如何設計可靠的電力線通信
摘要： 電力線通信(PLC)是一種采用電力線作為通訊介質的通信技術。在與供電同一根電力線上傳輸數據，從而可以將房屋或汽車現有的電力基礎設施用于傳輸數據，而不需要增新加電線。電力線通信技術正在經歷快速增長的階段，并找到了進入多個應用和市場領域的方式，包括智能電網、照明控制、太陽能面板監控、能量計量、家用視頻分配、電動汽車等等。全球在提倡節能，這促進了讓能源產生和能源消耗的設備互相通訊的需求。電力線通信提供了一個獨特的無需新建設施的方法，使智能能量管理技術快速遍布世界各地。和無線解決方案不同，電力線通信不受視線和傳輸范圍的限制。電力線通信對于很多應用來說也是一種低成本和易安裝的技術。
Abstract：
Key words :
電力線通信(PLC)是一種采用電力線作為通訊介質的通信技術。在與供電同一根電力線上傳輸數據，從而可以將房屋或汽車現有的電力基礎設施用于傳輸數據，而不需要增新加電線。電力線通信技術正在經歷快速增長的階段，并找到了進入多個應用和市場領域的方式，包括智能電網、照明控制、太陽能面板監控、能量計量、家用視頻分配、電動汽車等等。全球在提倡節能，這促進了讓能源產生和能源消耗的設備互相通訊的需求。電力線通信提供了一個獨特的無需新建設施的方法，使智能能量管理技術快速遍布世界各地。和無線解決方案不同，電力線通信不受視線和傳輸范圍的限制。電力線通信對于很多應用來說也是一種低成本和易安裝的技術。
今天，系統設計者能從超過十家半導體供應商買到電力線通信器件。這些器件很多都針對特定的應用和市場進行了優化。現在有如此廣泛的選擇余地，開發人員需要懂得影響電力線通信系統性能和可靠性的因素，并能克服通常的設計挑戰。
任何通信系統都包括四個主要組成部分:
1。發射機
2。接收機
3。通訊介質
4。信號本身
如前面提到的，在電力線通信的通訊介質是電力線。圖1顯示了一個通用電力線通信系統框圖。發射機調制信號并發送到電力線。另一頭的接收機解調信號并接收數據。當到達接收機時信號被電力線的阻抗衰減了。當信號通過電力時，介質中的任何噪聲也會破壞信號。
圖1:一個典型的電力線通信系統框圖。電力線阻抗衰減了傳輸信號的。線路噪聲可明顯影響信號。
簡要地介紹了一下基礎，讓我們逐個介紹一下影響電力線通信系統性能和可靠性的因素。這些因素包括:
1)發送信號強度
2)電力線噪聲
3)電力網絡阻抗
4)網絡協議
5)接收機靈敏度
對于這些因素我會逐個做一些建議。最后，也會討論一下多個階段和系統成本。
發送(Tx)信號的強度
較強的Tx信號意味著更多的信號功率經過電力線。較強的信號是不易受電力線噪聲影響的，可以傳輸地更遠。Tx信號的強度也會影響電力線通信節點功耗，因為信號能量輸入到電力線越多，節點消耗的能量也越多。
更理想的情況是，開發人員會增加發射機的信號強度，直到他們達到電力線最佳的性能和功率消耗 。然而，Tx信號強度受到一些組織的嚴密的控制的，如北美的FCC和歐洲的CENELEC。FCC和CENELEC也規范聲波，可以由主Tx信號傳輸到電力線。這些法規要做的是，防止不同頻帶的信號互相干擾。
當選擇一個電力線通信設備時，檢查一下Tx信號是否符合目標市場的強度大小要求。同時也應該符合FCC和CENELEC標準。理想的情況是，Tx增益應該是可配置的，這樣你可以根據其他系統調試Tx信號強度。此外，確認PLC節點消耗多少能量，從而達到FCC和CENELEC要求的最佳發射信號的強度。當然，能量消耗越少越好。
電力線噪聲
一旦發射信號注入到電力線，其完整性取決于線路上噪聲大小-噪聲越強對噪聲的信號破壞就越大。電力線噪聲可以來自多個方面。電力線噪聲可以簡單地分為兩種類型:脈沖型和連續型。
脈沖噪聲是不可預知的，并以脈沖序列出現，如圖2所示。例如，這種類型的噪聲可以來自于一個在廚房里攪拌機的開關。很難設計一個這樣的系統，其可忍受不可預測的，巨大的脈沖噪聲而不降低數據速率。更常見的情況是，這種類型的噪聲會完全覆蓋線路上的任何數據包。
圖2:電力線脈沖噪聲
連續噪聲，在另一方面，比脈沖噪聲更容易預測 (見圖3)。連續噪聲通常取決于社區，城市，或國家的電力線安裝質量。因為電力基礎設施最初是設計來用于有效地傳輸電力而不是數據，所以電力線安裝時很少注意到線路的噪聲水平。根據系統工作在地球的哪個地方，電力線噪聲可能大也可能小。
圖3:電力線連續噪聲
為了能夠在電力線上魯棒性通訊，信噪比(SNR)需要保持在一定的閾值。如果在PLC系統頻率范圍內有高振幅的連續噪聲，最好要隔離噪聲，可以通過從PLC接收機移除，或通過在產生噪聲設備供電端增加一個攔截電感，來削弱噪聲頻率使其低于接收機信噪比。
還有其他一些技術可以使開發人員克服噪聲的影響:
- 雙向通訊:如果PLC系統只是單方向通訊，那么沒有任何方法使發射機知道通訊是成功還是失敗。這是原始單向X10電力線通信技術的最大缺點之一。雙向通訊可以使接收機成功接收數據后發出確認。如果沒有收到確認，發射機可以進行糾正。
- 重試：在一個雙向系統，通訊可以使用確認機制------如果發射機沒有收到接收機的確認，那么智能發射機可重發數據包。如果將自動重試功能設計到電力線通信應用中，就成為可以在電力線上實現高可靠性通信的一個非常有用的手段。
- 錯誤檢測：即使數據包被成功地收到，我們也需要檢查其是否受到噪聲破壞。這就是循環冗余檢查(CRC)發揮的作用。CRC使得接收機可以偵測到收到的任何錯誤的數據包。當檢測到一個錯誤的數據包時，接收機可以選擇要么請求發射機重發數據包或不發出承認確認(結果是觸發發射機自動發出數據包重試)。
- 自適應增益控制：為了克服連續噪聲的影響，一些電力線通信設備可以實現自適應增益控制(AGC)。利用AGC，接收機可以在噪聲平面動態調整靈敏度，所以它能更好的區分噪聲和數據。
很明顯，一個系統里調解或克服噪聲的方法越多，那么這個系統就越可靠。具備雙向通訊的確認機制，同時還有重試和CRC，對噪聲控制會更有利。
電力線網絡阻抗
電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發射機傳輸到電力線。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節點/設備的阻抗。每次設備或節點插進電源插座時電力線阻抗都會發生變化。當電力線信號阻抗和發射機電路匹配時，傳輸的信號功率最大。這兩個阻抗相差越大，傳輸信號功率越小，因而，電力線通信性能會更差。
這種阻抗動態變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一。如果想要達到的電力信號性能的魯棒性，那么電力線通信的發射機和接收機需要事先設計能預測這些阻抗的變化。發射機的不斷地和電力線匹配阻抗，可以使信號最大化傳輸，同時接收機高阻抗可以確保接收端信號丟失最少。
網絡協議
一個良好的魯棒性和無差錯的網絡協議可能對電力線通信的可靠性有最大的影響。系統設計很少有不受物理因素控制的，如噪聲和電力線阻抗，最優化電力線通信網絡協議的實施可顯著提高PLC的性能。網絡協議可以使PLC系統成功或失敗，使用正確的網絡協議，有可能達到100%成功的電力線通信。
考慮到大多數電力線通信應用支持同一電力線上有數十到數百節點連接，網絡協議對節點間的數據包進行判斷，這樣所有節點可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個節點可以獨占通信通道。網絡協議的定義和實施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節點最大數量。這篇文章所討論的噪聲章節，其大部分技術中可以用網絡協議實現，例如，確認、重試、CRC。跑在PLC系統上的程序實現方式，不必擔心其技術實現。從應用程序來看，軟件只會收到有效的電力線通信數據。一些電力線通信設備內置了網絡協議，而另一些則要求開發人員定義、寫代碼、并進行管理。如果協議不能在PLC設備本身運行，開發人員需要考慮指定另一個處理器來運行協議。
另一個重要的方面就是互操作性和共處。CENELEC委員會的載波偵聽多路訪問(CSMA) (見圖4)確保了一套電力線通信節點可以與其他廠商的共存。PLC設備以令人難以置信的速度增長，這是保證PLC設備部署面向未來的一個重要方式。
圖4：多個PLC節點共享同一條電力線
CENELEC委員會的載波偵聽多路訪問(CSMA)方法確保了多個節電可以在同一條電力線共存并有效的共享訪問。
接收機(Rx)靈敏度
根據電力線的特點、負載、和通過電力線的分段長度，信號在接收機接收之前會明顯減弱。有較高接收靈敏度的接收機 (也就是說，它可以可靠地接收到非常低強度的信號)可以從線上收到較低強度的信號，從而可以增加有效的通訊距離。然而，高靈敏度并不總是好的。例如，一個高靈敏度的接收機，不僅能檢測到小信號，它也能檢測到通道中的小噪聲。因此，重要的是，需要有一個機制可以有效的防止接收機把噪聲混淆為實際信號。自適應增益控制(AGC)就是可以達到這個目的一種機制。就象之前討論的，使用自適應增益控制，接收機可以在噪聲平面動態調整靈敏度，這樣它就可以更好的區分噪聲和數據。
多個相位
大多數的建筑物有50Hz / 60 Hz變壓器產生的多個相位。因為大多數PLC信號工作在較高的頻率，所以有一種可能，就是信號會被變壓器過濾掉，因而無法傳輸到相鄰的相位。相鄰相位很可能就在同一幢房子里。這就產生了一個潛在的問題，PLC信號不能到達房子或建筑物的所有相位。這是完全依賴于變壓器的設計。解決這個問題的辦法是，把PLC信號從一個相位耦合到到另一個。有兩種大家都了解的技術可以做到這一點:
1)電容式相耦合:這種技術需要在變壓器端連接一個電容穿過相位， PLC信號可以通過。在這里，變壓器的物理訪問是必需的，在許多情況下這種方法可能不可行或性價比高。
2):無線相耦合：在這種技術中，PLC數據從一個相位傳輸到另一個時使用了兩種射頻設備—每個相位連接一個。這兩個設備可以連接到相位的任何插座，只要他們都在彼此的范圍。實施這一技術不需要用到變壓器的物理存取。
無線耦合不會打擾到變壓器，因此在大多數情況下它比電容耦合更受歡迎。一些電力線通信設備出廠時就有無線耦合可供選擇，而另一些設備沒有無線耦合選項，需要設計者自己開發一種相位耦合方式。
系統成本
電力線通信中可靠性是一個關鍵的設計因素，同時，為了在市場上進行競爭，它也必須減少系統成本。當把電力線通信添加到系統時，一些設計者總是積極洽談芯片的價格，而忽略增加電力線通信功能到他們系統的整體成本。需要保證的是，要更加全面地看待電力線通信給系統增加的成本。
電力線通信成本可以廣泛地分為材料(BOM)成本和開發成本，見圖5。BOM成本包括所有組成系統的IC和元件的成本，包括PLC和其他系統相關功能。另一方面，開發成本包括其他資源的成本，包括:
•網絡協議的實施
•制板和PCB設計
•FCC認證，CENELEC ，UL標準 。
圖5:實施電力線通信解決方案涉及的費用
開發人員可以把盡可能多的這些費用項目通過整合，放到最少的器件中，從而降低系統成本。例如，同一顆IC既支持調制解調器又支持網絡協議就會比使用分立IC的成本低(也就是說，一顆用于調制解調器，另一顆用于網絡協議)。集成其他的系統功能（比如能源測量、LCD驅動、溫度感應、負載控制）也會降低系統成本，同時也可降低整合與開發的復雜性(圖6)。許多PLC控制器也可以提供FCC、CENELEC和UL標準認證了的參考設計，可以進一步加速開發進度。總的來說， PLC方案越完整，開發所用的時間和成本就會越少。
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