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X-10在智能家居应用中干扰问题的研究
来源:今日电子 作者:马学文 朱名日 2004/5/1 0:00:00 人气:227
内容导读:
前言
家居智能化技术起源于美国,最具代表性的是X-10电力载波技术,通过X-10通信协议,网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。因其布线简单、功能灵活,安装便捷,扩展容易而被人们广泛接受和应用。然而X-10产品在我国的应用例子并不多见,X-10的一些技术限制了在我国的推广使用,其中抗干扰性能差是推广应用的一个瓶颈,究其原因,是缘于我国的电网波动较大,接入的干扰噪声较多并且没有进行较好的抑制。这给X-10在我国的推广应用带来相当大的困难。
X-10产品在智能家居中的应用框图如图1所示,遥控装置通过红外、电话或者网线等将信号发送到X-10的发射器上,发射器再通过电力线传给接收器,然后相应的接收控制器去控制相应的装置,本文首先分析了电力线载波传输中的干扰问题的来源,再给出了消除干扰的技术解决方案。
干扰来源分析
低压电力线一般由铜或其他电的良导体加工而成,其本身的阻抗很小。对不同频率的信号,其阻抗略有变化且相对稳定。因此,电力线本身的阻抗并不是产生干扰的主要原因。对于干扰问题分析从技术角度而言,利用电力线作为传输媒介,主要存在着以下几个干扰因素。
(1)脉冲噪声是电力线上最大的噪声源。噪声具有突变、高能和覆盖频率范围广的特点,对载波信号影响很大,不仅会造成信号误码率升高,而且可能使接收设备内部产生自干扰,严重影响整个系统的工作。
(2)信号衰减和阻抗变化,由于家用电器启停随机性大引起。如冰箱易造成电力负载变化大,使得电力线阻抗可从0.1Ω变到100Ω,信号衰减从55dB到100dB。
(3)持续谐波干扰。如开关电源产生的主谐波频率在50kHz以上,处于载波信号的频率范围。

抗干扰方案设计
为解决干扰问题,经研究分析需要在以下几个方面做改进。首先,要在线路进入用户住宅前采用新型的耦合器,该耦合器不仅能增强发送信号,更重要的是进行滤波;其次,在X-10的发射端也增加放大和耦合电路,通过带通滤波器以限制输出信号的频谱和减少谐波分量的电平;最后,在接收端除通过带通滤波器,来改善信噪比,再采用看门狗技术保证控制器快速复位。
● 新型藕合模块设计
电力线上紧连着的许多负载对信号衰落影响很大。尤其是那些用于调整电网功率团数的大电容,对几百kHz的载波通信信号来说,相当于短路。信号衰减由两部分组成,一是耦合衰减,二是线路衰减。理论上,可以将耦合器的内阻做得相当小,这样衰减就主要决定干线路的衰减。为保证电力安全、高速传输、可靠通信,可以设计新型的耦合方式,如图2所示。
该新型耦合装置的设计有如下特点。
(1)高频信号在电力线和中性线上是差分传输,能有效抑制共模干扰。
(2)形成了相-中性线、相-地和中性线-地三条通道,通道衰减较单纯的相地通道的衰减小。
(3)若电力线断路或者短路接地,仍然有中性线-地通道可传输信号,这就提高了通道运行的可靠性和传输质量。 
在发送方式时,耦合电路不仅用来把信号加到电力线上,也被用来当作带通滤波器,为的是消除电压小于指定电压部分在传输信号中的谐波。
● 放大模块设计
为避免线路传输中输出阻抗减弱信号,须在发射端增加放大装置。对此,可以设计出X-10发射端的放大和滤波电路,如图3所示。首先,通过两个三极管Q4、Q5和Q6建立一个标准的推挽式放大器。电阻R2、R3、R5和R6对Q2、Q3、Q4、Q6发射极的衰减,为的是独立地限定不匹配晶体管的输出支路的偏置电流。推挽式放大器通过由Q2和Q4两个共集电极放大器组成来极化。可以调整电阻的值来获得最佳特性的放大器从而限定系统的偏置电流。为了避免热敏式逃逸,必须强制连接热端Q3/Q4和Q2/Q6。这些晶体管的集电极使用时连接到金属包装。因此,两个晶体管将有同样的温度。线路激励的主要特性是高输入阻抗和低输出阻抗,并且增益可调可控。
为了使电力线上加载线路的驱动载波,在此使用一个变压器,其作用是向户内电力线上加载传送信号和过滤从电力线上来的传输信号中的谐波。使用的变压器是TOKO T1002N,有两个初级线圈和一个次级线圈。这些线圈的比例系数是4:1:1(匝数比)。变压器的初、次级的阻抗分别为9.4H和140H,变压器的初级线圈作为带通滤波器来使用。谐振频率为C4的传输频率。这两个线圈的等效值计算如下。
Leq = L初 + L次 + 2M

代入数据得出:

 

这个LC网络的谐振频率是根据C4和Leq得出:

电容C4采用线性的KS电容器或陶瓷电容,目的是防止谐波失真。使用C1开关电容滤波器滤出低频率信号并且让高频率(传输信号)信号通过。这些电容有一个必要的短路保护。由于这个变压器不能够承受800V的脉冲,电容C1将起到保护。附加的电容C2用来作为对任何可能出现的脉冲起到保护作用。

● 看门狗电路设计
在X-10接收端,借鉴上面的处理方法,信号进入接收端通过带通滤波器,来改善信噪比,重点改进之处是增加了看门狗电路,保证控制器芯片的正确运行,消除由干扰所导致的错误。控制器每隔一定的时间向输入端发送一个脉冲的指令。如果规定的时间内没有反馈信号传送到,将产生一个复位信号使芯片重新启动,如图4所示。

结束语
在按X-10组成的简易家居网中,采用了上述抗干扰措施后,测得的数据表明,在郊外,500m电力线衰减为25~30dB,可抗130dB左右的电动钻等噪声;在市里,500m长的线路衰减仅为5~10dB,可抗160dB左右的电动钻噪声。即使突变大干扰也可以使X-10接收器很快复位,恢复正常工作,使我国现有的电力线满足X-10载波技术的信号传输要求。

参考文献
1 徐海.电力线载波通信耦合单元.清华大学
自动化系,2002.10

(钱炜坤译)
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