基于電力線和射頻通信的擴(kuò)頻載波技術(shù)

引言

兩種新型擴(kuò)頻技術(shù)--低壓電力線和射頻信號技術(shù)的開發(fā)，使得在住宅和商業(yè)應(yīng)用中裝配性能可靠、成本低廉的無線分布式控制網(wǎng)絡(luò)成為可能。在電力線通信中的無線是指在現(xiàn)有居室及建筑風(fēng)，由于實(shí)際已經(jīng)存在交流電力線，無需再安裝新線路。以前，由于技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高費(fèi)用和復(fù)雜性，擴(kuò)頻技術(shù)（如直接序列和跳頻）的典型應(yīng)用僅限于安全通信和導(dǎo)航等軍用系統(tǒng)。但是，隨著固態(tài)集成電路的發(fā)展，使得另外一種擴(kuò)頻技術(shù)在性價比上已適合普通用戶和商業(yè)應(yīng)用。這就是掃頻脈沖技術(shù)，即利用線性調(diào)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(shù)也叫做擴(kuò)頻載波技術(shù)SSC （Spread Spectrum Carrier)，它可以使得相關(guān)器就象匹配濾波接收機(jī)檢測窄帶調(diào)制載波一樣，可實(shí)時檢測到信號的存在。因此，可用這種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)擁有許多用戶或節(jié)點(diǎn)縣共享一個頻道的載波監(jiān)聽多路訪問的分組網(wǎng)。在美國，電子工業(yè)協(xié)會（EIA）已采用了SSC技術(shù)用為電力線和射頻的用戶電子總線（CEBus)標(biāo)準(zhǔn)的物理層規(guī)范。

用戶電子總線CEBus

CEBus 標(biāo)準(zhǔn)定義了用于發(fā)發(fā)家庭和建筑特控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部互連產(chǎn)品所要求的全部通信和網(wǎng)絡(luò)功能。類似于以太網(wǎng)（Ethernet)，該標(biāo)準(zhǔn)允許采用基于載波監(jiān)聽多路訪問/碰撞檢測（CSMA/CD）即爭用判決協(xié)議的通用總線來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)無連接通信。作為一個非專利標(biāo)準(zhǔn)，CEBus是以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO的開放系統(tǒng)互連OSI參考模型為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的，只是省略了表示層、會話層和傳輸層，使產(chǎn)品開發(fā)的費(fèi)用和復(fù)雜性最小性。CEBus標(biāo)準(zhǔn)僅定義了完成通信所要求的功能；它并未描述如何實(shí)現(xiàn)、設(shè)計以及應(yīng)用接口等問題，這些問題有待于系統(tǒng)開發(fā)者自己的設(shè)計、應(yīng)用。但是，該標(biāo)準(zhǔn)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(jié)構(gòu)、連接器、信號格式等問題。CEBus數(shù)據(jù)（見圖1）以一個八位開關(guān)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(dāng)頻道確定后采用相移鍵控 PSK技術(shù)把數(shù)據(jù)包中所含地址、控制或數(shù)據(jù)等正文發(fā)送出去。信息正文后面是一個包結(jié)束標(biāo)志及一個用于錯誤控制的CRC碼。在一個CEBus數(shù)據(jù)包內(nèi)通過對數(shù)據(jù)脈寬編碼以表示符號的域結(jié)束和包結(jié)束。在數(shù)據(jù)信息正文內(nèi)，一個最小符號周期的持續(xù)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(diào)頻脈沖。類似于傳統(tǒng)的直序擴(kuò)頻，線形調(diào)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(biāo)準(zhǔn)，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(fā)的相應(yīng)系統(tǒng)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(chǎn)生，但實(shí)際產(chǎn)品卻是在100KHz至400KHz中間設(shè)一轉(zhuǎn)換點(diǎn)200KH，掃頻在此頻率結(jié)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(chǎn)生的諧波能量而進(jìn)行的濾波，二是在數(shù)據(jù)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(nèi)進(jìn)行的，這是對100KHz到400KHz的掃描而言，可實(shí)現(xiàn)20KHz到80KHz范圍內(nèi)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(kuò)頻信號的處理增益?？梢钥吹剑?dāng)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(kuò)頻信號提供的信號增益（即高出傳統(tǒng)窄帶技術(shù)的增益）等于擴(kuò)展帶寬除以數(shù)據(jù)帶寬。在上述兩種情況中，此比值為 30：1，相當(dāng)于14.8dB的處理增益。

如前所述，使用此信號技術(shù)就可開發(fā)低成本、高性能的擴(kuò)頻收發(fā)器。導(dǎo)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(qū)的數(shù)據(jù)查表實(shí)現(xiàn)，而且由于線形調(diào)頻脈沖保持已知圖形的線性，在為線形調(diào)頻脈沖解碼時采用很簡單的相關(guān)方法即可。不僅如此，由于系統(tǒng)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(diào)頻脈沖的系統(tǒng)在多變噪聲條件下可得到很好的性能。