一种适合中国电力网的通信电路[1]

一、 芯片研发背景
     电力网是一个近乎天然、入户率绝对第一的物理网络。而现有的功能仅仅是传输电能，如何利用网络资源潜力，在不影响传输电能的基础上，实现窄带或宽带通信，使之成为继电信、电话、无线通信、卫星通信之后的又一通信网，是多年来国内外科技人员技术的又一目标。要使电力网成为又一个新的通信网技术手段只有载波通信。
     电力线载波通信又分为35kv以上的高压载波通信；10kv配电网的载波通信和民用（400v以下）电力线载波通信。在技术上高压载波通信主要为业内业务通信。由于网络专一性，其简单的数据通信国内外已基本成熟。进入千家万户的民用低压电力网才是最大的通信物理网络。但在该网络上实现通信一直是全世界科技工作者的研究课题。由于在低压电力线上实现通信有许多技术难点：如网络不规范、节点多、隔离多、随机干扰等。也可以说民用电力线路阻抗对通信而言是一个不确定、无规则、随机干扰，网络特性呈拓扑特性的非标准通信网。在技术上带来很大难度，成为通信领域上的一大挑战课题。近10年来，美国、英国、德国、以色列、中国等国的科技人员一直从事这方面的技术研究与开发。到目前为止，国内外已有一些企业开发出了用于电力线载波通信的产品：如开发的电力线载波抄表系统在技术上取得了可喜的进步和成功，但尚未能符合用户使用要求，由于专用芯片的原因，抄表系统的抄到率最高仅能达到90%左右。尽管如此，目前我国在该方面的技术属先进行列。实践证明用进口通用通信芯片不可能实现我国民用电力网的可靠载波通信。但是随着市场需求和技术的发展，将来的民用电力线载波通信必将成为一个很大的通信网，是众商家瞄准的市场。
     在电力线上实现数据通信，人们进行了很多尝试。电力线作为一种通信传输介质，具有可变信号衰减、阻抗调制、脉冲噪声以及等幅振荡波干扰等不利于数据传输的特性。为了排除这些干扰，目前利用电力线进行通信的产品中，主要使用窄带通信方式和扩频通信方式。窄带通信方式价格低廉且较为容易实现，所以在以往的应用中比较普遍。如利用电力线modem lm1893和st7536可在电力线上实现数字通信。但这种方式具有许多缺点，它的抗干扰能力比较弱，尽管其接收器具有较窄的通带，但由于此类接收装置中的滤波器具有高品质因素，瞬间的脉冲噪音会使其产生自干扰，对传输来的信号产生误操作，而使用低品质因素的滤波器又会使通带带宽加大，会令更多的噪声进入接收器，所以窄带通信对脉冲噪声的抵抗性较差。同时由于采用fsk方式产生载频信号，电路各部分参数的确定几乎都和中心频率有关，而代表正负电平的载频相差很小（仅为中心频率ƒ的4.4%），因此要保持中心频率的稳定必然带来相应的硬件开销。一般来说，窄带通信适用于传输速率相对较低、传输距离比较短的点对点通信。为了能够更好地满足通信速率及可靠性方面的要求以及适应多用户环境下的电力线通信，基于扩频技术的电力线载波数据通信技术得到长足的发展。
    
    
     二、 芯片功能特点及技术指标
     1. 由北京智源利和公司设计开发的sc1128芯片与目前在民用电力线载波通信使用的芯片比较如下：
    
     型号 en5050dtda5051 st7535st7536st7537 sm1893sm2893 sscp200sscp300sscp485 int5130 pl200 sc1128
     调制方式 ask fsk fsk ssc dqpskdbpsk 2dpsk 2dsk
     带宽特点 窄带 窄带 窄带 100-400khz 多载波84个 3．75khz 宽带59-535khz
     灵敏度 10mv 1mv 10mv 1mv 5mv 5mv 70uv
     信号动态范围 50db 60db 50db 70db 55db 90db 120db
     波特率 1.2kpbs 2.4kpbs 4.8kpbs 7.5kpbs 14kpbs 250pbs 5.75kpbs
     时钟 无 无 无 无 无 无 有
     缓存 无 无 无 有 有 无 有
    
     2. 现有几种电力线载波芯片
     国外很早对电力线载波通讯技术进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波modem芯片，并制定了电力线载波适用频率范围的标准。目前有针对北美洲地区电网（480v/277v，208v/120vac）的标准频率范围100khz-450khz和针对欧洲地区电网（400v/230vac）的标准频率范围9khz-150khz。各家公司在标准频率范围下，针对本地区电网特点，采用各种特定专有技术，设计出各己的电力线载波modem芯片。由于国外电力线载波modem芯片是针对本地区电网特性、电网结构，且一般是针对家庭内部自动化而设计，在国内使用都难尽人意。目前，有一、两款电力线载波modem芯片在一定应用领域可勉强使用。我国可使用的电力线载波modem芯片有以下几种：
     1）xr2210/xr2206套片或lm1893
     这是比较早的电力线载波芯片的应用。xr2210/xr2206是一组fsk方式的调制解调芯片，并不是专们针对电力线载波通讯而设计的，还可用于有线和无线通讯。lm1893 modem芯片，fsk的调制解调方式，它只是对一般fsk调制解调芯片的稍微改进，目前，以上两款modem芯片在国内基本没有采用。
     2）st7536
     st7536是sgs-thomson公司专为电力线载波通讯而设计的modem芯片。由于它是专用modem芯片，所以除有一般modem芯片的信号调制解调功能外，还针对电力线应用加入了许多特别的信号处理手段。目前，在国内电力线载波抄表领域应用广泛，只是各公司应用水平不同。st7536也是较早的电力线载波modem芯片，调制解调技术是较落后的fsk方式，加上三字节容错，它最高波特率只能达到400 bps。另外它无csma（网络载波侦听）功能，这些限制了它的应用。目前，在国内电力线载波抄表领域，st7536是最适合的modem芯片。但它通讯距离不是很理想；需要作中继器时，通讯速度太慢；它是每位中断一次，按1200 bps计算，每833微秒中断一次，对更复杂的应用来讲，833微秒间隔会短了一点。
     3）sscp300
     sscp300是intellon公司采用现代最新通讯技术设计的电力线载波modem芯片。它采用了扩频（chirp方式）调制解调技术、现代dsp技术、csma技术以及标准的cebus协议，可以称为智能modem芯片，体现了modem芯片的发展趋势。但在国内电力线载波抄表领域使用效果还不如较早的st7536。究其原因，sscp300是intellon公司按北美地区频率标准、电网特性，特别针对家庭自动化而设计的。频率范围是100khz-400khz，电网电压是480v/277vac、208v/120vac、60hz。由于针对家庭自动化，主要一家一户式独立住宅，所以在通讯距离上，它还采用陷波器隔离，防止干扰邻近住宅。而国内电力线载波抄表领域主要要求通讯距离。针对中国现状，sscp300难以胜任电力线载波抄表领域的要求。
     4）plt-22
     plt-22是echelon公司最新电力载波收发器，它是针对工业控制网而设计，采用bpsk调制解调技术以及多种容错及纠错技术，所以目前在我国应用效果最理想。但它是lonworks网络专用，而且价格太高，难以在民用市场领域大规模推广。
    
     三、 sc1128扩频通信芯片
     1． 载波扩频通信技术突破
     多年来国内外民用低压电力线载波通讯一直停留在实验室阶段，近年来许多企业生产民用电力线载波抄表在使用中抄表率均未能达到100%和准实时。其原因是电力线网络非规则，使信号传输受到电力网各种干扰信号阻塞，成为一时难以跨越的障碍。目前国外生产的各种通信芯片还不适应于我国电力线载波通信，根据通信理论，运用直序扩频方式63位伪随机码技术，开发设计出来的sc1128载波通信芯片，该芯片为0.6µm cmos工业级封装技术,灵敏度达到70µv。使民用载波抄表实现准实时，抄到率达100%，符合产品化和用户要求，是载波扩频通信的一次突破。
     2． 适应中国民用低压电力线载波而设计。
     在通信领域电力线载波通信还是一块成本低市场大的处女地，在这个开发利用的通信领域中，我国有望成为世界的先行。因为中国的民用电力网是信号传输最复杂的网络，在这种网络中实现通信的技术难度最大。可以说sc1128是电力线载波通信芯片的佼佼者。在国外民用电力网应用效果更好。反之，国外的民用载波抄表技术不适应中国的网络，英国、以色列的同类技术在中国无法使用。至今sc1128芯片属国际上先进水平。此外，sc1128是针对国内众多生产载波表厂家设计,从根本上抓住了这一市场要求。
    
     3.逻辑框图:
    
    
     4. sc1128扩频通信芯片技术性能和特点：
     a.采用扩频技术，提高动态范围（120db），抗干扰能力强；
     b.采用2dpsk调制方式；
     c.灵敏度70uv
     d.内置调制，解调，扩频，解扩电路；
     e.扩频带宽59-535khz