基于电力线和射频通信的扩频载波技术

引言

两种新型扩频技术--低压电力线和射频信号技术的开发，使得在住宅和商业应用中装配性能可靠、成本低廉的无线分布式控制网络成为可能。在电力线通信中的无线是指在现有居室及建筑风，由于实际已经存在交流电力线，无需再安装新线路。以前，由于技术实现的高费用和复杂性，扩频技术（如直接序列和跳频）的典型应用仅限于安全通信和导航等军用系统。但是，随着固态集成电路的发展，使得另外一种扩频技术在性价比上已适合普通用户和商业应用。这就是扫频脉冲技术，即利用线性调频脉冲来有效地将信息带宽展宽许多倍，形成信号带宽。这种新技术也叫做扩频载波技术SSC （Spread Spectrum Carrier)，它可以使得相关器就象匹配滤波接收机检测窄带调制载波一样，可实时检测到信号的存在。因此，可用这种技术来实现拥有许多用户或节点县共享一个频道的载波监听多路访问的分组网。在美国，电子工业协会（EIA）已采用了SSC技术用为电力线和射频的用户电子总线（CEBus)标准的物理层规范。

用户电子总线CEBus

CEBus 标准定义了用于发发家庭和建筑特控制网络内部互连产品所要求的全部通信和网络功能。类似于以太网（Ethernet)，该标准允许采用基于载波监听多路访问/碰撞检测（CSMA/CD）即争用判决协议的通用总线来实现点对点无连接通信。作为一个非专利标准，CEBus是以国际标准化组织ISO的开放系统互连OSI参考模型为基础实现的，只是省略了表示层、会话层和传输层，使产品开发的费用和复杂性最小性。CEBus标准仅定义了完成通信所要求的功能；它并未描述如何实现、设计以及应用接口等问题，这些问题有待于系统开发者自己的设计、应用。但是，该标准明确提出了大范围的多用户互连问题，包括诸如信号时序及结构、连接器、信号格式等问题。CEBus数据（见图1）以一个八位开关键控同步头信号作为开始，同步头中解决了频道的访问和争有问题。当频道确定后采用相移键控 PSK技术把数据包中所含地址、控制或数据等正文发送出去。信息正文后面是一个包结束标志及一个用于错误控制的CRC码。在一个CEBus数据包内通过对数据脉宽编码以表示符号的域结束和包结束。在数据信息正文内，一个最小符号周期的持续时间为100微秒。

SSC电力线信号和射频信号

SSC 电力线信号是一个扫频脉冲或很短的直序型线形调频脉冲。类似于传统的直序扩频，线形调频脉冲可将信号能量展开使其分布在较宽的频带上。具体到EIA的 CEBus标准，信号展宽到100KHz至400KHz的频带之间，有较比特率为10kb/s，而欧洲开发的相应系统将信号展宽到20KHz至80KHz 的频宽中，同时降低有效通信比特率为2kb/s，从而保持了处理增益。尽管从理论上说，信号可简单地通过从100KHz至400KHz或20KHz至 80KHz脉冲扫频产生，但实际产品却是在100KHz至400KHz中间设一转换点200KH，扫频在此频率结束并重新开始。这样做主要有以下两个原开始。这样做主要有以下两个原因：一是简化了为限制信号产生的谐波能量而进行的滤波，二是在数据比特间允许平滑过渡。图2示出这种信号的波形。

由图2可以看出，频率扫描是在前面提到的100微秒时间周期内进行的，这是对100KHz到400KHz的扫描而言，可实现20KHz到80KHz范围内扫描，位处理时间将增至500微秒，可以得以2Kb/s的比特率，从而保持了扩频信号的处理增益。可以看到，当信号频率变化时信号幅度有显著的变化，这是由于电力线阻抗随频率变化而变化。理论上说，扩频信号提供的信号增益（即高出传统窄带技术的增益）等于扩展带宽除以数据带宽。在上述两种情况中，此比值为 30：1，相当于14.8dB的处理增益。

如前所述，使用此信号技术就可开发低成本、高性能的扩频收发器。导致低成本的主要因素在于扫频信号可简单地由存储于IC ROM区的数据查表实现，而且由于线形调频脉冲保持已知图形的线性，在为线形调频脉冲解码时采用很简单的相关方法即可。不仅如此，由于系统可通过使用直接序列法（即窄带噪声干扰压制）和跳频法（即窄带阻塞干扰压制），使得基于线形调频脉冲的系统在多变噪声条件下可得到很好的性能。