵是要克服電力線上所存在的問題，歸結起來就是功能強大和性能優越的電力線載波專用modem芯片的設計和應用。國外很早對電力線載波通訊技術進行了研究，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準。目前有針對北美洲地區電網(480Y/277V，208Y/120Vac)的標準頻率范圍100kHz~450kHz和針對歐洲地區電網(400Y/230Vac)的標準頻率范圍9kHz~150kHz。各家公司在標準頻率范圍下，針對本地區電網特點，采用各種特定專有技術，設計出各自的電力線載波modem芯片。由于國外電力線載波modem芯片是針對本地區電網特性、電網結構，且一般是針對家庭內部自動化而設計，在國內使用都難盡人意。目前，有一、兩款電力線載波modem芯片在一定應用領域可勉強使用。國內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方式的調制解調芯片，并不是專門針對電力線載波通訊設計的，還可用于有線和無線通訊。LM1893是美國國家半導體公司生產的modem芯片，采用FSK調制解調方式。它只是對一般FSK調制解調芯片稍作改進，目前，這兩款modem芯片在國內基本沒有采用。 (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芯片的信號調制解調功能外，還針對電力線應用加入了許多特別的信號處理手段。目前，在國內電力線載波抄表領域應用廣泛，只是各公司應用水平不同。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字節容錯等現代通訊技術。ST7536也是較早的電力線載波modem芯片，調制解調技術是較落后的FSK方式，加上3字節容錯，最高波特率只能達到400bps。另外它無CSMA(網絡載波偵聽)功能，這些限制了它的應用。目前，在國內電力線載波抄表領域，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，對更復雜的應用來講，833μs間隔短了一點。 (3)SSCP300 SSCP300是Intellon公司采用現代最新通訊技術設計的電力線載波modem芯片。它采用了擴頻(Chirp方式)調制解調技術、現代DSP技術、CSMA技術以及標準的CEBus協議，可稱為智能modem芯片，體現了modem芯片的發展趨勢。但在國內電力線載波抄表領域使用效果還不如較早的ST7536。究其原因，SSCP300是Intellon公司按北美地區頻率標準、電網特性，特別針對家庭自動化而設計的。頻率范圍100kHz~400kHz，電網電壓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的家庭局域網的應用。 (4)PLT-22 PLT-22是Echelon公司最新電力載波收發器，它是針對工業控制網而設計的。它采用BPSK調制解調技術以及多種容錯及糾錯技術，目前在中國電力線網上應用效果較理想。但是由于它是Lonworks網絡專用，而且價格太高，因此在市場普及上有一定的困難。 3 實現方案 數字家庭一個主要應用領域就是基于網絡實現對家電的控制，如網絡空調、網絡冰箱、網絡電飯鍋等。家電網絡化的目的在于實現用戶對家電的異地遠程監控，如通過Internet對家里的空調進行遙控操作，包括開機、關機、溫度調節等。另外，家庭電器設備與相關機構的互連，如網絡冰箱可以將冰箱內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用戶的消費習慣及時補充物品。 基于電力線網信息家電的實現方案可以包含兩個部分：一是家庭局域網與外部的連接?二是基于電力線布線的家庭局域網。家庭網與寬帶城域網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：采用現有的CATV傳輸網絡雙向功能的開發，實現用戶的寬帶接入。 (2)ADSL方式：利用電話線實現用戶寬帶接入的經濟而有效的方法。 (3)LAN方式：利用小區局域網技術，采用雙絞線構建樓宇用戶內外的寬帶互連方式。 組建家庭局域網的內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應用的主要方式有以下幾種： (1)無線方式：以藍牙技術為代表的近距離無線接入方式在信息家電領域有較大發展。但是由于價格上的原因，普及應用上還有一些困難。 (2)雙絞線方式：采用分離的專門網線實現信號的傳遞，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。尤其適合網絡接入部分的嵌入式設計。一個基于電力線網的數字家庭實現方案如圖1所示。 在該方案中家庭內部的互連通過電力線實現。其關鍵設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。這種設計理念將有助于構建完整的一體化數字家庭，而且無需增加附加的布線資源。 圖1中，智能家庭網關是一個獨立、智能、靈活多變、標準化的家居網絡系統接口單元。它通過各種途徑(如Internet、WAP、電話、手機等)從多種多樣的外部網絡接收通信信號，然后通過家庭內部網絡將信號傳送到特定的用戶設備上，并將相應信號反饋給外部通信節點，實現整個遠程交互過程。 智能家庭網關是智能家庭局域網的核心部分，主要完成家庭內部網絡各種不同通信協議之間的轉換和信息共享及同外部通信網絡之間的數據交換，同時網關一般還負責家庭智能設備的管理和控制。為適用于普通的家庭用戶，網關一般設計為非PC廉價設備，采用嵌入式Internet技術和高性能微處理器。 智能家庭網關應具備以下功能： ·Internet接入功能； ·簡單的modem功能； ·Web服務器功能； ·簡單的內部網絡協議轉換功能； ·智能家居控制和管理功能； ·簡單友好的用戶操作界面； ·具有系統升級和重構功能。 用戶可以在任何地方通過Internet、寬帶城域網與家庭智能網關建立連接，再通過智能家庭網關與家庭內部的任何一臺信息家電或控制裝置相連，從而實現對家庭內部各種電器的控制以及其它信息的監控。家庭用戶終端和各種信息家電也可以通過智能網關與Internet或外界溝通。這樣使得整個家庭以數字方式與外界構成一種互連關系。 傳統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產品的升級改造問題也有新產品的開發問題，其核心問題還是數字化。數字化只是一個手段，網絡化才是其真正的目的。數字家庭的實現是信息家電基于完善的家庭網絡平臺的系統集成。而電力線網在家庭網絡平臺的構建中具有極大的開發潛力。因為電力線網可以說是世界上現有分布最廣、與普通家庭關系最為緊密的有線網絡結構。如何充分利用現有的電力網絡承載電話、數據和電視信號是一個很有價值的研究課題。 由于我國電力線網與國外電力線網的差異，目前還沒有真正適合國內電力線網特性的載波通訊的modem芯片。另外，由于中國的電網特性、電網結構、居民住宅分布狀況、電力線載波通訊的應用領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的認同和接受。針對國內電網特性、住宅結構、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的深入了解，利用國外先進的現代通訊技術，開發適合國內電力線載波通訊modem芯片將具有極其廣闊的應用前景。 針對數字家庭所進行的技術創新應該包含兩個方面：一是技術本身的創新，如新型modem芯片的開發；二是應用模式的創新，如家居網關的模型、數字家庭的應用模式等。從某種意義上說后者比前者還要重要。換句話說，設計出人們愿意接受的數字家庭應用模式在引導人們需求的同時也會對技術產生巨大的推動。 |
