电力线信号传输
为解决电缆布线的缺陷,家庭自动化技术尝试采用每户家中都有的一种接线:电力线。电力线用作连网介质有两点优势。首先,它们已布好,并且几乎遍及终端设备所在的各个地方。其次,终端设备无需外接电源,如电池。这两点都有助于满足消费技术低成本和易于使用的要求。

但电力线连网也有自己的挑战。这种介质噪声高,当电灯和电机开关切换、负载变化时会有电压尖峰,并且电力输送网上的干扰也会传入家中。由于这种噪声,电力线连网技术一方面限制了信号传输带宽,同时也要采取复杂而昂贵的降噪和纠错策略。
X10 标准是第一种方案的实例,即带宽的限制。为避免噪声,X10 信号传输要在交流电源的过零区间传送。它以 120 kHz 突发传送 120 个周期,并在下个过零区间作重复,以抑制噪声,有信号代表 1,无信号代表 0。于是得到 60 bps 的原始数据速率,另有同步、成帧和寻址位的附加开销,使可用数据速率降低了 60%。这么低的数据速率使网络无法承担大多数基本的控制与
检测功能,并且在实现一个指令串时增加了相当大的延迟。
SmartLabs 的 Insteon 是一个类似的方案(图 1),它在过零区间传输一个 24 b的信包,每位编码为 131.65 kHz 的 10 个循环。它可实现连续的 2880 bps 码率,与 X10 相比大大改善了实用性和延迟。另外,技术上的相似性使 Insteon 网络可以控制 X10 设备,从而提供了消费者要求的互操作特性。
第三个变种是来自 Powerline Control Systems 的 Universal Powerline Bus。该系统在电力线的过零区间加 40V-dc 的尖峰,采用脉冲位置调制方法,每个过零区间编码 2 b。滤波可以防止尖峰在电力线上产生过强的 EMI。数据速率在 100 bps 量级。
然而,这些低数据速率限制了网络的性能,因而无法为消费者提供期望的技术性能。另外,用电力线方案实现更高的数据带宽需要一种更复杂的信号传输方法与协议。例如,Echelon 的 PL3120 电力线收发器包含一个用于数据恢复和降噪的 DSP 增强处理器,实现高达 5.4 kbps 的稳定数据速率。
过去几年来,更高数据速率不断出现。HomePlug 电力线联盟的新 HomePlug AV 标准采用 Intellon 的技术,用正交频分多路传输方式产生信号,实现高达 200 Mbps 的持续数据速率。这一速度远远超过了网络对灯光和电源的简单控制要求,而可以作为娱乐媒介的一种通信信道,如 IPTV(互联网协议电视)。不过它仍要证明为这种复杂性付出的代价会降低到某个能被广泛接受的水平。
电力线信号传输亦有其它一些缺点,这可能影响到它长期的成功。例如,美国家庭的电源入户时是采用两根不同相的 120V,并有一根中性线。这种结构能够为高要求的家电接入 240V 电源,如暖气炉和烘干机,同时也使普通家电运行在安全的 120V 电压。但由此带来的结果是,家中的电源线会在两相之间分享,而电力线上信号不能可靠地跨相传输,除非各相之间采用桥接节点或高频分流器。而这些会增加复杂性与成本,消费者可能无法容忍这样一种家庭网络的实现。
电力线信号传输在安装灵活性上还有一个局限:它要求电力线出现在系统的每个节点上。这就限制了控制节点的布局,例如电灯开关和温度计等。消费者心目中的理想方案是毫无限制地在任意地点布放任何东西。
这种级别的灵活性是无线 RF 介质的主要优点之一。现在出现了多种无线家庭自动化网络技术,包括 Z-Wave 和 ZigBee。另外,Echelon 的 LonWorks、SmartLabs 的 Insteon 以及欧洲的 KNX 等家庭网络技术也都采用除电力线以外的无线信号传输方法,以获得更多灵活性。
但直到最近,基于 RF 的连网技术仍面临着相当大的可靠性挑战。为避免许可问题,基于 RF 的网络通常工作在某个开放频率段上,如用于微波炉、无绳电话等产品的频段。例如,Z-Wave 方案工作在 900 MHz ISM(工业/科学/医疗)频段,而这一频段在美国和欧洲是不同的。ZigBee 亦工作在这个频段,但未来将转向 2.4 GHz 频段发展,这是一个全世界通用的频段,因而能设计全球化的射频设备。但两种情况下都有其它用户处于这些开放频段内,可能造成严重的干扰问题。
RF 方案的支持者一直在致力于解决干扰问题,现在看来已经接近目标。例如,ZigBee 联盟成员 Ember、Freescale、Microchip 和德州仪器公司的报告都认为,最新修订的规范 ZigBee 2006 可确保可靠运行,即使频段内存在着其它用户的干扰,如 WiFi。基于 ZigBee 2006 的部件已在去年 12 月面世,很快可以用于家庭自动化产品的设计。