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(zhì)的通信技術。在與供電同一根電力線上傳輸數(shù)據(jù)，從而可以將房屋或汽車現(xiàn)有的電力基礎設施用于傳輸數(shù)據(jù)，而不需要增新加電線。電力線通信技術正在經(jīng)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(wǎng)、照明控制、太陽能面板監(jiān)控、能量計量、家用視頻分配、電動汽車等等。全球在提倡節(jié)能，這促進了讓能源產(chǎn)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(zhì)的通信技術。在與供電同一根電力線上傳輸數(shù)據(jù)，從而可以將房屋或汽車現(xiàn)有的電力基礎設施用于傳輸數(shù)據(jù)，而不需要增新加電線。電力線通信技術正在經(jīng)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(wǎng)、照明控制、太陽能面板監(jiān)控、能量計量、家用視頻分配、電動汽車等等。全球在提倡節(jié)能，這促進了讓能源產(chǎn)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(tǒng)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(yōu)化。現(xiàn)在有如此廣泛的選擇余地，開發(fā)人員需要懂得影響電力線通信系統(tǒng)性能和可靠性的因素，并能克服通常的設計挑戰(zhàn)。
任何通信系統(tǒng)都包括四個主要組成部分:
1。發(fā)射機
2。接收機
3。通訊介質(zhì)
4。信號本身
如前面提到的，在電力線通信的通訊介質(zhì)是電力線。圖1顯示了一個通用電力線通信系統(tǒng)框圖。發(fā)射機調(diào)制信號并發(fā)送到電力線。另一頭的接收機解調(diào)信號并接收數(shù)據(jù)。當?shù)竭_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(zhì)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(tǒng)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(tǒng)性能和可靠性的因素。這些因素包括:
1)發(fā)送信號強度
2)電力線噪聲
3)電力網(wǎng)絡阻抗
4)網(wǎng)絡協(xié)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(tǒng)成本。
發(fā)送(Tx)信號的強度
較強的Tx信號意味著更多的信號功率經(jīng)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?shù)馗h。Tx信號的強度也會影響電力線通信節(jié)點功耗，因為信號能量輸入到電力線越多，節(jié)點消耗的能量也越多。
更理想的情況是，開發(fā)人員會增加發(fā)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(guī)范聲波，可以由主Tx信號傳輸?shù)诫娏€。這些法規(guī)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(jù)其他系統(tǒng)調(diào)試Tx信號強度。此外，確認PLC節(jié)點消耗多少能量，從而達到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號的強度。當然，能量消耗越少越好。
電力線噪聲
一旦發(fā)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(xù)型。
脈沖噪聲是不可預知的，并以脈沖序列出現(xiàn)，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(tǒng)，其可忍受不可預測的，巨大的脈沖噪聲而不降低數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包。
圖2:電力線脈沖噪聲
連續(xù)噪聲，在另一方面，比脈沖噪聲更容易預測 (見圖3)。連續(xù)噪聲通常取決于社區(qū)，城市，或國家的電力線安裝質(zhì)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(shù)據(jù)，所以電力線安裝時很少注意到線路的噪聲水平。根據(jù)系統(tǒng)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(xù)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(tǒng)頻率范圍內(nèi)有高振幅的連續(xù)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(chǎn)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(fā)人員克服噪聲的影響:
- 雙向通訊:如果PLC系統(tǒng)只是單方向通訊，那么沒有任何方法使發(fā)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(shù)據(jù)后發(fā)出確認。如果沒有收到確認，發(fā)射機可以進行糾正。
- 重試：在一個雙向系統(tǒng)，通訊可以使用確認機制------如果發(fā)射機沒有收到接收機的確認，那么智能發(fā)射機可重發(fā)數(shù)據(jù)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(xiàn)高可靠性通信的一個非常有用的手段。
- 錯誤檢測：即使數(shù)據(jù)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(huán)冗余檢查(CRC)發(fā)揮的作用。CRC使得接收機可以偵測到收到的任何錯誤的數(shù)據(jù)包。當檢測到一個錯誤的數(shù)據(jù)包時，接收機可以選擇要么請求發(fā)射機重發(fā)數(shù)據(jù)包或不發(fā)出承認確認(結果是觸發(fā)發(fā)射機自動發(fā)出數(shù)據(jù)包重試)。
- 自適應增益控制：為了克服連續(xù)噪聲的影響，一些電力線通信設備可以實現(xiàn)自適應增益控制(AGC)。利用AGC，接收機可以在噪聲平面動態(tài)調(diào)整靈敏度，所以它能更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。
很明顯，一個系統(tǒng)里調(diào)解或克服噪聲的方法越多，那么這個系統(tǒng)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(wǎng)絡阻抗
電力線上的信號阻抗會影響信號功率，可以由發(fā)射機傳輸?shù)诫娏€。此阻抗依賴于電力線和連接到電力線的節(jié)點/設備的阻抗。每次設備或節(jié)點插進電源插座時電力線阻抗都會發(fā)生變化。當電力線信號阻抗和發(fā)射機電路匹配時，傳輸?shù)男盘柟β首畲蟆＿@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(tài)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(fā)射機和接收機需要事先設計能預測這些阻抗的變化。發(fā)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(wǎng)絡協(xié)議
一個良好的魯棒性和無差錯的網(wǎng)絡協(xié)議可能對電力線通信的可靠性有最大的影響。系統(tǒng)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(yōu)化電力線通信網(wǎng)絡協(xié)議的實施可顯著提高PLC的性能。網(wǎng)絡協(xié)議可以使PLC系統(tǒng)成功或失敗，使用正確的網(wǎng)絡協(xié)議，有可能達到100%成功的電力線通信。
考慮到大多數(shù)電力線通信應用支持同一電力線上有數(shù)十到數(shù)百節(jié)點連接，網(wǎng)絡協(xié)議對節(jié)點間的數(shù)據(jù)包進行判斷，這樣所有節(jié)點可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個節(jié)點可以獨占通信通道。網(wǎng)絡協(xié)議的定義和實施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節(jié)點最大數(shù)量。這篇文章所討論的噪聲章節(jié)，其大部分技術中可以用網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)，例如，確認、重試、CRC。跑在PLC系統(tǒng)上的程序實現(xiàn)方式，不必擔心其技術實現(xiàn)。從應用程序來看，軟件只會收到有效的電力線通信數(shù)據(jù)。一些電力線通信設備內(nèi)置了網(wǎng)絡協(xié)議，而另一些則要求開發(fā)人員定義、寫代碼、并進行管理。如果協(xié)議不能在PLC設備本身運行，開發(fā)人員需要考慮指定另一個處理器來運行協(xié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jù)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(tài)調(diào)整靈敏度，這樣它就可以更好的區(qū)分噪聲和數(shù)據(jù)。
多個相位
大多數(shù)的建筑物有50Hz / 60 Hz變壓器產(chǎn)生的多個相位。因為大多數(shù)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?shù)较噜彽南辔弧Ｏ噜徬辔缓芸赡芫驮谕淮狈孔永铩＿@就產(chǎn)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(shù)據(jù)從一個相位傳輸?shù)搅硪粋€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(shù)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(fā)一種相位耦合方式。
系統(tǒng)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(tǒng)成本。當把電力線通信添加到系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)成本，見圖5。BOM成本包括所有組成系統(tǒng)的IC和元件的成本，包括PLC和其他系統(tǒng)相關功能。另一方面，開發(fā)成本包括其他資源的成本，包括:
•網(wǎng)絡協(xié)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(fā)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(tǒng)成本。例如，同一顆IC既支持調(diào)制解調(diào)器又支持網(wǎng)絡協(xié)議就會比使用分立IC的成本低(也就是說，一顆用于調(diào)制解調(diào)器，另一顆用于網(wǎng)絡協(xié)議)。集成其他的系統(tǒng)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(tǒng)成本，同時也可降低整合與開發(fā)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(fā)進度。總的來說， PLC方案越完整，開發(fā)所用的時間和成本就會越少。
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