基于电力线载波通信技术家庭宽带系统设计毕业设计全套资料.doc

毕业设计目录引言1 电力线通信技术家庭宽带系统11.1 智能家庭在国内外的发展概况11.2 电力线通信技术简介32 低压电力线通信信道分析62.1 输入阻抗特性62.2 衰减特性62.3 多径效应72.4 干扰特性72.5 低压电力线传输信道模型82.5.1 PLC传输电缆特性82.5.2 信号多径因素93 电磁兼容设计113.1 电磁干扰分类113.1.1 传导类干扰123.1.2 辐射类干扰123.2 改善PLC系统电磁兼容性的措施134 智能家庭系统方案设计164.1 家庭信息传输方式及网络规范比较选择164.1.1 信息传输方式164.1.2 网络规范184.2 智能家居系统结构设计224.2.1 本设计可以实现的功能244.2.2 需要解决的关键问题254.3 家居智能系统特点265 应用于智能家居系统中的电力线通信技术275.1 常用的调制方式比较选择275.2 OFDM基本原理295.3 OFDM技术特点315.4 HomePlugl.0协议326 系统硬件设计及应用346.1 调制解调器硬件电路设计346.1.1 芯片选型346.1.2 高速电力线通信收发芯片INT5200366.1.3 电力线通信收发电路376.1.4 系统可编程单元376.1.5 耦合电路386.1.6 电源电路386.2 家庭网关（ICDT）396.2.1 家庭网关（ICDT）介绍396.2.2 ICDT操作系统特点417 数字家庭网络通信模块设计分析427.1 数字家庭网络通信方式的选择427.2 电力线载波通信模块的基本原理427.3 通信模块的设计原理437.4 主从站模块硬件设计原理448 组网设备的选择468.1 光纤收发器468.2 路由器468.3 交换机478.4 PLC网桥488.5 PLC Modem508.6 耦合器528.7 耦合线529 软件截图53结束语55参考文献56谢辞58附录59引言随着现代网络通信技术和控制技术的发展，越来越多的家庭已经开始追求安全、舒适、方便和多元化信息的生活环境。现在的住宅已不是只具有吃、住和休息的场所，它正向文化教育、休闲娱乐方面发展，家庭办公、购物正在逐步转入家中。随着科学技术的发展，将各种家庭自动化设备、计算机及其他网络系统与建筑艺术和技术结合起来就产生了智能家庭。在这些智能家庭中最重要是其中的智能化系统。正是这些智能化系统满足了住户的安全性、居住环境的舒适性、社区服务的便利性以及社区管理、通信等方面的需求。智能家庭系统(Smart Home System)又称智能住宅系统，兼备建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体的，高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境。智能家庭可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家庭生活有关的各种子系统有机地结合到一起，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且还提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效地安排时间，增强家庭生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。vi1 电力线通信技术家庭宽带系统电力线载波通信技术家庭宽带系统即智能家庭网络是指在家庭内部通过一定的传输介质(如电力线、双绞线、同轴电缆、无线电、红外等) 将各种电气设备和电气子系统连接起来,采用统一的通信协议,对内实现资源共享,对外能通过网关与外部网(如Internet , ISDN ,ATM 等) 互连进行信息交换. 智能家庭网络包括低速的控制网和高速的信息网. 控制网主要实现对设备的自动控制、监测、自动拨号报警、能源管理(如水、电、天然气) 等;信息网主要实现场景监测、视频点播和视频会议等。智能家庭系统最少应包括下面的几个系统：(1)自动化抄表系统 此系统是指住户的水、电、气、热等用量的自动抄收系统。作为智能家庭系统，是一个必须解决的问题。因为入室抄表不仅给住户带来很多麻烦和不便，还增加了物业管理公司的工作量，必须采用自动抄表系统。(2)家庭安防系统家庭安全防范，为居民提供火灾报警、盗窃报警、煤气泄漏报警和紧急救助报警。物业管理人员可通过家庭安防系统提供24小时不间断集中监控，一旦发生事故能够及时处理。(3)家庭自动化系统居民可以通过家庭自动化系统对家用设备(如照明、空调、电视、窗帘、供暖等)进行远程的监测与控制。系统同时提供定时控制和联动控制功能，前者根据事先设定的时间，自动操作家用设备，后者可以对某一特定事件完成一系列操作。智能家庭系统还可以包含家庭网上文化(上网教育、网上娱乐、网上信息、网上邮局、网上医疗、网上商店等)、视频点播等。1.1 智能家庭在国内外的发展概况在国际上的欧美先进国家，早在80年代中期，就开始了智能化住宅的建设。尤其在美国，由于地广人稀，广大的中产阶级的存在，别墅型住宅占据着住宅产业的较大份额，更由于自动控制技术和以网络技术为代表的计算机通信业的高度发达，在住宅智能化建设中代表了世界最高水准，微软公司总裁比尔盖茨的豪宅更是其登峰造极的典范。针对智能化住宅系统建设，美国电子工业协会(EIA)于1983年组织专家进行研究，并于1988年制定了智能化住宅系统(IHS)及其通信标准家庭总线HDS(Home Distribution system)亦称消费电子总线CEBUS（Consumer Electronic BUS）。1989年12月经过一次修改，1992年发布正式版本。并定义：智能住宅是指将各种与信息相关的住宅设备通过家庭总线系统连接起来，并保持这些设备与住宅的协调，从而构成舒适的信息化居住空间，以适应人们在信息社会中快节奏和开放性的生活。在国外，现在己有不少地方，如加拿大、澳大利亚等地开发了这种智能网络家庭社区。这些社区都通过电子手段提供与社区有关的信息和服务。这种方式不仅缩短了人们物理上的距离，而且给用户带来了许多方便。通过Internet，社区向其住户提供国内外新闻、社区内新闻以及住户自己感兴趣的新闻。另外，还有交通信息、天气预报、地区性活动商业区地图。而社区最重要的是服务，这些社区提供了如医疗、婴儿看护、宠物照顾、病人监护、电子图书馆、网上学校、预定旅店、饭馆、酒吧、看电影、逛公园等项目，住户可以根据自己的爱好进行选择。此外，在住户家庭内部联成局域网(Home Local Area Network)，将自家的所有电器进行智能控制，支持多台个人电脑。住户可以远程监视、控制家中的各种设备，如提前打开空调、开关灯、收发传真等一系列内部事务。由于我国人口众多，在城市里的住宅主要是单元楼和小区的形式，所以我国的智能住宅的研究主要是针对智能小区，而单纯对智能家庭的研究很少，智能家庭是智能小区的一部分。自1996年国内开始智能化小区建设以来，历经几年的探索努力，已经对房地产业产生了深刻的影响，众多房地产开发公司在项目规划时基本都将智能化纳入配套标准之中。1997年初，国家制定了小康住宅电气设计(标准)导则，“导则”中规定了小康住宅小区电气设计在总体上满足以的要求：高度的安全性舒适的通讯方式综合的信息服务家庭智能化系统这是我国官方第一次对住宅小区智能化问题提出的设计要求。1999年1月建设部住宅产业化办公室召开关于小区智能化的会议，建设部的官员对小区的智能化系统提出了五个性能指标：安全性、耐久性、实用性、经济性和环境化。全国知名的智能化专家和十余家企业就小区智能化系统结构和等级划分等问题进行了广泛、深入地交流，并在这两个问题上达成了共识：在充分保证居民安全的基础上，切实注重居民将来对宽带数据的剧烈增长的需求，以家庭智能化终端为网络智能节点的网络结构，用先进的技术来提高集成度。从此开始了把智能家庭作为小区的智能节点的研究。现在国内已建成一些具有一定智能化功能的住宅和小区，如上海浦东锦华小区、成都锦城苑、北京现代城等。他们的出现满足了我国不同收入用户对住房的需求，同时，也为将来国家制定小康住宅标准进行了有益的探索和尝试。智能住宅的定义和内涵也会随着信息技术，尤其是通信技术的发展而动态的变化。随着在家办公、在家上学、电子商务、网上图书馆、网上医院、网上旅游、网上消费等新生事物的出现，智能住宅的内涵也会有相应的量变和质变。因此可以认为智能小区和智能住宅将具有很广阔的发展前景。1.2 电力线通信技术简介所谓电力线通信（PLC）是指利用已有的低压配电网作为传输媒介，实现数据传递和信息交换的一种通信手段。应用电力线通信方式发送数据时，发送器先将数据调制到一个高频载波上，再经过功率放大后通过耦合电路耦合到电力线上。信号频带峰峰值电压一般不超过10V，因此不会对电力线路造成不良影响。此高频信号经线路传输到接收方，接收机通过耦合电路将高频信号分离出来，滤去干扰信号后放大，再经解调电路还原成二进制数字信号完成通信过程。与其它各种控制网络通信方案相比，它具有如下优点：电力线即是动力线又是通信线，故实施方便，无需另外架设通信媒介，成本低、投资少、见效快，而且运行维护成本低。线路机械强度高，具有较高的传输可靠性，抗破坏力强。组网方便灵活，利用现有配电线路作为通信信道。由于电力线通信有以上的优点，所以一直被电力公司作为一种重要的通信手段，在此之前，利用10kV及以上中、高压电力线作为信道传输通道的电力线载波通信己经获得广泛应用，但在220V/380V低压电力线上进行信号传输，还未能达到令人满意的水平，这在一定程度上制约了其在我国的智能家庭控制网络的实际应用。其主要原因在于：对高频信号而言，低压电力线是一根非均匀分布的传输线，各种不同性质的负载在任意位置随机的连接和断开，因此，高频信号随着通信距离、信号频率、甚至工频电源的相位的变化，其衰减都会产生很大变化。这些变化，对载波通信设备的设计有很大的影响。电力线上的干扰存在多变性。这种多变性表现在两个方面：首先是因时而变，即在不同时刻，干扰的频率、强度都不相同；其次是因地而变，即在不同的电网之间，干扰情况各不相同，而在同一个低压电压之间的干扰情况也不相同，因此抗干扰是低压电力线通信的一个难点。输入阻抗是表征低压电力线传输特性的重要参数，低压电力线上的输入阻抗与所传输的信号频率密切相关。由于电力线上负载的数量、类型不同，使不同频率的阻抗变化也不同，电力线负载网络是由许多电阻、电容和电感组成的网络，从不同的点看，输入阻抗显然是不同的。所以实际情况是非常复杂，甚至使输入的阻抗变化不可预测。正是由于低压电力线输入阻抗的剧烈变化，使得发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗难以与之保持匹配，因而会给电路设计带来很大的困难。由于以上这些缺点，使得信号在低压电力线上传输具有相当大的困难。为此必须寻找抗干扰能力强的通信方式，以增强通信设备的传输能力。国外很早就对电力线载波通信进行了研究，多家公司推出了自己的电力线载波芯片，并制定了电力线载波适用频率范围。目前有针对北美洲地区电网的标准频率范围100KHz-450KHz和针对欧洲地区电网的标准频率范围9KHz-150KHz。根据中国的电网特性，适用频率范围约为40KHz-500KHz。因为窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现，所以在以往的应用中比较流行，早期的芯片有LM1893，后来的典型通信芯片ST7536，都属于同步FSK调制，窄带通信，由于后者在集成电路内应用了硬件数字滤波，对通信频带外的干扰有较好的抑制，其接收灵敏度(实际可达到3mV)和抗干扰能力相对于LM1893有了很大的提高，但220V电力线路的载波信号在衰减严重时还不到1mV，所以其接收灵敏度与现场环境的需求而言尚有差距，而且抗同频干扰(与载波信号频率接近的干扰)能力差。所以尽管目前不少厂家采用ST7536来进行载波抄表，但其抄收成功率达不到现场要求，更难已应用到智能家庭系统中。随着扩频技术的成熟，其在抗干扰、保密等方面的突出优点，使得扩频技术在低压电力线载波通信中得到越来越广泛的应用。按照香农定理，信道容量为常量时，信道带宽与信噪比之间存在着互换的关系，如果增加信道带宽，则可降低对信噪比的要求，可以有效的提高系统的抗干扰性能。国外的SSCP200、SSCP300等，国内的SC1128都是采用扩频方式的电力线通信芯片，它们在抗干扰和噪声，以及数据传输性能上比窄带通讯有了较大提高。近年来，采用扩频技术使电力线通信的抗干扰能力有了很大的提高，但受其原理的制约，其传输速率最高只能达到几Mbps，只可以满足数据传输率不太高时的要求。一种利用正交频分复用(OFDM)技术在低压电力线进行高速数据传输的方式可使数据传输率明显提高。该技术具有抗噪声、抗多径效应和抗衰落的特性，其数据传输速率可以超过10Mbps。OFDM是一种多载波调制技术，其最大的特点是传输速率高，对码间干扰和信道衰落具有很强的抗干扰能力。OFDM的思想早在20世纪70年代就有人提出，但是直到80年代后期随着数字信号处理(DSP)技术的发展和对高速数据通信需求的增长，才逐渐被人们所重视。从“电力线通信及应用”国际研讨会所发表的论文来看，适合电力线高速数字通信的主流技术是扩频通信技术和OFDM技术。相对于扩频技术，OFDM技术具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点，是非常适合电力线高速数字通信。 2 低压电力线通信信道分析PLC网络实际上是以供电网络（论文指低压电力线网络）作为传输介质的一种信号传输手段，因传输介质本身并非专为PLC网络设计且传输介质本身担负着另外一项重要的任务传输电能，所以对于信号传输来说，其信道特性非常的不理想，主要表现在信号衰减和噪声显著上。在低压电力线网络中，网络的连接并不是规则的，而是非均匀的，尤其是在室内PLC网络中，电力线网络上任何一次的开关过程都会引起网络拓扑结构的改变，成而引起线路输入阻抗的变化，另一方面，电缆间存在许多的转换，而这些电缆接头之间的阻抗不匹配将给系统引入各种各样的放射，成而引起多径效应，信号的多径传播导致频率选择性衰减。根据现有的理论，对信号传输影响最大的就是电缆的损耗，支路节点的损耗，不匹配终端所引入的损耗以及频率选择性衰减。国内外的学者对低压电力线网络做了大量的实际测量及理论分析，总结了低压电力线信道特性：2.1 输入阻抗特性低压电力线载波通信信道的输入阻抗是指：在信号发送装置和信号接收装置驱动点处电网的等效阻抗8 张有兵，程时杰，何海波等.低压电力线高频载波通信信道的建模研究J.电力系统自动化，2002, 26 (23): 6265,它的大小直接影响到信号耦合的效率。主要来自以下三个部分:配电变压器上的阻抗，它随频率的增大而增大；传输导线的特性阻抗；连接在电网上的各类用电设备的阻抗。研究和实验表明，低压电力线输入阻抗随频率、接入位置、长度等的因素变化剧烈，某些统计分析表明，在整个频谱范围内，输入阻抗的平均值在100150之间9 邹志威，陈启美，左雯.跻身未来的电力线通信(一)回顾与展望J.电力系统自动化，2003, 27 (3) : 7276。由于输入阻抗的变化，使得PLC网络中总是会存在发送设备的输出阻抗和接收设备的输入阻抗难以与之保持匹配而引起耦合的不匹配问题，继而大大增加了传输的损耗。2.2 衰减特性对于低压电力线通信来说，信号衰减可以达到100dB/km，而在中压电力线上的信号衰减仅为10dB/km，可见，低压电力线对信号信号衰减时相当严重的。低压电力线对信号的衰减有以下的特点：时间不同，衰减幅度也不同；信号频率不同，衰减幅度也不同；距离不同，衰减幅度也不同。2.3 多径效应从信号发送设备到接收设备之间，存在着很多个节点，信号的传输不仅仅发生在收发设备之间的直接信道上，还存在于各种由于信号的反射、折射以及谐振所形成的间接多径信道上。由于多径信道的存在，对信号也造成了严重的多径衰减，因此在对电力线信道建模时，多径的因素也要被考虑进去。2.4 干扰特性将电力线上的噪声按其起因、持续时间、频谱和强度分为以五类:（1）有色背景噪声(Colored Background Noise)（第一类）这种噪声主要是由各种低噪声功率源共同引起的，是一种随时间缓慢变化的随机干扰，通常在几分钟或几小时才有变化。其功率谱密度较低，随频率的变化而变化，一般是频率增加，功率谱密度减小。（2）窄带噪声(Narrow Band Noise)（第二类）这种噪声大部分是调幅的正弦信号，主要是由于中短波广播在频域上的串扰引起其幅度随时间的变化而变化。（3）与电网频率不同的周期脉冲噪声(Periodic Impulsive Noise Asynchronous to the Mains Frequency)（第三类）这种噪声通常情况下是由于大功率电器设备开关的分合产生的，其功率谱线表现为离散的谱线，重复率在50-200kHz范围内。（4）与电网频率同步的周期脉冲噪声(Periodic Impulsive Noise Synchronous to the MainsFrequency)（第四类）这种噪声主要是由于连在电网中的电力设备按照50Hz的频率工作产生的脉冲，重复率在50Hz或者100Hz，持续时间很短，功率谱密度随频率的增加而减小。（5）非同步脉冲噪声(Asynchronous Impulsive Noise)（第五类）这种噪声主要由连接在电力线上的设备的瞬时开关引起的。这种冲击的持续时间很小，为毫秒级、微秒级的。这种噪声的功率谱密度有时可以达到背景噪声高出50dB以上，因此这类噪声对电力线通信的质量造成严重的干扰。前三种噪声的持续时间都相对较长，短的几秒钟、几分钟，长的可以达到几小时，而且具有一定的重复性、稳定性，可把它们归为稳态的背景噪声，称为“一般性的背景噪音” ；而后两种噪声通常随时间的变化是很剧烈的，在几微秒几毫秒的时间内就会发生变化，称为“脉冲噪音” ，这两类噪声的发生会引起很高的噪声功率谱密度，对通信数据造成严重的干扰。这五类噪声的分布与时间、位置和负载等密切相关，各噪声之间是相互独立的，在对电力线噪声建模的时候可以分类建模，总的噪声模型可以用五类噪声的叠加得到。2.5 低压电力线传输信道模型根据PLC介质的信道特点，存在不通的描述方法，其中有两种是最主要的：第一种，也是最常见的一种，将PLC网络看成是一个多径信道，PLC网络的特性可以用一个多径模型来描述。本文将采用这种建模方法。第二种，首先对电力线传输等效电路中的差分和对分传输模式进行推导，进而将所得到的结果用级联双端口网络的形式进行描述。2.5.1 PLC传输电缆特性PLC介质传输造成的信号衰减随着电力线长度的增加和频率的增加而增加，传输衰减是电力线特征阻抗和传播常数的函数，这两个参数有单位长度的如下4个参数来决定：主导电阻、电导、电感和电容，这些参数都与频率有关，具体见式（2-1）和式（2-2） ： （2-1） （2-2） PLC技术所使用的信号频率范围（130MHz）内， ，且和随频率的变化可以忽略不计，将上面两个式子化简得： （2-3） （2-4）已有的理论表明： （2-5）其中和分别为磁导率和电导率，为电力线半径。 过去的测量结果表明 与相当，将其代入（2-4）的实部中，可以得到式（2-6）： （2-6） 通过整理将电力线有关的参数用 、 表示，传播常数的实数部分可以表示为： （2-7）将各种实际测量结果与式（2-7）进行比较，经过调整我们可以得到一个与频域实际传输损耗特性近似程度比较高的理论公式，即式（2-8）： （2-8）其中、均为电力线有关的常数，可以通过测量得到 （2-9）2.5.2 信号多径因素 电力线信道除了存在与频率密切相关的幅度衰减以外，在其整个频率范围内，信道的传输函数中还存在着若干个窄带的频率凹陷，这些凹陷是因为电力线信道中输入阻抗不匹配使得信号多次放射造成的。电力线信道冲激响应的长度和峰值出现的次数都与PLC系统所处的环境密切相关，这种现象可以用“回声模型”来描述：每个传输信号都会经过N个不同的路径到达接收机。每个路径的传输特性可以通过时延和信道衰减系数来描述。PLC信道的离散时间冲激响应由公式（2-10）给出： （2-10）在式（2-10）中进一步考虑到信道实际衰减的影响，PLC信道的频域转移函数可以表示为： （2-11）其中，代表路径上与反射和传输系数相关的权重因子，代表路径上的传输时延，它等于路径的长度与相速度的商。将式（2-8）代入上式中，然后在把各类参数归类为代表介质衰减、输入阻抗变动和多径效应，得到了关于权重、衰减、时延项的PLC模型最终表达式： （2-12）3 电磁兼容设计电磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）是指一个设备或系统在其所处电磁环境中正常工作时不引入过度的电磁干扰，以至于干扰了环境中其他系统（甚至自身）的能力。它主要包括两个方面：（1）正常工作，意味着该设备可以容忍其他设备，该设备不容易被其他设备发射到环境中的电磁（EM，Electromagnetic）信号所影响，EMC的这个方面被称作电磁敏感性（EMS，Electromagnetic Susceptibility）。（2）不产生过度的干扰，意味着该设备不干扰其他设备，该设备发射的电磁信号不会给环境中其他设备带来电磁干扰问题，EMC的这个方面被称作电磁发射（EME，Electromagnetic Emission）。一台具备良好电磁兼容性能的设备，应该既不受周围电磁环境的影响也不对周围造成电磁骚扰。PLC技术使用电力线传输信号，从电磁角度来看，当PLC信号注入电力线时，电力线就会像天线一样，向周围环境辐射电磁波。目前，用于实现宽带接入的PLC系统所使用的频率最高为30MHz，在这个频率范围内，当使用宽带PLC技术进行通信时，现存各种无线电服务可能会受到干扰，其中首当其冲的就是各类短波无线电服务，比如业余无线电、各种公共无线电服务、军事短波应用以及诸如飞行控制等敏感服务。为实现电磁兼容，其辐射量不能超过一定的限度，这里电磁兼容意味着PLC系统的运行必须尽可能的不能干扰同一环境中其他系统的正常运行。另一个方面，电力线通信在复杂的电磁环境下工作，也会受到其他噪声干扰的影响。开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，因而产生强大的电磁骚扰，但骚扰的频率范围（30MHz）是比较低的。多数小功率开关电源的几何尺寸远小于30MHz电磁场对应的波长（空气介质中约为10m），开关电源系统研究的电磁骚扰现象属于似稳场的范围，研究它们的电磁骚扰问题时，主要考虑的是传导骚扰。3.1 电磁干扰分类 来着一个电子设备的电磁干扰很难准确描述及分析，但是根据扰动信号的特征有一些一般性的分类方法。通常，频率成分和传输模式为电磁干扰分类的基本依据。第一种分类电磁干扰的方法基于电磁能量从源到接受者之间的耦合方式。耦合方式分为传导（电流）、电感耦合（磁场）、电容耦合（电场）和辐射（电磁场）4类。耦合路径通常是这些类方式的复杂组合，这样即使在源和受体都很清楚的情况下仍然很难识别耦合路径。干扰可以从设备中通过很多不同的路径发射出来，这取决于干扰的频率。通常在传导和辐射方式之间的转换频率大约是30MHz,低于这个频率传导为主而高于这个频率辐射为主。 3.1.1 传导类干扰传导类干扰的耦合途径是直接相通的电路。干扰信号通过此通路由干扰源耦合到敏感设备。PLC通信设备的安装有两种方式，一种是直接由配电室经由电线入户；另一种是通过UTP五类线在进入用户之前将信号耦合到电力线上。因此，PLC通信设备在使用过程中可能存在传导干扰。传导耦合按其原理可分为三种基本的耦合性质：电阻性耦合、电感性耦合和电容性耦合。在实际情况中，它们往往是同时存在、互相联系的。3.1.2 辐射类干扰辐射传播是导体干扰源将能量以电磁波的形式向周围空间射出。一根导线流过高频电流，它的周围产生交变的电场和磁场。如果电流的变化频率比较低，则在方向转换的过程中，存在着足够长的时间，使得实际储存在电磁场中的能量返回到电路中去，因此只发生微弱的辐射。如果电流频率很高，则在电磁场中的能量还没有来得及返回电路之前，导线附近已经产生了新的方向相反的电磁场，把先前的电磁场推向空间，如此反复变化波动向前，传播出去。电磁场的传播是以电场和磁场的转化快速向远处发射的。这种以电磁波动方式传播的电磁场又称电磁波。从辐射源到周围空间的电磁波可分为两部分：一部分是在波源附近的电磁场称为近区感应场(简称近场)，感应场的电磁能量并不完全向远方传送，而是波源和感应场通过空间往返交换；在感应场以远空间的电磁场称为远区辐射场(简称远场)，辐射场的电磁能量是完全辐射出去的。另一种对电磁干扰进行分类的方法基于扰动的3个参数：持续时间、重复速率和有效周期。3.2 改善PLC系统电磁兼容性的措施从上面的分析可知，电磁兼容问题是阻碍PLC技术发展的一大障碍，因此，为了加快PLC技术的发展速度和扩大其应用范围，必须逐步改善PLC系统的电磁兼容性。目前，有效控制PLC系统电磁辐射的方法是通过控制载波信号的功率来减少能量辐射，在PLC技术所使用的频率范围内，有如下两个方案规定其电磁辐射量：（1）烟囱法，在130MHz的频率范围内，原则上，可以在大约任意7.5MHz宽带内使用PLC技术。然而，PLC技术所允许使用的频谱通常不是连续的，因此规定在PLC能够应用的频率范围内，PLC网络必须遵守规定的辐射标准。（2）常规辐射限制，在低于30MHz的整个频率范围内，所有有线电信服务的最大的电磁辐射场强必须低于一定标准。另外，根据电磁辐射机理，还可以采取以下几项措施来提高PLC系统的电磁兼容性：（1）充分利用或改善PLC系统电力线的对称性PLC系统的辐射强度取决于PLC网络或其电缆的对称性。对称性是按导线与地之间的阻抗来定义的，对二线电力线而言，如果每一导线和地之间的阻抗相等，则视该线路为对称或平衡。为了减小电磁辐射，信号应尽可能实现理想的异模传输（即信号导线上的异模电流大小相等，但方向相反，无辐射），所以线路必须对称。相反，线路不对称会导致不希望的共模。共模电流在两根导线上并行流动，经地而返回。共模电流一般会产生辐射。高度对称线路的特征是异模电流与共模电流的比值很大，故辐射非常小。具体措施有三个：一是将滤波器安装在紧邻变压器和紧邻家庭用户的连接点上，或者直接在电力线调制解调器内部引入滤波器。这样既可以保持PLC信号的异模传播，又可以阻止PLC信号进入辐射效率高的导线或其他附接设备，这种方法很有效，但成本较高。二是选择对称性好的导线，例如4芯电缆，但此法不适用于室内网络。三是采用变压器和共模扼流圈降低共模噪声，该技术可应用于PLC调制解调器；同时对PLC系统收发模拟电路进行改进，以减低电力线的泄漏电场。（2）合理选择OFDM调制技术的有关参数对于PLC应用来说，首先要考虑在130MHz频带内没有分配给其他无线电业务的频段。为了适应这种频带不连续的情况，目前用于高速数据传输的PLC系统多数采用正交频分复用（OFDM）技术，OFDM采用多载波调制，可以灵活选择子载波频率以避开已经使用的某些频段，在频带间隙中增加发射功率谱密度，从而彻底消除对这些频段的干扰。与此同时，当PLC通信系统受到开关脉冲等噪声干扰时，可适当降低某些子载波上的数据传输速率，以提高整个系统的数据传输性能。（3）引入网络调节等组网技术由于一个典型的PLC接入网络可能覆盖数百米，因而我们可以认为电磁干扰对于不同的网段会有不同程度的影响。在这种情况下，PLC网络受到所谓的选择性干扰的影响，例如网络中的工作站会因为处于网络中的不同位置而受到不同干扰的影响。此时，可以根据噪声源的位置，对不同网络部分的电力线实施网格保护等措施。（4）接地 “接地”有设备内部的信号接地和设备接大地，两者概念不同，目的也不同。“地”的经典定义是“作为电路或系统基准的等电位点或平面”。 设备的信号接地 设备的信号接地，可能是以设备中的一点或一块金属来作为信号的接地参考点，它为设备中的所有信号提供了一个公共参考电位。设备接大地 在工程实践中，除认真考虑设备内部的信号接地外，通常还将设备的信号地，机壳与大地连在一起，以大地作为设备的接地参考点。 （5）屏蔽 抑制开关电源产生的骚扰辐射的有效方法是屏蔽，即用电导率良好的材料对电场屏蔽，用磁导率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合环形成磁屏蔽，另外，还要对整个开关电源进行电场屏蔽。屏蔽应考虑散热和通风问题，屏蔽外壳上的通风孔最好为圆形多孔，在满足通风的条件下，孔的数量可以多，每个孔的尺寸要尽可能小。接缝处要焊接，以保证电磁的连续性，如果采用螺钉固定，注意螺钉间距要短。屏蔽外壳的引入、引出线处要采取滤波措施，否则，这些会成为骚扰发射天线，严重降低屏蔽外壳的屏蔽效果。若用电场屏蔽，屏蔽外壳一定要接地，否则，将起不到屏蔽效果；若用磁场屏蔽，屏蔽外壳则不需接地。对非嵌入的外置式开关电源的外壳一定要进行电场屏蔽，否则，很难通过辐射骚扰测试。 （6）滤波 电源滤波器安装在电源线与电子设备之间，用于抑制电源线引出的传导骚扰，又可以降低从电网引入的传导骚扰。对提高设备的可靠性有重要的作用。 开关电源产生的电磁骚扰以传导骚扰为主，而传导骚扰又分差模骚扰和共模干扰两种。通常共模骚扰要比差模骚扰产生更大的辐射型EMD。目前抑制传导EMD最有效的方法是利用无源滤波技术。 通过PLC调制技术和电力网组网技术的不断完善，PLC系统的电磁兼容问题正逐步得到改善，随着电磁兼容相关研究的展开以及相关标准的制定，PLC技术的应用会有一个健康快速的发展前景。4 智能家庭系统方案设计4.1 家庭信息传输方式及网络规范比较选择4.1.1 信息传输方式在家庭内部采用电力线通信，其优点在绪论中已经介绍。所以本论文中的智能家庭系统家庭内部网络采用电力线通信。当前，在家庭外部的小区里可以通过以下几种方式传输信息。(1)采用电力线用电力线做网络信息的传输介质是最方便的，因为现在的家居中几乎都己铺设了电源线，不仅在卧室、起居室、健身房和书房中有，卫生间、厨房、甚至走廊、过道、阳台等都有，可以说在家中电源线无处不在。因此采用电力线实施“智能家居系统”的方案是最方便的。国际上第一个实现家居智能化的方案就是利用电力线做信息传输介质的。采用电力线做信息传输介质虽具有许多优势，如布线施工方便等，但由于电力线在最初设计时只考虑输送电力能源，因此在借用它来传输数字信息时，存在三个主要的不利因素:电力线阻抗的不确定性:由于家庭中各个家电设备的工作时间是随机的，使得电力线上的负载不固定，而且频繁变化。电力线上的脉冲噪声干扰:脉冲噪声源主要来自感性负载的变化，例如洗衣机、空调、冰箱中电机的启停，以及日光灯启停的瞬间，都会在电力线上产生幅度较大的脉冲型噪声，这类噪声频带很宽，常会覆盖传输信号的载频频带，从而影响信号的正常传输，造成较高误码率。谐波型噪声干扰:具有使用方便、效率高等优点的交流变频调速以及开关型电源，现今已广泛应用于家庭中，但这类设备的运行在电力线上产生了很强的谐波型干扰，其频带高达50kHz-200kHz，接近信号传输的载频，从而对信号的传输造成较大干扰。正因为这些原因，使用电力线可靠高速地传输信号一直是该领域的一个难点和热点。本文中，在作高速PLC技术的有关介绍中，简单描述了世界有关技术开发领域所做出的努力以及取得的巨大成果。从这些成果中可以看出，采用电力线做介质来传输高达每秒数兆bit的高速信号是完全可能的。可采用一些特殊技术:如OFDM技术，即将信号分配在多个正交的信道中传送;采用合适的介质访问机制，如DSMA/CTP、CDMA/CA、CSMA/CDCR等;采用较高的调制频率;采用频带利用率高的调制技术，如256QAM等;采用效率高、纠错能力强的信道编码技术等等。(2)电话线利用电话线做家庭信息的传输介质的研究较电力线晚，但其具有布局简单、使用方便、安全性好、易于大规模推广应用等优点，加之近期信号的传输速率的大幅度提高，所以它的应用和发展非常快，是一项比较成熟的技术，标准化工作也做得最好(“电话线家庭网络”的工业标准)。由于在原来的电话系统中，本身就具有数据信息的传输系统(如拨号信息)，所以利用电话线来传输低速的控制信息是很方便的。在该领域，研究重点是提高信号的传输可靠性和传输速率，以实现电话线上传送视音频信号，最终的传输速率需达到3OMb/S。但是，电话线存在着传输线阻抗的不确定性，导致信号传输衰减的不可控制性，需要采取特殊措施来实现以上要求。美国Tut System公司提出了可行的解决方案:应用频分多路开关，将电话线上的信道分为三个信道通道:电话通信03.4kHz;ADSL 25kHz1.1MHz;视音频/计算机5.5MHZ9.5MHz。就目前电话线上可达到的信号传输速率，基本可满足各种设备的信息传输，但还不能满足家庭中HDTV(高清晰度电视)信息传输的要求，所以还需进一步的研究。(3)双绞线/同轴电缆双绞线/同轴电缆作为家庭网络信号的传输介质是最通用的。尽管这种方式需要另外铺设2/4根专用传输线，会给实际施工带来一些困难，但由于其具有很高的通信可靠性和与总线接口相对简单等优势，广泛应用于家庭网络系统中。目前，欧洲安装总线EIB(European Install Bus)系统和Lon works系统在实际应用中基本都是采用双绞线。(4)无线方式无线方式是通过射频载波来传输信息的，传输家庭中应用的控制信息/音视频信号/计算机信息都己不成问题。而且无线方式也无需再铺设管线，所以实施方便灵活，适于家庭网络使用。无线方式的信息传输技术是成熟的，因各种不同的需求有众多不同的模式，而且己经有多种模式进入了智能家居网络中，如美国无线家庭网络的主流协议IEEE8O2.11，欧洲的无线广播访问网络BRAN(Broad -band Radio Access Networks)和数字化欧洲无线电信SECT，北美盛行的简化局域网SWAP(Shared Wireless Access Protocol共享无线访问协议)，以及近几年才发展起来的新型无线通信模式“蓝牙”技术等。尽管无线通信方式还有很大发展空间，但却存在许多不易解决的问题:产品价格和成本比较高;通信传输可靠性不如其他方式那么好，且易受干扰;保密性不如有线方式好;射频发射机发射的电磁波的长期作用会影响人体健康。为快速推进无线通信技术的发展，这些问题都急待解决。4.1.2 网络规范智能家居系统的实现不仅具有介质的多选性，还可采用不同的网络规范，目前己经有几种比较成熟的规范可供选择了。以下介绍几种有代表性的网络规范。（1）X-10系统X-10系统是国际上第一个应用于家庭设备自动控制的系统，是由美国Radio Share Chain公司于1978年研制成功的。结构如图4.1所示。组成X-10图4.1 X-10系统的结构系统的核心部件有两个:控制模块和主控制器(MCU)。控制模块是在原电气设备与电源插头/插座之间，即该模块可先插在电源插座上，然后将设备的电源插头插在该模块上，因此无论对家庭的电源系统，还是对原家用设备都不需要进行任何的变动和改造，主控制器直接连接到家庭电源线上。主控制器上有一个16个位置的拨盘，通过该拨盘可以送出所选择设备的地址号和控制命令，由该地址确定设备所在的控制器，在接收到这些命令时，就可以控制该电器设备的动作，实现远程控制。X-10系统的基本控制原理:由主控制器发出的地址和控制命令是以串行的二进制代码表示的。在50Hz/6OHz的交流电源过零处，如果出现持续2OOus左右的频率为12OkHz的脉冲群，则表示为“1”信号，如果没有这样的脉冲群，则表示为“0”信号。由于在X-10系统中每次传输的二进制串行数据的长度很短，因此，可以保证一定的可靠性。X-10系统实现的是集中控制模式，而且主要是单向控制的，即各控制模块只能接收主控制器发送来的信息，而各控制模块之间是不能交换信息的，因此它主要用于控制灯光、电饭煲和微波炉一类简单家电的启停工作。经进一步开发研究，现在的主控制器又提供了一条特殊指令“poll”，即可向各控制模块“索取”各控制模块工作状态，从而扩大了X-10系统的使用范围，可用于远程测量、远程监控等。X-10系统价格低廉，安装使用方便，广受欢迎，至今仍在生产销售。但毕竟X-10系统是最简单的主从式控制系统，信息传输速度慢，尽管做了不少努力，取得一些进步，但由于所确立的基本模式和结构不可能适应现代家庭中的信息流和控制数据流传输的需求，因此只能应用于普通家庭中的简单控制和专项控制。（2）CEBus系统CEBus系统(Consumer Electronics Bus，消费电子总线)是美国于1984年4月开始组织开发的一种智能家庭网络系统的标准，经过多年研究，于1992年正式推出，并正式命名为CEBus。这个系统的传输介质可以是多种多样的:电力线、双绞线、射频、红外线等。它在采用电力线载波模式工作时最具优势。CEBuS系统是一种开放式标准，在通信协议上遵循目前国际上通信领域广泛采纳的ISO/OSI(International Standard Organization/Open System Interconnection)的七层协议框架。CEBus省略了ISO/OSI七层协议中的传输层(transport layer)、会话层(session layer)和表达层(presentation layer)，仅保留物理层(physical layer)、链路层(link layer)、网络层(network layer)和应用层(application layer)。CEBus系统中，存在两个数据传输通道:以电力线/双绞线/射频/红外线为传输介质的控制信息通道和以双绞线/同轴电缆/光纤为传输介质的高速信息数据通道，目的是为了适应家庭中不同家电设备的不同需要(“黑色家电”的音频和视频信息应该从高速通道中传输，“白色家电”中的控制信息则在控制信息通道中传输)。控制信息通道传输的是速率10kb/s以下的低速数据，该通道同时也控制高速数据通道。高速数据通道传输的是每秒数兆bit的音频和图像信息。任一时刻由谁来使用该高速数据通道是由控制总线上的控制信息来确定的。CEBus系统具有两个典型特点:在介质访问控制子层(MAC)采用总线结构的CSMA/CDCR(Carrier-sensing Multiple Access with Collision Detection and Collision resolution，即载波帧听多路访问/冲突检测协调协议)，即一个网络结点在需要通过总线来发送数据时，它首先要检测总线上是否有数据在传输，只有确认总线上没有数据在传输时，它才向总线发送数据，以确保任何两个结点不会同时占用总线而产生冲突;CEBus系统专门配置了一种专用的应用语言系统CAL(Common Application Language)，利用CAL系统可方便地对网络上的各种家电设备进行逻辑控制关系的设定，同时也可以以文件的模式来描述一个家电设备的功能。但CEBus系统也存在不足之处，首先它为了简便，在通信协议中省略了“运输层”，因此只保留了点对点的传输方式，而缺少了常见的点对点广播方式以及有连接的点对点传输方式，导致较低的信息传输速度;其次，它所采用的CSMA/CDCR总线冲突协议是一种数据包传送速度不高的机制;最后，在使用CAL做系统逻辑控制关系配置时，不够灵活，这与只提供点对点的通信模式有很大关系。（3）EIB系统EIB系统是欧洲于1990年推出的通用于低压电器设备的一种标准总线系统。设计初衷是为用于工业生产过程中的低压电器设备的自动控制系统，后来又用于办公大楼的楼宇自动化系统，最近几年延伸到了智能家居系统中。在德国，现代化的家居几乎无一例外地采用了EIB总线作为家庭控制网络的基本框架。EIB系统功能齐全，成本适中，模块标准化，配置应用灵活，适合各种接口设备。EIB系统具有以下技术特点:传输介质可为双绞线、红外线、射频线和电力线。通信协议在遵循ISO/OSI七层协议框架的基础上有所改变。省略了会话层和表达层;在应用层上面增加了用户层和网络管理层，使通信管理和用户程序接口更为方便;在传输层可以实现点对点、点对多点广播式以及有连接的点对点通信模式，大大提高了通信效率。介质访问控制采用CSMA/CD机制。在控制逻辑关系描述中，采用“组地址”概念，“任务”采用“目标”概念，所以可以复用控制逻辑，复用任务群，简化了用户编程，节省了内存。配有灵活的PEI(Physical External Interface)接口，只需通过软件配置，即可将PEI接口设置成数字I/O，模拟输入或串行通信口。数据传输速率为9.6kb/S;信号传输距离最长为600m。配有通用红外遥控器，可控制网络上的所有设备。配有电话/网关接口，可通过电话/计算机进行远程控制。（4）LonWorks系统LonWorks系统是由美国的Echelon公司于1990年推出的全分布式智能控