如何設(shè)計(jì)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(shù),。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(chǔ)設(shè)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(shù)正在經(jīng)歷快速增長的階段，并找到了進(jìn)入多個應(yīng)用和市場領(lǐng)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(jì)量,、家用視頻分配、電動汽車等等,。全球在提倡節(jié)能,，這促進(jìn)了讓能源產(chǎn)生和能源消耗的設(shè)備互相通訊的需求。電力線通信提供了一個獨(dú)特的無需新建設(shè)施的方法,，使智能能量管理技術(shù)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(yīng)用來說也是一種低成本和易安裝的技術(shù),。
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(shù)。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(chǔ)設(shè)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(shù)正在經(jīng)歷快速增長的階段,，并找到了進(jìn)入多個應(yīng)用和市場領(lǐng)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(jì)量,、家用視頻分配、電動汽車等等,。全球在提倡節(jié)能，這促進(jìn)了讓能源產(chǎn)生和能源消耗的設(shè)備互相通訊的需求,。電力線通信提供了一個獨(dú)特的無需新建設(shè)施的方法,，使智能能量管理技術(shù)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(yīng)用來說也是一種低成本和易安裝的技術(shù)。
今天,，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能從超過十家半導(dǎo)體供應(yīng)商買到電力線通信器件,。這些器件很多都針對特定的應(yīng)用和市場進(jìn)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(shè)計(jì)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(jī)
2,。接收機(jī)
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(jī)調(diào)制信號并發(fā)送到電力線,。另一頭的接收機(jī)解調(diào)信號并接收數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)竭_(dá)接收機(jī)時信號被電力線的阻抗衰減了,。當(dāng)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(chǔ),，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(qiáng)度
2)電力線噪聲
3)電力網(wǎng)絡(luò)阻抗
4)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
5)接收機(jī)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(qiáng)度
較強(qiáng)的Tx信號意味著更多的信號功率經(jīng)過電力線。較強(qiáng)的信號是不易受電力線噪聲影響的,，可以傳輸?shù)馗h(yuǎn),。Tx信號的強(qiáng)度也會影響電力線通信節(jié)點(diǎn)功耗,，因?yàn)樾盘柲芰枯斎氲诫娏€越多,，節(jié)點(diǎn)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(jī)的信號強(qiáng)度,，直到他們達(dá)到電力線最佳的性能和功率消耗 ,。然而,，Tx信號強(qiáng)度受到一些組織的嚴(yán)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(dāng)選擇一個電力線通信設(shè)備時,，檢查一下Tx信號是否符合目標(biāo)市場的強(qiáng)度大小要求,。同時也應(yīng)該符合FCC和CENELEC標(biāo)準(zhǔn),。理想的情況是，Tx增益應(yīng)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(qiáng)度,。此外,，確認(rèn)PLC節(jié)點(diǎn)消耗多少能量,，從而達(dá)到FCC和CENELEC要求的最佳發(fā)射信號的強(qiáng)度,。當(dāng)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(qiáng)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(yù)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(jī)的開關(guān)。很難設(shè)計(jì)一個這樣的系統(tǒng),，其可忍受不可預(yù)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(yù)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?yàn)殡娏A(chǔ)設(shè)施最初是設(shè)計(jì)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(jī)移除,，或通過在產(chǎn)生噪聲設(shè)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(jī)信噪比,。
還有其他一些技術(shù)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(jī)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(shù)的最大缺點(diǎn)之一。雙向通訊可以使接收機(jī)成功接收數(shù)據(jù)后發(fā)出確認(rèn),。如果沒有收到確認(rèn),，發(fā)射機(jī)可以進(jìn)行糾正,。
- 重試：在一個雙向系統(tǒng),，通訊可以使用確認(rèn)機(jī)制------如果發(fā)射機(jī)沒有收到接收機(jī)的確認(rèn)，那么智能發(fā)射機(jī)可重發(fā)數(shù)據(jù)包,。如果將自動重試功能設(shè)計(jì)到電力線通信應(yīng)用中,，就成為可以在電力線上實(shí)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(jī)可以偵測到收到的任何錯誤的數(shù)據(jù)包,。當(dāng)檢測到一個錯誤的數(shù)據(jù)包時，接收機(jī)可以選擇要么請求發(fā)射機(jī)重發(fā)數(shù)據(jù)包或不發(fā)出承認(rèn)確認(rèn)(結(jié)果是觸發(fā)發(fā)射機(jī)自動發(fā)出數(shù)據(jù)包重試),。
- 自適應(yīng)增益控制：為了克服連續(xù)噪聲的影響,，一些電力線通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)增益控制(AGC),。利用AGC,，接收機(jī)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(rèn)機(jī)制，同時還有重試和CRC,，對噪聲控制會更有利,。
電力線網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(diǎn)/設(shè)備的阻抗。每次設(shè)備或節(jié)點(diǎn)插進(jìn)電源插座時電力線阻抗都會發(fā)生變化。當(dāng)電力線信號阻抗和發(fā)射機(jī)電路匹配時,，傳輸?shù)男盘柟β首畲?。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(tài)變化是在電力線通訊中最棘手的問題之一,。如果想要達(dá)到的電力信號性能的魯棒性,，那么電力線通信的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)需要事先設(shè)計(jì)能預(yù)測這些阻抗的變化,。發(fā)射機(jī)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(jī)高阻抗可以確保接收端信號丟失最少,。
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議
一個良好的魯棒性和無差錯的網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)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(luò)協(xié)議的實(shí)施可顯著提高PLC的性能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議可以使PLC系統(tǒng)成功或失敗,，使用正確的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，有可能達(dá)到100%成功的電力線通信。
考慮到大多數(shù)電力線通信應(yīng)用支持同一電力線上有數(shù)十到數(shù)百節(jié)點(diǎn)連接,，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判斷,，這樣所有節(jié)點(diǎn)可以公平地共享線上可用帶寬，沒有一個節(jié)點(diǎn)可以獨(dú)占通信通道,。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的定義和實(shí)施也確定了可以在同一條線上通訊的PLC節(jié)點(diǎn)最大數(shù)量,。這篇文章所討論的噪聲章節(jié),，其大部分技術(shù)中可以用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)，例如,，確認(rèn)、重試,、CRC,。跑在PLC系統(tǒng)上的程序?qū)崿F(xiàn)方式,，不必?fù)?dān)心其技術(shù)實(shí)現(xiàn),。從應(yīng)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(shè)備內(nèi)置了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，而另一些則要求開發(fā)人員定義,、寫代碼,、并進(jìn)行管理。如果協(xié)議不能在PLC設(shè)備本身運(yùn)行,，開發(fā)人員需要考慮指定另一個處理器來運(yùn)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(diǎn)可以與其他廠商的共存,。PLC設(shè)備以令人難以置信的速度增長,，這是保證PLC設(shè)備部署面向未來的一個重要方式。
圖4：多個PLC節(jié)點(diǎn)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(jī)(Rx)靈敏度
根據(jù)電力線的特點(diǎn),、負(fù)載、和通過電力線的分段長度,，信號在接收機(jī)接收之前會明顯減弱,。有較高接收靈敏度的接收機(jī) (也就是說，它可以可靠地接收到非常低強(qiáng)度的信號)可以從線上收到較低強(qiáng)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(jī)，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(jī)制可以有效的防止接收機(jī)把噪聲混淆為實(shí)際信號,。自適應(yīng)增益控制(AGC)就是可以達(dá)到這個目的一種機(jī)制。就象之前討論的,，使用自適應(yīng)增益控制,，接收機(jī)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?yàn)榇蠖鄶?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?。相鄰相位很可能就在同一幢房子里。這就產(chǎn)生了一個潛在的問題,，PLC信號不能到達(dá)房子或建筑物的所有相位,。這是完全依賴于變壓器的設(shè)計(jì)。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(shù)可以做到這一點(diǎn):
1)電容式相耦合:這種技術(shù)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(shù)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(shè)備—每個相位連接一個。這兩個設(shè)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(shí)施這一技術(shù)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(shè)備出廠時就有無線耦合可供選擇，而另一些設(shè)備沒有無線耦合選項(xiàng),，需要設(shè)計(jì)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(guān)鍵的設(shè)計(jì)因素，同時,，為了在市場上進(jìn)行競爭,，它也必須減少系統(tǒng)成本。當(dāng)把電力線通信添加到系統(tǒng)時,，一些設(shè)計(jì)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(guān)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(luò)協(xié)議的實(shí)施
•制板和PCB設(shè)計(jì)
•FCC認(rèn)證，CENELEC ,，UL標(biāo)準(zhǔn) ,。
圖5:實(shí)施電力線通信解決方案涉及的費(fèi)用
開發(fā)人員可以把盡可能多的這些費(fèi)用項(xiàng)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(luò)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(luò)協(xié)議)。集成其他的系統(tǒng)功能（比如能源測量,、LCD驅(qū)動,、溫度感應(yīng)、負(fù)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(fù)雜性(圖6),。許多PLC控制器也可以提供FCC、CENELEC和UL標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證了的參考設(shè)計(jì),，可以進(jìn)一步加速開發(fā)進(jìn)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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